基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

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(duì)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(zhǎng)；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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)該鎖相環(huán)進(jìn)行測(cè)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F(xiàn)PGA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(cè)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。