鎖相環(huán)路已在模擬和數(shù)字通信及無線電電子學(xué)等各個領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)和位同步中常常要用到各種各樣的鎖相環(huán)。鎖相就是利用輸入信號與輸出信號之間的相位誤差自動調(diào)節(jié)輸出相位使之與輸入相位一致，或保持一個很小的相位差。最初的鎖相環(huán)全部由模擬電路組成，隨著大規(guī)模、超高速數(shù)字集成電路的發(fā)展及計算機的普遍應(yīng)用，出現(xiàn)了全數(shù)字鎖相環(huán)路。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。在用Altera公司的EPFl0K10TCl44-3芯片設(shè)計一種無線通信實驗系統(tǒng)的FSK、DPSK、QAM調(diào)制解調(diào)器時，利用剩余的10％FPGA資源設(shè)計出了一種可編程全數(shù)字鎖相環(huán)路，它成功地為該通信實驗系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器提供了64kHz、56kHz和16kHz三種精確、穩(wěn)定的時鐘信號。

1 全數(shù)字鎖相環(huán)的電路設(shè)計

1．1 DPLL工作原理分析

所設(shè)計的全數(shù)字鎖相環(huán)路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，數(shù)字鑒相器由異或門EXOR構(gòu)成，數(shù)字環(huán)路濾波器由變?？赡嬗嫈?shù)器Q構(gòu)成，數(shù)控振蕩器由加／減脈沖控制器I／D和模N計數(shù)器組成。可逆計數(shù)器和加／減脈沖控制器的時鐘頻率分別是Mf0和2Nf0。這里f0是環(huán)路的中心頻率，為64kHz。Mf0等于14336kHz，由晶振電路產(chǎn)生，它經(jīng)模H計數(shù)器分頻后得到2Nf0的時鐘頻率。異或門鑒相器用于比較輸入信號IN64與數(shù)控振蕩器輸出信號OUT64的相位差，其輸出信號ud作為可逆計數(shù)器的計數(shù)方向控制信號。當(dāng)ud為低電平時，可逆計數(shù)器作“加”計數(shù)；反之，可逆計數(shù)器作“減”計數(shù)。當(dāng)環(huán)路鎖定時，IN64和OUT64正交，鑒相器的輸出信號ud為50％占空比的方波。在這種情況下，可逆計數(shù)器“加”與“減”的周期相同，只要可逆計數(shù)器的模值K足夠大(K>M／4)，其輸出端就不會產(chǎn)生進(jìn)位或借位脈沖。這時，加／減脈沖控制器只對頻率為2Nf0的時鐘進(jìn)行二分頻，使IN64和OUT64的相位保持正交。在環(huán)路未鎖定的情況下，若ud為低電平時，可逆計數(shù)器進(jìn)行加計數(shù)，并產(chǎn)生進(jìn)位脈沖作用到加／減脈沖控制器的“加”控制端INC，該控制器便在二分頻過程中加入半個時鐘周期；反之，若ud為高電平，可逆計數(shù)器進(jìn)行減計數(shù)，并產(chǎn)生借位脈沖作用到加／減脈沖控制器的“減”輸入端DEC，該控制器便在二分頻的過程中減去半個時鐘周期，這個過程是連續(xù)發(fā)生的。加／減脈沖控制器的輸出經(jīng)過模N計數(shù)器分頻后，得到輸出信號OUT64，它的相位不斷受到調(diào)整控制，最終達(dá)到鎖定狀態(tài)。最后只要對OUT64進(jìn)行4分頻就能得到16kHz的輸出信號OUTl6，對加／減脈沖控制器的輸出進(jìn)行P分頻就能得到56kHz的輸出信號OUT56。

圖1

該全數(shù)字鎖相環(huán)的三個輸出信號的頻率分別為64kHz、56kHz和16kHz，經(jīng)過計算可確定鎖相環(huán)的參數(shù)M、N和P。設(shè)H=8，因為Mf0＝14336kHz=4×4×2×7×64kHz，故M=4×4×2×7=224。因為2Nf0＝Mf0／H=4×4×2×7×64kHz／8=2×2×7×64kHz=2×2×8×56kHz，故N＝14、P＝16。