基于FPGA的提取位同步時(shí)鐘DPLL設(shè)計(jì)

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，同步技術(shù)是非常重要的，而位同步是最基本的同步。位同步時(shí)鐘信號(hào)不僅用于監(jiān)測(cè)輸入碼元信號(hào)，確保收發(fā)同步，而且在獲取幀同步及對(duì)接收的數(shù)字碼元進(jìn)行各種處理的過(guò)程中也為系統(tǒng)提供了一個(gè)基準(zhǔn)的同步時(shí)鐘。位同步的目的是使每個(gè)碼元得到最佳的解調(diào)和判決。位同步可以分為外同步法和自同步法兩大類(lèi)。一般而言，自同步法應(yīng)用較多。外同步法需要另外專(zhuān)門(mén)傳輸位同步信息。自同步法則是從信號(hào)碼元中提取其包含的位同步信息。自同步法又可以分為兩種，即開(kāi)環(huán)同步法和閉環(huán)同步法。開(kāi)環(huán)法采用對(duì)輸入碼元做某種變換的方法提取位同步信息。閉環(huán)法則用比較本地時(shí)鐘和輸入信號(hào)的方法，將本地時(shí)鐘鎖定在輸入信號(hào)上。閉環(huán)法更為準(zhǔn)確，但是也更為復(fù)雜。本文采用了自同步法，在FPGA構(gòu)造片內(nèi)對(duì)超前一滯后全數(shù)字鎖相環(huán)提取曼徹斯特碼中包含的位同步時(shí)鐘。1提取位同步時(shí)鐘全數(shù)字鎖相環(huán)總體結(jié)構(gòu)與工作原理這種超前一滯后全數(shù)字鎖相環(huán)采用加減門(mén)結(jié)構(gòu)，每輸入一個(gè)碼元后，根據(jù)鑒相器判斷是超前還是滯后，通過(guò)反饋回路控制的加減門(mén)來(lái)調(diào)整相位，使之逼近輸入碼元的相位。一旦失步，就需要通過(guò)反饋回路重新調(diào)整。每一個(gè)超前和滯后脈沖僅能調(diào)整一步，如果接收碼元出現(xiàn)連“1”或是連“O”的情況，鎖定時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，使其同步建立時(shí)間和調(diào)整精度變得相互制約。盡管有此缺點(diǎn)，但由于這種結(jié)構(gòu)具有失鎖后的自我調(diào)節(jié)性，因此，碼元消失或是碼元相位出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)，同步脈沖不會(huì)出現(xiàn)較大變化，仍然可以輸出穩(wěn)定的同步脈沖。由于采用曼徹斯特碼進(jìn)行傳輸，該設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于地鐵車(chē)輛總線上，傳輸速率為250 Kb／s，速率較低，且每個(gè)碼元內(nèi)都有一次電平跳變，不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的“O”或“1”，因此采用閉環(huán)的超前一滯后全數(shù)字鎖相環(huán)非常適合提取比特流中的位時(shí)鐘。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)字鑒相器(DPD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)、數(shù)控振蕩器(DCO)三部分構(gòu)成。DPLL是一種相位反饋控制系統(tǒng)，它將輸入信號(hào)Data_in與本地恢復(fù)時(shí)鐘Clk_DPD之間的相位誤差(超前還是滯后)信號(hào)送入數(shù)字環(huán)路濾波器DLF中，對(duì)相位誤差信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，并生成控制DCO動(dòng)作的控制信號(hào)，DCO根據(jù)控制信號(hào)給出的指令，調(diào)節(jié)內(nèi)部高速振蕩器的震蕩頻率，通過(guò)連續(xù)不斷的反饋調(diào)節(jié)，使其輸出時(shí)鐘Clk_DPD的相位跟蹤輸入數(shù)據(jù)Data_in的相位。

2 環(huán)路功能及其實(shí)現(xiàn)方法
下面沿環(huán)路依次介紹DPLL環(huán)路各個(gè)組成模塊的詳細(xì)功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、對(duì)外接口信號(hào)及實(shí)現(xiàn)方法。
2．1 鑒相器結(jié)構(gòu)及其工作原理
超前一滯后型數(shù)字鑒相器輸出一個(gè)表示本地估算信號(hào)超前或滯后于輸入信號(hào)的量。如果本地估算信號(hào)超前于輸入信號(hào)，則輸出“超前脈沖”，以便利用該“超前脈沖”控制本地估算信號(hào)的相位推后。反之，則輸出“滯后脈沖”，并使本地估算信號(hào)的相位前移，這樣隱含在曼徹斯特碼中的位時(shí)鐘就被鑒相器比較了出來(lái)。超前一滯后型數(shù)字鑒相器可分為積分型和微分型兩種。積分型超前一滯后數(shù)字鑒相器，結(jié)構(gòu)和硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，但具有優(yōu)良的抗干擾性能。而微分型數(shù)字鑒相器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔，硬件實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單，但是它的抗干擾能力比較差。這里采用微分型超前一滯后型數(shù)字鑒相器，將抗干擾的任務(wù)留給后面的數(shù)字濾波器環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。DPD的工作狀態(tài)如圖2所示。

當(dāng)Sign為1時(shí)，表示本地時(shí)鐘超前于輸入信號(hào)；當(dāng)Sign為O時(shí)，表示本地時(shí)鐘落后于輸入信號(hào)。
當(dāng)Sign_ready=1時(shí)，表示輸入信號(hào)有跳變，Sign有效；當(dāng)Sign_readyr=0時(shí)，表示輸入信號(hào)無(wú)跳變，Sign無(wú)效。
微分型超前一滯后數(shù)字鑒相器的原理圖如圖3所示。

2．2 數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)及其買(mǎi)現(xiàn)方法
在數(shù)字鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器通常使用數(shù)字濾波器，它們與模擬鎖相環(huán)路中的模擬環(huán)路濾波器相對(duì)應(yīng)。數(shù)字環(huán)路濾波器在環(huán)路中對(duì)輸入噪聲起抑制作用，并且對(duì)環(huán)路的校正速度起調(diào)節(jié)作用。