基于FPGA的提取位同步時鐘DPLL設(shè)計

　　在數(shù)字通信系統(tǒng)中，同步技術(shù)是非常重要的，而位同步是最基本的同步。位同步時鐘信號不僅用于監(jiān)測輸入碼元信號，確保收發(fā)同步，而且在獲取幀同步及對接收的數(shù)字碼元進(jìn)行各種處理的過程中也為系統(tǒng)提供了一個基準(zhǔn)的同步時鐘。位同步的目的是使每個碼元得到最佳的解調(diào)和判決。位同步可以分為外同步法和自同步法兩大類。一般而言，自同步法應(yīng)用較多。外同步法需要另外專門傳輸位同步信息。自同步法則是從信號碼元中提取其包含的位同步信息。自同步法又可以分為兩種，即開環(huán)同步法和閉環(huán)同步法。開環(huán)法采用對輸入碼元做某種變換的方法提取位同步信息。閉環(huán)法則用比較本地時鐘和輸入信號的方法，將本地時鐘鎖定在輸入信號上。閉環(huán)法更為準(zhǔn)確，但是也更為復(fù)雜。本文采用了自同步法，在FPGA構(gòu)造片內(nèi)對超前一滯后全數(shù)字鎖相環(huán)提取曼徹斯特碼中包含的位同步時鐘。

　　1提取位同步時鐘全數(shù)字鎖相環(huán)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

　　這種超前一滯后全數(shù)字鎖相環(huán)采用加減門結(jié)構(gòu)，每輸入一個碼元后，根據(jù)鑒相器判斷是超前還是滯后，通過反饋回路控制的加減門來調(diào)整相位，使之逼近輸入碼元的相位。一旦失步，就需要通過反饋回路重新調(diào)整。每一個超前和滯后脈沖僅能調(diào)整一步，如果接收碼元出現(xiàn)連“1”或是連“O”的情況，鎖定時間會很長，使其同步建立時間和調(diào)整精度變得相互制約。盡管有此缺點(diǎn)，但由于這種結(jié)構(gòu)具有失鎖后的自我調(diào)節(jié)性，因此，碼元消失或是碼元相位出現(xiàn)抖動時，同步脈沖不會出現(xiàn)較大變化，仍然可以輸出穩(wěn)定的同步脈沖。由于采用曼徹斯特碼進(jìn)行傳輸，該設(shè)計主要應(yīng)用于地鐵車輛總線上，傳輸速率為250 Kb／s，速率較低，且每個碼元內(nèi)都有一次電平跳變，不會出現(xiàn)連續(xù)的“O”或“1”，因此采用閉環(huán)的超前一滯后全數(shù)字鎖相環(huán)非常適合提取比特流中的位時鐘。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)字鑒相器(DPD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)、數(shù)控振蕩器(DCO)三部分構(gòu)成。DPLL是一種相位反饋控制系統(tǒng)，它將輸入信號Data_in與本地恢復(fù)時鐘Clk_DPD之間的相位誤差(超前還是滯后)信號送入數(shù)字環(huán)路濾波器DLF中，對相位誤差信號進(jìn)行平滑濾波，并生成控制DCO動作的控制信號，DCO根據(jù)控制信號給出的指令，調(diào)節(jié)內(nèi)部高速振蕩器的震蕩頻率，通過連續(xù)不斷的反饋調(diào)節(jié)，使其輸出時鐘Clk_DPD的相位跟蹤輸入數(shù)據(jù)Data_in的相位。

　　2 環(huán)路功能及其實(shí)現(xiàn)方法

　　下面沿環(huán)路依次介紹DPLL環(huán)路各個組成模塊的詳細(xì)功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、對外接口信號及實(shí)現(xiàn)方法。

　　2．1 鑒相器結(jié)構(gòu)及其工作原理

　　超前一滯后型數(shù)字鑒相器輸出一個表示本地估算信號超前或滯后于輸入信號的量。如果本地估算信號超前于輸入信號，則輸出“超前脈沖”，以便利用該“超前脈沖”控制本地估算信號的相位推后。反之，則輸出“滯后脈沖”，并使本地估算信號的相位前移，這樣隱含在曼徹斯特碼中的位時鐘就被鑒相器比較了出來。超前一滯后型數(shù)字鑒相器可分為積分型和微分型兩種。積分型超前一滯后數(shù)字鑒相器，結(jié)構(gòu)和硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，但具有優(yōu)良的抗干擾性能。而微分型數(shù)字鑒相器結(jié)構(gòu)相對簡潔，硬件實(shí)現(xiàn)也比較簡單，但是它的抗干擾能力比較差。這里采用微分型超前一滯后型數(shù)字鑒相器，將抗干擾的任務(wù)留給后面的數(shù)字濾波器環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。DPD的工作狀態(tài)如圖2所示。

　　當(dāng)Sign為1時，表示本地時鐘超前于輸入信號；當(dāng)Sign為O時，表示本地時鐘落后于輸入信號。

　　當(dāng)Sign_ready=1時，表示輸入信號有跳變，Sign有效；當(dāng)Sign_readyr=0時，表示輸入信號無跳變，Sign無效。

　　微分型超前一滯后數(shù)字鑒相器的原理圖如圖3所示。

　　2．2 數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)及其買現(xiàn)方法

　　在數(shù)字鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器通常使用數(shù)字濾波器，它們與模擬鎖相環(huán)路中的模擬環(huán)路濾波器相對應(yīng)。數(shù)字環(huán)路濾波器在環(huán)路中對輸入噪聲起抑制作用，并且對環(huán)路的校正速度起調(diào)節(jié)作用。

　　由于采用微分型超前一滯后型數(shù)字鑒相器，隨機(jī)噪聲會引起DPD的相位抖動，會生成影響DCO動作的控制脈沖，所以對于DPD輸出的Sign和Sign_ready不能作為直接驅(qū)動指導(dǎo)后面DCO的控制信號，DPD的濾波功能是通過一個Mod為8的計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)Sign_ready為1時，DPD的Mod開始加減計數(shù)(Mod復(fù)位后為8)，計數(shù)的方向由Sign來控制。當(dāng)Sign為1時，表示本地時鐘超前于輸入信號，Mod做加法計數(shù)，逐次加法直到15，進(jìn)位變?yōu)?，Inset輸出一個1μs的高電平；同樣，當(dāng)Sign為0時，表示本地時鐘超前于輸入信號，Mod做減法計數(shù)，逐次加法直到1，借位變?yōu)?，Deduct輸出一個1μs的高電平。DLF原理圖如圖4所示。

　　由于噪聲和抖動一般是無序的，除非噪聲在同一方向出現(xiàn)8次，濾波器才會輸出誤動作。另外Clk_DLF是Clk_DPD的兩倍頻率，有助于提高濾波精度。

　　2．3 振蕩器結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法

　　數(shù)控振蕩器，又稱為數(shù)字鐘，它在數(shù)字鎖相環(huán)路中所處的地位相當(dāng)于模擬鎖相環(huán)中的電壓控制振蕩器。它的輸出是一個脈沖序列，而該輸出脈沖序列的周期受數(shù)字環(huán)路濾波器產(chǎn)生的校正信號所控制。本次設(shè)計主要采用加、扣脈沖式DCO，該振蕩器的特點(diǎn)是每一個鑒相周期輸出本地估算信號是超前或者滯后于輸入信號的信息，經(jīng)濾波器處理后輸出加或扣脈沖信號，以此控制DCO的輸出相位。

　　DCO根據(jù)DLF輸出的Insert和Deduct來調(diào)節(jié)本地時鐘，輸出與曼徹斯特碼位信號同相同頻的時鐘。另外，DPD和DLF的工作時鐘也由DCO產(chǎn)生(Clk_DPD和Clk_DLF同相，前者是后者頻率的1／2)，構(gòu)成了DPLL系統(tǒng)閉環(huán)。DCO原理圖如圖5所示。一般DCO分為三個工作模塊，即高速振蕩器、相位調(diào)節(jié)器和分頻器。由于本次設(shè)計的特殊性，將DCO劃分為兩個工作模塊，即將相位調(diào)節(jié)器和分頻器合并，由DLF產(chǎn)生的Insert和Deduct來指導(dǎo)相位調(diào)節(jié)，并輸出系統(tǒng)要求的位信號時鐘。

　　相位調(diào)節(jié)與分頻輸出如圖6所示。

　　由于之前的DLF的Mod為8，而Clk_DLF的頻率是500 kHz，周期即2μs，所以每次調(diào)節(jié)的相位最小單位為120 ns，20 ns×(5+1)=120ns。DLF在同一方向上接到DPD的Sign信號4次后動作，由于本次項目做曼徹斯特解碼時，前導(dǎo)碼是32個，換算成位信號有64個，由于曼徹斯特碼是10交替的，故輸入信號的有效跳變是32次。經(jīng)過多次仿真和實(shí)驗(yàn)，DPLL一般在前25個前導(dǎo)碼內(nèi)即可穩(wěn)定，穩(wěn)定后在120 ns的范圍內(nèi)跳動。

　　3 鎖相環(huán)路建模及分析

　　定義如下變量：ts為外加信號周期；to為反饋信號周期；p(n)為輸出信號和外加信號的相位差。當(dāng)輸出信號和外加信號的相位差小于π時，鑒相特性是線性的，如圖7所示。

　　異或鑒相器的輸出為：

q（n）=q（n-1）+p（n）? （2）

　　由上可得出反饋信號周期與輸入信號周期的差分方程：

to（n）=ts（n-1）+q（n-1）+ε{u（n-1）·[ts（n-1）-ts（n-2）]}??? （3）

　　式中：ε[·]是由于相位差引入的一個二階量，當(dāng)p(n)很小時，ε[·]是一個無窮小的量。在p(0)=O，q(O)==0，ε[·]=0的情況下，對式(3)進(jìn)行z變換得：

　　其特征方程為：

　　解得：

　　z1，2=0.5±0.5i，z3=0

　　由于|z1，2|=0.707<1，|z3|=0

　　由此可知，系統(tǒng)穩(wěn)定。接下來討論系統(tǒng)對輸入信號的跟蹤誤差：

　　式中：b>0，當(dāng)|b|／|a|足夠小時，對上式做單邊z變換，利用中值定理得：

　　由此可見，穩(wěn)態(tài)誤差取決于輸入信號與本地信號初始相位誤差。由于系統(tǒng)最后穩(wěn)定在120 ns內(nèi)，而每個待鎖定碼元的寬度是2 000 ns，使用△表示鎖定后的最大誤差范圍，可得：

　　可見，穩(wěn)定后，偏移量△最多不超過6%。所以120 ns的穩(wěn)態(tài)誤差能滿足需要，系統(tǒng)可根據(jù)DPLL輸出周期為2μs的同步位時鐘下降沿可靠采樣，避免了亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的發(fā)生。穩(wěn)定后的Clk_DPD如圖8、圖9所示，滯后50ns，累計4次后，超前70ns，穩(wěn)定于絕對誤差120ns。Clk_DPD逐漸跟蹤rx0提取出其中隱含的位時鐘的過程如圖10所示。

　　示波器撲捉到DPLL鎖定輸入的曼徹斯特碼位時鐘的波形如圖11所示。

　　4 結(jié) 語

　　本文主要研究了一種基于FPGA、自頂向下、模塊化、用于提取位同步時鐘的全數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計方法。應(yīng)用Verilog硬件描述語言使設(shè)計更加靈活，不僅縮短了設(shè)計周期，而且可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)。本文測試中所用的待鎖定輸人數(shù)據(jù)由AM7960芯片輸出的曼徹斯特碼提供，通信速率為250 Kb／s，經(jīng)由MAx3485轉(zhuǎn)換成LVTTL電平信號，輸入FPGA芯片EPlC3T10017。由于曼徹斯特碼在每個碼元內(nèi)有一次跳變，鎖定后的時鐘是500 Kb／s。經(jīng)仿真測試，該DPLL具有鎖定相位時間短，鎖定后相位穩(wěn)定的特點(diǎn)，最大偏差不超過6％，這在理論上已加以證明，從而驗(yàn)證了設(shè)汁的正確性。

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