智能全數字鎖相環的設計

智能全數字鎖相環的設計

　　摘要：在FPGA片內實現全數字鎖相環用途極廣。本文在集成數字鎖相環74297的基礎上進行改進，設計了鎖相狀態檢測電路，配合CPU對環路濾波參數進行動態智能配置，從而使鎖相環快速進入鎖定狀態，在最短時間內正常工作并且提高輸出頻率的質量。
　　關鍵詞：全數字鎖相環數字環路濾波器數字單穩態振蕩器
　　
　　1引言
　　
　　數字鎖相環路已在數字通信、無線電電子學及電力系統自動化等領域中得到了極為廣泛的應用。隨著集成電路技術的發展，不僅能夠制成頻率較高的單片集成鎖相環路，而且可以把整個系統集成到一個芯片上去。在基于FPGA的通信電路中，可以把全數字鎖相環路作為一個功能模塊嵌入FPGA中，構成片內鎖相環。
　　
　　鎖相環是一個相位誤差控制系統。它比較輸入信號和振蕩器輸出信號之間的相位差，從而產生誤差控制信號來調整振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻同相。所謂全數字鎖相環路(DPLL)就是環路部件全部數字化，采用數字鑒相器（DPD）、數字環路濾波器(DLF)、數控振蕩器(DCO)構成的鎖相環路，其組成框圖見圖1示。
　　
　　
　　
　　當鎖相環中的鑒相器與數控振蕩器選定后，鎖相環的性能很大程度依賴于數字環路濾波器的參數設置。
　　
　　2K計數器的參數設置
　　
　　74297中的環路濾波器采用了K計數器。其功能就是對相位誤差序列計數即濾波，并輸出相應的進位脈沖或是借位脈沖，來調整I/D數控振蕩器輸出信號的相位（或頻率），從而實現相位控制和鎖定。
　　
　　K計數器中K值的選取需要由四根控制線來進行控制，模值是2的N次冪。在鎖相環路同步的狀態下，鑒相器既沒有超前脈沖也沒有滯后脈沖輸出，所以K計數器通常是沒有輸出的；這就大大減少了由噪聲引起的對鎖相環路的誤控作用。也就是說，K計數器作為濾波器，有效地濾除了噪聲對環路的干擾作用。
　　
　　顯然，設計中適當選取K值是很重要的。K值取得大，對抑止噪聲有利（因為K值大，計數器對少量的噪聲干擾不可能計滿，所以不會有進位或借位脈沖輸出），但這樣捕捉帶變小，而且加大了環路進入鎖定狀態的時間。反之，K值取得小，可以加速環路的入鎖，但K計數器會頻繁地產生進位或借位脈沖，從而導致了相位抖動，相應地對噪聲的抑制能力也隨之降低。
　　
　　為了平衡鎖定時間與相位抖動之間的矛盾，理想的情況是當數字鎖相環處于失步狀態時，降低K計數器的設置，反之加大其設置。實現的前提是檢測鎖相環的工作狀態。
　　
　　3工作狀態檢測電路
　　
　　圖2為鎖相環狀態檢測電路，由觸發器與單穩態振蕩器構成，fin為輸入的參考時鐘，fout為鎖相環振蕩器輸出的時鐘移相900。fout對fin的抽樣送入單穩態振蕩器。
　　
　　
　　
　　
　　
　　在鎖定狀態如圖3，fout與fin具有穩定的相位關系，fout對fin抽樣應全部為0或1，這樣不會激發振蕩器振蕩，從而lock將輸出低電平；而失鎖狀態時如圖4，fout與fin出現相位之間的滑動，抽樣時就不會出現長時間的0或1，單穩態振蕩器振蕩，使lock輸出高電平。鎖相環的鎖定狀態保持時間的認定，可以通過設置振蕩器的性能。在FPGA設計中，要采用片外元件來進行單穩定時，是很麻煩的，而且也不利于集成和代碼移植。單穩態振蕩器的實現也可以在FPGA內實現，利用計數器的方法可以設計全數字化的上升、下降沿雙向觸發的可重觸發單穩態振蕩器。
　　
　　4智能鎖相環的設計
　　
　　
　　
　　
　　智能全數字鎖相環的設計如圖5所示。鎖相環與CPU接口電路，由寄存器來完成。對于CPU寄存器內容分為兩部分：鎖相環的工作狀態(只讀)，k計數器的參數值(讀/寫)。CPU可以通過外部總線讀寫寄存器的內容。
　　
　　圖5智能全數字鎖相環框圖
　　
　　CPU根據鎖相環狀態就可以對鎖相環K計數器進行最優設置。實際測試時設置K初始值為23，此時鎖相環的捕捉帶較大，在很短時間內就可以達到鎖定狀態，lock變為低電平。CPU檢測到此信號后自動將K值加1，如lock仍然為低電平，CPU會繼續增加K值；直到鎖相環失鎖，記住其最佳設置值。設置K為初始值，鎖定后，設置到最佳值，這樣鎖相會快速進入最佳的鎖定狀態。
　　
　　關于CPU的選擇有三種方案：①FPGA片內實現CPU。片上系統的發展使其成為可能。②與片外系統共用CPU。DPLL大多用于通信系統中，而大部分通信系統都有嵌入式CPU。③單獨采用一個廉價單片機（如89C51）,不僅可用于智能鎖相環的控制，還可控制外部RAM實現FPGA的初始裝載，一機多用，經濟實惠。可以視具體情況而定。
　　
　　5結論
　　
　　智能全數字鎖相環，在單片FPGA中就可以實現，借助鎖相環狀態監測電路，通過CPU可以縮短鎖相環鎖定時間，并逐漸改進其輸出頻率的抖動特性。解決了鎖定時間與相位抖動之間的矛盾，對信息的傳輸質量都有很大的提高。此鎖相環已用于我校研發的數字通信產品中。
　　
　　
　　
　　

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