基于FPGA全新鎖相倍頻系統(tǒng)的設(shè)計

隨著數(shù)字時代的到來，越來越多的領(lǐng)域采用集成電路來設(shè)計電路，F(xiàn)PGA/CPLD等EDA設(shè)計更為廣大硬件工程師所接受。其模塊化設(shè)計為設(shè)計人員帶來了很多方便，節(jié)約了系統(tǒng)的開發(fā)時間，使設(shè)計人員只需要調(diào)用這些模塊或者IP核，然后組合起來就可以實現(xiàn)一個簡單的功能。全數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)就是其中一個典型的例子。然而DPLL在應(yīng)用時存在很多缺陷，例如鎖相時間長、捕捉帶窄等。為了避免這些缺點，本文設(shè)計了一種全新的相位跟蹤倍頻系統(tǒng)，有效地改善了DPLL的這些指標，并在項目中得到了良好的應(yīng)用。

1 全數(shù)字鎖相環(huán)的概念

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。典型全數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它采用的鑒相器是導(dǎo)前-滯后型數(shù)字鑒相器。鑒相器在每一個周期內(nèi)得到輸入時鐘的相位比本地估算時鐘相位超前或滯后的信息，這樣鑒相器的相位誤差輸出只有超前或滯后兩種狀態(tài)。將誤差相位的超前或滯后信息送到序列濾波器后，產(chǎn)生對DCO的“加”或“減”脈沖控制指令去改變DCO的時鐘周期，使本地估算時鐘的相位與輸入時鐘相位靠攏。

環(huán)路濾波器采用了K計數(shù)器。其功能就是對相位誤差序列計數(shù)即濾波，并輸出相應(yīng)的進位脈沖或借位脈沖來調(diào)整I/D數(shù)控振蕩器輸出信號的相位，從而實現(xiàn)相位控制和鎖定。然而相位鎖定時間與相位抖動之間是一對矛盾體，K值取得大，對抑止噪聲有利，因為K值大，計數(shù)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。但這樣捕捉帶會變小，而且加大了環(huán)路進入鎖定狀態(tài)的時間。反之，K值取得小，可以加速環(huán)路的入鎖，但K計數(shù)器會頻繁地產(chǎn)生進位或借位脈沖，從而導(dǎo)致相位抖動，增大了同步誤差，相應(yīng)地對噪聲的抑制能力也隨之降低。因此對于一般的DPLL，選擇適當?shù)腒值很重要。

對于倍頻電路，目前大部分都是基于鎖相環(huán)技術(shù)開發(fā)的，因此不可避免地也會將鎖相環(huán)中設(shè)計存在的矛盾帶入倍頻設(shè)計中。即使系統(tǒng)倍頻的范圍很寬，但由于PLL的自身缺陷所帶來的頻譜純度差、抖動明顯、噪聲大等缺點是不可避免的。

2 新方案的提出

近幾年來，越來越多的科研機構(gòu)致力于開發(fā)新型的鎖相倍頻系統(tǒng)，無論在數(shù)字還是模擬領(lǐng)域，都有了嶄新的突破。在模擬方面，F(xiàn)ordahl開發(fā)了一種如圖2所示的新倍頻模擬方法。該方法在高頻和低頻段工作良好，同時有效地改善了在鎖相環(huán)設(shè)計中所帶來的缺陷。在數(shù)字方面，一種全新構(gòu)架的無類比全數(shù)字鎖相倍頻電路已經(jīng)由某科研機構(gòu)研制開發(fā)成功，并已經(jīng)投入使用，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該設(shè)計完全基于FPGA/CPLD設(shè)計開發(fā)而成，鎖相時間短(只需要一個系統(tǒng)時鐘周期tpd的延時)，同時具有無類比電路、無抖動、無內(nèi)部振蕩器、功耗低等優(yōu)點。

本文結(jié)合上述兩種方法，根據(jù)FPGA流水線的操作思想，設(shè)計了一種全新的相位鎖定倍頻系統(tǒng)。在具備上述兩個倍頻電路優(yōu)點的同時，增強了倍頻的精度，擴大了倍頻范圍，在系統(tǒng)資源允許的范圍內(nèi)，合理地利用芯片面積與速度的關(guān)系，以較少的邏輯單元，設(shè)計出高速倍頻系統(tǒng)。

3 原理及算法

這種全新相位鎖定倍頻系統(tǒng)由四大模塊組成：同步預(yù)處理模塊、計數(shù)器模塊、算法模塊、選擇輸出模塊。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。


3.1 原理

首先，對輸入?yún)⒖紩r鐘(CLK_IN)進行同步處理，對輸入信號進行復(fù)制，使得輸入信號與全局時鐘(SYSCLK)達到同步(即使復(fù)制后的信號與輸入?yún)⒖紩r鐘存在誤差，誤差也小于一個SYSCLK周期)，然后以SYSCLK為基準對CLK_IN進行計數(shù)。如果信號CLK_IN抖動很小或者周期恒定，則以n(n>1)個周期為單位進行計數(shù)；如果抖動很大(一般與外部環(huán)境及物理因素有關(guān))，則以一個周期為單位進行計數(shù)，并將計數(shù)值作為輸入傳送給算法模塊。算法模塊經(jīng)過一系列算法流程后，得到一個使能信號(/EN)。最后利用建立時間(Tsu)和保持時間(Th)的特性，以使能信號/EN低有效對SYSCLK選擇輸出，得到所需要的倍頻信號。

從PLL倍頻的原理出發(fā)，輸入?yún)⒖紩r鐘倍頻后的頻率不可能大于系統(tǒng)時鐘頻率，因此對輸入時鐘的倍頻問題歸根結(jié)底就是對系統(tǒng)時鐘的分頻問題。系統(tǒng)時鐘分頻后，一方面作為信號輸出，一方面作為反饋信號。頻率除以N(倍值)后，得到本地估算信號，經(jīng)過DPLL環(huán)路，使之與參考時鐘同相，這樣就得到了與輸入?yún)⒖紩r鐘的同相N倍頻輸出信號。從這里可以看出，基于DPLL的倍頻電路是系統(tǒng)相位鎖定與時鐘倍頻同時進行的。因此倍頻過程中，必然受到DPLL自身因素的制約。而本文設(shè)計的倍頻系統(tǒng)，系統(tǒng)同步過程和倍頻過程是兩個獨立的過程，相互之間不存在依附關(guān)系，因此可以將兩個過程分別做優(yōu)化處理。

(1)鎖相問題?？梢园阉D(zhuǎn)化為“同步”問題來考慮。同步過程中最重要的概念就是“參照系”，對于鎖相環(huán)而言，本地估算信號是以輸入?yún)⒖紩r鐘為參照進行運算得來的；而若以系統(tǒng)時鐘作為參照，本地復(fù)制信號必然與系統(tǒng)時鐘同步，且與輸入?yún)⒖紩r鐘同相。這樣做的優(yōu)點是相位鎖定快，提高了芯片系統(tǒng)速度(頻率)。

(2)倍頻問題。既然本地復(fù)制時鐘是與系統(tǒng)時鐘同步的，而一切與系統(tǒng)時鐘同步的信號必然與復(fù)制信號同步，那么對本地復(fù)制信號的倍頻問題，就可以簡化為對系統(tǒng)時鐘的分頻問題。例如，假設(shè)輸入?yún)⒖夹盘柕念l率為64kHz，系統(tǒng)時鐘的頻率為64MHz，現(xiàn)要求設(shè)計一個電路，其輸出信號與輸入?yún)⒖夹盘柾?，且頻率為9.6MHz時鐘。通過運算可得到輸出信號是輸入?yún)⒖夹盘柕? 500倍，是系統(tǒng)時鐘頻率的20/3分頻。因此只要設(shè)計出20/3分頻電路，就可得到輸出信號是輸入?yún)⒖紩r鐘1 500倍的倍頻信號。其算法思想如圖5所示。


3.2 算法

以SYSCLK作為累加器的系統(tǒng)時鐘，累加器的位寬根據(jù)分頻的精度而確定，累加操作在系統(tǒng)時鐘的上升沿有效，累加器的初始值為0。因為是20/3分頻，所以累加器在時鐘的上升沿時增加0.15，同時判斷0.15和1的大小，由于0.151，所以/EN=1。在時鐘的第二個上升沿到來時，在累加0.15等于0.3后，同時判斷0.3和1的大小，由于0.31,所以/EN=1。依此類推，在時鐘的第七個上升沿到來時累加器的值應(yīng)該是1.05,由于1.05>1，所以/EN=0。再將1.05減去1的差0.05作為累加器的初始值進行下次運算，依次進行下去就可以得到/EN信號。

在FPGA的設(shè)計中，一般經(jīng)常用到的是時鐘的上升沿，根據(jù)FPGA的建立時間Tsu和保持時間Th，雖然在建立時間不能采到SYSCLK的上升沿，但在保持時間卻可以采到第八個上升沿。這樣就可以得到頻率為9.6MHz的輸出信號。

4 性能分析

4.1 相位鎖定時間

因為本設(shè)計以系統(tǒng)時鐘為參照，所以本地復(fù)制信號與輸入?yún)⒖夹盘柕南辔徽`差最大為一個SYSCLK周期，本設(shè)計使用的是Altera公司的Cyclone系列EP1C3T144-8芯片，系統(tǒng)時鐘頻率最高能達到105.65MHz，因此最大誤差為9.465ns。如果再經(jīng)過優(yōu)化，可以達到在7ns以內(nèi)。

4.2 倍頻范圍及其精度

本設(shè)計采用任意數(shù)分頻算法，倍頻后輸出信號的頻率范圍可以從0Hz到系統(tǒng)時鐘的最高頻率。因此，對于精度，可以做到小數(shù)點后任意值，但是刻意地追求精度，是以浪費芯片面積為前提的，所示選擇精度值還要根據(jù)芯片的邏輯單元多少來決定。

5 仿真結(jié)果

仿真的部分波形圖如圖6所示，放大效果圖如圖7所示。

本文提出的全新鎖相倍頻系統(tǒng)方案已經(jīng)在項目中得到應(yīng)用，并在實踐中得到檢驗，性能完全達到預(yù)期要求，效果良好。