全數(shù)字鎖相環(huán)畢業(yè)設(shè)計(jì)之開(kāi)題報(bào)告(共6頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上青 島 大 學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告題 目： 全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 院 系： 自動(dòng)化工程學(xué)院電子工程系 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 2007級(jí)2班 姓 名： 張景楠 指導(dǎo)教師： 董介春 2011年3月14日1 數(shù)字鎖相環(huán)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)鎖相環(huán)路（PLL）是一個(gè)輸出信號(hào)能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它在無(wú)線電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。早在30年代無(wú)線電技術(shù)發(fā)展的初期，鎖相環(huán)技術(shù)就已出現(xiàn)，1930年已建立了同步控制理論的基礎(chǔ)，1932年貝爾賽什（Bellescize）提出了同步檢波理論，第一次公開(kāi)發(fā)表了鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)描述，用鎖相環(huán)路提取相

2、干載波來(lái)完成同步檢波。早期的鎖相環(huán)路采用電子管，且價(jià)格昂貴，只能用在實(shí)驗(yàn)裝置中，未得到廣泛應(yīng)用。到了40年代，在電視接收機(jī)的同步掃描電路中，開(kāi)始廣泛的應(yīng)用鎖相技術(shù)，使電視圖像的同步性能得到很大改善。進(jìn)入50年代，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，由杰費(fèi)（Jaffe）和里希廷（Rechtin）利用鎖相環(huán)路作為導(dǎo)彈信標(biāo)的跟蹤濾波器獲得成功，并首次發(fā)表了包含噪聲效應(yīng)的鎖相環(huán)路理論分析的文章，同時(shí)解決了鎖相環(huán)路最佳化設(shè)計(jì)問(wèn)題。一種最簡(jiǎn)單的遙測(cè)方式就是信標(biāo)跟蹤，在衛(wèi)星上裝一臺(tái)低功率的連續(xù)波發(fā)射機(jī)，地面上就可以接收到信號(hào)的頻率，由于衛(wèi)星的徑向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生多普勒頻移，測(cè)出多普勒頻移大小，就可以算出衛(wèi)星的徑向運(yùn)動(dòng)速度，從而測(cè)

3、定它的運(yùn)行軌道。但是，由于衛(wèi)星上發(fā)射機(jī)功率?。ê镣呒?jí)），而接收機(jī)相距幾千乃至幾萬(wàn)公里以上，因而接收到的信號(hào)異常微弱，加之存在多普勒頻移及振蕩器的頻率漂移，接收機(jī)的帶寬必須足夠的寬才行。噪聲強(qiáng)度與帶寬成正比的，這樣在接收點(diǎn)的信號(hào)噪聲功率比必然很低，通常在-10-30dB的數(shù)量級(jí)，即所需信號(hào)被深深地埋在噪聲之中，在此情況下，普通接收機(jī)是無(wú)能為力的，而只有采用具有鎖相環(huán)路的窄帶鎖相跟蹤接收機(jī)才能把埋在噪聲中的信號(hào)提取出來(lái)。所以空間技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)人們對(duì)鎖相環(huán)路理論及其應(yīng)用的進(jìn)一步探討。在60年代，維特畢（Viterbl）研究了無(wú)噪聲鎖相環(huán)路的非線性理論問(wèn)題，并發(fā)表了“相干通信原理”一書(shū)。到70年代林

4、特賽（Lindscy）和查利斯（Charles）進(jìn)行了由噪聲的一階、二階及高階鎖相環(huán)路的非線性理論分析，并做了大量實(shí)驗(yàn)以充實(shí)理論分析。隨著對(duì)鎖相技術(shù)的理論和應(yīng)用進(jìn)行廣泛深入地研究，目前，鎖相技術(shù)已經(jīng)成為一門(mén)比較系統(tǒng)的理論科學(xué)。由于鎖相環(huán)路具有許多優(yōu)良特性，它可用于頻率合成與變換、自動(dòng)頻率調(diào)諧跟蹤、模擬和數(shù)字信號(hào)的相干解調(diào)、AM波信號(hào)的同步檢波、數(shù)字通信中的位同步提取、鎖相穩(wěn)頻、鎖相倍頻和分頻、鎖相測(cè)速與測(cè)距、鎖相FM（PM）調(diào)制與解調(diào)、微波鎖相頻率源以及微波鎖相功率放大器等。所以，鎖相技術(shù)的應(yīng)用已遍及無(wú)線電領(lǐng)域，從空間探測(cè)、衛(wèi)星與導(dǎo)彈的跟蹤測(cè)距、雷達(dá)、導(dǎo)航、通信、計(jì)算機(jī)、激光到電子儀器。近幾年

5、來(lái)，冶金、水文地質(zhì)、電力、機(jī)械加工、生產(chǎn)自動(dòng)化等方面都有廣泛應(yīng)用。甚至今天鎖相環(huán)路已出現(xiàn)在每個(gè)家庭的電視機(jī)接收機(jī)和立體聲收錄機(jī)中。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，從60年代后期起，已相繼試制成功集成化的鎖相環(huán)路部件及單片集成鎖相環(huán)路。今天集成鎖相環(huán)路的商品種類(lèi)日益繁多，這將使鎖相技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。我國(guó)早在50年代就有許多科學(xué)工作者開(kāi)展了對(duì)鎖相技術(shù)的研究和應(yīng)用工作。特別是中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的定點(diǎn)發(fā)射、衛(wèi)星的發(fā)射和回收、同步衛(wèi)星的發(fā)射和定點(diǎn)等技術(shù)的發(fā)展，都離不開(kāi)鎖相技術(shù)，我國(guó)在1970年4月24日成功地發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，地面站對(duì)人造衛(wèi)星發(fā)回信號(hào)的接收以及遙測(cè)控制都證明鎖相技術(shù)的研究和應(yīng)用達(dá)到了較

6、先進(jìn)的水平。我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星把“東方紅”樂(lè)曲傳遍了全球，這極大地鼓舞了我國(guó)科學(xué)工作者攀登世界高峰的斗志。1984年4月8日，我國(guó)成功地發(fā)射了試驗(yàn)通信衛(wèi)星，進(jìn)入同步軌道正常運(yùn)行。1986年2月1日又成功地發(fā)射了一顆實(shí)用通信廣播衛(wèi)星，準(zhǔn)確定點(diǎn)于東經(jīng)103度赤道上空。經(jīng)定點(diǎn)試播，圖像和聲音質(zhì)量都達(dá)到或超過(guò)國(guó)際5號(hào)衛(wèi)星的水平。近年來(lái)，除繼續(xù)發(fā)射本國(guó)各類(lèi)衛(wèi)星外，我國(guó)還承接外國(guó)衛(wèi)星的發(fā)送業(yè)務(wù)，亞洲衛(wèi)星通信有限公司的“亞洲衛(wèi)星一號(hào)”是1990年4月在中國(guó)發(fā)射的。這些都充分說(shuō)明，我國(guó)科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員，對(duì)鎖相技術(shù)的研究和應(yīng)用達(dá)到了較先進(jìn)的水平。近年來(lái)，鎖相環(huán)路組件逐步由分立元件向中、大規(guī)模集成電路發(fā)展

7、。目前北京、上海、甘肅等許多地方的單位都能成批生產(chǎn)中、大規(guī)模集成鎖相環(huán)路和部件，如鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、二十進(jìn)制可預(yù)置可逆計(jì)數(shù)器以及集成鎖相環(huán)等，對(duì)鎖相技術(shù)的理論和應(yīng)用的研究也日益深入、廣泛，相應(yīng)的論文、書(shū)籍的發(fā)展和出版也逐漸多起來(lái)，以適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的需要。目前，鎖相環(huán)路的理論研究正日益完善，應(yīng)用范圍遍及整個(gè)電子技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)在鎖相環(huán)路正向著集成化、數(shù)字化、多用途、系列化、高性能方向發(fā)展，且商品化集成鎖相環(huán)路日益增多，為鎖相技術(shù)應(yīng)用提供了廣闊的前景。對(duì)于鎖相環(huán)路主要應(yīng)用于信號(hào)的同步，這里有一個(gè)小故事：用斧子砍狐貍?cè)魏螘r(shí)候都是一件困難的事情，特別是在獵手與狐貍之間

8、有一個(gè)180度的相差時(shí)。獵手試圖砍到狐貍，但是它不能夠“同步”。很明顯，雖然獵手與狐貍以相同的頻率行動(dòng)，但獵手不能達(dá)到相位捕捉。于是，故事悲劇性的發(fā)生了：斧子沒(méi)擊中狐貍，而擊中拴著它的繩子，狐貍帶著偷到的小雞逃跑了。簡(jiǎn)單說(shuō)鎖相環(huán)路就是用于正確捕捉信號(hào)避免信號(hào)丟失的一項(xiàng)技術(shù)。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，信號(hào)同步成為通信中的關(guān)鍵技術(shù)。同步技術(shù)使得由發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)經(jīng)傳輸媒介正確的由接收端接收得到了保證。同步的技術(shù)基礎(chǔ)是鎖相，因而鎖相技術(shù)是通信中最重要的技術(shù)之一。鎖相就是利用輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位誤差來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的相位，使之達(dá)到與輸入信號(hào)的相位一致，或保持一個(gè)很小的相位差，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。

9、鎖相技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是在數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)、位同步、頻率合成中常常要用到各種各樣的鎖相環(huán)。最初的鎖相環(huán)全部由模擬電路組成，由于模擬鎖相環(huán)存在溫度漂移、電網(wǎng)電壓的影響等缺點(diǎn)，給系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)帶來(lái)了困難。隨著大規(guī)模、超大規(guī)模數(shù)字集成技術(shù)的發(fā)展，模擬鎖相環(huán)逐漸被數(shù)字鎖相環(huán)所取代。由于模擬鎖相環(huán)存在不少問(wèn)題，為了改善數(shù)字通信系統(tǒng)的同步性能，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，因此發(fā)展數(shù)字鎖相環(huán)路也是集成鎖相環(huán)路發(fā)展的重要方面。鎖相環(huán)路的數(shù)字集成，不僅可靠性提高、降低成本，而且擴(kuò)大了鎖相環(huán)路的應(yīng)用范圍。隨著通信及其它電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性、小型性等要求越來(lái)越高。大規(guī)模集

10、成電路及數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)上述要求提供了條件。VHDL語(yǔ)言（VHSIC Hardware Description Language，VHSIC即為Very High Speed Integrated Circuit的縮寫(xiě)詞）是一種行為描述語(yǔ)言，其編程結(jié)構(gòu)類(lèi)似于計(jì)算機(jī)中的C語(yǔ)言，在描述復(fù)雜邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，非常簡(jiǎn)潔，具有很強(qiáng)的邏輯描述和仿真能力，是未來(lái)硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言的主流。運(yùn)用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)系統(tǒng)一般采用自上而下分層設(shè)計(jì)的方法，首先從系統(tǒng)級(jí)功能設(shè)計(jì)開(kāi)始，對(duì)系統(tǒng)高層模塊進(jìn)行行為描述和功能驗(yàn)證。這樣，在電路細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)之前，先對(duì)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，可對(duì)存在的問(wèn)題早發(fā)現(xiàn)早修改，提高設(shè)計(jì)效率。完成系統(tǒng)

11、的功能驗(yàn)證后，就可以將抽象的高層設(shè)計(jì)，自頂而下逐級(jí)細(xì)化，直到所用PLD（可編程邏輯器件）結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的邏輯描述。在細(xì)化的過(guò)程中，對(duì)電路結(jié)構(gòu)清楚的模塊可采用結(jié)構(gòu)描述；對(duì)采用什么電路結(jié)構(gòu)不確定的模塊可采用行為描述?，F(xiàn)在的EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）工具一般都具有邏輯綜合的功能，可將行為描述自動(dòng)轉(zhuǎn)換為與PLD器件結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的邏輯描述，這給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了極大地方便，并大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。支持行為描述與結(jié)構(gòu)描述的混合使用，是VHDL的一個(gè)重要特征，具有很大的優(yōu)越性。因?yàn)閂HDL語(yǔ)言的功能強(qiáng)大，優(yōu)點(diǎn)突出，因此VHDL語(yǔ)言自從被定為IEEE標(biāo)準(zhǔn)后，在各EDA系統(tǒng)中迅速出現(xiàn)，成為十分流行的硬件描述工具。2 主要

12、設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)從模擬鎖相環(huán)研究出發(fā)，掌握鎖相環(huán)的基本工作原理，了解環(huán)路失鎖、捕獲、跟蹤過(guò)程及環(huán)路鎖定條件等。在分析模擬鎖相環(huán)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，掌握數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理，并用VHDL語(yǔ)言對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出數(shù)字鎖相環(huán)電路各個(gè)主要模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程及仿真結(jié)果，得到該系統(tǒng)的頂層電路。3 擬采取的設(shè)計(jì)方案V2(f2)V1 (f1)Vd NfcMfc圖1 數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖數(shù)字鑒相器數(shù)字濾波器數(shù)控振蕩器數(shù)字鎖相環(huán)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由數(shù)字鑒相器、數(shù)字濾波器和數(shù)控振蕩器組成。如果把數(shù)字濾波器看成一個(gè)分頻器，其分頻比為，其輸出頻率為： （式1）其中，為輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的相位差；為環(huán)路的中心頻率。則數(shù)控振

13、蕩器的輸出頻率為： （式2）由于鎖定的極限范圍為，所以得到環(huán)路的捕捉帶： （式3）當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)相位誤差： （式4）可見(jiàn)，只要合理選擇值，就能使輸出信號(hào)的相位較好地跟蹤輸入的相位，以達(dá)到鎖定的目的。如果值選的太大，環(huán)路捕捉帶就會(huì)變小，導(dǎo)致捕捉時(shí)間增大；如果值太小，可能會(huì)出現(xiàn)頻繁進(jìn)位、借位脈沖，從而使相位出現(xiàn)抖動(dòng)。4 主要研究手段、方法數(shù)字鎖相環(huán)的研究手段，大體可以分為軟件仿真和硬件實(shí)現(xiàn)兩種。軟件仿真即是在通用的微型計(jì)算機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)，如利用Quartus II進(jìn)行工程建立、程序編寫(xiě)、原理圖輸入、波形仿真等步驟最終實(shí)現(xiàn)。而硬件實(shí)現(xiàn)則是在軟件仿真成功的基礎(chǔ)上，將正確的VHDL程序經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換下

14、載到FPGA等可編程邏輯器件中，然后對(duì)其應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行測(cè)試。5 預(yù)期獲得的結(jié)果最終期望結(jié)果是輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)此系統(tǒng)后的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)頻率完全相同，相位差保持恒定。最終實(shí)現(xiàn)的功能是在通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步，即通信系統(tǒng)中發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸媒介在接收端得到正確的接收。6 課題進(jìn)度計(jì)劃調(diào)研、設(shè)計(jì)方案論證、題目發(fā)展動(dòng)態(tài)綜述，寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告 2周模擬鎖相環(huán)的工作原理 1周環(huán)路失鎖、捕獲、跟蹤過(guò)程及環(huán)路鎖定條件的研究 1周數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理 1周FPGA芯片結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)流程 1周硬件描述語(yǔ)言的編程規(guī)則及調(diào)試下載方法 1周鑒相器的工作原理以及用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真 1周數(shù)字濾波器的工作原理以及用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真 1周脈沖加/減電路的工作原理以及用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真 1周分頻器的工作原理以及用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真 1周全數(shù)字鎖相環(huán)總體方案設(shè)計(jì)、仿真、下載及調(diào)試 2周撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)