全数字锁相环设计

引言

锁相的概念是在19世纪30年代提出的，而且很快在电子学和通信领域中获得广泛应用。尽管基本锁相环的从开始出现几乎保持原样，但是使用不同的技术制作及满足不同的应用要求，锁相环的实现对于特定的设计还是蛮大的挑战。

锁相环在通信、雷达、测量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必不可少的基本部件。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。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(DPLL)与传统的模拟电路实现的锁相环相比，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，全数字锁相环必然会在其中得到更为广泛的应用。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。

传统的数字锁相环系统是希望通过采用具有低通特性的环路滤波器，获得稳定的振荡控制数据。对于高阶全数字锁相环，其数字滤波器常常采用基于DSP 的运算电路。这种结构的锁相环，当环路带宽很窄时，环路滤波器的实现将需要很大的电路量，这给专用集成电路的应用和片上系统SOC（system on chip）的设计带来一定困难。另一种类型的全数字锁相环是采用脉冲序列低通滤波计数电路作为环路滤波器，如随机徘徊序列滤波器、先N后M序列滤波器等。这些电路通过对鉴相模块产生的相位误差脉冲进行计数运算，获得可控振荡器模块的振荡控制参数。由于脉冲序列低通滤波计数方法是一个比较复杂的非线性处理过程，难以进行线性近似，因此，无法采用系统传递函数的分析方法确定锁相环的设计参数。不能实现对高阶数字锁相环性能指标的解藕控制和分析，无法满足较高的应用需求。

由于数字电子技术的迅速发展，尤其是数字计算和信号处理技术在多媒体、自动化、仪器仪表、通讯等领域的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况日益普遍。所以模拟信号数字化是信息技术的发展趋势，而数字锁相环在其中扮演着重要角色。近年来，随着VLSI技术的发展, 随着大规模、超高速集成电路的飞速发展,数字系统的集成度和逻辑速度越来越高,这使得数字锁相环在数字通信、控制工程及无线电电子学的各个领域中的应用也越来越广泛。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。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。在基于FPGA的通信电路中，可以把全数字锁相环路作为一个功能模块嵌入FPGA中，构成片内锁相环。

锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。20世纪50年代后期随着空间技术的发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。但是基本都是以模拟锁相环为基础。60年代初随着数字通信系统的发展，出现数字锁相环其应用相当广泛，例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用。数字锁相环也以其独特的优点在很多方面取代了模拟锁相环。数字锁相环具有以下优点：广泛采用逻辑门电路，触发电路和其它数字电路，因而受干扰影响的可能性小；可靠性高便于集成化和小型化，避免了模拟锁相环的一些固有缺点。锁相环路所以获得日益广泛的应用是因为它具有如下几个重要特性:

◆跟踪特性。在环路锁定状态下，一旦输入频率发生变化，压控振荡器立即响应这个变化，迅速跟踪输入频率，最终使输入与输出同步。这种环路可用于锁相接收机。

◆滤波特性。通过环路滤波器的作用，锁相环路具有窄带滤波特性，能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。而且通带可以做的很窄，性能远远优于任何Lc、RC、石英晶体、陶瓷滤波器。

◆锁定状态无剩余频差存在。正是由于锁相环的这一理想频率控制特性，使它在自动频率控制、频率合成技术等方面获得广泛的应用。

◆易于集成化。组成环路的基本部件都易于采用模拟集成电路实现。环路实现数字化之后，更易于采用数字集成电路。集成锁相环的体积不断减小，成本不断降低，而可靠性却不断增强，用途也越来越多。

因此,研究能够嵌入系统芯片内的全数字锁相环,提高其环路的工作性能,具有十分重要的意义。

1锁相环概述

我们所说的PLL，其实就是锁相环路，简称为锁相环。锁相环路是一种反馈控制电路。许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

目前锁相环主要有模拟锁相环，数字锁相环以及有记忆能力（微机控制）锁相环。

1.1 模拟锁相环的基本结构及工作原理

1.1.1模拟锁相环的基本结构

1.1.2模拟锁相环的工作原理

锁相环其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板共享同一个采样时钟。因此，所有各自的本地时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。

当压控振荡器的频率由于某种原因而发生变化时，必然引起相位的变化，该相位变化在鉴相器中与参考晶体的稳定相位相比较，使鉴相器输出一个与相位误差信号成比例的误差电压Ud，经过低通滤波器，取出其中缓慢变动数值，将压控振荡器的输出频率拉回到稳定的值上来，从而实现了相位负反馈控制。锁相环的工作原理：

a. 压控振荡器的输出经过采集并分频；

b. 和基准信号同时输入鉴相器；

c. 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；

d. 控制VCO，使它的频率改变；

e. 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。

锁相环可以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