變頻域全數字鎖相環及鎖相控制方法
【專利摘要】變頻域全數字鎖相環及鎖相控制方法，數字鑒相器模塊ua信號輸出端與相位自動測控模塊輸入端相接，ah、be信號輸出端分別與可變模可逆計數器模塊第一、第二信號輸入端相接，相位自動測控模塊的m信號輸出端與可變模可逆計數器模塊第三輸信號入端相接，可變模可逆計數器模塊的inc、dec信號輸出端分別與增減脈沖控制電路模塊兩個信號輸入端相接，增減脈沖控制電路模塊IDout信號輸出端與可控分頻器模塊第一信號輸入端相接，頻率自動測控模塊N信號輸出端與可控分頻器模塊第二輸入端相接，可控分頻器模塊fout信號輸出端與數字鑒相器模塊fout信號輸入端相接。通過對鎖相環系統參數的動態調節與控制，在較寬的輸入信號頻率范圍內實現自動跟蹤與快速鎖定。
【專利說明】
變頻域全數字鎖相環及鎖相控制方法
技術領域
[0001]本發明屬于電子信息技術領域，具體涉及一種應用于片上系統(SOC)的變頻域全數字鎖相環及鎖相控制方法。
【背景技術】
[0002]全數字鎖相環在通信、信號處理、調制解調、時鐘同步、頻率綜合和自動控制等領域應用極為廣泛，已經成為各種電子設備中不可缺少的基本部件。
[0003]現有全數字鎖相環所存在以下缺陷:
一是鎖相范圍窄、用途單一、通用性不強。現有全數字鎖相環是設計者根據在某一應用領域的單一固定頻域而確定其系統設計方案的，各鎖相環的頻率鎖定范圍相對較小，當鎖相環輸入信號的頻率超出其工作頻域時，其鎖相性能會變得很差，甚至因失鎖而不能正常工作，這樣以來，對用于不同頻域范圍、不同用途的鎖相環需要重新設計或定制。
[0004]二是控制方式欠佳。鎖相環的環路帶寬與鎖相速度、捕獲范圍和抗擾性能密切相關，而且是相互矛盾的，拓展環路帶寬可以擴大捕獲范圍，加快鎖相速度，提高鎖相環的動態性能，但同時會增加相位抖動、降低系統的抗擾性能，造成系統的穩定性能變差;反之，縮小環路帶寬，可減小相位抖動、提高系統的抗擾性能，增強系統的穩定性，但卻又會使鎖相環的捕獲范圍變窄，鎖相速度減慢。由于現有全數字鎖相環的系統參數是固定不變的，設計時只能采取折中的方案，因此，不能完全解決提高鎖相環動態性能與增強穩態性能所存在的矛盾。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服現有技術的上述不足而提供一種應用于片上系統(SOC)中的變頻域全數字鎖相環及鎖相控制方法，這種全數字鎖相環可實現系統參數的動態調節與控制，能夠在較寬的輸入信號頻率范圍內實現自動跟蹤與快速鎖定，并且具有穩定性能高、可移植性好和通用性強的特點，該鎖相環能夠解決現有全數字鎖相環鎖相速度與穩定性相矛盾的問題，解決鎖相環通用性不強和自適應差的問題。
[0006]本發明的技術方案是:變頻域全數字鎖相環，包括數字鑒相模塊、可變模可逆計數器模塊、增減脈沖控制電路模塊、可控分頻器模塊、相位自動測控模塊和頻率自動測控模塊，利用電子設計自動化技術完成各個模塊電路的設計。
數字鑒相器模塊有兩個信號輸入端及三個信號輸出端，兩個信號輸入端分別為fin信號輸入端及fout信號輸入端，數字鑒相器模塊通過檢測變頻域全數字鎖相環輸入信號fin與輸出信號fout的上升沿，判斷其相位誤差和極性，并生成反映輸入與輸出信號之間超前相差極性信號ah、滯后相差極性信號be及相差與頻差信號ua。
[0007]可變模可逆計數器模塊計數方向的控制信號來自數字鑒相器模塊的輸出信號ah和be，其數模值m的大小是由相位自動測控模塊來控制。
[0008]數字鑒相器模塊的輸出的超前相差極性信號ah為可變模可逆計數器模塊的加控制信號，數字鑒相器模塊的輸出的滯后相差極性信號be為可變模可逆計數器模塊的減控制信號，可變模可逆計數器模塊分別輸出進位脈沖信號inc及借位脈沖信號dec，它們分別作為增減脈沖控制電路模塊的控制信號，不同的模數值m表示可變模可逆計數器模塊不同的計數深度，模數值m的取值影響著鎖相環的鎖相速度和穩定性，當輸入信號與輸出信號的相位誤差較大時，若模數值m取較小值，能提高增減脈沖控制信號的頻率，鎖相速度就會加快，而當環路鎖定后，若模數值m取較大值，能降低增減脈沖控制信號的頻率，故使鎖相環的相位抖動減小，穩定性提高，當可變模可逆計數器模塊的模數值分別為2、4、8、16、32時，增減脈沖控制信號inc或dec的頻率逐漸減小。
[0009]增減脈沖控制電路模塊的輸入信號分別是進位脈沖信號inc和借位脈沖信號dec，它們是增減脈沖控制電路模塊控制信號，其輸出信號為Idout，當進位脈沖信號inc為高電平時，鎖相環在增減脈沖控制電路模塊輸出信號IDout的下一個周期增加一個時鐘脈沖，使得輸出信號IDout的相位提前；當借位脈沖信號dec為高電平時，鎖相環在增減脈沖控制電路模塊輸出信號IDout的下一個周期減去一個時鐘脈沖，使得輸出信號IDout的相位延后；當進位脈沖信號inc與借位脈沖信號dec都為低電平時，增減脈沖控制電路模塊只對鎖相環時鐘信號進行二分頻。
[00?0]可控分頻器模塊的第一輸入端與增減脈沖控制電路模塊的IDout信號輸出端相接，可控分頻器模塊中的計數器對增減脈沖控制電路模塊輸出信號IDout的序列脈沖進行計數，可控分頻器模塊的第二輸入端與頻率自動測控模塊頻率控制字N輸出端相接，頻率自動測控模塊為可控分頻器模塊中的計數器提供頻率控制字N，頻率自動測控模塊根據輸入信號fin的頻率變化，確定相應的頻率控制字N，能夠實時調節可控分頻器模塊的輸出頻率fout，從而擴展了鎖相環的鎖頻范圍。
[0011]相位自動測控模塊由時間數字轉換電路、比較電路和模數控制電路組成，時間數字轉換電路輸出端與比較電路的輸入端相接，比較電路的輸出端與模數控制電路的輸入端相接。
[0012]時間數字轉換電路的作用是把鎖相環輸入信號fin與輸出信號fout的相差與頻差信號ua量化成數字信號，比較電路對前一周期與后一周期相差與頻差信號ua的量化數字信號的大小進行比較，以判別鎖相環處于哪一個鎖相階段，并產生相應的切換信號，模數控制電路根據鎖相環所處的工作階段，生成相應的模數值m，并將其送入可變模可逆計數器模塊，并實時調整模數值m。
[0013]頻率自動檢測模塊由頻率檢測電路和頻率控制字生成電路組成，頻率檢測電路輸出端與頻率控制字生成電路的輸入端相接。
[0014]頻率檢測電路的作用是對輸入信號fin的頻率進行檢測和存儲，頻率控制字生成電路的作用是根據輸入信號fin頻率的檢測值，生成相應的頻率控制字N，當輸入信號fin的頻率不變時，保持相應的頻率控制字N恒定，而當輸入信號fin的頻率發生變化時，立即改變頻率控制字N，通過頻率控制字N能夠實時調節可控分頻器模塊輸出信號fout的頻率，實現對鎖相環中心頻率的動態調節。
[0015]數字鑒相器模塊三個信號輸出端中的ua信號輸出端與相位自動測控模塊的輸入端相接，ah信號輸出端、be信號輸出端分別與可變模可逆計數器模塊的第一信號輸入端及第二信號輸入端相接，相位自動測控模塊的m信號輸出端與可變模可逆計數器模塊的第三輸信號入端相接，可變模可逆計數器模塊的inc信號輸出端和dec信號輸出端分別與增減脈沖控制電路模塊的兩個信號輸入端相接，增減脈沖控制電路模塊的IDout信號輸出端與可控分頻器模塊的第一信號輸入端相接，頻率自動測控模塊的N信號輸出端與可控分頻器模塊的第二輸入端相接，可控分頻器模塊的fout信號輸出端為鎖相環輸出信號，且與數字鑒相器模塊的fout信號輸入端相接。
[0016]本發明根據變頻域全數字鎖相環的系統結構框圖，采用自頂而下的設計方法，利用電子設計自動化(EDA)技術完成變頻域全數字鎖相環頂層電路設計。
[0017]在變頻域全數字鎖相環頂層電路中，系統時鐘信號elk分別與相位自動測控模塊、頻率自動檢測模塊、可變模可逆計數器模塊的輸入端elk及增減脈沖電路模塊的輸入端IDclk相接。
[0018]系統復位信號reset分別與相位自動測控模塊、頻率自動檢測模塊、可變模可逆計數器模塊、增減脈沖電路模塊及可控分頻器模塊的輸入端reset相接。
[0019]使能信號en與可變模可逆計數器模塊的輸入端en相接。
[0020]系統輸入信號fin分別與數字鑒相器模塊和頻率自動檢測模塊的輸入端fin相接。[0021 ]數字鑒相器模塊的輸出信號有三個，分別為ah、be及ua，其中ah、be分別與可變模可逆計數器模塊的輸入端ah、be相接，ua與相位自動測控模塊的輸入端ua相接。
[0022]相位自動測控模塊的輸出端Km與可變模可逆計數器模塊的輸入端Km相接。
[0023]可變模可逆計數器模塊的二個輸出端inc、dec分別與增減脈沖電路模塊的輸入端inc、dec 相接。
[0024]增減脈沖電路模塊的輸出端IDout與可控分頻器模塊的輸入端idout相接。
[0025]頻率自動檢測模塊的輸出端N與可控分頻器模塊的輸入端N相接，可控分頻器模塊的輸出端fout為系統的輸出信號端，同時又反饋到系統的輸入端口與數字鑒相器模塊的輸入端fout相接。
[0026]本發明提供的變頻域全數字鎖相環的鎖相控制方法，是通過對鎖相環系統參數的動態調節與控制，在較寬的輸入信號頻率范圍內實現自動跟蹤與快速鎖定。
[0027]其具體的鎖相控制過程如下:
數字鑒相器模塊通過檢測鎖相環輸入信號fin和輸出信號fout的上升沿，輸出相應的相位超前信號ah或滯后信號be及相位誤差信號ua。
[0028]相位自動測控模塊對相位誤差信號進行數值量化和比較，當相位誤差較大時，減小送入可變模可逆計數器模塊的模數值m;當相位誤差較小的時，增大送入可變模可逆計數器模塊的模數值m。
[0029]同時，當數字鑒相器模塊輸出的相位超前信號ah為高電平時，可變模可逆計數器模塊進行加計數，當加計數值達到可變模可逆計數器模塊模數值m后，可變模可逆計數器模塊輸出加脈沖控制信號inc;當數字鑒相器模塊輸出的相位滯后信號be為高電平時，可變模可逆計數器模塊進行減計數，當減計數值達到模數值m后，可變模可逆計數器模塊輸出減脈沖控制信號dec。
[0030]增減脈沖電路模塊根據可變模可逆計數器模塊輸出的脈沖加、減控制信號，通過加上或減去一個系統時鐘周期的時間去調整輸出信號IDout的相位。
[0031]頻率自動測控模塊實時監測輸入信號的頻率，并根據一定的算法確定可控分頻器模塊的頻率控制字N，以調整鎖相環的中心頻率，使其快速接近輸入信號的頻率。
[0032]可控分頻器模塊的輸出信號fout送入數字鑒相器模塊進行下一周期的比較，從而逐漸減小相位誤差和頻率誤差，并最終實現鎖相環的鎖定。
[0033]在變頻域全數字鎖相環中，可變模可逆計數器模塊的模數值m和可控分頻器的頻率控制字N是通過變頻域全數字鎖相環中的相位自動測控模塊和頻率自動測控模塊動態調節的，通過調節可變模可逆計數器模塊中的模數值m，在鎖相環的捕捉階段，能使增減脈沖控制信號的頻率升高，進而加快相位的調整，提高鎖相環的鎖相速度;而當鎖相環鎖定時，能減小增減脈沖控制信號的頻率，進而能減小相位抖動，增強鎖相環的穩定性。
[0034]改變可控分頻器模塊的頻率控制字N，使得鎖相環中心頻率能夠調節，實現對不同頻率的輸入信號進行鎖定，拓寬鎖相范圍。
[0035]本發明與現有技術相比具有如下特點:
本發明所提出的變頻域全數字鎖相環，采用電子設計自動化(EDA)技術完成系統設計，其性能特點在于:
1、通過動態調節可控分頻器的參數，使環路的中心頻率可隨輸入信號頻率的不同而變化，從而拓寬了系統的鎖相范圍。
[0036]2、能夠通過動態調節數字濾波器的參數，既可在環路的捕捉階段提高系統的鎖相速度，又能在環路鎖定后減小相位抖動，增強系統的穩定性能。
[0037]3、該鎖相環路具有鎖相速度快、鎖相范圍寬、電路結構簡單和易于集成等優點，并可作為功能模塊嵌入到系統芯片(SOC)中，具有十分廣泛的用途。
[0038]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發明的詳細結構作進一步描述。
【附圖說明】
[0039]附圖1為變頻域全數字鎖相環的系統結構框圖；
附圖2為數字濾波器的仿真波形圖；
附圖3為相位自動測控模塊原理框圖；
附圖4為頻率自動測控模塊原理框圖；
附圖5為變頻域全數字鎖相環的頂層電路圖；
附圖6為fin=10Hz時的波形仿真圖；
附圖7為fin=50MHz時的波形仿真圖；
附圖8為fin=200kHz向fin=50kHz跳變時的波形圖。
【具體實施方式】
[0040]變頻域全數字鎖相環，包括數字鑒相模塊1、可變模可逆計數器模塊2、增減脈沖控制電路模塊3、可控分頻器模塊4、相位自動測控模塊5和頻率自動測控模塊6，利用電子設計自動化技術完成各個模塊電路的設計。
數字鑒相器模塊I有兩個信號輸入端及三個信號輸出端，兩個信號輸入端分別為fin信號輸入端及fout信號輸入端，數字鑒相器模塊I通過檢測變頻域全數字鎖相環輸入信號fin與輸出信號fout的上升沿，判斷其相位誤差和極性，并生成反映輸入與輸出信號之間超前相差極性信號ah、滯后相差極性信號be及相差與頻差信號ua。
[0041]可變模可逆計數器模塊2計數方向的控制信號來自數字鑒相器模塊I的輸出信號ah和be，其數模值m的大小是由相位自動測控模塊5來控制。
[0042]數字鑒相器模塊I的輸出的超前相差極性信號ah為可變模可逆計數器模塊2的加控制信號，數字鑒相器模塊I的輸出的滯后相差極性信號be為可變模可逆計數器模塊2的減控制信號，可變模可逆計數器模塊2分別輸出進位脈沖信號inc及借位脈沖信號dec，它們分別作為增減脈沖控制電路模塊3的控制信號，不同的模數值m表示可變模可逆計數器模塊2不同的計數深度，模數值m的取值影響著鎖相環的鎖相速度和穩定性，當輸入信號與輸出信號的相位誤差較大時，若模數值m取較小值，能提高增減脈沖控制信號的頻率，鎖相速度就會加快，而當環路鎖定后，若模數值m取較大值，能降低增減脈沖控制信號的頻率，故使鎖相環的相位抖動減小，穩定性提高，當可變模可逆計數器模塊2的模數值分別為2、4、8、16、32時，增減脈沖控制信號inc或dec的頻率逐漸減小。
[0043]增減脈沖控制電路模塊3的輸入信號分別是進位脈沖信號inc和借位脈沖信號dec，它們是增減脈沖控制電路模塊3控制信號，其輸出信號為IDout。當進位脈沖信號inc為高電平時，鎖相環在增減脈沖控制電路模塊3輸出信號IDout的下一個周期增加一個時鐘脈沖，使得輸出信號IDout的相位提前；當借位脈沖信號dec為高電平時，鎖相環在增減脈沖控制電路模塊3輸出信號IDout的下一個周期減去一個時鐘脈沖，使得輸出信號IDout的相位延后；當進位脈沖信號inc與借位脈沖信號dec都為低電平時，增減脈沖控制電路模塊3只對鎖相環時鐘信號進行二分頻。
[0044]可控分頻器模塊4的第一輸入端與增減脈沖控制電路模塊3的IDout信號輸出端相接，可控分頻器模塊4中的計數器對增減脈沖控制電路模塊3輸出信號IDout的序列脈沖進行計數，可控分頻器模塊4的第二輸入端與頻率自動測控模塊6頻率控制字N輸出端相接，頻率自動測控模塊6為可控分頻器模塊4中的計數器提供頻率控制字N，頻率自動測控模塊6根據輸入信號fin的頻率變化，確定相應的頻率控制字N，能夠實時調節可控分頻器模塊4的輸出頻率fout，從而擴展了鎖相環的鎖頻范圍。
[0045]相位自動測控模塊5由時間數字轉換電路5-1、比較電路5-2和模數控制電路5-3組成，時間數字轉換電路5-1輸出端與比較電路5-2的輸入端相接，比較電路5-2的輸出端與模數控制電路5-3的輸入端相接。
[0046]時間數字轉換電路5-1的作用是把鎖相環輸入信號fin與輸出信號fout的相差與頻差信號ua量化成數字信號，比較電路5-2對前一周期與后一周期相差與頻差信號ua的量化數字信號的大小進行比較，以判別鎖相環處于哪一個鎖相階段，并產生相應的切換信號，模數控制電路5-3根據鎖相環所處的工作階段，生成相應的模數值m，并將其送入可變模可逆計數器模塊2，并實時調整模數值m。
[0047]頻率自動檢測模塊6由頻率檢測電路6-1和頻率控制字生成電路6-2組成，頻率檢測電路6-1輸出端與頻率控制字生成電路6-2的輸入端相接。
[0048]頻率檢測電路6-1的作用是對輸入信號fin的頻率進行檢測和存儲，頻率控制字生成電路6-2的作用是根據輸入信號fin頻率的檢測值，生成相應的頻率控制字N，當輸入信號f in的頻率不變時，保持相應的頻率控制字N恒定，而當輸入信號f in的頻率發生變化時，立即改變頻率控制字N，通過頻率控制字N能夠實時調節可控分頻器模塊4輸出信號fout的頻率，實現對鎖相環中心頻率的動態調節。
[0049]數字鑒相器模塊I三個信號輸出端中的ua信號輸出端與相位自動測控模塊5的輸入端相接，ah信號輸出端、be信號輸出端分別與可變模可逆計數器模塊2的第一信號輸入端及第二信號輸入端相接，相位自動測控模塊5的m信號輸出端與可變模可逆計數器模塊2的第三輸信號入端相接，可變模可逆計數器模塊2的inc信號輸出端和dec信號輸出端分別與增減脈沖控制電路模塊3的兩個信號輸入端相接，增減脈沖控制電路模塊3的IDout信號輸出端與可控分頻器模塊4的第一信號輸入端相接，頻率自動測控模塊6的N信號輸出端與可控分頻器模塊4的第二輸入端相接，可控分頻器模塊4的fout信號輸出端為鎖相環輸出信號，且與數字鑒相器模塊I的fout信號輸入端相接。
[0050]本發明根據變頻域全數字鎖相環的系統結構框圖，采用自頂而下的設計方法，利用電子設計自動化技術完成變頻域全數字鎖相環頂層電路設計。
[0051]在變頻域全數字鎖相環頂層電路中，系統時鐘信號elk分別與相位自動測控模塊5、頻率自動檢測模塊6、可變模可逆計數器模塊2的輸入端elk及增減脈沖電路模塊3的輸入端IDclk相接。
[0052]系統復位信號reset分別與相位自動測控模塊5、頻率自動檢測模塊6、可變模可逆計數器模塊2、增減脈沖電路模塊3及可控分頻器模塊4的輸入端reset相接。
[0053]使能信號en與可變模可逆計數器模塊2的輸入端en相接。
[0054]系統輸入信號fin分別與數字鑒相器模塊I和頻率自動檢測模塊6的輸入端fin相接。
[0055]數字鑒相器模塊I的輸出信號有三個，分別為ah、be及ua，其中ah、be分別與可變模可逆計數器模塊2的輸入端ah、be相接，ua與相位自動測控模塊5的輸入端ua相接。
[0056]相位自動測控模塊5的輸出端Km與可變模可逆計數器模塊2的輸入端Km相接。
[0057]可變模可逆計數器模塊2的二個輸出端inc、dec分別與增減脈沖電路模塊3的輸入端inc、dec相接。
[0058]增減脈沖電路模塊3的輸出端IDout與可控分頻器模塊4的輸入端idout相接。
[0059]頻率自動檢測模塊6的輸出端N與可控分頻器模塊4的輸入端N相接，可控分頻器模塊4的輸出端fout為系統的輸出信號端，同時又反饋到系統的輸入端口與數字鑒相器模塊I的輸入端fout相接。
[0060]本發明提供的變頻域全數字鎖相環的鎖相控制方法，是通過對鎖相環系統參數的動態調節與控制，在較寬的輸入信號頻率范圍內實現自動跟蹤與快速鎖定。
[0061]其具體的鎖相控制過程如下:
數字鑒相器模塊I通過檢測鎖相環輸入信號fin和輸出信號fout的上升沿，輸出檢測到相位超前信號ah或滯后信號be及相位誤差信號ua。
[0062]相位自動測控模塊5對相位誤差信號進行數值量化和比較，當相位誤差較大時，減小送入可變模可逆計數器模塊2的模數值m;當相位誤差較小的時，增大送入可變模可逆計數器模塊2的模數值m;同時，當數字鑒相器模塊I輸出的相位超前信號ah為高電平時，可變模可逆計數器模塊2進行加計數，當加計數值達到可變模可逆計數器模塊2模數值m后，可變模可逆計數器模塊2輸出加脈沖控制信號inc;當數字鑒相器模塊I輸出的相位滯后信號be為高電平時，可變模可逆計數器模塊2進行減計數，當減計數值達到模數值m后，可變模可逆計數器模塊2輸出減脈沖控制信號dec;增減脈沖電路模塊3根據可變模可逆計數器模塊2輸出的脈沖加、減控制信號，通過加上或減去一個系統時鐘周期的時間去調整輸出信號IDout的相位;頻率自動測控模塊6實時監測輸入信號的頻率，并根據一定的算法確定可控分頻器模塊4的頻率控制字N，以調整鎖相環的中心頻率，使其快速接近輸入信號的頻率;可控分頻器模塊4的輸出信號fout送入數字鑒相器模塊I進行下一周期的比較，從而逐漸減小相位誤差和頻率誤差，并最終實現鎖相環的鎖定。
[0063]在變頻域全數字鎖相環中，可變模可逆計數器模塊2的模數值m和可控分頻器可變模4的頻率控制字N是通過變頻域全數字鎖相環中的相位自動測控模塊5和頻率自動測控模塊6動態調節的，通過調節可變模可逆計數器模塊2中的模數值m，在鎖相環的捕捉階段，能使增減脈沖控制信號的頻率升高，進而加快相位的調整，提高鎖相環的鎖相速度;而當鎖相環鎖定時，能減小增減脈沖控制信號的頻率，進而能減小相位抖動，增強鎖相環的穩定性。改變可控分頻器模塊4的頻率控制字N，使得鎖相環中心頻率能夠調節，實現對不同頻率的輸入信號進行鎖定，拓寬鎖相范圍。
[0064]對變頻域全數字鎖相環電路進行系統仿真，其仿真結果如圖6、圖7、圖8所示，其中圖6和圖7分別是頻率為1Hz和50MHz時的仿真波形，圖8為輸入信號頻率由200kHz跳變到50kHz時的仿真波形，圖中en為系統使能信號，reset為系統復位信號，elk為系統時鐘信號，fin為系統輸入信號，fout為系統輸出信號。
[0065]由鎖相環仿真可知，該鎖相環的鎖相范圍為10Hz-50MHz，當輸入信號的相位發生變化時，鎖相環可在很短的時間內實現重新鎖定，最快可在二個輸入信號周期內鎖定，當輸入信號的頻率發生跳變時，鎖相環也可在幾個輸入信號周期內實現快速重新鎖定。
【主權項】
1.變頻域全數字鎖相環，其特征是:包括數字鑒相模塊、可變模可逆計數器模塊、增減脈沖控制電路模塊、可控分頻器模塊、相位自動測控模塊和頻率自動測控模塊，利用電子設計自動化技術完成各個模塊電路的設計； 數字鑒相器模塊有兩個信號輸入端及三個信號輸出端，兩個信號輸入端分別為fin信號輸入端及fout信號輸入端，數字鑒相器模塊通過檢測變頻域全數字鎖相環輸入信號fin與輸出信號fout的上升沿，判斷其相位誤差和極性，并生成反映輸入與輸出信號之間超前相差極性信號ah、滯后相差極性信號be及相差與頻差信號ua; 可變模可逆計數器模塊計數方向的控制信號來自數字鑒相器模塊的輸出信號ah和be，其數模值m的大小是由相位自動測控模塊來控制； 數字鑒相器模塊的輸出的超前相差極性信號ah為可變模可逆計數器模塊的加控制信號，數字鑒相器模塊的輸出的滯后相差極性信號be為可變模可逆計數器模塊的減控制信號，可變模可逆計數器模塊分別輸出進位脈沖信號inc及借位脈沖信號dec，它們分別作為增減脈沖控制電路模塊的控制信號，不同的模數值m表示可變模可逆計數器模塊不同的計數深度，模數值m的取值影響著鎖相環的鎖相速度和穩定性，當輸入信號與輸出信號的相位誤差較大時，若模數值m取較小值，能提高增減脈沖控制信號的頻率，鎖相速度就會加快，而當環路鎖定后，若模數值m取較大值，能降低增減脈沖控制信號的頻率，故使鎖相環的相位抖動減小，穩定性提高，當可變模可逆計數器模塊的模數值分別為2、4、8、16、32時，增減脈沖控制信號inc或dec的頻率逐漸減小； 增減脈沖控制電路模塊的輸入信號分別是進位脈沖信號inc和借位脈沖信號dec，它們是增減脈沖控制電路模塊控制信號，其輸出信號為Idout，當進位脈沖信號inc為高電平時，鎖相環在增減脈沖控制電路模塊輸出信號IDout的下一個周期增加一個時鐘脈沖，使得輸出信號IDout的相位提前；當借位脈沖信號dec為高電平時，鎖相環在增減脈沖控制電路模塊輸出信號IDout的下一個周期減去一個時鐘脈沖，使得輸出信號IDout的相位延后；當進位脈沖信號inc與借位脈沖信號dec都為低電平時，增減脈沖控制電路模塊只對鎖相環時鐘信號進行二分頻； 可控分頻器模塊的第一輸入端與增減脈沖控制電路模塊的IDout信號輸出端相接，可控分頻器模塊中的計數器對增減脈沖控制電路模塊輸出信號IDout的序列脈沖進行計數，可控分頻器模塊的第二輸入端與頻率自動測控模塊頻率控制字N輸出端相接，頻率自動測控模塊為可控分頻器模塊中的計數器提供頻率控制字N，頻率自動測控模塊根據輸入信號fin的頻率變化，確定相應的頻率控制字N，能夠實時調節可控分頻器模塊的輸出頻率fout，從而擴展了鎖相環的鎖頻范圍； 相位自動測控模塊由時間數字轉換電路、比較電路和模數控制電路組成，時間數字轉換電路輸出端與比較電路的輸入端相接，比較電路的輸出端與模數控制電路的輸入端相接； 時間數字轉換電路的作用是把鎖相環輸入信號fin與輸出信號fout的相差與頻差信號ua量化成數字信號，比較電路對前一周期與后一周期相差與頻差信號ua的量化數字信號的大小進行比較，以判別鎖相環處于哪一個鎖相階段，并產生相應的切換信號，模數控制電路根據鎖相環所處的工作階段，生成相應的模數值m，并將其送入可變模可逆計數器模塊，并實時調整模數值m; 頻率自動檢測模塊由頻率檢測電路和頻率控制字生成電路組成，頻率檢測電路輸出端與頻率控制字生成電路的輸入端相接； 頻率檢測電路的作用是對輸入信號fin的頻率進行檢測和存儲，頻率控制字生成電路的作用是根據輸入信號fin頻率的檢測值，生成相應的頻率控制字N，當輸入信號fin的頻率不變時，保持相應的頻率控制字N恒定，而當輸入信號fin的頻率發生變化時，立即改變頻率控制字N，通過頻率控制字N能夠實時調節可控分頻器模塊輸出信號fout的頻率，實現對鎖相環中心頻率的動態調節； 數字鑒相器模塊三個信號輸出端中的ua信號輸出端與相位自動測控模塊的輸入端相接，ah信號輸出端、be信號輸出端分別與可變模可逆計數器模塊的第一信號輸入端及第二信號輸入端相接，相位自動測控模塊的m信號輸出端與可變模可逆計數器模塊的第三輸信號入端相接，可變模可逆計數器模塊的inc信號輸出端和dec信號輸出端分別與增減脈沖控制電路模塊的兩個信號輸入端相接，增減脈沖控制電路模塊的IDout信號輸出端與可控分頻器模塊的第一信號輸入端相接，頻率自動測控模塊的N信號輸出端與可控分頻器模塊的第二輸入端相接，可控分頻器模塊的fout信號輸出端為鎖相環輸出信號，且與數字鑒相器模塊的fout信號輸入端相接。2.如權利要求1所述的變頻域全數字鎖相環，其特征是:根據變頻域全數字鎖相環的系統結構框圖，采用自頂而下的設計方法，利用電子設計自動化技術完成變頻域全數字鎖相環頂層電路的設計； 在變頻域全數字鎖相環頂層電路中，系統時鐘信號elk分別與相位自動測控模塊、頻率自動檢測模塊、可變模可逆計數器模塊的輸入端elk及增減脈沖電路模塊的輸入端IDclk相接； 系統復位信號reset分別與相位自動測控模塊、頻率自動檢測模塊、可變模可逆計數器模塊、增減脈沖電路模塊及可控分頻器模塊的輸入端reset相接； 使能信號en與可變模可逆計數器模塊的輸入端en相接； 系統輸入信號fin分別與數字鑒相器模塊和頻率自動檢測模塊的輸入端fin相接；數字鑒相器模塊的輸出信號有三個，分別為ah、be及ua，其中ah、be分別與可變模可逆計數器模塊的輸入端ah、be相接，ua與相位自動測控模塊的輸入端ua相接； 相位自動測控模塊的輸出端Km與可變模可逆計數器模塊的輸入端Km相接； 可變模可逆計數器模塊的二個輸出端inc、dec分別與增減脈沖電路模塊的輸入端inc、dec相接； 增減脈沖電路模塊的輸出端IDout與可控分頻器模塊的輸入端i dout相接； 頻率自動檢測模塊的輸出端N與可控分頻器模塊的輸入端N相接，可控分頻器模塊的輸出端fout為系統的輸出信號端，同時又反饋到系統的輸入端口與數字鑒相器模塊的輸入端fout相接。3.采用如權利要求1所述的變頻域全數字鎖相環的鎖相控制方法，其特征是:通過對鎖相環系統參數的動態調節與控制，在較寬的輸入信號頻率范圍內實現自動跟蹤與快速鎖定，其具體的鎖相控制過程如下: 數字鑒相器模塊通過檢測鎖相環輸入信號fin和輸出信號fout的上升沿，輸出相應的相位超前信號ah或滯后信號be及相位誤差信號ua; 相位自動測控模塊對相位誤差信號進行數值量化和比較，當相位誤差較大時，減小送入可變模可逆計數器模塊的模數值m，當相位誤差較小的時，增大送入可變模可逆計數器模塊的模數值m; 同時，當數字鑒相器模塊輸出的相位超前信號ah為高電平時，可變模可逆計數器模塊進行加計數，當加計數值達到可變模可逆計數器模塊模數值m后，可變模可逆計數器模塊輸出加脈沖控制信號inc;當數字鑒相器模塊輸出的相位滯后信號be為高電平時，可變模可逆計數器模塊進行減計數，當減計數值達到模數值m后，可變模可逆計數器模塊輸出減脈沖控制?目號dec ； 增減脈沖電路模塊根據可變模可逆計數器模塊輸出的脈沖加、減控制信號，通過加上或減去一個系統時鐘周期的時間去調整輸出信號IDout的相位； 頻率自動測控模塊實時監測輸入信號的頻率，并根據一定的算法確定可控分頻器模塊的頻率控制字N，以調整鎖相環的中心頻率，使其快速接近輸入信號的頻率； 可控分頻器模塊的輸出信號fout送入數字鑒相器模塊進行下一周期的比較，從而逐漸減小相位誤差和頻率誤差，并最終實現鎖相環的鎖定； 在變頻域全數字鎖相環中，可變模可逆計數器模塊的模數值m和可控分頻器可變模的頻率控制字N是通過變頻域全數字鎖相環中的相位自動測控模塊和頻率自動測控模塊動態調節的，通過調節可變模可逆計數器模塊中的模數值m，在鎖相環的捕捉階段，能使增減脈沖控制信號的頻率升高，進而加快相位的調整，提高鎖相環的鎖相速度；而當鎖相環鎖定時，能減小增減脈沖控制信號的頻率，進而能減小相位抖動，增強鎖相環的穩定性； 改變可控分頻器模塊的頻率控制字N，使得鎖相環中心頻率能夠調節，實現對不同頻率的輸入信號進行鎖定，拓寬鎖相范圍。
【文檔編號】H03L7/085GK105959001SQ201610238432
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】單長虹, 李鳳華, 陳忠澤, 趙宇紅, 王麗君, 劉丹丹
【申請人】南華大學