FPGA可编程全数字锁相环路的实现

锁相环路已在模拟和数字通信及无线电电子学等各个领域中得到了极为广泛的应用，特别是在数字通信的调制解调和位同步中常常要用到各种各样的锁相环。锁相就是利用输入信号与输出信号之间的相位误差自动调节输出相位使之与输入相位一致，或保持一个很小的相位差。 全数字锁相环路（Digital Phase-Locked Loop, DPLL）是现代电子系统中的关键组件，尤其在数字通信、无线电电子以及单片机设计中扮演着重要角色。它通过比较输入信号与输出信号的相位误差，自动调节输出信号的相位，使其与输入信号保持一致或相差极小，从而实现频率同步。锁相环路的核心功能在于提供精确的时钟信号，这对于调制解调和位同步至关重要。 传统的锁相环路由模拟电路组成，但随着数字集成电路技术的发展，全数字锁相环路应运而生。全数字锁相环路的主要组成部分包括数字鉴相器（DPD）、数字环路滤波器（DLF）和数控振荡器（DCO）。这些组件全部采用数字逻辑实现，提高了环路的稳定性和精度，同时也具有更高的灵活性和可编程性。 在具体设计中，一个典型的全数字锁相环路架构可能包括以下部分： 1. **数字鉴相器**：通常由异或门或其他逻辑门电路构成，用来检测输入信号IN64和输出信号OUT64之间的相位差。鉴相器的输出ud是一个占空比为50%的方波，表示输入和输出信号处于锁定状态，即相位差为90°。在VHDL等硬件描述语言中，可以编写代码来实现鉴相器的功能。 2. **数字环路滤波器**：通常由可逆计数器实现，根据鉴相器的输出ud控制计数方向。在ud为0时进行加计数，ud为1时进行减计数。环路滤波器的模数可以通过预置的输入端进行设置，提供不同范围的滤波特性。 3. **数控振荡器**：由加/减脉冲控制器和模N计数器组成，根据环路滤波器的输出调整输出信号的相位。通过改变计数器的分频系数，可以得到不同频率的输出信号，如64kHz、56kHz和16kHz。 在上述示例中，环路的中心频率f0为64kHz，由晶振电路提供。模H计数器将高频时钟Mf0分频为2Nf0，进而驱动整个锁相环。当环路锁定时，通过适当选择环路参数M、N和P，可以得到所需的各种输出频率。 例如，对于上述设计，M=224，N=14，P=16，这样就可以通过分频得到64kHz、56kHz和16kHz的输出。在环路未锁定时，鉴相器的输出ud会驱动环路滤波器和数控振荡器调整输出相位，直至达到锁定状态。 全数字锁相环路通过高度集成的数字电路实现了相位误差的精确控制，能够灵活适应各种通信系统的需求。在FPGA平台上，这种可编程能力使得设计者可以快速调整和优化锁相环的性能，满足特定应用场合的时钟同步要求。在本文提到的无线通信实验系统中，利用FPGA的剩余资源实现的全数字锁相环成功地为FSK、DPSK、QAM调制解调器提供了多种频率的精确时钟信号，展示了其在实际应用中的价值。