chapter7 一階數(shù)字鎖相環(huán) 電子科技大學(xué)(經(jīng)典)

1、第七章第七章 一階一階DPLL分析分析 全數(shù)字環(huán)的基本組成： 數(shù)字鑒相器 數(shù)字環(huán)路濾波器 數(shù)控振蕩器DCO/NCO 與模擬環(huán)不同，對全數(shù)字鎖相環(huán)，對環(huán)路性能影響最大的是數(shù)字鑒相器的性能，因此多以鑒相器的實(shí)現(xiàn)方式來對數(shù)字鎖相環(huán)進(jìn)行分類一一 全數(shù)字環(huán)的一般構(gòu)成與分類常用的DPLL的分類： 觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)(FFDPLL) 奈奎斯特型數(shù)字鎖相環(huán)(NRDPLL) 過零檢測式數(shù)字鎖相環(huán)(ZCDPLL) 超前滯后型數(shù)字鎖相環(huán)(LLDPLL)其中：第 、 、類屬于非均勻采樣的形式 第類屬于均勻采樣的形式 數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)際上是根據(jù)輸入與輸出的相位差關(guān)系，對輸出相位進(jìn)行量化調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)跟蹤的閉環(huán)控制系統(tǒng)二二 數(shù)

2、字鑒相器1. 異或門型數(shù)字鑒相器常見的兩種由4個(gè)與非門組成的異或門電路如下圖所示u1(t)u2(t)ud(t)u1(t)u2(t)ud(t)當(dāng)0e 時(shí)，輸入輸出波形如下所示u1(t)u2(t)ud(t)T0T0/2e此時(shí)鑒相器輸出的平均電壓為）（eedddUdUue010當(dāng) e2 時(shí)，輸入輸出波形如下所示u1(t)u2(t)ud(t)T0T0/2e此時(shí)鑒相器輸出的平均電壓為）（2)2(120eedddUdUue綜上，有鑒相特性2-2udUd0e可見，異或門鑒相電路具有三角形鑒相特性，其鑒相特性的斜率為 Kd = Ud / 2. 觸發(fā)器型數(shù)字鑒相器 通常采用RS觸發(fā)器，輸入信號的上升沿使觸發(fā)器輸

3、出為高電平，反饋信號的上升沿使觸發(fā)器輸出為低電平，于是輸出高電平的持續(xù)時(shí)間反映了相位差信息。此方法的最簡單的實(shí)現(xiàn)形式如下R RS SQ Q輸入信號本地參考信號正向過零檢測正向過零檢測觸發(fā)器型鑒相器， 在0e時(shí)，典型的輸入輸出波形如下：輸入信號反饋信號RS觸發(fā)器輸出tttT0e對應(yīng)的鑒相特性如教材P181圖7-2所示3. 奈奎斯特速率型數(shù)字鑒相器又稱為取樣鑒相器，其名稱來源于奈奎斯特定理 取樣脈沖的速率根據(jù)前置的帶通濾波器而定，要求滿足奈奎斯特定理以保留信號的完整頻譜奈奎斯特速率型數(shù)字鑒相器的特點(diǎn)： 輸入信號和本地參考信號使用相同頻率進(jìn)行取樣處理，處理過程中取樣速率不變 數(shù)字乘法器進(jìn)行按時(shí)間點(diǎn)相

4、乘的數(shù)字運(yùn)算 正向過零點(diǎn)取樣： 以本地參考信號的正向過零點(diǎn)對輸入信號進(jìn)行取樣，根據(jù)取樣值的大小改變本地參考信號的相位 過零點(diǎn)取樣： 在本地參考信號的正向和反向過零點(diǎn)都對輸入信號進(jìn)行取樣處理的方法換向選擇器的處理規(guī)則為： 正向過零點(diǎn)的取樣輸出不變 反向過零點(diǎn)的取樣輸出極性翻轉(zhuǎn)4. 過零取樣數(shù)字鑒相器 采用二元鑒相器，對應(yīng)相差的大小輸出超前指示信號或滯后指示信號，以控制本地參考信號的相位的變化一般情況下有： e0，本地參考信號落后，發(fā)超前脈沖 e0，本地參考信號超前，發(fā)滯后脈沖典型的二元鑒相器用同相與中相積分來實(shí)現(xiàn)： 同相積分器的積分區(qū)間與每個(gè)輸入碼元區(qū)間重合 中相積分器的積分區(qū)間跨在兩個(gè)碼元區(qū)間

5、之間5. 超前滯后型數(shù)字鑒相器中相積分積分結(jié)果為正，指示取樣脈沖超前積分結(jié)果為負(fù)，但取樣脈沖超前101A-At0T010A-At0T101A-A101A-A同相積分相鄰碼元的積分結(jié)果為正負(fù)，指示當(dāng)前碼元正負(fù)相鄰碼元的積分結(jié)果為負(fù)正，指示當(dāng)前碼元負(fù)正 中相積分的大小可反映相差的大小 中相積分的結(jié)果不能確定相位的超前或滯后關(guān)系 同相積分的結(jié)果可以判斷相鄰碼元的變化趨勢 同相支路(狀態(tài)檢測) 1 1 0 中相支路(相差檢測) 1超前滯后 1滯后超前 0同步同步X綜上可推出邏輯運(yùn)算單元的真值表由以上的分析知： 對二元鑒相器，其輸出為二值脈沖，在噪聲的干擾下，比較容易出現(xiàn)誤動作，因此需要采用序列濾波器，

6、通過對鑒相器輸出的超前或滯后脈沖進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，來平滑其中的起伏，以減少誤動作，提高同步系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性 常用的序列濾波器有兩種： (1) “N先于M”序列濾波器 (2) “隨機(jī)徘徊”序列濾波器 (1) “N先于M”序列濾波器+超前脈沖滯后脈沖提前脈沖推后脈沖復(fù)位N寄存器N寄存器M寄存器工作原理 鑒相器輸出的超前或滯后脈沖分別送入兩個(gè)N計(jì)數(shù)存儲器中進(jìn)行計(jì)數(shù)，它們的和脈沖送入M計(jì)數(shù)存儲器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值N和M滿足： N M 2N 當(dāng)：某一路的N計(jì)數(shù)器在M計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值滿的同時(shí)或之前計(jì)數(shù)值滿，則相應(yīng)地輸出一個(gè)“提前”或“退后”脈沖，并使得所有的計(jì)數(shù)器復(fù)位； M計(jì)數(shù)器在N計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值滿之前計(jì)數(shù)

7、值滿，則輸出一個(gè)復(fù)位信號，此時(shí)無“提前”或“退后”脈沖輸出 在環(huán)路中相位差很小或輸入信噪比很低時(shí)，環(huán)路中的超前或滯后脈沖主要是由噪聲所致，超前脈沖數(shù)與滯后脈沖數(shù)幾乎相同且分布比較均勻，因此，序列濾波器可提供較好的抗噪能力(2) “隨機(jī)徘徊”序列濾波器工作原理 與“N先于M”序列濾波器的思想一致，只是使用可逆計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，一般情況下超前脈沖使計(jì)數(shù)器上行計(jì)數(shù)，滯后脈沖使計(jì)數(shù)器下行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)+N時(shí)，輸出“提前”脈沖；當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)N時(shí)，輸出“退后”脈沖 可見，在環(huán)路的捕獲過程中，序列濾波器可能會影響系統(tǒng)的捕獲速度，但序列濾波器對同步以后的抗噪性能有很大的幫助 通常，由于序列濾波器的目的不是對誤差信

8、號做數(shù)字處理，僅僅用于對噪聲所可能引起的誤動作的控制，因此一般認(rèn)為它不是環(huán)路濾波器，并且它是無惰性的，不影響環(huán)路的階數(shù) 數(shù)字環(huán)路濾波器的作用與模擬環(huán)中的相同，都是對誤差信號中的噪聲及高頻分量進(jìn)行抑制，并因此影響系統(tǒng)的校正速度與校正精度 數(shù)字濾波器具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)： 抗干擾能力強(qiáng)，不怕電磁感應(yīng) 無阻抗匹配問題 可以工作在很低的頻率 可通過編程調(diào)節(jié)其參數(shù)，有較大的靈活性 可以提供很高的處理精度三三 數(shù)字環(huán)路濾波器 數(shù)字濾波器有以下的一些缺點(diǎn)： 處理精度取決于采樣量化的精度 工作頻率受限于A/D、D/A變換器的頻率 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，不適用于較簡單的系統(tǒng) 在非實(shí)時(shí)處理和模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，數(shù)字濾波器可用軟

9、件實(shí)現(xiàn)；在進(jìn)行實(shí)時(shí)處理時(shí)，一般采用數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)四四 數(shù)控振蕩器DCO基本組成包括：固定頻率源、計(jì)數(shù)器與比較器復(fù)位脈沖受控輸出控制電壓E0+yk標(biāo)準(zhǔn)頻率源計(jì)數(shù)器比較器一種實(shí)現(xiàn)方案如下圖所示設(shè)標(biāo)準(zhǔn)頻率源的輸出頻率：fc = mfo對于第k個(gè)取樣周期Tk，有 Tk= To To/Nyk-1可見，受控時(shí)Tk以nTo/N相對于To作階躍式的改變與最小周期變化量相對應(yīng)的最小相位變化量 = 2 / N 稱N為2周期內(nèi)的狀態(tài)數(shù) To/N = Tc N = To / Tc = fc / fo由此可知： 環(huán)路的工作頻率越高，標(biāo)準(zhǔn)頻率源所需要的頻率越高，因此數(shù)字環(huán)在高頻時(shí)難實(shí)現(xiàn) 工作頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率的差別越大，控制精

10、度越高，穩(wěn)態(tài)相差越小另一種DCO的實(shí)現(xiàn)方案為 標(biāo)準(zhǔn)頻率源輸出頻率相同但相差為的兩路標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，0相位的頻率信號用于通常的計(jì)數(shù)和減脈沖，相位的頻率信號用于加脈沖+提前脈沖輸入推后脈沖輸入0標(biāo)準(zhǔn)頻率源常開常閉 m分頻器工作過程的圖形描述0510152025300510152025300相位頻率信號相位頻率信號4512376無控制輸出信號45123764512368插入提前脈沖相位提前輸出信號扣除推后脈沖相位推后輸出信號t tt tt tt tt tt tt tTOmTOmT0五五 一階DPLL的工作原理一種采用超前滯后型數(shù)字鑒相器的一階環(huán)如下：ABQQQQ1110常開常閉abccde二進(jìn)制鑒相器清零輸入加/減控制器A:超前觸發(fā)器B:滯后觸發(fā)器取樣脈沖形成標(biāo)準(zhǔn)頻率源m分頻 設(shè)輸入信號及輸出反饋信號都是對稱方波，則環(huán)路工作過程可用圖形描述為abccdeabccde e 0 e 0跟蹤原理： 設(shè)第k個(gè)取樣時(shí)刻的相位差e (k) = 1 (k) 2 (k) 0，則二元鑒相器輸出Vd(k)=1，控制加S個(gè)脈沖，從而輸出相位提前 =