基于FPGA的全数字锁相环路的设计

摘　要： 介绍了应用VHDL技术设计嵌入式全数字锁相环路的方法。详细叙述了其工作原理和设计思想，并用可编程逻辑器件FPGA予以实现。
关键词： VHDL语言　全数字锁相环路(DPLL)　片上系统(SOC) FPGA

数字锁相环路已在数字通信、无线电电子学及电力系统自动化等领域中得到了极为广泛的应用。传统的全数字锁相环路(DPLL)是由中、小规模TTL集成电路构成。这类DPLL工作频率低，可靠性较差。随着集成电路技术的发展，不仅能够制成频率较高的单片集成锁相环路，而且可以把整个系统集成到一个芯片上去，实现所谓片上系统SOC(System on a chip)。因此，可以把全数字锁相环路作为一个功能模块嵌入SOC，构成片内锁相环。下面介绍采用VHDL技术设计DPLL的一种方案。

1工作原理
全数字锁相环路的结构框图如图1所示其中数字鉴相器由异或门构成，数字环路滤波器由变模可逆计数器构成，数控振荡器由加/减脉冲控制器和除Ｎ计数器组成。可逆计数器和加/减脉冲控制器的时钟频率分别为Mf0和2Nf0。这里f0是环路的中心频率，一般情况下M和N为2的整数幂。时钟2Nf0经除H(＝M/2N)计数器得到。限时的相应波形如图2所示。

当环路琐定时，u1和u2正交，鉴相器的输出信号ud为50%占空比的方波，此时定义相位误差为零。在这种情况下，可逆计数器"加"与"减"的周期相同，只要可逆计数器的k值足够大(k＞M/4)，其输出端就不会产生进位或借位脉冲。这时，加/减脉冲控制器只对其时钟2Nf0进行二分频，使u1和u2的相位保持正交。在环路未锁定的情况下，若ud＝0时，它使可逆计数器向上加计数，并导致进位脉冲产生，进位脉冲作用到加/减脉冲控制器的"加"控制端i，该控制器便在二分频过程中加入半个时钟周期。反之，若ud＝1，可逆计数器减计数，并将发出借位脉冲到加/减脉冲控制器的"减"输入端d，于是，该控制器便在二分频的过程中减去半个周期。这个过程是连续发生的。加/减脉冲控制器的输出经过除Ｎ计数器后，使得本地估算信号u2的相位受到调整控制，最终达到锁定状态。

2 环路部件的设计
这里重点介绍数字环路滤波器的设计。数字环路滤波器是由变模可逆计数器构成。在ud的控制下，当j＝0时，对时钟Mf0进行"加"计数；当j＝1时，进行"减"计数。可逆计数器的计数容量(模数k)可以利用A、B、C、D四位进行预置，从而方便地改变模数。其预置模数的范围为，当D、C、B、A在0001～1111取值时，相应模数的变化范围是23～217。可见，可逆计数器的长度能够根据模数k值的大小来实现数字编程控制。取D、C、B、A为0001时，K＝23，计数器长度只有三级，因而可以扩大捕捉带，缩短锁定时间。在D、C、B、A取1111时，K＝217，计数器长度变为十七级，这时捕捉带缩小，缩定时间延长。变模可逆计数器的VHDL设计程序如下：
library ieee?
use ieee．std_logic_1164．all?
use ieee．std_logic_unsigned．all?
entity count_k is
port clk j en d c b a in std_logic
r1 r2 out std_logic　?
end?
architecture behave of count_k is
signal cq k mo std_logic_vector 16 downto 0　?
signal cao1 cao2 std_logic?
signal instruction std_logic_vector 3 downto 0　?
begin
instruction＜＝d & c & b & a?
with instruction select

mo ＜＝″00000000000000111″ when ″0001″?
″00000000000001111″ when ″0010″?
″00000000000011111″ when ″0011″?
″00000000000111111″ when ″0100″?
″00000000001111111″ when ″0101″?
″00000000011111111″ when ″0110″?
″00000000111111111″ when ″0111″?
″00000001111111111″ when ″1000″?
″00000011111111111″ when ″1001″?
″00000111111111111″ when ″1010″?
″00001111111111111″ when ″1011″?
″00011111111111111″ when ″1100″?
″00111111111111111″ when ″1101″?
″01111111111111111″ when ″1110″?
″11111111111111111″ when ″1111″?
″00000000000000111″ when others?
process clk en j k cq　
begin
if clk＇event and clk＝＇1＇ then
k＜＝mo?
if en＝＇1＇ then
if j＝＇0＇ then
if cq＜k then cq＜＝cq+1?
else cq＜＝?others＝＞＇0＇　?
end if
else
if cq＞0 then cq＜＝cq-1?
else cq＜＝k?
end if?
end if
else cq＜＝?others＝＞＇0＇　?
end if
end if
end process?

process en j cq k　
begin
if en＝＇1＇ then
if j＝＇0＇ then
if cq＝k then cao1＜＝＇1＇?
else cao1＜＝＇0＇?
end if
cao2＜＝＇0＇?
else
if cq＝″00000000000000000″then cao2＜＝＇1＇?
else cao2＜＝＇0＇?
end if
cao1＜＝＇0＇?
end if
else cao1＜＝＇0＇? cao2＜＝＇0＇?
end if?
end process?
r1＜＝cao1? r2＜＝cao2?
end behave?
根据对其他环路部件的功能分析，也可以设计出相应的VHDL程序。

3　设计实现
本设计中全数字锁相环路采用XILINX公司的Foundation 3.1版本进行设计，并用Spartan2系列的FPGA予以实现。下面分别给出变模可逆计数器和加/减脉冲控制器的仿真波形如图3、图4所示。从图3中可见，当j＝0时，可逆计数器做加计数，若取模k＝24，则当计数值cq＝0000FH时，计数器产生进位脉冲(r1＝1)；当j＝1后，在下一个时钟的上升沿到来时，可逆计数器开始做减计数，当cq＝00000H时，产生借位脉冲（r2＝1）。改变模k便可延长或缩短可逆计数器产生进位脉冲和借位脉冲的时间。同时，由图1可知，可逆计数的加/减计数信号j是由鉴相器的输出信号ud控制的，而其进位脉冲r1和借位脉冲r2又分别与加/减脉冲控制器的i和d相接，用于控制其输出脉冲的序列。由图4可知，在无进位和借位脉冲时，加/减脉冲控制器对2Nf0时钟进行二分频。一旦可逆计数器有进位脉冲或借位脉冲输出时，作用到加/减脉冲控制器i或d端，便使其输出脉冲序列发生了变化。当可逆计数器输出一个进位脉冲时，使i＝1，则在i的下降沿到来之后，加/减脉冲控制器的输出端q插入一个脉冲，即在其输出序列中加入了半个周期；反之，当可逆计数器输出一个借位脉冲时，使d＝1，则在d的下降沿到来之后，q端删除一个脉冲，即在加/减脉冲控制器的输出序列中删去了半个周期。由以上对图3、4仿真波形的分析可知，变模可逆计数器和加/减脉冲控制器的逻辑功能符合设计要求。把全数字锁相环路的各部件连接起来进行系统仿真，可得其仿真波形如图5和图6所示。

其中图5是取k＝25时的系统仿真波形，由图中可见，u1和u2达到锁定状态时的仿真时间是175μs。图6是取k＝28时的系统仿真波形，在这种情况下，u1和u2达到锁定状态时的仿真时间是1.04ms。显然，模k愈大，环路进入锁定状态的时间愈长。

值得指出的是，在环路锁定状态下，由于可逆计数器的连续计数，或在噪声的干扰下，会产生进位和借位脉冲。如果k值取得太小，则可逆计数器因频繁地循环计数而产生进位或借位脉冲，这就导致了在环路的输出端出现相位抖动。为了减少这种相位抖动，k值必须取大于M/4。
由以上分析可知，模k的取值要适当。k取得大，对抑制噪声、减少相位抖动有利，但同时又加大了环路进入锁定状态的时间。反之，k取得小，可以加速环路的锁定，而对噪声的抑制能力却随之降低。

采用VHDL设计全数字锁相环路，具有设计灵活、修改方便和易于实现的优点，并能够制成嵌入式片内锁相环。该类数字锁相环路中计数器的模数可以随意修改。这样，就能够根据不同情况最大限度地、灵活地设计环路。

参考文献
1 孟宪元．可编程ASIC设计及应用．成都：电子科技大学出版社，2000.11
2 胡华春，石 玉．数字锁相环路原理与应用．上海：上海科技出版社，1990
3TTLdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.

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