基于FPGA的DDS+DPLL跳頻信號源設計

摘要：針對跳頻通信系統(tǒng)有固有噪聲的特點，結(jié)合DDS+DPLL高分辨率、高頻率捷變速度的優(yōu)點，并采用Altera公司的Quartus-Ⅱ_10．1軟件進行設計綜合，提出了一種新型的跳頻信號源。結(jié)果表明，該設計中DPLL時鐘可達到120 MHz，性能較高，而僅使用了30個LUT和18個觸發(fā)器，占用資源很少。
關鍵詞：數(shù)字鑒相器；濾波器；數(shù)控振蕩器；DPLL

0 引言

軍事通信中，常采用跳頻技術來實現(xiàn)通信信息的保密和抗干擾，尤其是應用在通信系統(tǒng)中抗跟蹤式干擾方面，它是電子對抗中非常重要的一個研究課題。

最初的頻率綜合器全由模擬電路實現(xiàn)，由于模擬電路存在溫度漂移、電網(wǎng)電壓等缺點，給系統(tǒng)的同步帶來困難。隨著大規(guī)模、超大規(guī)模數(shù)字集成電路的發(fā)展，在部分應用領域，數(shù)字頻率綜合器逐漸取代了模擬頻率綜合器。近年來隨著FPGA和CPLD技術的迅猛發(fā)展，數(shù)字頻率綜合器的實現(xiàn)方式和工作速度都到了本質(zhì)的改進和提高，可以說數(shù)字頻率綜合器是隨著FPGA的發(fā)展而發(fā)展起來的。

1 各個功能模塊的組成原理與實現(xiàn)

1．1 數(shù)字鑒相器

在數(shù)字鑒相器(異或門鑒相器)中，首先將輸入信號與本地估算信號進行比較(其中，輸入clock_in基準頻率與clk2反饋回來的頻率相同，只存在相位差)，從而得到一個表明相位誤差的脈沖輸出，實際上就是一個異或門。系統(tǒng)框圖如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

從仿真波形中可以看出：當系統(tǒng)對頻率進行鎖定的過程中，使可變模計數(shù)器產(chǎn)生增脈沖(carry)和減脈沖(borrow)信號，鑒相器輸出(xor _out)的是一個逐漸趨于占空比為50％的方波，從而使輸入基準頻率與反饋頻率鎖定在一個固定的相位上。

1．2 徘徊濾波器

徘徊濾波器的作用是平滑鑒相器帶來的相位抖動，選用雙向計數(shù)器來實現(xiàn)該功能，其RTL系統(tǒng)構架如圖3所示。在PLL工作過程中，環(huán)路鎖定時，異或門鑒相器的輸出XOR_OUT是一個占空比為50％的方波。因為在DPLL的基本結(jié)構中，K變模可逆計數(shù)器始終起作用。因此當環(huán)路鎖定后，如果模數(shù)K取值較小，K變模可逆計數(shù)器會頻繁地周期性輸出進位脈沖信號CARRY和借位脈沖信號BORROW，從而在脈沖加減電路中產(chǎn)生周期性的脈沖加入和扣除動作，這樣就在脈沖加減電路的輸出信號XOR_OUT中產(chǎn)生了周期性的誤差，稱為“紋波”；如果模數(shù)K取值足夠大(對于異或門鑒相器，K應大于M／4)，則這種“紋波”誤差通過除N計數(shù)器后，可以減少到N個周期出現(xiàn)一次。也就是說K變?？赡嬗嫈?shù)器的進位脈沖信號CARRY和借位脈沖信號BORROW的周期是N個參考時鐘周期。只有當本地枯算信號與輸入信號的相位誤差在同一極性持續(xù)增加時，計數(shù)器會朝一個方向計數(shù)，直到有進位或借位脈沖輸出。該脈沖即是數(shù)控振蕩器的控制信號，用以控制數(shù)控振蕩器輸出的本地估算脈沖的頻率與相位。由此可見，由于徘徊濾波器的作用，使得鎖相環(huán)只有在本地估算信號與輸入數(shù)字的相位有一定的誤差時，才進行調(diào)整，以達到平滑噪聲干擾帶來的相位抖動的目的。

若系統(tǒng)失鎖，如圖4所示，則異或門鑒相器(xor_out)輸出的不是一個占空比固定的周期信號。從而使反饋的信號(clock_back)無法跟蹤輸入的基準信號(clock_in)，即無法形成一個固定的相位差。