一種自動(dòng)變模控制的寬頻帶全數(shù)字鎖相環(huán)

1 改進(jìn)后的自動(dòng)變?？刂频娜珨?shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)和工作原理
如圖1所示為改進(jìn)后的自動(dòng)變?？刂频娜珨?shù)字鎖相環(huán)的系統(tǒng)方框圖。圖中的鑒相器采用邊沿觸發(fā)鑒相器，相對于異或門鑒相器具有更大的鑒相范圍，邊沿觸發(fā)型鑒相器的線性鑒相范圍為±π。該設(shè)計(jì)中的數(shù)字環(huán)路濾波器為可變模的K可逆計(jì)數(shù)器，鑒相器的輸出ue作為K可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向控制信號，K計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值增加到K時(shí)，就輸出“加”指令；反之，K計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值減到0時(shí)，就輸出“減”指令。在系統(tǒng)工作過程中，自動(dòng)變?？刂破魍ㄟ^檢測電路對輸入信號ui和輸出信號uo的相位差進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后經(jīng)過比較電路和模數(shù)控制電路選擇合適的模值mo，不斷地更新K計(jì)數(shù)器的K值。脈沖加減電路作為數(shù)控振蕩器的一部分，是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的模塊。脈沖加減電路的功能是在接收到“加”、“扣”指令時(shí)，能夠準(zhǔn)確地在本地高速時(shí)鐘clk中插入和扣除一個(gè)脈沖，把調(diào)整后的脈沖序列作為除N計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘源，對輸出信號uo的相位進(jìn)行調(diào)整。該設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)就是除N計(jì)數(shù)器模塊的N值可以根據(jù)輸入信號的變化不斷更新，使輸出信號uo快速跟蹤輸入信號ui的頻率，同時(shí)達(dá)到對系統(tǒng)中心頻率的不斷更新，實(shí)現(xiàn)寬頻帶快速鎖相的目的。N值的檢測是由鑒頻和鎖存模塊實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)輸入信號ui為上升沿時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到ui變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。同時(shí)在ui為低電平時(shí)把計(jì)數(shù)結(jié)果送入鎖存器中作為除N計(jì)數(shù)器的分頻值。上述即為改進(jìn)后的自動(dòng)變模控制的全數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理。

從以上的分析可知，該設(shè)計(jì)的全數(shù)字鎖相環(huán)具有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：第一，由于采用自動(dòng)變模控制的數(shù)字環(huán)路濾波器，很好地解決了環(huán)路的捕捉時(shí)間和抗噪聲性能之間的矛盾。模值K的大小對整個(gè)系統(tǒng)的性能具有很大影響，K值越大，系統(tǒng)響應(yīng)越慢，捕捉時(shí)間越長；相反，K值越小，系統(tǒng)響應(yīng)越快，捕捉時(shí)間越短。但是在系統(tǒng)由捕捉進(jìn)入同步過程后，如果K值太小，會因可逆計(jì)數(shù)器的頻繁循環(huán)計(jì)數(shù)而產(chǎn)生持續(xù)的進(jìn)位或借位脈沖，導(dǎo)致輸出信號相位抖動(dòng)，增加了同步誤差。采用自動(dòng)變?？刂坪?，系統(tǒng)可以根據(jù)輸入／輸出信號相位誤差的大小，對模值K進(jìn)行選擇更新。在環(huán)路捕捉過程中，選擇較小的模值，可增加環(huán)路帶寬，加快鎖定速度；在同步過程中，選擇較大的模值，可縮小環(huán)路帶寬，有利于抑制相位抖動(dòng)，減小同步誤差，從而可以實(shí)現(xiàn)快速高精度的鎖相。第二，在傳統(tǒng)全數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了獨(dú)特的鑒頻鎖存模塊，不僅可以捕捉和鎖定未知的輸入信號，還可以使系統(tǒng)具有較寬的頻帶寬度，實(shí)現(xiàn)對頻率發(fā)生變化的輸入信號的快速鎖定。該設(shè)計(jì)的頻帶拓寬原理可以描述為：在鑒頻鎖存模塊，輸入信號頻率的計(jì)算是以外部高速時(shí)鐘作為時(shí)鐘源的，外部時(shí)鐘頻率越高得到的N值越精確。能夠精確計(jì)算出的頻率值就相當(dāng)于不同系統(tǒng)中心頻率，而在每個(gè)中心頻率附近鎖相環(huán)系統(tǒng)都有一個(gè)捕捉帶。因此，選擇合適的外部高速時(shí)鐘，不同的中心頻率所得到的不同捕捉帶，就可以構(gòu)成整個(gè)環(huán)路的捕捉帶。所以，該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)相比具有較寬的頻帶。如圖2所示為頻帶拓寬原理示意圖。