文档库 最新最全的文档下载
当前位置:文档库 › CMOS数字锁相环中的自校准技术

CMOS数字锁相环中的自校准技术

CMOS数字锁相环中的自校准技术
CMOS数字锁相环中的自校准技术

收稿日期:2005-03-16; 定稿日期:2005-06-24

基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2002AA 1Z1290)

文章编号:1004-3365(2005)06-0572-05

C MOS 数字锁相环中的自校准技术

刘素娟,杨维明,陈建新

(北京工业大学光电子实验室,北京 100022)

摘 要: 提出了一种数字锁相环(DPLL)。该电路采用自校准技术,具有快速锁定、低抖动、锁定频率范围宽等优点。设计的锁相环在118V 外加电源电压时,工作在60~600MH z 宽的频率范围内。电路采用5层金属布线的0118L m C MOS 工艺制作。测试结果显示,电路的峰-峰抖动小于输出信号周期(T ou t )的015%,锁相环锁定时间小于参考时钟预分频后信号周期(T pre )的150倍。关键词: C MOS ;数字锁相环;自校准;相频检测;压控振荡器中图分类号: TN43111文献标识码: A

Self -Calibration T echn i que for C M OS D i gital Phase Locked Loop

LI U Su -j u an ,YANG W e-i m i n g ,C H E N Ji a n -x i n

(Optoe l ec t ron i cs Labora tory,B eiji ng Universit y of Tec hn ology,Be i jing,100022,P 1R 1China )

Abst ract : A d i g ita l phase -locked l oop (DPLL )based on a new dig ital phase -frequency detecto r is presented 1T he sel-f

ca li bra ti on techn i que i s e m ployed t o acqu ire fast l ocking ,low jitter ,and a w i de lock i ng range 1T he DPLL operates fro m 60M H z to 600MH z at a supply vo ltage o f 118V,and it has been i m ple m ented i n a 0118L m qu i ntup l e -m eta lC M O S pro cess 1T he peak -to -peak jitte r o f the c i rcu it is l ess than 015%of the ou t put period ,T out ,and the l ocking ti m e is l ess than 150ti m es of the re ference clock period a fter prescaler ,T p r e 1

K ey w ords : C M OS ;D ig ital phase -l o cked l oop ;Sel-f cali brati on ;Phase -frequency detecti on ;V o ltage contro lled osci-l

lator

EEACC : 2570D

1 引 言

锁相环电路广泛应用在微处理器和通信系统的模拟/混合信号芯片中,用来产生时钟恢复信号[1-2]

。在高性能的微处理器和通信系统的应用中,对锁相环的锁定时间和输出抖动的要求越来越高。因此,对低噪声快速锁定的锁相环的设计提出了新的挑战。本文提出了一种数字锁相环(DPLL)电路,将自校准技术应用于设计中,所设计的锁相环具有快速锁定、低抖动、锁定频率范围宽等优点。

本文提出的数字锁相环的基本结构如图1所示。电路由数字相频检测器(DPFD )、D /A 转换器(DAC)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO),以

及3个分频器形成一个反馈系统。DPFD 用来检测

参考时钟和VCO 输出时钟之间的相频差。本设计中的相频差是由一个5位加减计数器形成的5位多值脉冲。将此多值脉冲送入DAC 中进行D /A 转

换,输出模拟信号经一阶低通RC 滤波器滤

波后作

图1 数字锁相环的结构框图

第35卷第6期2005年12月

微电子学M icroelectronics

V ol 135,l 6D ec 12005

为VCO 的控制电压。VCO 根据控制电压的变化,改变输出频率,使输出频率与多值脉冲的平均值成正比。整个系统通过3个分频器形成一个反馈系统。第一个2分频器是用来产生具有精确50%占空比的时钟,这对大多数应用来说是非常重要的。第二个2分频器用来保证可变分频器工作在一个较低的频率上,并减小可变分频因子的范围。可变分频器连接在VCO 与相频检测器之间,使VCO 的输出能产生任意倍频。由图1可以看出,输出信号的频率可由(1)式计算

f ou t =2#f ref I +M /N

R

(1)

(1)式中,f ref 为参考频率,一般由晶振提供,设计范围为10~100MH z ;f ou t 为输出频率,范围为60~600MH z ;R 为为预分频因子,取值范围均为1~16内的整数;I 为可变分频因子F (F =I +M /N )的整数部分,取值范围均为5~16内的整数(如果小于5,环路默认为5);M 和N 分别为可变分频因子分数部分的分子和分母,取值范围分别为0~1023和1~1024内的整数。

2 自校准技术的设计实现

本文结合相频检测器与压控振荡器的具体设计,介绍自校准技术在电路中的应用。

211 数字相频检测器(DPFD )

本文设计的相频检测器与以往电路不同,如图2所示。它的基本结构采用一个5位异步加减计数器来比较参考频率f ref 和反馈回路的输出频率f fd 。在锁定过程中,参考频率和输出频率不同,计数器在参考频率的上升沿到来时加1,在输出频率的上升沿到来时减1。这样可以形成一个5位多值脉冲M P 〈4B 0〉,如图3所示。如果参考频率较高,5位多值脉冲M P 〈4B 0〉的平均值将会增加,从而增加VCO 的输出频率;相反,如果输出频率较高,M P 〈4B 0〉平均值将会降低,从而降低VCO 的输出频率。直到参考频率和输出频率完全相同为止。MP 〈4B 0〉将有一个固定的占空比,平均值为常数,并且VCO

被调谐到所要求的频值上。

图2

数字相频检测器

图3 参考时钟、反馈输出时钟和多值脉冲M P 〈4B 0〉

自校准技术用来加速锁定过程,如图4所示。自校准由两个DAC(DAC )1和DAC )2)

实现。

图4 自校准过程示意图

5位多值脉冲M P 〈4B 0〉的高4位,即M P 〈4B

1〉,通过计算和D /A 转换,作为校准电流Ca l )i 来实现自校准功能;低4位,即M P 〈3B 0〉,通过译码和D /A 转换后的模拟信号,经低通滤波后,作为VCO 的控制电压C tr )v 。DAC )2是一个由二进制加权电流镜构成的电流分布式DAC ,4个输入分别为C )0、C )1、C )2、C )3;C )0到C )3为MP 〈4B 1〉经过计算后的输出信号;b i a s )1和b ias )2为偏置电

压,由内部偏置模块产生。电流分布由21(2)到24

(16)个匹配的MOSFET 实现。图5中只画出对应于最低位输入C )0的结构,而对应C )1到C )3位的结构类似,只是对应于M 0〈1B 0〉处的晶体管分

别由22(4)到24

(16)个匹配的M 0代替,对应于M 1

处的晶体管分别由21(2)到23

(8)个匹配的M 1代替。转换瞬间完成,由于电路中没有悬浮点,对寄生效应不敏感。输出电流为校准电流C al ),i 被分别送至DAC )1和VCO,用来调整VC O 的控制电压和频率步长。DAC )1为一个并行输入具有单调性的乘法DAC ,输出信号为控制电压Ctr )v ,转换时间小于20ns

图5 DA C )2的核心结构

自校准过程可以描述如下:首先,DPLL 由复位信号复位,且使能信号使其进入工作状态;然后,DPLL 开始根据参考电压和倍频因子(F ),计算校准电压(Ca l )i)的大小;之后,校准电压(Cal )i)粗略决定控制电压(C tr )v)的大小,使VCO 一开始便工作在要锁定频率的附近;同时,能够调整VC O 的频率步长的大小,使它与参考频率成正比。这样可以扩大锁定频率的范围,缩短锁定时间。基准电压确定了VCO 的大致的工作频率范围后,控制电压(Ctr )v)细微调整VCO 的工作频率,直至完全锁定并获得较低的抖动。通过自校准,DPLL 可以获得宽锁定范围和短锁定时间,并具有较低的抖动。212 压控振荡器

压控振荡器(VCO )采用一个3阶环形振荡器,它没有外部元件,易于集成。但是,这种振荡器相位噪声较大,而相位噪声主要由电源电压引起。当电源电压有阶跃或者脉冲的扰动时,这些扰动将直接

影响VCO 的相位和频率,造成抖动[3-4]

图6给出了VC O 的核心结构,它是基于反相器延迟单元的环形振荡器,受输入电流I ctr 的控制。输入电流I ctr 来自于控制电压C tr )v ,经过由简单MOS 器件M 4构成的电压-电流转换。M 4工作在线性区,使VCO 的传输函数在工作范围内近似为线性。基于低电源电压和高频工作的考虑,VC O 的基本单元采用电流控制的环形振荡器(CCO )。电流镜中的M 4和M 0完全匹配,C tr )v 控制电流I ctr 的大小;VCO 的振荡频率取决于CCO 的单元延迟时间t d ,而t d 的大小则由I ctr 决定。从电路的交流小信号等效模型,可得t d W V dd /I ctr 。然而,I ctr W V dd 。因此,电源

电压噪声的影响可以部分抵消。

图6 压控振荡器的核心结构

由一组P MOS 管组成的去耦电容C d 连接在CCO 上,用来减小通过寄生电容注入的电源噪声。

CCO 延迟单元中的晶体管M 5、M 7和M 9的源和衬底也接至去耦电容的端点cap )node 上,从而保证CCO 对电源电压的噪声不敏感,提高对电源电压噪声注入(PSNR )的抑制比。

自校准后,校准Ca l )i 电流能将控制电压C tr )v 调整到某一范围内,并调整VCO 输出频率步长的大小。控制电压C tr )v 将根据MP 〈3B 0〉的大小,细微调整VCO 的工作频率,直至锁定并获得较低的抖动。C al )v 为校准电压,是Cal )i 经过电流-电压转换后的输出,电流-电压由一工作在强反型区的NMOS 管M 2实现。Cal )v 与C tr )v 的关系,以及对VCO 输出频率的影响如表1所示。

表1 校准电压和控制电压与VCO 振荡频率之间的关系Ca l )v /V Ctr )v /V f r o s c )

out

/MH z

0121152015113~112100~270018112~0172270~1205112111~013475~1490118

019~0125

880~1510

VCO 振荡频率f rosc )out 与控制电压C tr )v 的关系如图7所示。DPLL 的输出频率为60~600MH z 时,VCO 的振荡频率应为120~1200MH z 。如图7所示,在工作频率(120~1200MH z)范围内,VC O 的V-f 传输函数近似为线性,而线性的传输函数可以减小干扰电压,尤其是电源电压波动,对VCO 的

影响。

图7 V CO 输出频率与控制电压的关系

3 分数分频的实现

设计中还采用了分数分频技术,加速锁定过程并具有较小的输出频率间隔。分数分频是通过可编程分频器在不同周期内选择分频比来实现的。从

(1)式中可推导出

f ou t =2R M N

#(I +1)+N -M N #I f ref (2)

在M 个工作周期内,分频比被设为I ,在N -M 个工作周期内,分频比被设为I +1,分数部分是靠一个数字累加器产生的/00和/10的溢出来实现的。这种技术在参考频率不变的情况下得到了较小的输出频率间隔。但由于分频比在I 和I +1之间变动,这种技术会使输出频谱在(M /N )*f ref

的倍数上产生毛刺(spurs)。为了解决这个问题,设计采用了2-$调制。一个累加器可以看作一个简单的2-$调制器,其Z 域模型如图8所示。

图8 一阶2-$调制Z 域模型

由Z 域模型可写出:

Y(z )=F (z )+H n (z )#Q (z)(3)

H n (Z )和Q (Z )分别为相位噪声和量化噪声的传输函数。

|H n (f )|=2#sin(

P f

f s ) 0[f [f s 2

(4)

在低频时,|H n (f )|的值近似为0,在频率接近

f s /2时,|H n (f )|达到最大值2。

由此可以看出,2-$调制能够把相位噪声从低频位置移至高频位置。由于环路具有低通滤波特性,因此可以消除在低频端产生的边带和毛刺。将多个一阶2-$调制器级联,便可以得到高阶2-$调制器。高阶2-$调制器可以更好地改善环路的噪声性能。但高阶的调制器有几个反馈,环路不容易

稳定[5]

,因此,在本设计中,采用二阶的2-$调制,能较好地改善相位噪声性能和降低尖峰电平,使设计的DPLL 尤其适合用于窄信道间隙的通信系统中。

4 锁相环的仿真及测试结果

表2总结了DPLL 的一些性能测试及仿真结果。图9是校准电压(Ca l )v)和控制电压(C tr )v)及锁定标记(10ck flag)在输出频率为400MH z 时的仿真结果。

表2 DPLL 的性能测试及仿真结果

性能参数仿真结果输出频率范围60~600MH z 功耗

<315mW 锁定时间<150*T p re 输出抖动<018%of T out

相位噪声

-10216dBC /H z@10k H z offset 最小输出频率间隔

10k H z

注:T o ut 为输出时钟周期,T p re 为参考时钟预分频后的周期

图9 Ca l )v

,C tr )v 和lock fl ag 的仿真结果根据图9,自校准过程可以描述为:

1)计算过程,从0到215L s 。在这段时间内,DPLL 由复位信号复位,且使能信号使其进入工作状态。然后,DPLL 开始根据参考电压和倍频因子(F ),计算校准电压(Ca l )v)的大小。

2)校准过程,从215L s 到515L s 。在这个过程中,校准电压(C al )v)粗略决定控制电压(C tr )v)的大小,使VC O 一开始便工作在要锁定频率(400MH z)的附近;同时,能够调整VC O 频率步长的大小,使它与参考频率成正比。这样可以扩大锁定频率的范围,缩短锁定时间。

3)微调过程,从515L s 到7165L s 。基准电压确定了VCO 大致的工作频率范围后,控制电压(Ctr )v)细微调整VCO 的工作频率,直至完全锁定,并获得较低的抖动。DPLL 中还有一个锁定控制模块,由一系列定时器(ti m er)组成,在锁定过程中能产生必需的控制信号。当锁定标记l o ck flag 由/00变为/10时,表明环路锁定。在图9中,l o ck flag 在7165L s 时变为/10,标志着此时环路锁定。

图10为DPLL 的峰-峰(peak -to -peak)抖动对输出频率的测试结果。如图10所示,锁相环的抖动小于输出周期的015%。当输出频率低于200MH z

时,抖动稍有增加。这是由于设计的VCO 在低频时的PSNR 不够大造成的。图11为锁相环的输出频谱。锁相环采用0118L m 工艺制作,芯片面积为01625mm @01625mm

图10

频率抖动与输出频率的关系

图11 输出信号频谱

5 结 论

将自校准技术应用于数字锁相环的设计中,在获得低抖动的同时,加快了锁定过程,拓宽了锁定频率范围。所设计的数字锁相环已在0118L m 5层金属布线C MOS 工艺上实现。经仿真和测试,峰-峰相位抖动小于输出信号周期的015%,锁相环的锁定时间小于参考频率预分频后信号周期(T pre )的150倍。仿真结果和测试结果表明,锁相环能较快锁定,并具有较低的抖动和较好的噪声性能。参考文献:

[1]

Y oung I A,G reason J K,W ong K L.A PLL c l ock gene r -a tor w ith 5to 110MH z of l ock range for m icroprocessors [J].I EEE Sol Sta C irc ,1992,27(11):1599-1607.[2]

V on K aene l V,A eb ischer D,P iguet C ,

et a.l A 320

MH z ,1.5m W @1.35V C M O S PLL for m i croprocesso r clock gene ration[J].IEEE Sol S ta C i rc ,1996,31(11):

1715-1722.[3]

D ai L,H ar jan i R.

Co m par ison and ana l ysis o f phase

no ise in r i ng osc illators[A ].I EEE In t Symp C irc and Syst[C].G eneva .2000.77-80.[4]

H a ji m iri A,L i m o t y rak i s S ,L ee T H.Jitter and phase

no ise i n r i ng oscillators[J].I EEE So l Sta C i rc ,1999,34

(6):790-804.[5]

Shu K,Sanchez -Sinencio E ,M a l obe rti F ,et a.l A co m-pa rative study of dig ital 2-$modu lators for fractiona-lN synthesi s[A ].

Int Con f E l ec C irc and Syst[C ].2001.

M a lta .1391-1394.

作者简介:刘素娟(1978-),女(汉族),山

东巨野人,博士研究生,2001年于山东大学电子工程系获学士学位,研究方向为C MOS 模拟/混合集成电路设计。

(上接第571页)

[8]

Zuni g a M A,N eureuther A R.D iagnostics of pa ttern i ng m echanis m s i n chem ica ll y a m plified resists from bake de -pendenc i es o f i m ages[J].J V ac Sc i techno lB ,1996,14(6):4221.[9]

T o ll kuehn B ,Erd m ann A,K i ve l N,et a ,l N e w m et hods to cali brate si m ulati on para m eters f o r chem i ca ll y amp lified res i sts[J].P roc SP I E,2002,(4691):1168.

[10]M atiut D,Erd m ann A,Y o ll kuehn B ,et a.l N e w m ode ls

for t he si m ulati on o f post -exposure bake of che m icall y a m-p lified resist[J].P roc SP IE ,2003,(5039):1132.

作者简介:卢 伟(1982-),女(汉族),河南省信阳市人,硕士研究生,2003年于合肥工业大学获学士学位,主要从事微电子工艺光刻模型及模拟的研究。

锁相环设计

锁相环测量简述 一、锁相环路的基本工作原理 锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。它由以下三个基本部件组成:鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)。其组成方框图如下所示。 锁相环路的基本方框图 锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准(参考)输入信号时,环路滤波器的输出为零(或为某一固定值)。这时,压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时,uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。 如果fR和fv相差不大,鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果,输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud,再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分,输出一个控制电压uc,uc将使压控振荡器的频率fv(和相位)发生变化,朝着参考输入信号的频率靠拢,最后使fv= fR,环路锁定。 环路一旦进入锁定状态后,压控振荡器的输出信号与环路的输入信号(参考信号)之间只有一个固定的稳态相位差,而没有频差存在。环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的,若环路输入的是频率和相位不断变化的信号,而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化,则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环路在锁定后,不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步,而且还具有频率跟踪特性,所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。 二、环路部件的测量 I.鉴相器特性的测量 鉴相器的主要性能可用鉴相特性曲线和鉴相灵敏度来表示。 鉴相特性曲线是表示鉴相器的输出电压Vd与两个输入比相信号之间相位差θe的关系曲线,其测量方法如右图所示,在测量精度要求不高的情况下,可用双踪示波器来代替相位计。

全数字锁相环原理及应用

全数字锁相环原理及应用 2011年11月18日 摘要:锁相环是一种相位负反馈系统,它能够有效跟踪输入信号的相位。随着数字集成电路的发展,全数字锁相环也得到了飞速的发展。由于锁相精度和锁定时间这组矛盾的存在使得传统的全数字锁相环很难在保证锁定时间的情况下保证锁定精度。鉴于此,本文对一些新结构的全数字锁相环展开研究,并用VHDL语言编程,利用FPGA仿真。 为解决软件无线电应用扩展到射频,即射频模块软件可配置的问题和CMOS工艺中由于电压裕度低、数字开关噪声大等因素,将射频和数字电路集成在一个系统中设计难度大的问题,本文尝试提出数字射频的新思路。全数字锁相环是数字射频中最重要的模块之一,它不仅是发射机实现软件可配置通用调制器的基础,还是为接收机提供宽调频范围本振信号的基础。本文针对数字射频中的数字锁相环的系统特性以及其各重要模块进行了研究。 关键词:全数字锁相环;锁定时间;锁定精度;PID控制;自动变模控制;数控振荡器;时间数字转换器;数字环路滤波器;FPGA; Principle and Application of all-digital phase-locked loop Abstract: Phase-Locked Loop is a negative feedback system that can effectively track the input signal’s phase. With the development of digital integrated circuits, all-digital phase-locked loop has also been rapidly developed. Because of the contradiction between the existence of phase-locked precision and phase-locked time, it makes the traditional all-digital phase-locked loop difficult to ensure the lock time meanwhile as well as phase-locked precision. So some new structures of all-digital phase-locked loop are analyzed in this paper and programmed in VHDL language with simulation under FPGA. In order to extend the application from radio to RF, which including RF modules software configurable problems and the difficulty to integrate RF and digital circuit in one system due to some factors contain the low voltage and large noise of the digital switches etc. This paper will try to put out a new thought for digital RF. All-digital phase-locked loop is one of the most important modules in digital RF. It is not only the foundation of transmitter which can be realized by software configurable general modulator, but also the foundation of receiver which can be provided wide range of local vibration signal. This paper particularly makes a study of the system character of tall-digital phase-locked loop and its vital modules. Keywords: ADPLL; Locked time; Locked precision; PID control; Auto modulus control; DCO;TDC; Digital Loop Filter; 1. 引言 锁相环路是一种反馈控制电路,锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。目前锁相环在通信、信号处理、调制解调、时钟同步、频率综合和自动化控制等领域应用极为广泛,已经成为各种电子设备中不可缺少的基本部件。随着电子技术向数字化方向发展,需要采用数字方式实现信号的锁相处理。因此,对全数字锁相环的研究和应用得到了越来越多的关注。虽然锁相环(PLL)技术已经有了半个多世纪的发展,但是其应用领域也在不断扩大,随着高新科技的发展,使得它的性能需要不断地改进和提高,因此,锁相环的设计与分析也成立集成电路设计者的热点。设计者们也不断提出了新的锁相环结构[1-3],以适应不同场合的需求。

全数字锁相环毕业设计终稿

安徽大学 本科毕业论文(设计、创作) 题目:全数字锁相环的研究与设计 学生姓名:郑义强学号:P3******* 院(系):电子信息工程学院专业:微电子 入学时间:2011年9月 导师姓名:吴秀龙职称/学位:教授/博士 导师所在单位:安徽大学电子信息工程学院 完成时间:2015 年5月

全数字锁相环的研究与设计 摘要 锁相环路的设计和应用是当今反馈控制技术领域关注的热点,它的结构五花八门,但捕获时间短,抗干扰能力强一直是衡量锁相环性能好坏的一个标准。本文是在阅读了大量国内外关于全数字锁相环的技术文献的基础上,总结了锁相环的发展现状与技术水平,深入分析了全数字锁相环的基本结构与基本原理,利用VHDL语言,采用自上而下的设计方法,设计了一款全数字锁相环.本文主要描述了一种设计一阶全数字锁相环的方法,首先分析了课题研究的意义、锁相环的发展历程研究现状,然后描述了全数字锁相环的各个组成部件,并且详细分析了锁相环鉴相器、变模可逆计数器、加减脉冲电路、除H计数器和除N计数器各个模块的工作原理。接着我们使用了VHDL语句来完成了鉴相器、数字滤波器和数字振荡器的设计,并且分别使用仿真工具MAX+plus II逐个验证各个模块的功能。最后,将各个模块整合起来,建立了一个一阶全数字锁相环的电路,利用仿真工具MAX+plus II 验证了它的功能的能否实现,仿真结果与理论分析基本符合。 关键词:全数字锁相环;数字滤波器;数字振荡器;锁定时间

Design and research of ALL Digital Phase-Locked Loop Abstract The design and application of phase-locked loop is the focus of attention in the field of feedback control technology today, phase- locked loop has played a very important and unique role in variety of applications. such as the radar, measurement,communications, etc. All-digital phase-locked loop has its unique advantages. Its structure is varied, but short capture time, small synchronization error, excellent anti-interference ability is the standard measure of performance of a phase-locked loop. On the basis of reading a lot of DPLL technology literature of domestic and abroad, this article summed up the present situation and the development level of phase-locked loop technology, analysis the basic structure and principle of all-digital phase-locked loop in-depth, designed a quick all-digital phase-locked loop by using VHDL language and top-down design approach. In this brief, we presented a way of designing a first-order ALL Digital Phase-Locked Loop (ADPLL) first analyzes the significance of research, the development course of phase-locked loop current research status, and then describes the component parts of all digital phase-locked loop, and detailed analysis of the phase lock loop phase discriminator, reversible counter change mould, add and subtract pulse circuit, in addition to H counter and divide N working principle of each module. Then we use the VHDL statements to complete the phase discriminator, digital filter and the design of the digital oscillator, and using the simulation tool of MAX + plus II one by one to verify the function of each module. Finally, the various modules together, established a first-order digital phase-locked loop circuit, using the simulation tool of MAX + plus II verify the realization of its function, the simulation results and principle Keywords: All Digital Phase-Locked Loop; Digital filter; Digital oscillator, Locking time

锁相环电路

手机射频部分的关键电路----锁相环电路 锁相坏电路是一种用来消除频率误差为目的反馈控制电路,目前市场销售的手机基本上都是采用这种电路来控制射频电路中的压控振荡器。使其输出准确稳定的振荡频率。如锁相坏(PLL)电路出现故障将导致本振的频率输出不准确,则导致手机无信号。 目前通信终端设备中对频率的稳定采用的是频率合成CSYN技术。频率合成的基本方法有三种:第一种直接频率合成;第二种锁相频率合成(PLL);第三种直接数字频率合成(DDS)。由于锁相频率合成技术在电路设计方面(简单),成本方面控制灵敏度方面,频谱纯净度方面等。都要胜于直接频率合成,与直接数字频率合成。所以被移动通信终端设备广范采用。它在手机电路中的作用是控制压控振荡器输出的频率,相位与基准信号的频率,相位保持同步。 锁相坏电路的构成与工作原理: 1、构成:它是由鉴相器(PD)低通滤波器(LPF) 压控振荡器(VCO)三部分组成。 鉴相器:它是一个相位比较器。基准频率信号和压控振荡器输出的取样频率在其内部 进行相位比较,输出误差电压。 低通滤波器:是将鉴相器输出的锁相电压进行滤波,滤除电流中的干扰和高频成分。得到一个纯净的直流控制电压。 压控振荡器:产生手机所要的某一高频频率。 (注:SYNEN、SYNCLK、SYNDATA来自CPU控制分频器,对本振信号进行N次分频)。 当VCO产生手机所须的某一高频频率。一路去混频管,另一路反馈给锁相环,中的分频器进行N次分频。在这里为什么要进行N次分频呢?首先要说明一下基准频率与VCO振荡取样频率在鉴相要满足3个条件。 ①频率相同。②幅度相同。③相位不同。为了满足鉴相条件,所以在电路中设置了分 频器。VCO振荡频率取样信号送入分频器完成N次分频后,得到一个与基准频率相位不同,但频率

PLL(锁相环)电路原理及设计 [收藏]

PLL(锁相环)电路原理及设计[收藏] PLL(锁相环)电路原理及设计 在通信机等所使用的振荡电路,其所要求的频率范围要广,且频率的稳定度要高。无论多好的LC振荡电路,其频率的稳定度,都无法与晶体振荡电路比较。但是,晶体振荡器除了可以使用数字电路分频以外,其频率几乎无法改变。如果采用PLL(锁相环)(相位锁栓回路,PhaseLockedLoop)技术,除了可以得到较广的振荡频率范围以外,其频率的稳定度也很高。此一技术常使用于收音机,电视机的调谐电路上,以及CD唱盘上的电路。 一PLL(锁相环)电路的基本构成 PLL(锁相环)电路的概要 图1所示的为PLL(锁相环)电路的基本方块图。此所使用的基准信号为稳定度很高的晶体振荡电路信号。 此一电路的中心为相位此较器。相位比较器可以将基准信号与VCO (Voltage Controlled Oscillator……电压控制振荡器)的相位比较。如果此两个信号之间有相位差存在时,便会产生相位误差信号输出。 (将VCO的振荡频率与基准频率比较,利用反馈电路的控制,使两者的频率为一致。) 利用此一误差信号,可以控制VCO的振荡频率,使VCO的相位与基准信号的相位(也即是频率)成为一致。 PLL(锁相环)可以使高频率振荡器的频率与基准频率的整数倍的频率相一致。由于,基准振荡器大多为使用晶体振荡器,因此,高频率振荡器的频率稳定度可以与晶体振荡器相比美。 只要是基准频率的整数倍,便可以得到各种频率的输出。 从图1的PLL(锁相环)基本构成中,可以知道其是由VCO,相位比较器,基准频率振荡器,回路滤波器所构成。在此,假设基准振荡器的频率为fr,VCO的频率为fo。 在此一电路中,假设frgt;fo时,也即是VC0的振荡频率fo比fr低时。此时的相位比较器的输出PD 会如图2所示,产生正脉波信号,使VCO的振荡器频率提高。相反地,如果frlt;fo时,会产生负脉波信号。

数字锁相环介绍

数字锁相环介绍

————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期:

数字锁相环试验讲义 一、锁相环的分类 模拟、数字如何定义?何谓数字锁相环。是指对模拟信号进行采样量化之后(数字化)的“数字信号”的处理中应用的锁相环,还是指的对真正的“数字信号”如时钟波形进行锁定的锁相环? 二、数字锁相环的实际应用 欲成其事,先明其义。 现代数字系统设计中,锁相环有什么样的作用。 1)在ASIC设计中的应用。 主要应用领域:窄带跟踪接收;锁相鉴频;载波恢复;频率合成。 例一:为了达到ASIC设计对时钟的要求,许多工程师都在他们的设计中加入了锁相环(PLL)。PLL有很多理想的特性,例如可以倍频、纠正时钟信号的占空比以及消除时钟在分布中产生的延迟等。这些特性使设计者们可以将价格便宜的低频晶振置于芯片外作为时钟源,然后通过在芯片中对该低频时钟源产生的信号进行倍频来得到任意更高频率的内部时钟信号。同时,通过加入PLL,设计者还可以将建立-保持时间窗与芯片时钟源的边沿对齐,并以此来控制建立-保持时间窗和输入时钟源与输出信号之间的延迟。 2)在信号源产生方面的应用 例二:由于无线电通信技术的迅速发展,对振荡信号源的要求也在不断提高。不但要求它的频率稳定度和准确度高,而且要求能方便地改换频率。实现频率合成有多种方法,但基本上可以归纳为直接合成法与间接合成法(锁相环路)两大类。 3)无线通信领域的实际应用 例三:GSM手机的频率系统包括参考频率锁相环,射频本振锁相环、中频本振锁相环。 广义的数字锁相环包括扩频通信中的码跟踪。 三、数字锁相环的基本原理 一般数字锁相环路的组成与模拟锁相环路相同,即也是由相位检波器、环路滤波器和本地振荡器等基本部件构成,但这些部件全部采用数字电路。具体来说数字锁相环由:数字鉴相器、数字环路滤波器、NCO和分频器组成。 四、实际应用中的数字锁相环的实现方法 PLL的结构和功能看起来十分简单,但实际上却非常复杂,因而即使是最好的电路设计者也很难十分顺利地完成PLL的设计。 在实际应用中,针对数字信号或数字时钟的特点,数字锁相环多采用超前滞后型吞吐脉冲的锁相环路来实现。 下面的框图是一个实用的数字锁相环的实现框图。

全数字锁相环的设计

全数字锁相环的设计 锁相环()技术在众多领域得到了广泛的应用。如信号处理,调制解调,时钟同步,倍频,频率综合等都应用到了锁相环技术。传统的锁相环由模拟电路实现,而全数字锁相环()与传统的模拟电路实现的相比,具有精度高且不受温度和电压影响,环路带宽和中心频率编程可调,易于构建高阶锁相环等优点,并且应用在数字系统中时,不需及转换。随着通讯技术、集成电路技术的飞速发展和系统芯片()的深入研究,必然会在其中得到更为广泛的应用。 这里介绍一种采用硬件描述语言设计的方案。 结构及工作原理 一阶的基本结构如图所示。主要由鉴相器、变模可逆计数器、脉冲加减电路和除计数器四部分构成。变模计数器和脉冲加减电路的时钟分别为和。这里是环路中心频率,一般情况下和都是的整数幂。本设计中两个时钟使用相同的系统时钟信号。 图数字锁相环基本结构图 鉴相器 常用的鉴相器有两种类型:异或门()鉴相器和边沿控制鉴相器(),本设计中采用异或门()鉴相器。异或门鉴相器比较输入信号相位和输出信号相位之间的相位差ФФФ,并输出误差信号作为变模可逆计数器的计数方向信号。环路锁定时,为一占空比的方波,此时的绝对相为差为°。因此异或门鉴相器相位差极限为±°。异或门鉴相器工作波形如图所示。

图异或门鉴相器在环路锁定及极限相位差下的波形 变模可逆计数器 变模可逆计数器消除了鉴相器输出的相位差信号中的高频成分,保证环路的性能稳定。变模可逆计数器根据相差信号来进行加减运算。当为低电平时,计数器进行加运算,如果相加的结果达到预设的模值,则输出一个进位脉冲信号给脉冲加减电路;当为高电平时,计数器进行减运算,如果结果为零,则输出一个借位脉冲信号给脉冲加减电路。 脉冲加减电路 脉冲加减电路实现了对输入信号频率和相位的跟踪和调整,最终使输出信号锁定在输入信号的频率和信号上,工作波形如图所示。 图脉冲加减电路工作波形 除计数器

完整版锁相环工作原理.doc

基本组成和锁相环电路 1、频率合成器电路 频率合成器组成: 频率合成器电路为本机收发电路的频率源,产生接收第一本机信号源和发射电路的发射 信号源,发射信号源主要由锁相环和VCO 电路直接产生。如图3-4 所示。 在现在的移动通信终端中,用于射频前端上下变频的本振源(LO ),在射频电路中起着非常 重要的作用。本振源通常是由锁相环电路(Phase-Locked Loop )来实现。 2.锁相环: 它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域 3.锁相环基本原理: 锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相器(或相位比较器,记为PD 或 PC):是完成相位比较的单元, 用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF): 是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的 作用 .通常由电阻、电容或电感等组成,有时也包含运算放大器。⑶压控振荡器(VCO ):振

荡频率受控制电压控制的振荡器,而振荡频率与控制电压之间成线性关系。在PLL 中,压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。 1、压控振荡器的输出经过采集并分频; 2、和基准信号同时输入鉴相器; 3、鉴相器通过比较上述两个信号的频率差,然后输出一个直流脉冲电压; 4、控制 VCO ,使它的频率改变; 5、这样经过一个很短的时间,VCO的输出就会稳定于某一期望值。 锁相环电路是一种相位负反馈系统。一个完整的锁相环电路是由晶振、鉴相器、R 分频器、N 分频器、压控振荡器(VCO )、低通滤波器(LFP)构成,并留有数据控制接口。 锁相环电路的工作原理是:在控制接口对R 分频器和N 分频器完成参数配置后。晶振产生 的参考频率( Fref)经 R 分频后输入到鉴相器,同时VCO 的输出频率( Fout)也经 N 分频后输入到鉴相器,鉴相器对这两个信号进行相位比较,将比较的相位差以电压或电流的方式 输出,并通过 LFP 滤波,加到 VCO 的调制端,从而控制 VCO 的输出频率,使鉴相器两输入端的 输入频率相等。 锁相环电路的计算公式见公式: Fout=(N/R)Fref 由公式可见,只要合理设置数值N 和 R,就可以通过锁相环电路产生所需要的高频信号。 4.锁相环芯片 锁相环的基准频率为13MHz ,通过内部固定数字频率分频器生成5KHz 或 6.25KHz 的参考频率。 VCO 振荡频率通过IC1 内部的可编程分频器分频后,与基准频率进行相位比较,产 生误差控制信号,去控制VCO,改变VCO的振荡频率,从而使VCO输出的频率满足要求。如图 3-5 所示。 N=F VCO /F R N:分频次数 F VCO: VCO 振荡频率

全数字锁相环的设计

全数字锁相环的设计 锁相环(PLL)技术在众多领域得到了广泛的应用。如信号处理,调制解调,时钟同步,倍频,频率综合等都应用到了锁相环技术。传统的锁相环由模拟电路实现,而全数字锁相环(DPLL)与传统的模拟电路实现的PLL相比,具有精度高且不受温度和电压影响,环路带宽和中心频率编程可调,易于构建高阶锁相环等优点,并且应用在数字系统中时,不需A/D及D/A转换。随着通讯技术、集成电路技术的飞速发展和系统芯片(SoC)的深入研究,DPLL必然会在其中得到更为广泛的应用。 这里介绍一种采用VERILOG硬件描述语言设计DPLL的方案。 DPLL结构及工作原理 一阶DPLL的基本结构如图1所示。主要由鉴相器、K变模可逆计数器、脉冲加减电路和除N计数器四部分构成。K变模计数器和脉冲加减电路的时钟分别为Mfc和2Nfc。这里fc是环路中心频率,一般情况下M和N都是2的整数幂。本设计中两个时钟使用相同的系统时钟信号。 图1 数字锁相环基本结构图 鉴相器 常用的鉴相器有两种类型:异或门(XOR)鉴相器和边沿控制鉴相器(ECPD),本设计中采用异或门(XOR)鉴相器。异或门鉴相器比较输入信号Fin相位和输出信号Fout相位之间的相位差Фe=Фin-Фout,并输出误差信号Se作为K变模可逆计数器的计数方向信号。环路锁定时,Se为一占空比50%的方波,此时的绝对相为差为90°。因此异或门鉴相器相位差极限为±90°。异或门鉴相器工作波形如图2所示。

图2 异或门鉴相器在环路锁定及极限相位差下的波形 K变模可逆计数器 K变模可逆计数器消除了鉴相器输出的相位差信号Se中的高频成分,保证环路的性能稳定。K变模可逆计数器根据相差信号Se来进行加减运算。当Se 为低电平时,计数器进行加运算,如果相加的结果达到预设的模值,则输出一个进位脉冲信号CARRY给脉冲加减电路;当Se为高电平时,计数器进行减运算,如果结果为零,则输出一个借位脉冲信号BORROW给脉冲加减电路。 脉冲加减电路 脉冲加减电路实现了对输入信号频率和相位的跟踪和调整,最终使输出信号锁定在输入信号的频率和信号上,工作波形如图3所示。 图3 脉冲加减电路工作波形 除N计数器

飞思卡尔锁相环

备战飞思卡尔智能车大赛.开始模块总结. 锁相环设置. 公式: PLLCLK=2*OSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1), fbus=PLLCLK/2 void INIT_PLL(void) { CLKSEL &= 0x7f; //选用外部时钟.准备设置锁相环 PLLCTL &= 0x8F; //禁止锁相环 SYNR = 0xc9; //设置SYNR REFDV = 0x81; //设置REFDV PLLCTL |=0x70; //锁相环使能 asm NOP; asm NOP; //两个机器周期缓冲时间 while(!(CRGFLG&0x08)); //等待锁相环锁定 CLKSEL |= 0x80; //设置锁相环为时钟源 } 飞思卡尔XS128的PLL锁相环详细设置说明——关于如何提高总线工作频率PLL锁相环就相当于超频单片机超频的原因和PC机是个一道理。分频的主要原因是外设需要的工作频率往往远低于CPU/MEMORY这也和PC机南北桥的原理类似。总线频率设置过程 1、禁止总中断 2、寄存器CLKSEL(时钟选择寄存器)的第七位置0即CLKSEL_PLLSEL=0。选择时钟源为外部晶振OSCCLK(外接晶振频率)在PLL(锁相环)程序执行前内部总线频率为OSCCLK/2 3. PLLCTL_PLLON=1 打开PLL 4.设置SYNR时钟合成寄存器、REFDV时钟分频寄存器、POSTDIV三个寄存器的参数 5、_asm(nop) _asm(nop);加入两条空指令使锁相环稳定 6、while(!(CRGFLG_LOCK==1));//时钟校正同步 7、CLKSEL_PLLSEL=1; 下面详细说一下频率的计算一、时钟合成寄存器SYNR寄存器结构VCOFRQ[1:0]控制压控振动器VCO的增益默认值为00VCO的频率与VCOFRQ[1:0]对应表

数字锁相环MATLAB代码

奈奎斯特型全数字锁相环(NR-DPLL) 注:本文截取于通信原理课程综合设计,载波提取部分中的锁相环解调部分中的基础锁相环。MATLAB编程仿真实现,想要simulink实现的同学要失望啦。代码在本文末,抱歉未加注释。理解本文需要的知识:信号与系统,数字信号处理,同步技术。

2.7载波的同步提取 提取载波信息可用锁相环进行跟踪载波或调制信息。本文采用奈奎斯特型全数字锁相环(NR-DPLL )对接收信号进行载波同步提取,并用于相干解调。 2.7.1 NR-DPLL 结构介绍 数字锁相环的基本组成如下 图2-6 数字锁相环的组成 NR-DPLL 是基于奈奎斯特采样鉴相器、数字环路滤波器、数字控制振荡器的一种数字锁相环。下面分别对各部分作简要介绍。 2.7.2 奈奎斯特采样鉴相器 奈奎斯特采样鉴相器的组成框图如图2-7所示。 图2-7 奈奎斯特采样鉴相器的组成框图 为了表述方便,设数字控制振荡器(NCO )输出的本振数字信号为 0002()cos(())k k k u t U t t ωθ=+ (2.7-1) 输入信号 101()sin(())i u t U t t ωθ=+ (2.7-2)

其中 100()(),i i o t t t θωθωωω=?+?=- 输入信号经A/D 采样后,第k 个采样时刻采样量化后的数字信号为 01()sin(())i k i k k u t U t t ωθ=+ (2.7-3) 对输入信号进行A/D 变换的采样速率由带通信号奈奎斯特采样定理确定,但为防止信号频谱混叠并保证信号相位信息的有效抽取,采样速率一般选取前置带通滤波器的两倍带宽以上。 令()(),()()i k i o k o u t u k u t u k ==,即()i u k 和()o u k 相乘后,经低通滤波得到的数字误差信号 ()sin ()d d e u k U k θ= (2.7-4) 式中 12()()()e k k k θθθ=- (2.7-5) 2.7.3 数字环路滤波器 数字环路滤波器与模拟环路中环路滤波器的作用是一样的,都是为了抑制高频分量及噪声,且滤波器的参数直接影响环路的性能。在实际应用中一阶数字环路滤波器的实现形式如图2-8所示。 图2-8 一阶数字环路滤波器的实现形式 其Z 域传递函数: 2 11 ()z ()1c d u k G F G u k z -=+-()= (2.7-6) 按照图2-8中所实现的数字滤波器,其频率特性与理想积分滤波器的频率特性一致;两种滤波器参数之间也有着一定的对应关系。 对理想积分滤波器的传递

基于FPGA的数字锁相环的设计

目录 第一章绪论..................................... 错误!未定义书签。 1.1锁相环技术的发展及研究现状................................................ 错误!未定义书签。 1.2课题研究意义 ........................................................................... 错误!未定义书签。 1.3本课题的设计内容.................................................................... 错误!未定义书签。第二章 FPGA的设计基础............................ 错误!未定义书签。 2.1硬件设计语言-Verilog HDL.................................................. 错误!未定义书签。 2.2 FPGA的设计流程 ...................................................................... 错误!未定义书签。第三章锁相环的原理. (2) 3.1全数字锁相环基本结构 (3) 3.2全数字锁相环的工作原理 (4) 第四章数字锁相环的设计 (5) 4.1基于FPGA的数字锁相环总体设计方案 (5) 4.2数字鉴相器的设计 (6) 4.3 K变模可逆计数器的设计 (7) 4.4脉冲加减器的设计 (10) 4.5 N分频器的设计 (12) 第五章实验仿真与调试 (14) 5.1数字锁相环的仿真 (14) 5.2数字锁相环的系统实验 (15) 结束语 (19) 参考文献 (20) 附录 (21)

通信原理数字锁相环实验

通信原理实验报告三数字锁相环实验

实验3数字锁相环实验 一、实验原理和电路说明 在电信网中,同步是一个十分重要的概念。同步的种类很多,有时钟同步、比特同步等等,其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上,如果所有的终端均采用这种方式,则所有终端将以统一步调进行工作。 同步的技术基础是锁相,因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。锁相环分为模拟锁相环与数字锁相环,本实验将对数字锁相环进行实验。 图2.2.1 数字锁相环的结构 数字锁相环的结构如图所示,其主要由四大部分组成:参考时钟、多模分频器(一般为三种模式:超前分频、正常分频、滞后分频)、相位比较(双路相位比较)、高倍时钟振荡器(一般为参考时钟的整数倍,此倍数大于20)等。数字锁相环均在FPGA内部实现,其工作过程如图所示。

T1时刻T2时刻T3时刻T4时刻 图2.2.2 数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征 在图,采样器1、2构成一个数字鉴相器,时钟信号E、F对D信号进行采样,如果采样值为01,则数字锁相环不进行调整(÷64);如果采样值为00,则下一个分频系数为(1/63);如果采样值为11,则下一分频系数为(÷65)。数字锁相环调整的最终结果使本地分频时钟锁在输入的信道时钟上。 在图中也给出了数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征。在锁相环开始工作之前的T1时该,图中D点的时钟与输入参考时钟C没有确定的相关系,鉴相输出为00,则下一时刻分频器为÷63模式,这样使D点信号前沿提前。在T2时刻,鉴相输出为01,则下一时刻分频器为÷64模式。由于振荡器为自由方式,因而在T3时刻,鉴相输出为11,则下一时刻分频器为÷65模式,这样使D点信号前沿滞后。这样,可变分频器不断在三种模式之间进行切换,其最终目的使D点时钟信号的时钟沿在E、F时钟上升沿之间,从而使D 点信号与外部参考信号达到同步。 在该模块中,各测试点定义如下: 1、TPMZ01:本地经数字锁相环之后输出时钟(56KHz) 2、TPMZ02:本地经数字锁相环之后输出时钟(16KHz) 3、TPMZ03:外部输入时钟÷4分频后信号(16KHz) 4、TPMZ04:外部输入时钟÷4分频后延时信号(16KHz) 5、TPMZ05:数字锁相环调整信号

基于Matlab的数字锁相环的仿真设计

基于Matlab的数字锁相环的仿真设计 摘要:锁相环是一个能够跟踪输入信号相位变化的闭环自动跟踪系统。它广泛应用于无线电的各个领域,并且,现在已成为通信、雷达、导航、电子仪器等设备中不可缺少的一部分。然而由于锁相环设计的复杂性,用SPICE对锁相环进行仿真,数据量大,仿真时间长,而且需进行多次仿真以提取设计参数,设计周期长。本文借助于Matlab中Simulink仿真软件的灵活性、直观性,在Simulink 中利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型。先借助模拟锁相环直观形象、易于理解的特点,通过锁相环在频率合成方面的应用,先对模拟锁相环进行了仿真,对锁相环的工作原理进行了形象的说明。在模拟锁相环的基础上,重新利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型,通过仿真达到了设计的目的,验证了此全数字锁相环完全能达到模拟锁相环的各项功能要求。 关键词:锁相环,压控振荡器,锁定,Simulink,频率合成,仿真模块 1引言 1932年法国的H.de Bellescize提出同步捡波的理论,首次公开发表了对锁相环路的描述。到1947年,锁相环路第一次应用于电视接收机的水平和垂直扫描的同步。到70年代,随着集成电路技术的发展,逐渐出现集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路,锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件,为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。锁相环独特的优良性能使其得到了广泛的应用,其被普遍应用于调制解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、FM立体声解码等。随着数字技术的发展,相应出现了各种数字锁相环,它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用。而Matlab强大的数据处理和图形显示功能以及简单易学的语言形式使Matlab在工程领域得到了非常广泛的应用,特别是在系统建模与仿真方面,Matlab已成为应用最广泛的动态系统仿真软件。利用MATLAB建模可以快速地对锁相环进行仿真进而缩短开发时间。 1.1选题背景与意义 Matlab是英文MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。1980年,时任美国新墨西哥大学计算机系主任的Cleve Moler教授在给学生讲授线性代数课程时,为使学生从繁重的数值计算中解放出来,用FORTRAN语言为学生编写了方便使用Linpack和Eispack的接口程序并命名为MATLAB,这便是MATLAB的雏形。经过几年的校际流

数字锁相环研究

数字锁相环研究 刘飞雪 摘要:全数字锁相环路,所谓全数字化,就是环路部件全部数字化,采用数字鉴相器(DPD)、数字环路滤波器(DLF)和数控振荡器(DCO)构成的锁相环路。同步是通信系统中的一个重要实际问题。在数字通信系统中,位同步(又称码元同步)提取是更为重要的一个环节。因为确定了每一个码元的起始时刻,便可以对数字信息做出正确判决。利用全数字锁相环(DPLL)便可以直接从所接收的数字信号中提取位同步信号。用来实现位时钟同步提取的主要是超前—滞后型数字锁相环(LL-DPLL)。本文通过对全数字锁相环的种类及其相应实现功能的研究,确定了对位同步全数字锁相环路的设计方案,设计位同步全数字锁相环各个模块,本文中设计了3个模块,其中第2块包含2个小模块,第3块又包含3 个小模块,用Verilog HDL硬件描述语言对系统中的每个模块进行描述、仿真,然后将三个模块连接成反馈环路系统,使用仿真工具QuartusⅡ6.0进行编译、仿真,调试输出正确波形,最后分析电路性能。 关键词:全数字锁相环路,位同步数字锁相环路,超前-滞后型数字锁相环,数字鉴相器,数字滤波器,数控振荡器 Abstract All Digital Phase-Locked Loop is called because every module is digital. The loop contains these modules such as Digital Phase Discriminator (DPD), Digital Loop Frequency (DLF), Digital Control Oscillator (DCO). The synchronization is the key part of application in communication systems. In the field of digital communication systems, pick-up bit synchronization (also called code synchronization) is a more important part., because the definition of originate time of every code could make correct judgement. The usage of Digital Phase-Locked Loop (DPLL) could pick-up bit synchronous signal from digital signal directly. We use Lead-Lag Digital Phase-Locked Loop (LL-DPLL) to realize bit synchronous clock. This paper first introduced DPLL kinds and function. Then it designed the theory and every modules of DPLL. This paper designed three modules. In it, the second contained 2 modules and the third contained 3 modules. Using Verilog HDL to describe and simulate every module of the system, then connecting these modules to realize the system and using simulator named QuartusⅡ6.0 to compile and simulate correct wave. Key word: DPLL, bit synchronous DPLL, LL-DPLL,DPD, DLF, DCO 第一章绪论 1.1 全数字锁相环的背景及发展状况 锁相环路已经在模拟和数字通信及无线电电子学的各个领域得到了极为广泛的应用。伴随着大规模、超高速数字集成电路的发展及计算机的普遍应用,在传统的模拟锁相环路(APLL)应用领域中,一部分已经被数字锁相环路(DPLL)所取代。从六十年代起,人们就开始对数字锁相环路研究。起初,只是把模拟锁相环路中的部分部件数字化。比如,引进数控振荡器(DCO)代替模拟锁相环路中的压控振荡器(VCO)。这样做的优点是能在不牺牲压控振荡器频率稳定度的情况下,加大频率牵引的范围。从而提高整个环路的工作稳定性和可靠性。另外,用数字集成电路制作的鉴相器非常广泛的被应用在模拟锁相环路中,使环路性能大大提高。 此后,出现了全数字化锁相环。所谓全数字化,就是环路部件全部数字化,采用数字鉴相器(DPD)、数字环路滤波器(DLF)和数控振荡器(DCO)构成的锁相环路。目前,全数字锁相环路的研究日趋成熟,无论在理论研究还是在硬件实现方面,国内外均有大量的文献报道。并已经制成全数字化锁相环路FSK信号解调器、PSK信号解调器、位时钟提取器以及同步载波提取器等。国外已有单片全数字化锁相环路商品。全数字化锁相环路的共同特点是: 它们都具有一切数字系统所特有的显著优点,即电路完全数字化,使用逻辑门电路和触发器电路。因此,

锁相环设计与MATLAB仿真

本科毕业设计论文 题目锁相环设计与MATLAB仿真 _______________________________________ 专业名称电子科学与技术 学生姓名何鹏 指导教师李立欣 毕业时间2010年6月

毕业 任务书 一、题目 《锁相环设计与MATLAB 仿真》 二、指导思想和目的要求 在了解锁相环的基本工作原理的基础上,熟悉其构成及数学模型,在对锁相环有了充分的要了解后,运用MATLAB 仿真软件对其进行仿真。通过仿真看锁相环是否工作正常,参数指标是否合格来判断是否达到了仿真要求。 三、主要技术指标 1.锁相环的基本原理 2.锁相环工作期间是否经历了失锁、跟踪、捕获、锁定等四个状态。 3.锁定后平率相位是否平稳。 四、进度和要求 第3~5 周:查阅和整理资料文献,确定研究模型和研究方向; 第6~8 周:分析模型,找出其中的缺陷; 第9~11 周: 提出更容易实现的结构,对该结构具体分析; 第11~13 周:整理资料进行论文撰写、装订并翻译英文文献; 第14~15 周: 论文评阅,答辩准备,答辩 五、主要参考书及参考资料 Floyd M .Gardner,锁相环技术(第三版)姚剑清 译,人民邮电出版社,2007 Roland E.Best,锁相环设计、仿真与应用(第五版),李永明 等译,清华学出版社,2007.4 学生 ___________ 指导教师 ___________ 系主任 ___________ 设计 论文

目录 中文摘要 (3) 英文摘要 (4) 前言 (6) 第一章绪论 (7) 1.1 锁相环的发展及国内外研究现状 (7) 1.2 本文的主要内容组织 (9) 第二章锁相环的基本理论 (10) 2.1锁相环的工作原理 (11) 2.1.1鉴相器 (11) 2.1.2 低通滤波器 (13) 2.1.3 压控振荡器 (15) 2.2锁相环的工作状态 (15) 2.3锁相环的非线性工作性能分析 (17) 2.3.1跟踪性能 (18) 2.3.2捕获性能 (18) 2.3.3失锁状态 (19) 2.4锁相环的稳定性 (20) 2.5信号流程图 (21) 2.6锁相环的优良特性 (21) 2.7锁相环的应用 (22) 2.7.1锁相环在调制和解调中的应用 (22) 2.7.2锁相环在频率合成器中的应用 (23) 2.8本章小结 (23) 第三章锁相环的噪声分析 (24)

相关文档
相关文档 最新文档