一種可編程的全數(shù)字鎖相環(huán)路的實(shí)現(xiàn)

鎖相環(huán)路已在模擬和數(shù)字通信及無(wú)線電電子學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)和位同步中常常要用到各種各樣的鎖相環(huán)。鎖相就是利用輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位誤差自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出相位使之與輸入相位一致，或保持一個(gè)很小的相位差。最初的鎖相環(huán)全部由模擬電路組成，隨著大規(guī)模、超高速數(shù)字集成電路的發(fā)展及計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，出現(xiàn)了全數(shù)字鎖相環(huán)路。所謂全數(shù)字鎖相環(huán)路，就是環(huán)路部件全部數(shù)字化，采用數(shù)字鑒相器(DPD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)、數(shù)控振蕩器(DCO)構(gòu)成鎖相環(huán)路。在用Altera公司的EPFl0K10TCl44-3芯片設(shè)計(jì)一種無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的FSK、DPSK、QAM調(diào)制解調(diào)器時(shí)，利用剩余的10％FPGA資源設(shè)計(jì)出了一種可編程全數(shù)字鎖相環(huán)路，它成功地為該通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器提供了64kHz、56kHz和16kHz三種精確、穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。

1 全數(shù)字鎖相環(huán)的電路設(shè)計(jì)

1．1 DPLL工作原理分析

所設(shè)計(jì)的全數(shù)字鎖相環(huán)路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，數(shù)字鑒相器由異或門(mén)EXOR構(gòu)成，數(shù)字環(huán)路濾波器由變?？赡嬗?jì)數(shù)器Q構(gòu)成，數(shù)控振蕩器由加／減脈沖控制器I／D和模N計(jì)數(shù)器組成?？赡嬗?jì)數(shù)器和加／減脈沖控制器的時(shí)鐘頻率分別是Mf0和2Nf0。這里f0是環(huán)路的中心頻率，為64kHz。Mf0等于14336kHz，由晶振電路產(chǎn)生，它經(jīng)模H計(jì)數(shù)器分頻后得到2Nf0的時(shí)鐘頻率。異或門(mén)鑒相器用于比較輸入信號(hào)IN64與數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)OUT64的相位差，其輸出信號(hào)ud作為可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向控制信號(hào)。當(dāng)ud為低電平時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器作“加”計(jì)數(shù)；反之，可逆計(jì)數(shù)器作“減”計(jì)數(shù)。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，IN64和OUT64正交，鑒相器的輸出信號(hào)ud為50％占空比的方波。在這種情況下，可逆計(jì)數(shù)器“加”與“減”的周期相同，只要可逆計(jì)數(shù)器的模值K足夠大(K>M／4)，其輸出端就不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位或借位脈沖。這時(shí)，加／減脈沖控制器只對(duì)頻率為2Nf0的時(shí)鐘進(jìn)行二分頻，使IN64和OUT64的相位保持正交。在環(huán)路未鎖定的情況下，若ud為低電平時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)，并產(chǎn)生進(jìn)位脈沖作用到加／減脈沖控制器的“加”控制端INC，該控制器便在二分頻過(guò)程中加入半個(gè)時(shí)鐘周期；反之，若ud為高電平，可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)，并產(chǎn)生借位脈沖作用到加／減脈沖控制器的“減”輸入端DEC，該控制器便在二分頻的過(guò)程中減去半個(gè)時(shí)鐘周期，這個(gè)過(guò)程是連續(xù)發(fā)生的。加／減脈沖控制器的輸出經(jīng)過(guò)模N計(jì)數(shù)器分頻后，得到輸出信號(hào)OUT64，它的相位不斷受到調(diào)整控制，最終達(dá)到鎖定狀態(tài)。最后只要對(duì)OUT64進(jìn)行4分頻就能得到16kHz的輸出信號(hào)OUTl6，對(duì)加／減脈沖控制器的輸出進(jìn)行P分頻就能得到56kHz的輸出信號(hào)OUT56。

圖1

該全數(shù)字鎖相環(huán)的三個(gè)輸出信號(hào)的頻率分別為64kHz、56kHz和16kHz，經(jīng)過(guò)計(jì)算可確定鎖相環(huán)的參數(shù)M、N和P。設(shè)H=8，因?yàn)镸f0＝14336kHz=4×4×2×7×64kHz，故M=4×4×2×7=224。因?yàn)?Nf0＝Mf0／H=4×4×2×7×64kHz／8=2×2×7×64kHz=2×2×8×56kHz，故N＝14、P＝16。