寬頻帶數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)及基于FPGA的實(shí)現(xiàn)

摘要: 本文簡要介紹了在FPGA中實(shí)現(xiàn)全數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)的原理與方法，以解決在同步串行數(shù)據(jù)通信時(shí)的同步時(shí)鐘不穩(wěn)定時(shí)的快速恢復(fù)問題； 并重點(diǎn)介紹了采用可控模數(shù)分頻器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字鎖相環(huán)中寬頻帶捕獲的方法與實(shí)現(xiàn)過程。
關(guān)鍵詞: DPLL；FPGA；數(shù)字環(huán)路濾波器；時(shí)鐘恢復(fù)；寬頻帶

引言

    數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)技術(shù)在數(shù)字通信、無線電電子學(xué)等眾多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)現(xiàn)的PLL相比，DPLL具有精度高、不受溫度和電壓影響、環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調(diào)、易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，不僅能夠制成頻率較高的單片集成鎖相環(huán)路，而且可以把整個(gè)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上去。在基于FPGA的通信電路中，可以把全數(shù)字鎖相環(huán)路作為一個(gè)功能模塊嵌入FPGA中，構(gòu)成片內(nèi)鎖相環(huán)。一般同步串行口通信方式的同步串行口之間的數(shù)據(jù)傳輸除了數(shù)據(jù)線外還必須有專門的同步時(shí)鐘線，這種連接方式不但需要增加一條線路，同步性能受環(huán)境的影響還較大。利用數(shù)字鎖相環(huán)可以從串行位流數(shù)據(jù)中恢復(fù)出接收位同步時(shí)鐘。這樣，串行口之間只用一根數(shù)據(jù)線就可以接收同步串行數(shù)據(jù)，簡化了串行口的接口關(guān)系。本文介紹基于FPGA數(shù)字鎖相環(huán)恢復(fù)串行數(shù)據(jù)位同步時(shí)鐘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及提高數(shù)字鎖相環(huán)性能的措施。

DPLL結(jié)構(gòu)及工作原理

    全數(shù)字鎖相環(huán)路(DPLL)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由鑒相器DPD、數(shù)字環(huán)路濾波器DLF、脈沖加減電路(數(shù)控振蕩器 DCO)和分頻器(可控變模N)四部分構(gòu)成。脈沖加減電路的時(shí)鐘分別為2Nfc,fc為環(huán)路中心頻率。DPLL是一種相位反饋控制系統(tǒng)。它根據(jù)輸入信號(hào)fin與本地恢復(fù)時(shí)鐘fout之間的相位誤差(超前還是滯后)信號(hào)送入數(shù)字環(huán)路濾波器DLF 中對(duì)相位誤差信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，并生成控制DCO 動(dòng)作的控制信號(hào)DCS，DCO 根據(jù)控制信號(hào)給出的指令，調(diào)節(jié)內(nèi)部高速振蕩器的震蕩頻率，通過連續(xù)不斷的反饋調(diào)節(jié)，使其輸出時(shí)鐘fout的相位跟蹤輸入數(shù)據(jù)fin的相位。

圖1 全數(shù)字鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)

環(huán)路模塊具體功能及其電路實(shí)現(xiàn)

數(shù)字鑒相器的設(shè)計(jì)

    常用的鑒相器有兩種，異或門(XOR)鑒相器和邊沿控制鑒相器(ECPD)。與一般DPLL的DPD設(shè)計(jì)不同，位同步DPLL的DPD需要排除位流數(shù)據(jù)輸入連續(xù)幾位碼值保持不變的不利影響。本文采用改進(jìn)型異或門鑒相器，它輸出一個(gè)表示本地恢復(fù)時(shí)鐘超前或滯后于輸入信號(hào)的相位誤差。如果本地恢復(fù)時(shí)鐘超前于輸入信號(hào)，則超前/滯后脈沖UD輸出為高電平，反之UD輸出為低電平，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)型異或門鑒相器的原理圖及工作波形圖

    可見，在輸出信號(hào)Fout為超前、滯后和同步于Fin時(shí)，PE脈沖的前沿距離Fin的上升沿相位是不等的。

數(shù)字環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

    數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)作用是消除鑒相器輸出的相位差信號(hào)PE中的高頻成分，保證環(huán)路的性能穩(wěn)定，實(shí)際上可用一變模可逆計(jì)數(shù)器(設(shè)模數(shù)為K)來實(shí)現(xiàn)。K變?？赡嬗?jì)數(shù)器根據(jù)相差信號(hào)PE來進(jìn)行加減運(yùn)算。當(dāng)PE為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加運(yùn)算，如果相加的結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)的模值，則輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖信號(hào)DP給脈沖加減電路；當(dāng)PE為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行減運(yùn)算，如果結(jié)果為零，則輸出一個(gè)借位脈沖信號(hào)DP給脈沖加減電路。當(dāng)Fout同步于Fin或只有隨機(jī)干擾脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器加減的數(shù)目基本相等，計(jì)數(shù)結(jié)果在初始值處上下徘徊，不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位和借位脈沖，濾除因隨機(jī)噪聲引起的相位抖動(dòng)。計(jì)數(shù)器根據(jù)輸出結(jié)果生成控制DCO 動(dòng)作的控制指令。

    K變?？赡嬗?jì)數(shù)器模值K對(duì)DPLL的性能指標(biāo)有著很大的影響。計(jì)數(shù)器模值K的取值可根據(jù)輸入信號(hào)的相位抖動(dòng)而定，加大模值K，有利于提高DPLL 的抗噪能力，但是會(huì)導(dǎo)致較大的捕捉時(shí)間和較窄的捕捉帶寬。減小模值K 可以縮短捕捉時(shí)間，擴(kuò)展捕捉帶寬，但是降低了DPLL 的抗噪能力。本設(shè)計(jì)中選擇K=4。在初始時(shí)刻，計(jì)數(shù)器被置初值為K/2=2，這樣可以DPLL捕捉速度很快。

數(shù)控振蕩器的設(shè)計(jì)

    數(shù)控振蕩器( DCO)在數(shù)字鎖相環(huán)路中所處的地位相當(dāng)于模擬鎖相環(huán)路中的電壓控制振蕩器。在本數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)中使用數(shù)控振蕩器是可變模式分頻器。它的輸出是調(diào)整可變分頻器的模值N。該值的大小會(huì)隨著每個(gè)Fin周期內(nèi)(Fin=1時(shí))鑒相輸出PE進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)UD為高電平時(shí)，將可變分頻模值N增大，以調(diào)整分頻輸出使之相位滯后；當(dāng)UD輸出為低電平時(shí)，將可變分頻模值N減小，已調(diào)整分頻輸出使之輸出相位提前。如果數(shù)字環(huán)路濾波器既沒有控制脈沖信號(hào)DP輸出，那么，分頻模值N將保持不變，經(jīng)除N分頻后的輸出本地恢復(fù)信號(hào)相位和輸入信號(hào)相位處于同步狀態(tài)。

    本地高速時(shí)鐘信號(hào)CLK由片外高速振蕩器提供。時(shí)鐘信號(hào)周期大小決定了DPLL 在鎖定狀態(tài)下相位跟蹤的精度，同時(shí)，它還影響DPLL 的捕捉時(shí)間和捕捉帶寬。為提高相位跟蹤的精度以降低數(shù)據(jù)接收的誤碼率，時(shí)鐘信號(hào)CLK的取值應(yīng)盡量高。本設(shè)計(jì)中取高速時(shí)鐘信號(hào)CLK的振蕩頻率為64MHz。數(shù)控振蕩器可由一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。

N分頻器的設(shè)計(jì)

    N分頻器則是一個(gè)簡單的除N計(jì)數(shù)器。N分頻器對(duì)脈沖加減電路的輸出脈沖再進(jìn)行N分頻，得到整個(gè)環(huán)路的輸出信號(hào)Fout。同時(shí)，因?yàn)镕out=CLK/2N=fc，因此通過改變分頻值N可以得到不同的環(huán)路中心頻率fc。另外，模值N的大小決定了DPLL的鑒相靈敏度為π/N。

環(huán)路實(shí)現(xiàn)

    本設(shè)計(jì)在Altera公司QUARTUSII5.0 開發(fā)軟件平臺(tái)上，利用VHDL語言運(yùn)用自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法， 在Altera最新CPLD芯片MAXII240上設(shè)計(jì)全數(shù)字鎖相環(huán)。將鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)完畢后，并通過QUARTUSII5.0集成環(huán)境進(jìn)行仿真、綜合、驗(yàn)證，DPLL設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3。

圖3  改進(jìn)型異或門鑒相器DPLL原理圖

    其中，可逆計(jì)數(shù)器counter2為環(huán)路濾波器DLF，預(yù)設(shè)初值為12，加法進(jìn)位模值為4，減法進(jìn)位模值為12?？赡嬗?jì)數(shù)器lmp_counter2為數(shù)控振蕩器，其預(yù)置值為time[3..0]，其輸出即為鎖相環(huán)路分頻器的模值N，輸出值大小隨著控制脈沖信號(hào)DP的數(shù)目有關(guān)。在本設(shè)計(jì)中，fclk=64MHz，fin=2Mb/s，則time[3..0]=0100b=8。加法計(jì)數(shù)器lmp_counter2為模值N受控的鎖相環(huán)路分頻器。值得注意的是鎖相環(huán)路分頻器lmp_counter2的進(jìn)位輸出Cout不可直接作為分頻輸出，因?yàn)樵诜抡孢^程中發(fā)現(xiàn)隨著fclk頻率的升高，Cout容易產(chǎn)生冒險(xiǎn)毛刺，影響鎖相環(huán)的穩(wěn)定性。因此外加一4輸入或非門作為分頻器輸出判決。

    在圖4仿真結(jié)果中，fclk=64MHz，fin=2Mb/s。 仿真輸入信號(hào)Fin為一任意的二進(jìn)制碼流信號(hào)?？梢?，對(duì)于多位連1或連0的碼流信號(hào)，該鎖相環(huán)的輸出Fout都能準(zhǔn)確恢復(fù)出同步所需的時(shí)鐘。在第二個(gè)輸入碼位到來時(shí)本地恢復(fù)時(shí)鐘Fout就已經(jīng)進(jìn)入同步狀態(tài)，捕捉速度很快。相位鎖定誤差最大為π/2N=π/16。

圖4 改進(jìn)型異或門鑒相器DPLL仿真結(jié)果

捕獲帶寬的擴(kuò)展

    上述設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖相環(huán)雖然可以快速鎖定，鎖相精度也較高，但其捕捉范圍較窄。該數(shù)字鎖相環(huán)的最大相移調(diào)整能力為±π，一旦輸入信號(hào)Fin的相位抖動(dòng)超過這個(gè)范圍或Fin的頻率發(fā)生改變，鎖相環(huán)無法自動(dòng)完成捕捉鎖定。因此，對(duì)該設(shè)計(jì)需進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)寬頻帶捕捉功能。

    為實(shí)現(xiàn)寬頻帶捕捉，設(shè)置一專門電路，測定輸入信號(hào)Fin每個(gè)比特的周期(或頻率)，并判定是否發(fā)生變化，若測得比特周期發(fā)生變化，就會(huì)去控制調(diào)整DCO的輸出振蕩頻率，使其快速跟蹤Fin的頻率，再配合前述數(shù)字鎖相環(huán)的相位跟蹤，就可完成寬范圍頻率鎖定。電路原理如圖5。

寬頻帶DPLL頻率捕獲電路原理圖

    將圖5電路和圖3上面的一個(gè)電路合并，即為完整的寬頻帶DPLL電路。測得輸入信號(hào)Fin的周期信號(hào)time[3..0]被送往圖3鎖相環(huán)路分頻器lmp_counter2，去控制DCO的輸出振蕩頻率。該寬頻帶DPLL電路的捕獲范圍最高頻率fcmax=fclk/4，最低頻率fcmax=fclk/4M，M為N分頻器的最大取值。本設(shè)計(jì)中，fclk =64MHz，M=16。所以鎖相環(huán)的頻率捕獲范圍理論值為16MHz-1MHz。對(duì)應(yīng)于輸入碼流的速率為32MHz-2MHz。當(dāng)Fin=16MHz和Fin=1.6MHz時(shí)的仿真結(jié)果如圖6(1)(2)。

圖6-1 Fin=16MHz時(shí)的仿真波形

圖6-2 Fin=1.6MHz時(shí)的仿真波形

    根據(jù)仿真結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖相的最低頻率為1.2MHz，略高于理論值1MHz；可實(shí)現(xiàn)的最高鎖相頻率為16MHz。捕獲時(shí)間1個(gè)Fin周期。

結(jié)語

    在一般的數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)中，“捕獲時(shí)間”和“捕獲帶寬”這兩項(xiàng)關(guān)鍵的性能指標(biāo)是相互矛盾的，其中任何一項(xiàng)指標(biāo)的提高都會(huì)犧牲另一項(xiàng)指標(biāo)為代價(jià)。本文所介紹的寬頻帶范圍數(shù)字鎖相環(huán)采用較為簡單的完成實(shí)現(xiàn)了捕獲時(shí)間小而捕獲帶寬又相當(dāng)寬的全數(shù)字鎖相環(huán)，解決了“捕獲時(shí)間”和“捕獲帶寬”指標(biāo)相互矛盾的問題。其中“捕獲帶寬”指標(biāo)可以通過提高工作時(shí)鐘fclk的頻率以及鎖相環(huán)中的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量來進(jìn)一步擴(kuò)展。由于該數(shù)字鎖相環(huán)可直接用于同步串行通信中二進(jìn)制碼流的同步時(shí)鐘的恢復(fù)，可自動(dòng)跟蹤接收碼流速率的變換，同時(shí)該設(shè)計(jì)是基于FPGA的模塊化設(shè)計(jì)，便于其他數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的移植和集成，在其他數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)特別是在基于FPGA的通信電路中有著重要的意義。
 
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