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一種可編程的全數(shù)字鎖相環(huán)路的實現(xiàn)
摘要：介紹了一種基于FPGA可編程技術(shù)實現(xiàn)的用于無線通信實驗系統(tǒng)的全數(shù)字鎖相環(huán)路。詳細敘述了其工作原理、工作性能、電路實現(xiàn)和仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：FPGA 全數(shù)字鎖相環(huán)路 VHDL語言
鎖相環(huán)路已在模擬和數(shù)字通信及無線電電子學(xué)等各個領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)和位同步中常常要用到各種各樣的鎖相環(huán)。鎖相就是利用輸入信號與輸出信號之間的相位誤差自動調(diào)節(jié)輸出相位使之與輸入相位一致，或保持一個很小的相位差。最初的鎖相環(huán)全部由模擬電路組成，隨著大規(guī)模、超高速數(shù)字集成電路的發(fā)展及計算機的普遍應(yīng)用，出現(xiàn)了全數(shù)字鎖相環(huán)路。所謂全數(shù)字鎖相環(huán)路，就是環(huán)路部件全部數(shù)字化，采用數(shù)字鑒相器(DPD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)、數(shù)控振蕩器(DCO)構(gòu)成鎖相環(huán)路。在用Altera公司的EPFl0K10TCl44-3芯片設(shè)計一種無線通信實驗系統(tǒng)的FSK、DPSK、QAM調(diào)制解調(diào)器時，利用剩余的10％FPGA資源設(shè)計出了一種可編程全數(shù)字鎖相環(huán)路，它成功地為該通信實驗系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器提供了64kHz、56kHz和16kHz三種精確、穩(wěn)定的時鐘信號。
1 全數(shù)字鎖相環(huán)的電路設(shè)計
1．1 DPLL工作原理分析
所設(shè)計的全數(shù)字鎖相環(huán)路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，數(shù)字鑒相器由異或門EXOR構(gòu)成，數(shù)字環(huán)路濾波器由變�？赡嬗嫈�(shù)器Q構(gòu)成，數(shù)控振蕩器由加／減脈沖控制器I／D和模N計數(shù)器組成�？赡嬗嫈�(shù)器和加／減脈沖控制器的時鐘頻率分別是Mf0和2Nf0。這里f0是環(huán)路的中心頻率，為64kHz。Mf0等于14336kHz，由晶振電路產(chǎn)生，它經(jīng)模H計數(shù)器分頻后得到2Nf0的時鐘頻率。異或門鑒相器用于比較輸入信號IN64與數(shù)控振蕩器輸出信號OUT64的相位差，其輸出信號ud作為可逆計數(shù)器的計數(shù)方向控制信號。當(dāng)ud為低電平時，可逆計數(shù)器作“加”計數(shù)；反之，可逆計數(shù)器作“減”計數(shù)。當(dāng)環(huán)路鎖定時，IN64和OUT64正交，鑒相器的輸出信號ud為50％占空比的方波。在這種情況下，可逆計數(shù)器“加”與“減”的周期相同，只要可逆計數(shù)器的模值K足夠大(K>M／4)，其輸出端就不會產(chǎn)生進位或借位脈沖。這時，加／減脈沖控制器只對頻率為2Nf0的時鐘進行二分頻，使IN64和OUT64的相位保持正交。在環(huán)路未鎖定的情況下，若ud為低電平時，可逆計數(shù)器進行加計數(shù)，并產(chǎn)生進位脈沖作用到加／減脈沖控制器的“加”控制端INC，該控制器便在二分頻過程中加入半個時鐘周期；反之，若ud為高電平，可逆計數(shù)器進行減計數(shù)，并產(chǎn)生借位脈沖作用到加／減脈沖控制器的“減”輸入端DEC，該控制器便在二分頻的過程中減去半個時鐘周期，這個過程是連續(xù)發(fā)生的。加／減脈沖控制器的輸出經(jīng)過模N計數(shù)器分頻后，得到輸出信號OUT64，它的相位不斷受到調(diào)整控制，最終達到鎖定狀態(tài)。最后只要對OUT64進行4分頻就能得到16kHz的輸出信號OUTl6，對加／減脈沖控制器的輸出進行P分頻就能得到56kHz的輸出信號OUT56。
圖1
該全數(shù)字鎖相環(huán)的三個輸出信號的頻率分別為64kHz、56kHz和16kHz，經(jīng)過計算可確定鎖相環(huán)的參數(shù)M、N和P。設(shè)H=8，因為Mf0＝14336kHz=4×4×2×7×64kHz，故M=4×4×2×7=224。因為2Nf0＝Mf0／H=4×4×2×7×64kHz／8=2×2×7×64kHz=2×2×8×56kHz，故N＝14、P＝16。
1．2 DPLL電路實現(xiàn)
1．2．1 數(shù)字鑒相器
數(shù)字鑒相器由異或門構(gòu)成，并使用VHDL語言編程來實現(xiàn)。異或鑒相器比較輸入信號IN64和輸出信號OUT64之間的相位差，輸出誤差信號ud作為可逆計數(shù)器Q的計數(shù)方向信號。環(huán)路鎖定時，ud為一個占空比為50％的方波，此時的絕對相位差為90°，因此異或鑒相器相位差極限為±90°。
圖2
1．2．2 數(shù)字環(huán)路濾波器
數(shù)字環(huán)路濾波器由變�？赡嬗嫈�(shù)器Q構(gòu)成。在ud的控制下，當(dāng)j＝0時，Q對時鐘Mf0進行“加”計數(shù)；當(dāng)j＝1時，Q對時鐘Mf0進行“減”計數(shù)�？赡嬗嫈�(shù)器的模數(shù)K可以通過Ka、Kb、Kc、Kd四個輸入端進行預(yù)置，當(dāng)Ka、Kb、Kc、Kd在0001～1110取值時，相應(yīng)模數(shù)的變化范圍是2 3～2 16。數(shù)字環(huán)路濾波器用VHDL語言編程實現(xiàn)，其程序如下：
library ieee；
use ieee．std_logic_1164．a(chǎn)ll；
use ieee．std_logic_unsigned．a(chǎn)ll；
entity count_zj is
port(clkl，j，Kd，Kc，Kb，Ka，en：in std_logic；
INC，DEC：out std_logic)；
End count_zj；
architecture behave Of eonnt_zj is
signal cq，k，mo
，k2，mo2，cql：std_logic_vector(16 downto 0)；
signal caol，cao2，caoll，cao22，caolll，cao222：std_logic；
signal instruction，aa，q1，q2：std_lOgic_vector(3 downto 0)；
begin
instruction<=Kd & Kc & Kb & Ka；
aa<=instruction+1；
with instruction select
mo<＝“00000000000000111”when“0001”，
“0000000000000t111”when“0010”，
“000(0)0(000~11111”when“0011”，
“00000000000111111”when“0100”，
“00000000001111111”when“0101”，
“00000000011111111”when“0110”，
“00000000111111111”when“0111”，
“00000001111111111”when“1000”，
“00000011111111111”when“1001”，
“00000111111111111”when“1010”，
“00001111111111111”when“1011”，
“00011111111111111”when“1100”，
“00111111111111111”when“1101”，
“01111111111111111”when“1110”，
“11111111111111111”when“1111”，
“00000000000000111”when others；
with aa select
m02<＝“00000000000000111”when“0001”，
“00000000000001111”when“0010”，
“00000000000011111”when“0011”，
“00000000000111111”when“0100”，
“00000000001111111”when“0101”，
“00000000011111111”when“0110”，
“00000000111111111”when“0111”，
“00000001111111111”when“1000”，
“00000011111111111”when“1001”，
“00000111111111111”when“1010”，
“00001111111111111”when“1011”，
“00011111111111111”when“1100”，
“00111111111111111”when“1101”，
“01111111111111111”when“1110”，
“11111111111111111”when“1111”，
“00000000000000111”when othels；
process(clkl，j，mo，en)
begin
if(clkl’event and clkl＝‘1’)then
k<＝mo；
k2<＝mo+1；
if(ell＝‘0’)then
cq<＝“00000000000000000”；
cql<＝mo2；
elSe
if(j＝‘0’)then
if(cq＝k)then
cao1<＝‘1’；
cao2<＝‘0’；
cq<＝(others=>‘0’)；
elSe
cao1<＝‘0’；
cao2<＝‘0’；
cq<＝cq+‘1’；
cql<＝cql+‘1’；
end if；
elsif(j＝‘1’)then
if(cql＝k2)theH
cao1<＝‘0’；
cao2<＝‘1’；
cql<＝mo2；
elSe
cao1<＝‘O’；
cao2<＝‘O’；
cq<＝cq-‘1’；
cql<＝cql-‘1’；
end if；
end if；
end if；
end if；
end process；
process(clkl，cao1)
begin
cao111<=cao11 or cao1
if(clkl’event and clkl＝‘1’)then
if(cao111＝‘1’)then
ca011<＝‘1’；
if(q1＝“1111”)then
cao11<＝‘O’；
q1<＝“0000”；
elSe
q1<＝q1＋‘1’；
end if；
end if；
end if；
end process；
process(clkl，cao2)
beSin
cao222<=cao22 or cao2；
if(clkl’event and clkl＝‘1’)then
if(ca0222＝‘1’)then
cao22<＝‘1’；
if(q2＝“1111”)then
cao22<＝‘0’；
q2<＝“0000”；
e1Se
q2<＝q2+‘1’；
end if；
eHd if；
end if；
end process；
INC<＝gao11；
DEC<=cao222；
end behave；
1．2．3 數(shù)控振蕩器
數(shù)控振蕩器采用加／減脈沖控制器I／D和模N計數(shù)器實現(xiàn)，它的輸出是一脈沖序列，周期受數(shù)字環(huán)路濾波器送來的進位或借位校正信號控制。圖2是加／減脈沖控制器硬件電路圖，該電路由四片7474芯片和一片JK觸發(fā)器以及其它一些邏輯門構(gòu)成。
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1．3 DPLL工作性能分析
可逆計數(shù)器Q可看作一個模K分頻器，其輸出頻率為：
fQout＝(KeΦeMf0)／K(Hz) (1)
式中，Φe為相位差，Ke為其系數(shù)。
加／減脈沖控制器I／D的輸出頻率為：
fI/Dout＝Nf0+(KeΦeMf0)／(2K)(Hz) (2)
經(jīng)模N計數(shù)器分頻后，鎖相環(huán)路的輸出信號OUT64的頻率為：
fouT64=f0+(KeΦeMf0)／(2KN)(Hz) (3)
由于鎖定的極限范圍為KeΦe＝±1，所以從公式(3)可以得到環(huán)路的捕捉帶：
△fmax＝(ffouT64)max-f0＝Mf0(2KN)(Hz) (4)
上式表明，M和N確定后，變化可逆計數(shù)器Q的模K可以改變環(huán)路的捕捉帶。
環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，環(huán)路輸出頻率fouT64必定和輸入信號的頻率fIN64相等，但同時存在一個穩(wěn)態(tài)相位誤差。由式(3)可得：
Φe(∞)＝2KN(fIN64-f0)／(KeMf0) (5)
值得注意的是，即使環(huán)路在鎖定狀態(tài)下，如果K值取得太小，則可逆計數(shù)器因頻繁的循環(huán)計數(shù)會產(chǎn)生進位或借位脈沖，從而導(dǎo)致了相位抖動，增加了同步誤差。為了減少這種相位抖動，K值必須大于M／4。但K值取得太大會延長環(huán)路鎖定時間和減小捕捉帶，因此選擇一個適當(dāng)?shù)腒值相當(dāng)重要。
圖4
2 全數(shù)字鎖相環(huán)仿真驗證與分析
2．1 鎖定時間
變�？赡嬗嫈�(shù)器的模數(shù)K對DPLL的鎖定時間起著關(guān)鍵的作用。圖3為K=2 6時DPLL的輸出仿真波形。環(huán)路達到鎖定狀態(tài)的仿真時間為371．3μs，而K=2 8時環(huán)路達到鎖定狀態(tài)的仿真時間為1．54ms。由此可見，模K越大，環(huán)路進入鎖定狀態(tài)的時間越長。
2．2 捕捉帶
根據(jù)公式(4)可以得到這樣的結(jié)論：模數(shù)K越大，捕捉帶就越小。在本設(shè)計中，模數(shù)K的變化范圍是2 6～2 16，相應(yīng)捕捉帶的范圍是32kHz～85．3kHz。
2．3 同步帶
在本設(shè)計中，中心頻率為64kHz。將輸入信號頻率偏移該中心頻率，恰能使DPLL鎖定的頻率范圍為同步帶。經(jīng)過測試，同步帶范圍是63．82kHz～64．1kHz。圖4顯示的是DPLL在同步帶上邊界時的鎖定波形。
2．4 DPLL系統(tǒng)仿真結(jié)果
DPLL的系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。圖中所顯示的OUTl6、OUT56、OUT64輸出信號符合設(shè)計要求。
DPLL設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)集中在數(shù)字環(huán)路濾波器和數(shù)控振蕩器上。數(shù)字環(huán)路濾波器可以看成模數(shù)K可預(yù)置的可逆計數(shù)器，這個可逆計數(shù)器與其它計數(shù)器最大的區(qū)別是“加”與“減”的計數(shù)值能夠相互抵消，因為只有這樣才能保證可逆計數(shù)器“加”和“減”的周期相同時，其輸出端不會產(chǎn)生進位或借位脈沖。另外，模數(shù)K的選擇非常重要，要綜合考慮捕捉時間和同步誤差相矛盾的問題。在數(shù)控振蕩器的設(shè)計中，要注意輸入的進位和借位脈沖信號周期不能太小，否則就不能對數(shù)控振蕩器起作用，必須擴大輸入的進位和借位脈沖信號的時鐘周期。本設(shè)計是將其擴大了16倍。
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