數(shù)字鎖相環(huán)介紹(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字鎖相環(huán)試驗講義一、 鎖相環(huán)的分類模擬、數(shù)字如何定義？何謂數(shù)字鎖相環(huán)。是指對模擬信號進行采樣量化之后（數(shù)字化）的“數(shù)字信號”的處理中應(yīng)用的鎖相環(huán)，還是指的對真正的“數(shù)字信號”如時鐘波形進行鎖定的鎖相環(huán)？二、 數(shù)字鎖相環(huán)的實際應(yīng)用欲成其事，先明其義?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，鎖相環(huán)有什么樣的作用。1） 在ASIC設(shè)計中的應(yīng)用。主要應(yīng)用領(lǐng)域：窄帶跟蹤接收；鎖相鑒頻；載波恢復(fù)；頻率合成。例一：為了達到ASIC設(shè)計對時鐘的要求,許多工程師都在他們的設(shè)計中加入了鎖相環(huán)(PLL)。PLL有很多理想的特性，例如可以倍頻、糾正時鐘信號的占空比以及消除時鐘在分布中產(chǎn)生的延遲等。這些特性使設(shè)

2、計者們可以將價格便宜的低頻晶振置于芯片外作為時鐘源，然后通過在芯片中對該低頻時鐘源產(chǎn)生的信號進行倍頻來得到任意更高頻率的內(nèi)部時鐘信號。同時，通過加入PLL，設(shè)計者還可以將建立-保持時間窗與芯片時鐘源的邊沿對齊，并以此來控制建立-保持時間窗和輸入時鐘源與輸出信號之間的延遲。2） 在信號源產(chǎn)生方面的應(yīng)用例二：由于無線電通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對振蕩信號源的要求也在不斷提高。不但要求它的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度高，而且要求能方便地改換頻率。實現(xiàn)頻率合成有多種方法，但基本上可以歸納為直接合成法與間接合成法（鎖相環(huán)路）兩大類。3） 無線通信領(lǐng)域的實際應(yīng)用例三：GSM手機的頻率系統(tǒng)包括參考頻率鎖相環(huán)，射頻本振鎖相環(huán)

3、、中頻本振鎖相環(huán)。廣義的數(shù)字鎖相環(huán)包括擴頻通信中的碼跟蹤。三、 數(shù)字鎖相環(huán)的基本原理一般數(shù)字鎖相環(huán)路的組成與模擬鎖相環(huán)路相同，即也是由相位檢波器、環(huán)路濾波器和本地振蕩器等基本部件構(gòu)成，但這些部件全部采用數(shù)字電路。具體來說數(shù)字鎖相環(huán)由：數(shù)字鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器、NCO和分頻器組成。四、 實際應(yīng)用中的數(shù)字鎖相環(huán)的實現(xiàn)方法PLL的結(jié)構(gòu)和功能看起來十分簡單，但實際上卻非常復(fù)雜，因而即使是最好的電路設(shè)計者也很難十分順利地完成PLL的設(shè)計。在實際應(yīng)用中，針對數(shù)字信號或數(shù)字時鐘的特點，數(shù)字鎖相環(huán)多采用超前滯后型吞吐脈沖的鎖相環(huán)路來實現(xiàn)。下面的框圖是一個實用的數(shù)字鎖相環(huán)的實現(xiàn)框圖。五、 頻率合成器頻率合成器

4、由于運用場合的不同，對它的要求也不盡相同。大體來說，有如下幾個主要技術(shù)指標(biāo)：頻率范圍，頻率間隔，頻率轉(zhuǎn)換時間，頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度等。1971年，美國學(xué)者JTierncy，CMRader和BGold提出了以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號的合成技術(shù)。目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速DAC產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波。以下為DDS的基本結(jié)構(gòu)框圖。實際中的DDS芯片框圖11相位累加器部分相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。每來一個時鐘脈沖，加法器

5、將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下，進行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。12相位幅值轉(zhuǎn)換部分用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為取樣地址，對正弦波波形存儲器進行相位幅值轉(zhuǎn)換，即可在給定的時間上確定輸出的波形幅值。13數(shù)模轉(zhuǎn)換部分DAC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換

6、成所要求合成頻率的模擬量形式信號，低通濾波器用于衰減和濾除不需要的取樣分量以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。對于計數(shù)容量為2N的相位累加器和具有M個相位取樣的正弦波波形存儲器，若頻率控制字（即控制步長）為K，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為，而頻率分辨率為ffomin。2DDS的性能特點DDS在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨力以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能。21極快的頻率切換速度DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，頻率轉(zhuǎn)換時間主要由LPF附加的時延來決定。如fc10MHz，轉(zhuǎn)換時間即為100ns，若時鐘頻

7、率升高，轉(zhuǎn)換時間將縮短，但不可能少于數(shù)字門電路的延遲時間。目前，DDS的調(diào)諧時間一般在ns級，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級。22極高的頻率分辨率由ffomin可知，只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率調(diào)諧步進。大多數(shù)DDS的分辨率在Hz，mHz甚至Hz的數(shù)量級。23低相位噪聲和低漂移DDS系統(tǒng)中合成信號的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。而在大多數(shù)DDS系統(tǒng)應(yīng)用中，一般由固定的晶振來產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，所以其相位噪聲和漂移特性是極為優(yōu)異的。24連續(xù)的相位變化同樣因DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，故當(dāng)一個轉(zhuǎn)換頻率的指令加在DDS的數(shù)據(jù)輸入端時

8、，它會迅速合成所要求的頻率信號，在輸出信號上沒有疊加任何電流脈沖，輸出變化是一個平穩(wěn)的過渡過程，而且相位是連續(xù)變化的，這個特點也是DDS獨有的。25在極寬的頻帶范圍內(nèi)輸出幅度平坦的信號DDS的最低輸出頻率是所用的時鐘頻率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。奈奎斯特采樣定理保證了在直到該時鐘頻率一半的所有頻率下，DAC都可以再現(xiàn)信號，即DDS頻率的上限fomax由合成器的最大時鐘頻率fc決定（fomaxfc/2）。26易于集成、易于調(diào)整DDS中幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號處理器件，除DAC和濾波器外，無需任何調(diào)整，從而降低了成本，簡化了生產(chǎn)設(shè)備。3DDS的應(yīng)用DDS問世之初，構(gòu)成DDS元器件的速度

9、的限制和數(shù)字化引起的噪聲，這兩個主要缺點阻礙了DDS的發(fā)展與實際應(yīng)用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以及對DDS的深入研究，DDS的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達到鎖相頻率合成器相當(dāng)?shù)乃健ｋS著這種頻率合成技術(shù)的發(fā)展，其已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達、遙控遙測、電子對抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。 31實時模擬仿真的高精密信號在DDS的波形存儲器中存入正弦波形及方波、三角波、鋸齒波等大量非正弦波形數(shù)據(jù)，然后通過手控或用計算機編程對這些數(shù)據(jù)進行控制，就可以任意改變輸出信號的波形。利用DDS具有的快速頻率轉(zhuǎn)換、連續(xù)相位變換、精確的細調(diào)步進的特點，將其與簡單電路相結(jié)合就構(gòu)成精確模擬仿真各種信號的的

10、最佳方式和手段。這是其它頻率合成方法不能與之相比的。例如它可以模擬各種各樣的神經(jīng)脈沖之類的波形，重現(xiàn)由數(shù)字存儲示波器（DSO）捕獲的波形。32實現(xiàn)各種復(fù)雜方式的信號調(diào)制DDS也是一種理想的調(diào)制器，因為合成信號的三個參量：頻率、相位和幅度均可由數(shù)字信號精確控制，因此DDS可以通過預(yù)置相位累加器的初始值來精確地控制合成信號的相位，從而達到調(diào)制的目的?，F(xiàn)代通信技術(shù)中調(diào)制方式越來越多，BPSK，QPSK，MSK都需要對載波進行精確的相位控制。而DDS的合成信號的相位精度由相位累加器的位數(shù)決定。一個32位的相位累加器可產(chǎn)生43億個離散的相位電平，而相位精度可控制在8×103度的范圍內(nèi)，因此，在轉(zhuǎn)換頻率時，只要通過預(yù)置相位累加器的初始值，即可精確地控制合成信號的相位，很容易實現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制方式。33實現(xiàn)頻率精調(diào)，作為理想的頻率源DDS能有效地實現(xiàn)頻率精調(diào)，它可以在許多鎖相環(huán)（PLL）設(shè)計中代替多重環(huán)路。在一個PLL中保持適當(dāng)?shù)姆诸l比關(guān)系，可以將DDS的高頻率分辨率及快速轉(zhuǎn)換時間特性與鎖相環(huán)路的輸出頻率高、寄生噪聲和雜波低的特點有機地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)更為理想的DDSPLL混合式頻率合成技術(shù)。圖2是這種方案設(shè)計的方框圖。在頻率粗調(diào)時用PLL來覆蓋所需工作頻段，選擇適當(dāng)?shù)姆诸l比可獲得較高的相位噪聲，而DDS被用來覆蓋那些粗調(diào)增量，在其內(nèi)實現(xiàn)頻率精調(diào)。這種方案以其優(yōu)越的相位穩(wěn)定