第7章-數(shù)字鎖相環(huán)課件

第7章數(shù)字鎖相環(huán)第1節(jié)全數(shù)字環(huán)概述第2節(jié)位同步數(shù)字環(huán)實(shí)例第3節(jié)ZC1—DPLL的原理與性能第4節(jié)單片集成全數(shù)字鎖相環(huán)1第7章數(shù)字鎖相環(huán)第1節(jié)全數(shù)字環(huán)概述1

第1節(jié)全數(shù)字環(huán)概述

一、一般構(gòu)成與分類全數(shù)字環(huán)一般組成如圖7-1所示。

它由數(shù)字鑒相器、數(shù)字濾波器與數(shù)字壓控振蕩器(DCO)三個(gè)數(shù)字電路部件組成。其中數(shù)字鑒相器有多種樣式，樣式不同對(duì)環(huán)路性能有很大影響。2

第1節(jié)全數(shù)字環(huán)概述

一、圖7-1數(shù)字鎖相環(huán)一般組成3圖7-1數(shù)字鎖相環(huán)一般組成31.觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)(FF—DPLL)該環(huán)路利用一雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作數(shù)字鑒相器，其狀態(tài)分別受輸入信號(hào)與本地受控時(shí)鐘信號(hào)的正向過零點(diǎn)觸發(fā),產(chǎn)生的置位與復(fù)位脈沖狀態(tài)變化之間間隔就反映著兩信號(hào)之間相位誤差。2.奈奎斯特型數(shù)字鎖相環(huán)(NR—DPLL)在輸入信號(hào)進(jìn)入數(shù)字鑒相器之前，先以奈奎斯特速率(固定速率的時(shí)鐘脈沖)進(jìn)行抽樣，然后再與本地受控時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)字相乘，產(chǎn)生數(shù)字式相位誤差。

41.觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)(FF—DP3.過零檢測(cè)式數(shù)字鎖相環(huán)(ZC-DPLL)環(huán)路用本地受控時(shí)鐘脈沖對(duì)輸入信號(hào)的過零點(diǎn)抽樣，非零的實(shí)際抽樣值大小就反映著相位誤差，用該相位誤差來調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘信號(hào)的相位。4.超前滯后型數(shù)字鎖相環(huán)(LL-DPLL)這種鎖相環(huán)的鑒相器將逐周地比較輸入信號(hào)與本地時(shí)鐘信號(hào)的相位，根據(jù)相位的超前或滯后輸出相應(yīng)的超前或滯后脈沖，用變換成加脈沖或減脈沖,對(duì)應(yīng)地調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘相位。

53.過零檢測(cè)式數(shù)字鎖相環(huán)(ZC-D二、數(shù)字環(huán)部件電路與原理下面介紹上述4類數(shù)字環(huán)中比較典型的部件電路及其工作原理。1.數(shù)字鑒相器(1)觸發(fā)器型鑒相器。圖7-2是該型鑒相器的組成示意圖。當(dāng)檢測(cè)到輸入信號(hào)正向過零點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器置“1”，而本地參考信號(hào)的正向過零點(diǎn)使觸發(fā)器置“0”復(fù)位。

6二、數(shù)字環(huán)部件電路與原理6圖7-2觸發(fā)器型鑒相器7圖7-2觸發(fā)器型鑒相器7(2)奈奎斯特速率抽樣鑒相器。該型鑒相器組成如圖7-3所示。模數(shù)變換器(A/D)的抽樣率按帶通信號(hào)的取樣定理選擇，以使取樣后信號(hào)含有充分的輸入信號(hào)相位信息。圖7-3奈奎斯特速率抽樣鑒相器8(2)奈奎斯特速率抽樣鑒相器。該(3)過零取樣鑒相器。這種鑒相器有兩種形式，一種是正過零點(diǎn)取樣，如圖7-5所示。這種正過零點(diǎn)取樣鑒相器是所有數(shù)字鑒相器中最簡(jiǎn)單的,而且易于實(shí)現(xiàn)。另一種則在正負(fù)過零點(diǎn)都取樣，如圖7-6所示。圖7-4用于FM解調(diào)的NR-DPLL組成方案

9(3)過零取樣鑒相器。這種鑒相器有圖7-5正過零取樣鑒相器10圖7-5正過零取樣鑒相器10圖7-6雙向過零取樣鑒相器

11圖7-6雙向過零取樣鑒相器

11(4)超前滯后取樣鑒相器。圖7-7是用一個(gè)簡(jiǎn)單二元鑒相器表示的這種鑒相器。通過輸入信號(hào)與本地參考信號(hào)(或受控鐘脈沖信號(hào))之間比相,形成超前或滯后脈沖輸出。超前脈沖意味著本地參考信號(hào)相位落后,θe＞0,故超前脈沖作用將使本地參考信號(hào)相位提前;滯后脈沖表示θe＜0,其作用是使本地參考信號(hào)相位推后。

圖7-7簡(jiǎn)單二元鑒相器12(4)超前滯后取樣鑒相器。圖7-7圖7-8上的中相積分—抽樣—清除電路是用來判斷DCO輸出與碼元轉(zhuǎn)換邊沿之間相位關(guān)系的。例如,中相積分區(qū)間跨在從正到負(fù)的兩個(gè)碼元之間,而積分結(jié)果為正,說明DCO時(shí)鐘超前;積分結(jié)果為負(fù),說明DCO時(shí)鐘滯后;積分結(jié)果為零,相位準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)。13圖7-8上的中相積分—抽樣—清除電路是1414由于鑒相器輸出是二值脈沖,常后接一種序列濾波器來平滑其中的起伏,消除噪聲起伏造成的環(huán)路誤動(dòng)作比較方便。有兩種形式序列濾波器,一種叫“N先于M”濾波器。如圖7-9所示;另一種叫“隨機(jī)徘徊”濾波器,如圖7-10所示。15由于鑒相器輸出是二值脈沖,常后接一種圖7-9“N先于M”序列濾波器16圖7-9“N先于M”序列濾波器16圖7-10隨機(jī)徘徊序列濾波器17圖7-10隨機(jī)徘徊序列濾波器172.數(shù)字環(huán)路濾波器數(shù)字環(huán)中使用的數(shù)字環(huán)路濾波器與模擬環(huán)中使用的環(huán)路濾波器作用一樣，都對(duì)噪聲及高頻分量起抑制作用，并且控制著環(huán)路相位校正的速度與精度。適當(dāng)選擇濾波器參數(shù)，可以改善環(huán)路的性能。一般構(gòu)成形式如圖7-11所示，它由A/D、數(shù)字計(jì)算器和D/A三部分組成。182.數(shù)字環(huán)路濾波器數(shù)字環(huán)中使用的數(shù)圖7-11數(shù)字環(huán)路濾波器一般形式19圖7-11數(shù)字環(huán)路濾波器一般形式193.數(shù)字壓控振蕩器(DCO)數(shù)字壓控振蕩器的基本組成如圖7-13所示。它由頻率穩(wěn)定的信號(hào)鐘、計(jì)數(shù)器與比較器組成,其輸出是一取樣脈沖序列,脈沖周期受數(shù)字環(huán)路濾波器送來的校正電壓控制。前一個(gè)取樣時(shí)刻的校正電壓將改變下一個(gè)取樣時(shí)刻的脈沖時(shí)間的位置。DCO在環(huán)路中又被稱為本地受控時(shí)鐘或本地參考時(shí)鐘信號(hào)。203.數(shù)字壓控振蕩器(DCO)20圖7-12數(shù)字環(huán)路濾波器的模擬實(shí)現(xiàn)形式

21圖7-12數(shù)字環(huán)路濾波器的模擬實(shí)現(xiàn)形式

21圖7-13數(shù)字壓控振蕩器的基本組成方案22圖7-13數(shù)字壓控振蕩器的基本組成方案22數(shù)字壓控振蕩器的含義可用數(shù)學(xué)式子表示。對(duì)于第k個(gè)取樣周期Tk,有式中T０/N為DCO周期相對(duì)于中心周期To變化的最小單位。當(dāng)無控制時(shí),yk-1=0,Tk=To;有控制時(shí)周期以±To/N或其倍數(shù)的量相對(duì)于T。作階躍式的改變。與To/N相對(duì)應(yīng)的相位改變量為

(7-1)(7-2)

23數(shù)字壓控振蕩器的含義可用數(shù)學(xué)式子表示所以N是表示2π弧度內(nèi)相位受控變化大小的一個(gè)量,也叫做模2π內(nèi)狀態(tài)數(shù)。這就是說,數(shù)字壓控振蕩器輸出脈沖的瞬時(shí)相位θo(k),在2π弧度內(nèi)只能以Δ或其倍數(shù)離散地變化。顯然,在這里To/N=Tc,Tc為信號(hào)鐘的周期。因此有

(7-3)

24所以N是表示2π弧度內(nèi)相位受控變化大另一種比較曲型的數(shù)字壓控振蕩器如圖7-14(a)所示。其中信號(hào)鐘產(chǎn)生頻率fc=mfo的窄脈沖序列。經(jīng)控制器加至分頻比為m的分頻器上,分頻后輸出頻率為fo,即是DCO的輸出頻率。輸入輸出的脈沖波形如圖7-14(b)所示。25另一種比較曲型的數(shù)字壓控振蕩器如圖7圖7-14另一種常用的DCO方案26圖7-14另一種常用的DCO方案26三、數(shù)字環(huán)的工作速率若要設(shè)計(jì)一個(gè)受350MHz時(shí)鐘控制的DCO,而為得到小于7.5°的環(huán)路量化相差,輸入信號(hào)最高工作頻率fo應(yīng)按下式計(jì)算:27三、數(shù)字環(huán)的工作速率27作業(yè)作業(yè)

第2節(jié)位同步數(shù)字環(huán)實(shí)例

上述四種類型數(shù)字鎖相環(huán)都可實(shí)現(xiàn)FM解調(diào)、位同步提取等功能。對(duì)于位同步提取,我們以超前—滯后數(shù)字鎖相環(huán)為例,結(jié)合一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例加以說明。超前—滯后數(shù)字鎖相環(huán)組成如圖7-15所示。29

第2節(jié)位同步數(shù)字環(huán)實(shí)例

上述四圖7-15超前—滯后數(shù)字鎖相環(huán)基本組成30圖7-15超前—滯后數(shù)字鎖相環(huán)基本組成30一、電路組成與說明電路實(shí)例是數(shù)字通信中常用的一種簡(jiǎn)單的超前—滯后位同步環(huán)路,未用序列濾波器,電路組成如圖7-16所示。圖7-16位同步數(shù)字環(huán)組成電路31一、電路組成與說明圖7-16位同二、環(huán)路位同步原理圖7-18為圖7-16方案內(nèi)各點(diǎn)的波形圖,這里為分析簡(jiǎn)便,以均勻變換的數(shù)字脈沖序列作為輸入信號(hào),它與隨機(jī)的數(shù)字脈沖序列作用下環(huán)路取得位同步的原理是一樣的。32二、環(huán)路位同步原理32圖7-17非線性作用過程的波形33圖7-17非線性作用過程的波形33圖7-18圖7-16方案內(nèi)各點(diǎn)電壓波形34圖7-18圖7-16方案內(nèi)各點(diǎn)電壓波形34在鎖定狀態(tài)下,環(huán)路仍有一定的穩(wěn)態(tài)同步誤差,誤差量小于擺動(dòng)的最大可能值ΔT。由分析可有ΔT=To因

(T為輸入信號(hào)碼元寬度)

相對(duì)誤差(7-5)(7-6)35在鎖定狀態(tài)下,環(huán)路仍有一定的穩(wěn)態(tài)同步三、性能分析為推導(dǎo)環(huán)路的基本方程,我們畫出環(huán)路相位校正過程的簡(jiǎn)圖,如圖7-19所示。若設(shè)位同步信號(hào)是從t=0起始,輸入數(shù)字信號(hào)落后于它一個(gè)相位。對(duì)于輸入數(shù)字信號(hào),其第k個(gè)輸入脈沖相位為βi(k)=2πk+θi(k)(7-7)36三、性能分析363737式中θi(k)為以信號(hào)位速率的周期相位為參考的瞬時(shí)相位。對(duì)于位同步信號(hào),其第k個(gè)位同步信號(hào)脈沖的前沿相位為βo(k)=2πk+θo(k)(7-8)式中θo(k)為以位速率信號(hào)的周期相位為參考的瞬時(shí)相位。根據(jù)以上假定,可得環(huán)路的相位差θe(k)=θi(k)-θo(k)(7-9)38式中θi(k)為以信號(hào)位速率的周期相從鑒相器至控制位同步信號(hào)的相位改變之間的過程,可作是對(duì)相位差的一個(gè)簡(jiǎn)單量化過種,量化關(guān)系為:當(dāng)θi(k)-θo(k)＞0時(shí),Q［θe(k)］=+1當(dāng)θi(k)-θo(k)＜0時(shí),Q［θe(k)］=-1據(jù)此,可有環(huán)路的基本相位方程θo(k+1)=θo(k)+Δ·Q［θi(k)-θo(k)］(7-10)及初始條件:θo(0)=0。39從鑒相器至控制位同步信號(hào)的相位改變之若用相位差形式寫出,有θe(k+1)-θe(k)+Δ·Q［θe(k)］=θi(k+1)-θi(k)(7-11)

及初始條件:θe(0)=θi(0)-θo(0)=θi(0)。(1)相位階躍。這種情況是屬于自位同步器的常見情況,即輸出位同步信號(hào)的速率與輸入數(shù)字信號(hào)的位速率相同,只是起始相位錯(cuò)開一個(gè)數(shù)值。θe(k)=θi(k)-θo(k)=θ-θo(k)(7-12)環(huán)路輸出相位,根據(jù)(7-10)式,可表示為θo(k+1)=θo(k)+Δ·Q［θ-θo(k)］(7-13)

40若用相位差形式寫出,有40有初始條件:θo(0)=0。根據(jù)(7-11)式,環(huán)路相位差為θe(k+1)=θe(k)-Δ·Q［θ-θo(k)］(7-14)及初始條件:θe(0)=0。由(7-13)式與(7-14)式可以看出,當(dāng)k取值很大時(shí),即環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí),輸出相位或者相位差仍存在著穩(wěn)態(tài)擺動(dòng)。擺動(dòng)的幅度為Δ,對(duì)應(yīng)的同步時(shí)間誤差則小于T/m(s)。41有初始條件:θo(0)=0。41此外,還可看到,同步的建立過程除與初始位階躍值θ有關(guān)外,還與相位階躍變化量Δ的大小有關(guān)。顯然,θ越小,Δ值越大,建立時(shí)間愈短;反之,θ越大,Δ越小,則建立時(shí)間愈長(zhǎng)?？紤]最壞的情況,令θ＝π,即起始相差為半個(gè)周期,那么位同步信號(hào)相位必須挪動(dòng)π/Δ=π/(2π/m)=m/2次,才能到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。所以同步建立時(shí)間為(7-15)42此外,還可看到,同步的建立過程除與若考慮到隨機(jī)輸入數(shù)字信號(hào),平均地約每二碼元才出現(xiàn)一次數(shù)字符號(hào)的轉(zhuǎn)換,也即通過微分、整流后的脈沖是平均2T時(shí)間出現(xiàn)一次。所以平均地看,環(huán)路也是每2T時(shí)間才對(duì)位同步的相位實(shí)施一次校正。因此,平均同步建立時(shí)間要比(7-15)式加長(zhǎng)一倍,即(7-16)

43若考慮到隨機(jī)輸入數(shù)字信號(hào),平均地約每(2)頻率階躍。當(dāng)環(huán)路未受控時(shí),輸入數(shù)字信號(hào)與環(huán)路DCO信號(hào)之間存在有頻率差(即位速率差)。這樣在設(shè)備開始接通或信號(hào)傳送過程中發(fā)生暫時(shí)中斷再接通時(shí),這種頻率差就會(huì)反映出來,也就是發(fā)生了環(huán)路的輸入頻率階躍。研究環(huán)路的頻率階躍性能,可以分析環(huán)路的捕捉性能及一旦信號(hào)發(fā)生中斷時(shí)的同步保持時(shí)間。44(2)頻率階躍。當(dāng)環(huán)路未受控時(shí),輸設(shè)以B-BC表示輸入的頻率階躍,即輸入信號(hào)與位同步信號(hào)的速率之差,其中BC=1/T,則(7-7)式中θi(k)應(yīng)為將(7-17)式代入(7-11)式,有(7-17)

(7-18)45設(shè)以B-BC表示輸入的頻率階躍,即輸因此(7-18)式可表示為

(7-19)(7-20)(7-21)(7-23)

(7-24)(7-25)

46因此(7-18)式可表示為

(7-19)(7-20)

第3節(jié)ZC1—DPLL的原理與性能

正向過零檢測(cè)數(shù)字鎖相環(huán)的基本組成如圖7-20所示。它要求取樣器在輸入模擬信號(hào)的每一周,即在每?jī)蓚€(gè)正斜率的過零交叉點(diǎn)之間取出一個(gè)樣品,這就要求數(shù)字壓控振蕩器(DCO)在輸入信號(hào)的每一周送出一個(gè)窄取樣脈沖到取樣器。為此,必須使所選擇的DCO中心頻率接近輸入信號(hào)的載波頻率,使環(huán)路盡可能地做到逐周取樣,以加速環(huán)路的捕獲。

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第3節(jié)ZC1—DPLL的原理與性能

圖7-20ZC1-DPLL的基本組成48圖7-20ZC1-DPLL的基本組成48一、環(huán)路方程與模型設(shè)輸入信號(hào)ui(t)=Asin［ωit+θi(t)］(7-26)數(shù)字壓控振蕩器(DCO)輸出鐘脈沖信號(hào)的相位可表示為βo(k)=ωot(k)+θ2［t(k)］(7-27)式中t(k)為鐘脈沖存在時(shí)刻,也即取樣時(shí)刻。因?yàn)殓娒}沖是一個(gè)周期性出現(xiàn)的信號(hào),在時(shí)間軸上每出現(xiàn)一次,鐘脈沖信號(hào)的相位就前進(jìn)2π(rad)。故在第k個(gè)取樣時(shí)刻,鐘脈沖的相位為βo(k)=2πk(7-28)49一、環(huán)路方程與模型49為分析方便,輸入信號(hào)ui(t)也常表示成以ωot為參考的方式,即將(7-26)式表示成ui(t)=Asin［ωot+θ1(t)］(7-29)式中θ1(t)=(ωi-ωo)t+θi(t)(7-30)這樣,取樣器在t(k)時(shí)刻取得的取樣值可為

x(k)=Asin｛ωot(k)+θ1［t(k)］｝(7-31)為簡(jiǎn)單起見,可令θ1［t(k)］=θ1(k),θ2［t(k)］=θ2(k)50為分析方便,輸入信號(hào)ui(t)也常表由(7-27)與(7-28)式有ωot(k)=2πk-θ2(k)(7-32)代入(7-31)式,可得x(k)=Asin［θ1(k)-θ2(k)］=Asinθe(k)(7-33)式中θe(k)=