基于FPGA的自適應鎖相環(huán)設計

摘要：利用鎖相環(huán)進行載波跟蹤是獲取本地載波的一種重要方法，針對鎖相環(huán)的噪聲性能和跟蹤速度不能同時達到最優(yōu)的限制，在鎖相環(huán)PLL中引入自適應模塊，根據環(huán)路所處的環(huán)境自適應對PLL環(huán)路參數做出調整。設計中利用仿真軟件MATLAB對自適應鎖相環(huán)進行仿真，并在FPGA硬件板上利用 VHDL編程實現。在栽波信號為10 MHz、采樣率為80 MHz的條件下，設計的自適應鎖相環(huán)在噪聲水平較小時跟蹤速度提高了0．5μs左右，在噪聲水平較高時相位抖動降低了0．01 rad左右。
關鍵詞：相干解調；PLL；FPGA；EP3C10F256C8

對于相位調制信號，相干解調為平均誤碼率最小的信號接收方式。相干解調需要在本地產生與接收載波信號同頻同相的載波副本，鎖相環(huán)是相干解調系統(tǒng)中獲取本地載波副本時常用的方法。對于鎖相環(huán)，噪聲水平和跟蹤速度是兩個非常重要的性能參數，二者均取決于環(huán)路帶寬但是不能同時達到最優(yōu)。傳統(tǒng)鎖相環(huán)往往根據估算預先確定一個帶寬值，因而當噪聲環(huán)境發(fā)生變化時，該值可能不是最優(yōu)值，甚至不適
合當前環(huán)境。在傳統(tǒng)鎖相環(huán)的基礎上引入了自適應調整模塊，根據當前環(huán)境自適應調整帶寬值，確保無論鎖相環(huán)處于固定或變化的噪聲環(huán)境中均能工作在比較合適的帶寬下，獲取較好的跟蹤效果。

1 同相正交環(huán)結構
平方環(huán)和同相正交環(huán)都是解調系統(tǒng)中常用的跟蹤環(huán)路，平方環(huán)的工作頻率較高，對器件的性能要求較高，且平方環(huán)可能存在“理想平方器”的問題。如果同相正交環(huán)中的環(huán)路濾波器與平方環(huán)中的環(huán)路濾波器相同，則二者是等效的，同相正交環(huán)的環(huán)路中信號頻率較低，對器件的性能要求較低，因此設計中選用同相正交環(huán)。同相正交環(huán)主要由誤差提取模塊、數控振蕩器(NCO)和環(huán)路濾波器組成，如圖l所示。圖中虛線框為誤差提取模塊，用來鑒別本地振蕩信號與接收信號的載波分量之間的相位差。環(huán)路根據提取出的相位差信號，不斷調整本地NCO，最終使本地NCO和輸入信號的載波分量同頻同相，并在此基礎上對接收信號進行有效地相干解調。



2 NCO實現及性能分析
NCO常用在直接數字合成器(DDS)中作為其數字實現部分。由此方法設計的DDS具有轉換時間短、分辨率高、低相噪和輸出相位連續(xù)等特點。在鎖相環(huán)中，NCO用于產生本地振蕩信號，由NCO同時產生本地的正弦及余弦信號。該模塊由頻率控制加法器、頻率控制累加寄存器和波形存儲器組成。輸入的頻率控制字在時鐘信號的驅動下進行累加，利用累加結果作為地址在波形存儲器中讀取預先存儲的正弦波數據。模擬鎖相環(huán)中，由模擬壓控振蕩器產生的本地正弦信號和余弦信號往往不能嚴格正交，利用數字方法實現的NCO時可以較好地解決這一問題，只需正確設置正弦信號和余弦信號對應的初始地址即可。頻率控制字f_con與輸出f_out的關系為，其中fs表示采樣頻率，系統(tǒng)中為80MHz，2N為波形存儲器的容量，N對應著該存儲器的輸入地址線的位數。
對于NCO，其性能主要體現在最小相位誤差和最小頻率分辨率上。波形存儲器中通常存儲一個周期的正弦波，因而最小相位誤差為：。通過該式可以看出，N值取得越大，最小相位誤差越小。然而N越大，對應的存儲器容量越大，必然占用更多的邏輯資源，因而不能無限制地增加N值。設計中N取12，對應最小相位誤差為0．0015 rad。NCO的最小頻率分辨率為，其大小取決于頻率控制字的位數，為了有效增加頻率分辨率，取NCO的頻率控制字位數M稍大于N，設計中取M為16。