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摘 要:简要介绍了在FPGA中实现全数字锁相环(DPLL)的原理和方法,基于具体应用,提出了一种基于FPGA的锁相环模块化设计,通过分析和仿真验证,可以有效的改善锁定时间和抑制相位抖动。
关键词:鉴相;滤波器;VHDL
中图分类号:TP
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)07-0293-02
1 引言
数字锁相环(DPLL)技术在数字通信、无线电电子学等众多领域得到了极为广泛的应用,和传统的模拟电路实现的PLL相比,DPLL具有精度高、环路带宽编程可调、易于构建高阶锁相环等显著优点,并且在数字系统中不需要A-D相互转换。随着集成电路技术和片上系统的深入研究,数字锁相环必然应用更为广泛。本文介绍了一种基于FPGA的数字锁相环设计,并对相关参数进行了仿真与分析。
2 数字锁相环的特点和原理
2.1 触发型数字锁相环基本原理
本文采用触发型数字锁相环如图1所示:由数字鉴相器、数字滤波器和数控振荡器组成。其中数控滤波器的输入时钟频率为 (由晶振电路产生),其值为14336kHz。数控振荡器的输入频率为2。通常M和N为2的整数幂。时钟2 经除计数器得到。
图1 触发型全数字锁相环框图
DPLL是一种相位反馈控制系统,它根据输入信号f1与本地恢复时钟f2之间的相位误差,信号送入数字环路滤波器DLF中对相位误差信号进行平滑滤波,并生成控制DCO动作的控制信号,DCO根据控制信号给出的指令,调节内部高速振荡器的振荡频率,通过连续不断的反馈调节,使其输出时钟f2的相位跟踪输入f1的相位。如果把数字滤波器看成一个分频器,则分频比为MfcK,输出频率为f′=K′ΔΦMfcK,数控振荡器的输出频率f2=f1+k′ΔΦMfcKN。只要合理选择K值,就能使输出信号V2的相位较好地跟踪输入V1的相位,以达到锁定的目的。如果K值选的太大,环路捕捉带就会变小,导致捕捉时间增大;如果K值太小,可能会出现频繁进位、借位脉冲,从而使相位出现抖动。该全数字锁相环的f2输出信号的频率分别为64kHz,经过计算可确定锁相环的参数M、N。设H=8,因为Mfc=14336kHz=442764kHz,则M=4427=224。因为2Nfc=Mfc/H=442764kHz/8,故N=14。
根据数字锁相环的结构组成,用VHDL语言对该系统进行了设计。该数字锁相环是时钟稳定的数字锁相环。其中数字鉴相模块是异或鉴相器(DISCR),数字滤波器由K模计数器(KCOUNT)组成,数控振荡器包括脉冲加/减控制电路(CTRL)和N分频器(NCOUNT)。
2.2 数字锁相环特点
(1)电路完全数字化,使用逻辑门电路和触发器电路,受外界和电源的干扰的可能性大大减小,易于制成全集成化的单片全数字锁相环路;
(2)全数字锁相环路缓和或消除了模拟锁相环路中电压控制振荡器(VCO)的非线性以及零点漂移等对环路性能的影响;
(3)数字锁相环路的部件甚至整个环路都可以直接用微处理机来模拟实现。
3 锁相环各模块实现
3.1 鉴相器模块(DISCR)
该锁相系统的鉴相模块是由异或逻辑构成的。通过比较输入信号V1(相位Φ1)与输出信号V2(相位Φ2)的相位产生一个误差信号Vd,其相位差为ΔΦ=Φ1-Φ2,当ΔΦ=Φe时,鉴相器输出方波属于相位锁定阶段,环路锁定之后,输出信号和本地估算信号是正交的。在这种情况下,只要可逆计数器的K值足够大,其输出端就不会产生进位脉冲或借位脉冲。这时,加/减脉冲控制器只对其时钟2Nfc进行二分频,使U1和U2的相位保持正交。在环路未锁定时,若ΔΦ<Φe,其输出脉冲的占空比小于50%,V2滞后于V1即Ud=0,该控制器便在二分频过程中加入半个时钟周期;而当ΔΦ>Φe,其占空比大于50%,V2超前于V1即Ud=1,可逆计数器减计数,并将发出借位脉冲到加/减脉冲控制器的“减”输入端,该控制器便在二分频过程中减去半个时钟周期;这个过程是持续发生着。
3.2 数字滤波器(K模可逆计数器)模块
本文采用的数字环路滤波是K计数器,K计数器是一个一般的可逆计数器,它的定标系数可以预置控制,异或数字鉴相器输出Vd控制可逆计数器的计数方向。如果系统没有任何相位误差,V1和V2的输出相位精确的为π/2,异或门的输出方波是对称的,这时可逆计数器将在相同的时间间隔内向上向下计数。假如K被预置的很大,计数器不需要借位和进位。
该K模计数器设计为一个17位可编程(K可变)可逆计数器,计数范围为23～217,K由外部置数DCBA控制。当鉴相器输出Vd为高电平时,K模计数器进行减计数,当计数到“0”时,输出一个借位脉冲DN;当鉴相器输出Vd为低电平时,K计数器进行加计数,当计数到某一设定值“DCBA”时,输出一个进位脉冲UP;UP和DN作为脉冲加/减电路的“加”和“扣”脉冲控制信号输入到数控振荡模块。
3.3 数控振荡器模块
数控振荡器由一个控制脉冲加/减模块和一个分频器组成。其基本原理就是一个加/扣脉冲式DCO。鉴相周期输出本地估算信号是超前或滞后于输入信号的信息,经过数字环路滤波器过滤后,输出“加”脉冲或“扣”脉冲指令(控制脉冲),用此来控制脉冲去控制DCO的输出相位。
控制脉冲变换电路共有四个触发器组成:其中,C1,C3为R-S触发器;C2,C4为J-K触发器。起始时,它们均处于“0”状态。触发器C2的非Q端使与门A为常开门,触发器C4的Q端保证与门B为常闭门。R-S触发器C1,C3的状态决定着J-K触发器C2和C4的激励条件。以便保证在数字环路滤波器既没有“加”指令脉冲又没有“扣”指令脉冲时,触发器C2和C4在CP脉冲作用下不使其状态反转。触发器C2的CP是本地高速时钟脉冲发生器输出的A序列脉冲,C4的CP是B序列脉冲,其仿真波形图如图2所示:
圖2 CTRL波形图
4 锁相环仿真及性能分析
4.1 锁定时间
变模可逆计数器的模数K对DPLL的锁定时间起着关键的作用。经过反复设计和验证,我们选取了一组最佳模K参数。观察K=25时DPLL的输出仿真波形,环路达到锁定状态的仿真时间为140.5μs,而K=27时环路达到锁定状态的仿真时间为1.54ms。则模K越大,环路进入锁定状态的时间越长。
4.2 捕捉带
所谓捕捉带:失锁时,ω2≠ω1,如果从两个方向设法改变ω2,使ω2向ω1靠拢,进而使Δω=(ω1-ω2),当Δω小到某一数值时,环路则从失锁进入锁定状态。这个使DPLL经过频率牵引最终导致入锁的频率范围称为捕捉带Δωp。则:模数K越大,捕捉带就越小。
4.3 同步带
所谓同步带:在锁相环保持同步的条件下,输入频率ω1的最大变化范围,称为同步带宽,用ΔωH表示。在本设计中,同步带范围(ΔωH)是63.82kHz～64.1kHz。通过仿真波形观察,在环路锁定状态下,由于可逆计数器的连续计数,或在噪声的干扰下,会产生进位和借位脉冲。为了减少相位抖动,K值必须取大于M/4。
5 结束语
本文介绍了基于FPGA的数字锁相环的分析和设计,在对其所采用的原理和具体方法详细说明的基础上,进行了精细仿真和测试,结果表明:该数字锁相环具有结构简单,节省硬件资源,抑制相位抖动等优点。同时该设计是基于FPGA的模块化设计,便于其他数字系统设计的移植和集成,在其他数字应用系统特别是在基于FPGA的通信电路中有着重要的意义。
参考文献
[1]段吉海等.基于CPLD/FPGA的数字通讯系统建模设计[M].北京:电子工业出版社,2004.
[2]孙浩.基于可编程逻辑器件(FPGA)的应用[J].仪表技术,2006,(6).
[3]侯卫民,蒋景红等.基于FPGA的数字锁相环的研究与实现[J].微计算机应用,2008,8
关键词:鉴相;滤波器;VHDL
中图分类号:TP
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)07-0293-02
1 引言
数字锁相环(DPLL)技术在数字通信、无线电电子学等众多领域得到了极为广泛的应用,和传统的模拟电路实现的PLL相比,DPLL具有精度高、环路带宽编程可调、易于构建高阶锁相环等显著优点,并且在数字系统中不需要A-D相互转换。随着集成电路技术和片上系统的深入研究,数字锁相环必然应用更为广泛。本文介绍了一种基于FPGA的数字锁相环设计,并对相关参数进行了仿真与分析。
2 数字锁相环的特点和原理
2.1 触发型数字锁相环基本原理
本文采用触发型数字锁相环如图1所示:由数字鉴相器、数字滤波器和数控振荡器组成。其中数控滤波器的输入时钟频率为 (由晶振电路产生),其值为14336kHz。数控振荡器的输入频率为2。通常M和N为2的整数幂。时钟2 经除计数器得到。
图1 触发型全数字锁相环框图
DPLL是一种相位反馈控制系统,它根据输入信号f1与本地恢复时钟f2之间的相位误差,信号送入数字环路滤波器DLF中对相位误差信号进行平滑滤波,并生成控制DCO动作的控制信号,DCO根据控制信号给出的指令,调节内部高速振荡器的振荡频率,通过连续不断的反馈调节,使其输出时钟f2的相位跟踪输入f1的相位。如果把数字滤波器看成一个分频器,则分频比为MfcK,输出频率为f′=K′ΔΦMfcK,数控振荡器的输出频率f2=f1+k′ΔΦMfcKN。只要合理选择K值,就能使输出信号V2的相位较好地跟踪输入V1的相位,以达到锁定的目的。如果K值选的太大,环路捕捉带就会变小,导致捕捉时间增大;如果K值太小,可能会出现频繁进位、借位脉冲,从而使相位出现抖动。该全数字锁相环的f2输出信号的频率分别为64kHz,经过计算可确定锁相环的参数M、N。设H=8,因为Mfc=14336kHz=442764kHz,则M=4427=224。因为2Nfc=Mfc/H=442764kHz/8,故N=14。
根据数字锁相环的结构组成,用VHDL语言对该系统进行了设计。该数字锁相环是时钟稳定的数字锁相环。其中数字鉴相模块是异或鉴相器(DISCR),数字滤波器由K模计数器(KCOUNT)组成,数控振荡器包括脉冲加/减控制电路(CTRL)和N分频器(NCOUNT)。
2.2 数字锁相环特点
(1)电路完全数字化,使用逻辑门电路和触发器电路,受外界和电源的干扰的可能性大大减小,易于制成全集成化的单片全数字锁相环路;
(2)全数字锁相环路缓和或消除了模拟锁相环路中电压控制振荡器(VCO)的非线性以及零点漂移等对环路性能的影响;
(3)数字锁相环路的部件甚至整个环路都可以直接用微处理机来模拟实现。
3 锁相环各模块实现
3.1 鉴相器模块(DISCR)
该锁相系统的鉴相模块是由异或逻辑构成的。通过比较输入信号V1(相位Φ1)与输出信号V2(相位Φ2)的相位产生一个误差信号Vd,其相位差为ΔΦ=Φ1-Φ2,当ΔΦ=Φe时,鉴相器输出方波属于相位锁定阶段,环路锁定之后,输出信号和本地估算信号是正交的。在这种情况下,只要可逆计数器的K值足够大,其输出端就不会产生进位脉冲或借位脉冲。这时,加/减脉冲控制器只对其时钟2Nfc进行二分频,使U1和U2的相位保持正交。在环路未锁定时,若ΔΦ<Φe,其输出脉冲的占空比小于50%,V2滞后于V1即Ud=0,该控制器便在二分频过程中加入半个时钟周期;而当ΔΦ>Φe,其占空比大于50%,V2超前于V1即Ud=1,可逆计数器减计数,并将发出借位脉冲到加/减脉冲控制器的“减”输入端,该控制器便在二分频过程中减去半个时钟周期;这个过程是持续发生着。
3.2 数字滤波器(K模可逆计数器)模块
本文采用的数字环路滤波是K计数器,K计数器是一个一般的可逆计数器,它的定标系数可以预置控制,异或数字鉴相器输出Vd控制可逆计数器的计数方向。如果系统没有任何相位误差,V1和V2的输出相位精确的为π/2,异或门的输出方波是对称的,这时可逆计数器将在相同的时间间隔内向上向下计数。假如K被预置的很大,计数器不需要借位和进位。
该K模计数器设计为一个17位可编程(K可变)可逆计数器,计数范围为23～217,K由外部置数DCBA控制。当鉴相器输出Vd为高电平时,K模计数器进行减计数,当计数到“0”时,输出一个借位脉冲DN;当鉴相器输出Vd为低电平时,K计数器进行加计数,当计数到某一设定值“DCBA”时,输出一个进位脉冲UP;UP和DN作为脉冲加/减电路的“加”和“扣”脉冲控制信号输入到数控振荡模块。
3.3 数控振荡器模块
数控振荡器由一个控制脉冲加/减模块和一个分频器组成。其基本原理就是一个加/扣脉冲式DCO。鉴相周期输出本地估算信号是超前或滞后于输入信号的信息,经过数字环路滤波器过滤后,输出“加”脉冲或“扣”脉冲指令(控制脉冲),用此来控制脉冲去控制DCO的输出相位。
控制脉冲变换电路共有四个触发器组成:其中,C1,C3为R-S触发器;C2,C4为J-K触发器。起始时,它们均处于“0”状态。触发器C2的非Q端使与门A为常开门,触发器C4的Q端保证与门B为常闭门。R-S触发器C1,C3的状态决定着J-K触发器C2和C4的激励条件。以便保证在数字环路滤波器既没有“加”指令脉冲又没有“扣”指令脉冲时,触发器C2和C4在CP脉冲作用下不使其状态反转。触发器C2的CP是本地高速时钟脉冲发生器输出的A序列脉冲,C4的CP是B序列脉冲,其仿真波形图如图2所示:
圖2 CTRL波形图
4 锁相环仿真及性能分析
4.1 锁定时间
变模可逆计数器的模数K对DPLL的锁定时间起着关键的作用。经过反复设计和验证,我们选取了一组最佳模K参数。观察K=25时DPLL的输出仿真波形,环路达到锁定状态的仿真时间为140.5μs,而K=27时环路达到锁定状态的仿真时间为1.54ms。则模K越大,环路进入锁定状态的时间越长。
4.2 捕捉带
所谓捕捉带:失锁时,ω2≠ω1,如果从两个方向设法改变ω2,使ω2向ω1靠拢,进而使Δω=(ω1-ω2),当Δω小到某一数值时,环路则从失锁进入锁定状态。这个使DPLL经过频率牵引最终导致入锁的频率范围称为捕捉带Δωp。则:模数K越大,捕捉带就越小。
4.3 同步带
所谓同步带:在锁相环保持同步的条件下,输入频率ω1的最大变化范围,称为同步带宽,用ΔωH表示。在本设计中,同步带范围(ΔωH)是63.82kHz～64.1kHz。通过仿真波形观察,在环路锁定状态下,由于可逆计数器的连续计数,或在噪声的干扰下,会产生进位和借位脉冲。为了减少相位抖动,K值必须取大于M/4。
5 结束语
本文介绍了基于FPGA的数字锁相环的分析和设计,在对其所采用的原理和具体方法详细说明的基础上,进行了精细仿真和测试,结果表明:该数字锁相环具有结构简单,节省硬件资源,抑制相位抖动等优点。同时该设计是基于FPGA的模块化设计,便于其他数字系统设计的移植和集成,在其他数字应用系统特别是在基于FPGA的通信电路中有着重要的意义。
参考文献
[1]段吉海等.基于CPLD/FPGA的数字通讯系统建模设计[M].北京:电子工业出版社,2004.
[2]孙浩.基于可编程逻辑器件(FPGA)的应用[J].仪表技术,2006,(6).
[3]侯卫民,蒋景红等.基于FPGA的数字锁相环的研究与实现[J].微计算机应用,2008,8