基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

l 前言
    鎖相環(huán)(PLL)的理論與研究日趨完善，應(yīng)用范圍遍及整個(gè)電子技術(shù)領(lǐng)域，如信號(hào)處理，調(diào)制解調(diào)．時(shí)鐘同步，倍頻，頻率綜合等都應(yīng)用到了鎖相環(huán)技術(shù)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，集成鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)日趨成熟，不僅能夠制成頻率較高的單片集成鎖相環(huán)路，還可以把整個(gè)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上去，實(shí)現(xiàn)所謂的片上系統(tǒng)SOC。因此，可以把全數(shù)字鎖相環(huán)路(ADPLL)作為一個(gè)功能模塊嵌入SOC，構(gòu)成片內(nèi)鎖相環(huán)。這里在簡單介紹片內(nèi)全數(shù)字鎖相環(huán)系列結(jié)構(gòu)的同時(shí)，給出一種智能控制捕獲范嗣中全數(shù)字鎖相環(huán)(ADPLL)的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行仿真和實(shí)踐驗(yàn)證。

2 ADPLL的結(jié)構(gòu)及工作原理
    圖1給出全數(shù)字鎖相環(huán)(ADPLL)的基本結(jié)構(gòu)。主要由數(shù)字鑒相器DPD，數(shù)字環(huán)路濾波器DLF，數(shù)控振蕩器DC0，分頻器4部分組成，其中心頻率為fc。DPLL是一種通過相位反饋來控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)輸入信號(hào)Fin和本地時(shí)鐘輸出信號(hào)Fout之間的相位誤差信號(hào)送入數(shù)字環(huán)路濾波器，并對相對誤差進(jìn)行平滑濾波，生成控制信號(hào)carry和bor—row，數(shù)字振蕩器根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)反饋，使輸出信號(hào)Fout的相位逐漸跟蹤輸入信號(hào)Fin的相位，最終達(dá)到鎖定。

3 ADPLL各模塊的功能和具體實(shí)現(xiàn)方法
3．1 數(shù)字鑒相器
    常用的鑒相器有2種類型：異或門(X0R)鑒相器和邊沿控制鑒相器(ECPD)，設(shè)計(jì)中采用異或門鑒相器。異或門鑒相器用于比較輸入信號(hào)Fin和輸出信號(hào)Fout之間的相位差，并輸出誤差信號(hào)Dout，Dout作為計(jì)數(shù)的方向信號(hào)輸入給下一級(jí)。
3．2 數(shù)字環(huán)路濾波器
    數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)由一個(gè)模值為變量K的可逆計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。其作用首先用于消除數(shù)字鑒相器輸出的相位誤差信號(hào)Dout中的高頻分量，保證鎖相環(huán)路性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性：其次K變模計(jì)數(shù)器再根據(jù)鑒相器的相位誤差信號(hào)Dout來進(jìn)行加減運(yùn)算。若Dout是高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加運(yùn)算，直到相加結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)模制K，則環(huán)路濾波器輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖信號(hào)carry給數(shù)控振蕩器；若Dout是低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器在模值K的基礎(chǔ)上進(jìn)行減運(yùn)算，直到為零，并輸出一個(gè)借位信號(hào)borrow給數(shù)控振蕩器：當(dāng)環(huán)路鎖定或只有隨機(jī)干擾脈沖時(shí)，Dout是一個(gè)占空比為50％的方波，即計(jì)數(shù)器的加減數(shù)目基本相等，計(jì)數(shù)結(jié)果在K附近上下徘徊，不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位或借位脈沖，大大減少了由隨機(jī)噪聲引起的對鎖相環(huán)路的誤控。也就是說，采用K計(jì)數(shù)器作為濾波器，有效的濾除了噪聲對環(huán)路的干擾。

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    上述代碼經(jīng)過在Quartus II上編譯仿真后其波形如圖2所示。

    設(shè)計(jì)中適當(dāng)選取K值特別的重要。如果K值偏大，這樣計(jì)數(shù)器對少量噪聲干擾不可能計(jì)滿，就不會(huì)有進(jìn)位或者借位脈沖，有利于抑制隨機(jī)噪聲；但就會(huì)使捕捉帶減小，導(dǎo)致環(huán)路進(jìn)入鎖定的時(shí)間變長；如果K值偏小，可使環(huán)路盡快進(jìn)入鎖定狀態(tài)，但會(huì)減弱對噪聲的抑制能力，導(dǎo)致環(huán)路頻繁的產(chǎn)生進(jìn)位或借位脈沖，造成整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生相位抖動(dòng)問題。所以要適當(dāng)選取K值。
3．3 數(shù)控振蕩器
    數(shù)控振蕩器采用的是脈沖加減電路。時(shí)鐘為2Nfc。當(dāng)沒有進(jìn)位／借位信號(hào)時(shí)，其輸出對外部時(shí)鐘進(jìn)行二分頻；當(dāng)有進(jìn)位信號(hào)carry輸入時(shí)，則在原信號(hào)中插入半個(gè)脈沖，以提高原有信號(hào)的頻率；當(dāng)有借位信號(hào)borrow輸入時(shí)，則減去半個(gè)脈沖，以降低原有信號(hào)的頻率。
3．4 可變分頻器 
    可變分頻器實(shí)際上就是一個(gè)除N計(jì)數(shù)器，是把脈沖加減電路的輸出信號(hào)再做N分頻，通過不斷調(diào)整N值的大小，使分頻器的輸出信號(hào)能與輸入信號(hào)的相位保持同步，以達(dá)到鎖相環(huán)的鎖定。
    由鎖相環(huán)的整個(gè)工作過程可知，全數(shù)字鎖相環(huán)經(jīng)過一些特定改良后，可在某些情況下作為滿足一定頻率要求的信號(hào)發(fā)生器使用。

4 FPGA片內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    為了平衡系統(tǒng)的穩(wěn)定性和捕獲帶寬之間的矛盾，就要找到一個(gè)最佳的K值，使系統(tǒng)在最大可能消除干擾的前提下，捕捉帶達(dá)到最大，捕獲時(shí)間最短，其整個(gè)過程由CPU來控制。CPU的選擇主要有2種方案：①FPGA片內(nèi)實(shí)現(xiàn)CPU；②與片外系統(tǒng)共用CPU。這里主要介紹第一種。
    對于片內(nèi)CPU，這里采用Ahera公司推出的NiosⅡ嵌入式軟核處理器予以實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)中，片內(nèi)寄存器，全數(shù)字鎖相環(huán)以及檢測電路均作為外設(shè)嵌入到FPGA芯片中。片內(nèi)寄存器，全數(shù)字鎖相環(huán)，檢測電路通過系統(tǒng)總線相連接，受到片內(nèi)的NiosⅡ軟核處理器的控制，使得全數(shù)字鎖相環(huán)中的數(shù)字環(huán)路濾波器部分在工作中的參數(shù)得到優(yōu)化。此種結(jié)構(gòu)使得NiosⅡ處理器和全數(shù)字鎖相環(huán)2部分集成在一塊FPGA器件中，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。罔3給出片內(nèi)全數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

5 試驗(yàn)仿真結(jié)果分析
    整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件調(diào)試后，就對該鎖相環(huán)進(jìn)行測試和驗(yàn)證，采用Quartus II軟件中集成的仿真器進(jìn)行仿真。圖4給出仿真波形。

    可見，在有進(jìn)位／借位信號(hào)輸出時(shí)，波形中自動(dòng)加入／減去半個(gè)脈沖，經(jīng)過幾次調(diào)整后系統(tǒng)達(dá)到鎖定狀態(tài)。

6 結(jié)語
    通過在單片FPGA中實(shí)現(xiàn)智能全數(shù)字鎖相環(huán)，NiosⅡ嵌入式處理器隨時(shí)檢測鎖相環(huán)的狀態(tài)，適時(shí)調(diào)整鎖相環(huán)的參數(shù)，從而能縮短鎖相環(huán)鎖定時(shí)間，提高效率；并逐漸改進(jìn)其輸出頻率的抖動(dòng)特性。解決了鎖定時(shí)間與相位抖動(dòng)之間的矛盾，提高了信息的傳輸效率和質(zhì)量。全數(shù)字鎖相環(huán)在數(shù)字通信，數(shù)字信號(hào)處理，電力系統(tǒng)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，隨著片內(nèi)數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)研究的不斷深入與發(fā)展，其性能會(huì)不斷提高，其意義重大，前景廣闊。