（控制理论与控制工程专业论文）基于fnpll的频率合成器.pdf

阴1 1 1 入学女 学 论支 基于f n - p l l 白, 频率合成器 控制理论与控制工程专业 研究生成聪指导教师汪道辉教授 频率合成器是现代电子系统的重要组成部分，是决定电子系统性能的关键 设备之一。随着现代通信技术的发展，系统对频率合成器提出了越来越高的要 求。 数字锁相技术和大规模集成电路不断发展，锁相环频率合成技术成为频率 合成的研究热点之一。在锁相环频率合成中采用小数分频和一调制技术，这 样在不减小鉴相频率的基础上，频率分辨率提高，解决了频率合成器中高分辨 率与快速频率转换之间的矛盾，并且抑制了相位噪声。这种小数分频频率合成 不仅具有低噪声、频率分辨度高等优良的技术指标，且有成本低、研制周期短 等优点。 本文介绍了直接数字锁相环频率合成的原理，锁相环是基于负反馈控制原 理，在改变其一个控制变量时，能自动调节，在新的一个状态下重新达到稳定； 然后引入小数分频频率合成概念，分析了其消除高分辨率与快速频率转换之间 矛盾的实现原理和其存在的相位噪声，再采用一艺调制技术，消除小数分频频 率合成带来的相位噪声。 在频率合成的控制上，根据设计提出的要求，我们采用由p c 机输入控制数 据，经p c i 总线传输控制数据，再采用f p g a 处理控制数据，最后由f f g a 将控制数 据输入到频率合成器上控制频率合成器的工作。 最后，在阅读了大量元器件资料后，确定完成设计所需要的芯片，并从软 件和硬件上实现频率合成器及其控制电路板的设计。在设计中我们重点考虑了 负反馈系统的稳定性，并保持了一定的相位裕量。 关键词：锁相环，一调制，小数分频锁相环频率合成，相位噪声，相位 裕量，p c i ，f p g a 四l 大学硕士学位论文 a f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rb a s e do nf n p l l m a j o r ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：c h e n g c o n gs u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gd a o h u i f r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t su s e di nm o d e m c o m m u n i c a t i o na n de l e c t r o n i cs y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e m c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sr e q u i r e dt oh a v eh i g h e r p e r f o r m a n c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e d i g i t a lp h a s e l o c kl o o pa n dt h el a r g es c a l e i n t e g r a t e dc i r c u i t ，p h a s e - l o c kl o o pf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rb e , c o m e san e wh o ts p o t i nr e s e a r c h i n go nf r e q u e n c ys o u r c e u s i n gt h et e c h n o l o g yo f f r a c t i o n a l na n d s i g m a - d e l t am o d u l a t i o ni np h a s e l o c kl o o pf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rc a l lg e tf i n e f c q u e n c yr e s o l u t i o nw i t h o u tt h el o s so f p df r e q u e n c y s ot h ef r a c t i o n a l n p h a s e - l o c kl o o p ( f n p l l ) f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rs e t t l et h ep r o b l e mb e t w e e nt h e h i g i lf r e q u e n c yr e s o l v i n ga n df a s tf r e q u e n c ys w i t c h i n g , a n db e c a u s eo f s i g m a - d e l t a m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y i ta l s oh a v el o wp h a s en o i s e n l i sk i n do f f n p l lf r e q u e n c y s y n t h e s i z e rh a ss o m ea d v a n t a g e sn o to n l y t h el o wp h a s en o i s ea n df i n ef r e q u e n c y r e s o l u t i o n , b u ta l s ol o we x p e n s ea n ds h o r td e v e l o p i n gp e r i o d w ef i r s t l yi n t r o d u c et h et h e o r yo f t h ed i r e c td i g i t a lp h a s e l o c kl o o df r e q u e n c y s y n t h e s i z e r 1 1 圮p h a s e - l o c kl o o pi sb a s e do nn e g a t i v ef e e d - b a c kc o n t r o lt h e o r y w h e no n eo f i t sc o n t r o lv a r i a b l ec h a n g e d ，t h es y s t e mc a l la d j u s tb yi t s e l f a n dg e t s t a b l eo nan e ws t a t e t h e n ，w ei m p o r tt h ef n p l lf e q u e n c ys y n t h e s i z e r , a n a l y s i s t h ew a yi ta v o i dt h ec o n f l i c tt h eb e t w e e nt h el l i g hf r e q u e n c yr e s o l v i n ga n df a s t f r e q u e n c ys w i t c h i n g ，a n dt h ep h a s en o i s ei tb r i n gi n a tt h el a s tw ea d o p tt h e s i g m a - d e l t am o d u l a t i o nt oe l i m i n a t et h ep h a s en o i s e w ea l s od e s i g nt h ec o n t r o l l e ro f t h ef n - p l lf e q u e n c y s y n t h e s i z e r 1 1 1 ec o n t r o l d a t ai si n p u tb yp c ，t h e nt h r o u g hp c ib u sw et r a n s f e rt h ec o n t r o ld a t at of p g a i n f p g aw ep r o c e s st h ec o n t r o ld a t ab yt h ed e m a n do f t h es y n t h e s i z e ra n ds e n dt l l e p r o c e s s e dd a t ai n t os y n t h e s i z e rt oc o n t r o lt l l ew o r ko f i t l a s t l y , w er e a dm a n yi cd a m b o o ka n ds e l e c tt h ei c ，t h e nw ed e s i g nt h e f n p l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ra n di t sc o n t r o l l i n gb o a r do ns o t t w a r ea n dh a r d w a r e b e c a u s ei ti sa n e g a t i v ef e e d b a c ks y s t e m ，w h e nw ed e s i g ni t ，w ep a yi m p o r t a n t a t t e n t i o nt ot h es t a b i l i t yo f i t , a n dk e e pe n o u g hp h a s em a r g i n 1 1 册，、导够 半o ? ，论亚 k e y w o r d s ：p h a s e - l o c kl o o p d e l t a s i g m am o d u l a t i o n ，f r a c t i o n a l np h a s e l o c k l o o pf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , p h a s en o i s e p h a s em a r g i n p c i f p g a i i i h f f 入学颂 学q 硷殳 第一章绪论 1 1 引言 频率合成是从一个或几个频；搴出发，经过加、减、乘、除四则运算，合成 出一系列离散频率的技术。其合成出来的频率的准确度和长期稳定度与基准频 率完全一样，正是由于这一点，频率合成技术早己广泛引起了人们的重视。根 据其原理而研制的仪器或设备称为频率合成器。 频率合成器的应用之所以广泛，主要归因于两种趋势：一是由于通信频率日 益拥挤：二是由于计算机和微处理机的速度和应用与f i 俱增。通信频率拥挤要求 有高准确度的发射频率，以便于频段的密集分布，同时使得选择频率变得十分 容易。当今计算机的速度越来越高，高准确度和高稳定度的时钟频率能使其可 靠完成各种复杂的指令而不出现错误。小数分频频率合成技术是国外上世纪七 十年代发展起来的一种新型频率合成技术。该技术解决了频率分辨率和高速频 率转换之间的矛盾，但是引入了严重的相位噪声，在上世纪九十年代，出现了 一z 调制技术，它运用现代数字技术对小数分频频率合成引入的相位杂散进行 有效的处理，克服了用传统方法处理而带来的结构复杂、调试图难及成本较高 等诸多难点，使合成器的性价比大大提高。作为一种先进实用的频率合成技术， 带一调制的f n p l l 频率合成技术在国内外获得了广泛的应用。 1 2 频率合成技术的发展 从上世纪三十年代频率合成技术被人们认识以来，七十多年来该技术有了 较大的发展。无论从性能指标、可靠性及复杂程度各方面部有了质的改善。到 目前为止，最常用的三种频率合成器为：直接频率合成器，直接数字频率合成器， 锁相环频率合成器。 1 ) 直接频率合成器 直接频率合成器是将基准频率直接进行倍频、分频、混频，滤波来合成所 需的频率，其原理框图如图1 1 所示。从图中可知谐波发生器产生的任意二个频 率可被选出加到混频器中，经混频后由滤波器选择出这两种频率的和频或差频。 从而得到一系列新的频率。其优点是输出相位噪声小，频率转换时间短，合成 叫“1 人学缔卜学仆沦之 频；善可以很高，并能产生任意小的频；蕾问隔。其缺点足由于要产生大量的本地 信号，此炎合成器要求相当大的基准信号功率。刚时由于采用了大晕倍频、分 频、混频和选频滤波装鹭，使合成器体积大、重量大、电路复杂、成本高，而 且寄生频；家、输出纹波、噪声等均难以抑制。 图1 1 直接频率合成原理框图 2 ) 直接数字频率合成( d d s ) 随着超高速数字电路的发展，直接数字频率合成器( d d s ) 的应用越来越广 泛。在这种合成器中，输出波形是部分合成的。它是用微处理器求解一个数学 递推关系式或者直接查阅表格上存储的正弦值。其原理框图如图1 2 所示。 累加器 厂礴 地址阳 正弦存储器 乜、= f 形 - 图1 2d d s 原理框图 巫卜斟 截止额率 0 4 f 在时钟频率的作用下，代表相位变化的数据被送至累加器并与累加器原有 数据相加。这样累加器实时计算线性增加的相位角( 以3 6 0 为漠) ，其输出是某个 存储器的地址，存储器输出用d a 转换器变换成电压，经低通滤波( l p f ) 后输出 要求的频率。 d d s 的主要优点是分辨率高、控制灵活、容易做到极低的频率。其主要缺点 2 阴1 1 人等十f 孚位沧之 受限于器件可用的最高时钟频；善，输出频率上限不能太高。且若设计不泣意， 山数字技术带柬的相位量化噪声 h d a 变换器带来的幅度量化噪声所形成的总 输出噪声电平可能很高，这长期以束阻碍t d d s 的发展和实际使用。 1 3 锁相环频率合成 锁相环路( p l l ) 是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统，广泛应 用于电子工程领域中。 1 9 3 2 年，b e l l e s c i z e 发表了锁相环路的数学描述和同步枪波的理论，锁相技 术首先被用在同步接收中，为同步检波提供了一个与输入信号载波同频同相的 本地参考信号。同步检波能够在低信噪比条件下工作，且没有大信号检波时导 致失真的缺点，因而受到人们的关注，但由于电路构成复杂以及成本高等原因， 当时没有获得广泛应用。 1 9 4 3 年锁相环路第一次应用于黑白电视接收机水平同步电路中，它可以抑制 外部噪声对同步信号的干扰，使电视图像稳定清晰。从此，锁相环路开始得到 了应用。 五十年代随着空间技术的发展，j a f f e 和r e c h t i n 成功研制利用锁相环路作 为导弹信标的跟踪滤波器，他们发表了含有噪声效应的锁相环路线性理论分析 文章，解决了锁相环路最佳设计化问题。 六十年代末，随着数字技术和微电子技术的发展，出现了数字锁相频率合 成器。七十年代以后，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以 及多种专用集成锁相环路。锁相环路逐渐变成了一个成本低，使用方便的多功 能组件。 锁相环频率合成技术是基于锁相环路的同步原理，从一个高准确度、高稳 定度的参考晶体，综合出频率的一种技术。锁相频率合成目前主要是数字锁相 频率合成。 图1 3 为数字式频率合成器的原理方框图，其特点是在锁相环路中插入了一 个分频比可以变化的分频器，称为可变分频器或程控分频器。对程控分频器要 求其分频比在规定的分频范围内任意可变。目前许多芯片内部已集成了固定分 频器，鉴相器，程控分频器等的功能。 图1 3 数字锁相频率合成器 当锁相环锁定时，鉴相器两输入端的频率是相同的，即： 正= ， ( 1 1 ) 这样可得v c 0 的输出频率为： 工= n 丘 ( 1 2 ) n ；0 程控分频器的分频值。 因此只要改变程控分频器的分频比n 就可以得到不同的输出频率，而且输出 频率工的频率准确度和长期稳定度与晶振完全相同。 目前，锁相频率合成器设计动向是向全数字化、全自动化方向发展，要求 方案简单、可靠、经济并具有最佳性能。在具体制作中采用单环，双环，多环 与数字技术相结合的方法提高性能，同时利用脉冲吞食的小数可变分频等技术 能更加优化数字锁相频率合成器的性能。因此，数字锁相环频率合成器获得了 越来越广泛的应用。 1 4 小数分频频率合成和一调制技术 随着大规模集成电路技术的迅猛发展，在上世纪7 0 年代后期出现了小数分频 频率合成技术，其突出优点是在单环数字频率合成器中解决了高鉴相频率和小 频率间隔之间的矛盾，使锁相环路的锁定时间减小，因而使环路的频率转换速 度得到提高，且频率间隔能在一定范围内任意改变。与相同工作频率和频率间 隔的数字锁相频率合成器相比，具有对寄生边带抑制能力较强和输出噪声低的 特点，给数字锁相合成器的应用开拓了更为广泛的前景。但小数分频存在着严 重的相位噪声，以往常采用模拟方法来抑制相位噪声。 相对数字方法，采用模拟方法来抑制相位噪声是不够理想的，现代数字电 4 【i i i ! 上学项 学位沦上 路告诉我们町以用全数字的方法柬抑制相位噪声。本论文所设计的频率合成器 是在小数分频锁相环的基础上，采用带全数7 - 式一调制技术的芯片来抑制相 位噪声。该方法己被国内外一些生产频率合成器的公司所采用，制作的设备性 能卓越，结构简单，成本较低，具有较强的市场竞争能力。美国安捷伦公司目 前所推出的频率合成器都是采用了该技术，英国马可尼公司和德固罗德施瓦茨 公司同样也采用了该技术。 一调制器能对量化噪声进行整形。一艺调制器其本质就是一个噪声整 形器。早在1 9 5 4 年为减小信源编码长度，有人提出了调制器，随后贝尔实验 室于1 9 5 4 年首次引入噪声整形的概念，提出噪声整形器，并应用于过采样a d 变 换器中。1 9 6 2 年为改进调制器的过载电压幅度随信号频率下降的特性有人提 出了a 一调制，阐明了噪声整形和过取样的概念。随着大规模集成电路技术的 发展，该技术被广泛应用于音频范围内高分辨率a d ，d a 转化器中。 a 一调制技术是结合过取样、噪声整型和数字滤波用高速电路实现对信号 低间隔的量化。其工作原理为：在对信号进行过取样后，量化噪声功率谱幅度降 低，然后通过一个对输入信号呈低通，对量化噪声呈高通的噪声整型器，把量 化噪声功率的绝大部分移到信号频带之外，再通过一个数字抽取滤波器滤除带 外噪声，这样便可获得比一般a d 转换器要好的多的带内噪声特性。由于噪声整 型器有效地把量化噪声功率的绝大部分移到信号频带之外，而且通过过取样， 移出的噪声功率不会与输入信号频谱混叠，从而可通过简单的低通滤波达到抑 制噪声的目的。 1 5 频率合成控制电路板及采用技术一p c lj n f p g a 技术 在对频率合成器的工作模式进行控制时，我们需要设计一个频率合成控制电 路板，b p p c i f p g a 频率合成控制电路板。控制电路扳采用了p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线技术和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 技术。 频率合成的控制是通过由p c 机输入控制数据，经p c i 总线传递至o f p g a 中，由 p p g a 将控制数据处理好以后再输入到频率合成器以控制频率合成器的工作。 5 叫f l ，、学吁- 半，治之 1 6 所做工作 本设计所完成的工作主要有以f 几个方面： 1 查阅了大量频率合成方面的枵籍和困内外相关文献，研究了p l l 频率合 成的负反馈工作原理和其优缺点；研究了f n p l l 频率合成解决p l l 频率合成存 在的主要缺点一频宰间隔和频率转换时间之丑j 的矛盾的原理，并分析了f n p l l 存在的相位噪声和消除相位噪声的方法一一调制，为后画具体设计打下了理 论基础。 2 根据f n p l l 频；誊合成的原理，确定初步设计方案，在阅读了大量的芯 片资料的基础上，对f n p l l 频率合成器的设计方案进行多次修改，最终确定了 以a n o l o gd e v i c e s 公司的带3 阶一调制单元的小数频率合成控制芯片 a d f 4 1 5 4 为主芯片的f n p l l 频率合成设计方案，然后根据要求，确定了实现 f n p l l 频；摹合成的其它部分功能的芯片。 3 根据f n p l l 频率合成设计方案和选定的芯片，由负反馈原理计算出各 环节的参数，特别是环路滤波器的参数，再运用p s p c i e 仿真软件仿真环路滤波 器的传输特性，f n p l l 的开环特性和闭环特性，验证了设计的可行性和f n - p l l 闭环系统的稳定性，并确定了设计有一定的相位裕量。然后进行原理图设计， f c b 电路扳绘制，实现预定功能，在p c b 板绘制时充分考虑了抗干扰。 4 由设计时提出由p c 机控制的要求和小数频率合成芯片a d f 4 1 5 4 的控制 要求。确定了频率合成控制电路板的设计方案为p c i & f p g a 的控制方式 一p c i f p g a 频率合成控制电路板，p c i 用于传递控制数据，f p g a 用于处理控制 数据以符合a d f 4 1 5 4 要求。在阅读大量芯片资料的基础上确定实现p c i 接口功 能的芯片为p l x 公司的p c i 9 0 5 4 ，实现f p g a 功能的芯片为a l t e r a 公司f l e x i o k 系列的f f g a 芯片e p f i o k 2 0 t c l 4 4 ，然后确定了其它一些外围芯片如电源芯片， 下载芯片，有源时钟等。 5 根据p c i f p g a 频率合成控制电路板选定的芯片设计了原理图，绘制f c b 板，硬件调试。采用w i n d r i v e r 开发了f c l 9 0 5 4 的驱动程序，在驱动程序的基 础上开发了f n p l l 频率合成控制程序，实现预定的功能；采用先进e d a 开发工 具o u a r t u s i i 对f p g a 程序进行设计，功能仿真，时序仿真以及下板调试，实现 了f p g a 同p c i 9 0 5 4 的接口和对控制数据的处理和向a d f 4 1 5 4 传递控制数据。 6 叫。i 从学修l 学位论上 第二章基本理论与技术 小数分频频率合成足基于数字锁相环频率合成器的，以下先分析数字锁相 环频；棼合成，然后再分析小数分频频率合成。 2 1 数字锁相环频率合成 数字锁相环路( d p l l ) 是一个能够跟踪输入信号相位变化的闭环自动控制系 统，广泛应用于电子工程领域中。 1 )数字锁相频率合成器的数学模型 数字锁相环频率合成器( 图2 1 ) 由参考源，数字鉴相器( p d ) ，环路滤波器 ( l f ) ，压控振荡器( v c o ) 及环路分频器组成。其线性化相位模型如图2 2 。嘲 口，( 图2 1 基本数字p l l 频率合成器组成框图 图2 2 数字p l l 频率合成器的基本相位模型 由图2 2 可推导出前向传递函数g ( s ) ，反馈回路传递函数h ( s ) ： g g ) = k e k ，f g ) 么，日g ) = ( 2 1 ) 相位传递函数为： 7 巴2 丽k p k , f ( s ) ( 2 _ 2 ) 根据传递函数的特征方程s + k p 勺彳1 f ( s ) 的阶数町将p l l 分为一阶环， 二阶环，三阶环等。环路的阶数主要由低通滤波器的传递函数f ( s ) 的阶数决定。 一阶锁相环为环路内不含有低通滤波器，即f ( s ) - - 1 的环路，传函 见g ) = k ，k ，f ( s ) 丽 所以环路增益是设计者能调整的唯一参数。一阶 锁相环对噪声的抑制一般不及二阶锁相环，因而在频率合成器中很少使用。 二阶锁相环路在实际应用中最多，广泛应用于频率合成器锁相环路的低通 滤波器有无源r c 积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种。 主 r 1 望 a 无源r c 积分滤波b 无源r cl ：蛐i u j 积分滤波c 有源比例积分滤波 图2 3 二阶锁相环频率合成器的三种低通滤波器 无源r c 积分滤波器正向增益 g g ) = 器( r = r o ( 2 - 3 ) 有效的电路参数为t 和k ，、k ， 无源r c 比例积分滤波器正向增益 g g ) = 掣( f l = ( 墨+ r ：) c ，r 2 = r ：c ) ( 2 4 ) 滤波器具有两个独立的时间常数，使得锁相环的增益、环路自然谐振频率 阴4 l lj 、节口i 学许论文 和阻尼系数可以独立选择，在相位频：窖特性上有相位的超前作用，这种超前作 用对环路的稳定性、牵引能力、快捕性能起到改善作用。 有源比例积分滤波器的正向增益 6 g ) ：丁k p k , 警( f 】：r 3 c f 2 ：r 2 c ) ( 2 - 5 ) u 1 这种滤波器除具有无源比例积分滤波器的优点外，减小了系统对干扰的敏 感度，还能够传输大幅度输出电压。 线性跟踪是指环路进入锁定状态以后的静态误差值，表示为气。气是表示 环路跟踪精度的重要指标，稳态相位误差可利用拉氏变换的终值定理求得，即 气= ! i r a e j o = l i 田见g ) 。 - ，一 ，u 对锁相环而言，不同输入相位信号形式，不同的环路参数对跟踪线性性能 具有不同的影响，输入相位只o ) 为阶跃、斜升和抛物线函数时分别代表了输入 相位为常量、随时间作线性变化和随时间作加速变化的三种情形，考察当 喇= i a ( b 口堋钏，喇李咖咖删= 号怍i 1 讲2 ) 时环 路的稳态相位误差说明了环路的跟踪性能。 输入相位只。) 为相位阶跃时，气2 蛳见2 蛳j 习研s a = 。， 这说明无论对什么形式的环路，输入相位阶跃( 只要f ( s ) 0 ) 都不会引起稳态相 位误差。 输入相位只( f ) 为相位斜升时，即只g ) = 丢，采用无源r c 积分滤波器和无源 比例积分滤波器的环路稳态相位误差民2 i 匆，采用有源比例积分滤波器 9 删“，、学7 ，￥! ：沧卫 的环路稳念十目位误差包。= 0 a 输入相位只( f ) 为抛物线函数时，即p ( s ) 2 号，采用无源r c 秋分滤波器和无 源比例积分滤波器的环路稳态相位误差气= 0 ，采用骨源比例积分滤波器的环 路稳态相位误差气2 i j 邑7 。因此二阶环路中采用有源比例积分滤波器的环 ，n 路跟踪件能强。 3 )稳定性 锁相环频率合成器是一种反馈系统，所以它有引起振荡的可能性。锁相环 也是一个非线性系统，非线性系统乎衡状态的稳定性不仅与系统本身的参数有 关，而且与外加扰动的强弱也有关。 根据使平衡状态破破坏的扰动的大小，非线性系统的稳定性可分为强干扰 作用下的大稳定性问题和弱干扰作用下的小稳定性问题。由于强干扰作用下环 路失锁处于捕捉状态，因此大稳定性问题的研究主要是研究捕捉状态的问题， 同步状态下小稳定性问题的研究，实际上是线性化系统稳定性的问题。1 2 2 1 当外部干扰所引起的相位差的起伏小到可将环路看作足线性系统时，锁相 环路的稳定性分析只与环路参数有关。此时判别锁相频率合成器稳定性有很多 判别依据，如根轨迹法，劳斯一霍尔维获准则，奈奎斯特准则等。在第五章具 体设计时，就是采用奈奎斯特准则中的b o d e 图分析法。 4 )数字锁相频率合成器组态 单环数字锁相频率合成器。 如图2 ，4 所示，v c o - f , , , ，经n 次分频后，与参考信号岛经r 分频所 得之尸d 一起送入数字鉴相器进行相位比较，数字鉴相器由数字电路组成，鉴相 器输出相应的误差电压经l p 滤除杂波后加在v c o 上，使v c o 振荡在一固定频率上。 叫o 、学7 于 学t 论文 图2 4 单环数字锁相环频率合成器原理框图 n p ， 合成器的输出频率通过控制可编程分频器的分频比来实。在参考频率和鉴 相器频率输入端之间还可以通过设置一个前置分频器来改变输入到鉴相器的频 率，当环路锁定时，厂= n 。 单环数字锁相环频率合成器的工作频率主要受限于可编程分频器的最高分 频频率。提高单环锁相环频率合成器的工作频率，一是在v c o 与可编程分频器之 间增加固定分频比的分频器，如除4 分频器1 ! c - 3 1 0 4 ，将4 8 g h z 的v c 0 频率分 频到1 2 g h z ；二是在v c 0 输出0 之后加倍频器。本设计中采用的就是在v c 0 与 可编程分频器之间加分频器h m m c 一3 1 0 4 。 一般单环合成器输出的频率间隔等于矗，k 不能取得太小，通常不小于 1 k h z ，鉴相频率太低，对厅。的滤波会使环路滤波器的带宽变得很窄，从而使锁 相环路的捕捉带很窄，锁定时间变长，甚至长到不能容忍的地步。 2 2 1 1 2 3 1 1 2 5 1 锁相频率合成器的相位噪声与环路各部件的相噪都有关，总的相噪可以根 据各部件的相噪及环路参数估算，一般单环频率合成器合成器环路分频比较大 时，输出相位噪声较大。相位噪声与频率间隔需要折衷考虑，在追求低相噪指 标时，提高，k 和减d , h 是有利的捧l 。 单环锁相频率合成具有结构简单的特点，在工作频率、相位噪声、频率分 辨率和频率转换时间等几项指标没有特殊要求时，电路调试亦较容易，因此在 数字通信、移动通信中广泛采用单环数字锁相环频率合成器作为本振。 要进一步改进单环数字锁相频率合成器的性能，解决相位噪声和频率分辨 率等问题，可以采用多环数字锁相频率合成器i 捌。在此不再祥述。 州1 # 1 ，、掣修 学伫论文 2 2 小数分频频率合成 以上洋细叙述的单环锁相频率合成器，其存在频：誓- i n j 隔和转换时间的矛盾， 引入小数分频技术能很好的解决这个问题。 实现小数分频锁相频率合成器的原理方框图如图2 5 。该系统除去小方框内 的相位累加和脉冲扣除部分，就是普通的单环数字锁相频率合成器。i 矧p 0 悯i 图2 5 小数分频频率合成器 相位累加器和脉冲删除电路构成小数分频的控制部分，它和程序分频器一 起完成小数分频功能，当环路锁定后_ ，f 与之间的关系为： f 。= n o f x ，= 必生辫， ( 2 - 6 ) l u 一 上式中n f 是一个小数分频比，其中n 是它的整数部分分频比有的效数字， f 是小数部分分频比有效数字，m 足小数的位数。 小数分频频率合成器的可变分频比是随时间而变化的，小数分频值作为平 均值而实现。图2 6 给出了最简单的分频比变化情况。 分频比 盯+ 1 m 图2 6 分频比周期性变化 12 网人学踬j 学位论上 图2 7 分数值发生电路 设参考信号的周期( 1 f r ) 为1 个时钟咏冲，在l 个时钟脉冲( 时间t ) 内，分频 比只从m 变化到m + i ( 只变化1 次) ，在t 时间内，分频比平均值为m + i l ，该小数项 ( i l ) 可扩大到k l ，通过取值k ：0 ，1 ，2 ，能以1 l 步进设置分频比。 这时，分频比n 由下式给出 n ：m + k l ( 0 k l k 为整数) ( 2 - 7 ) 这种分频比的变化可用图2 7 电路实现。图中的累加器由加法器和锁定电路 构成。时钟信号频率等于参考信号频率，一旦增加k ，加法器就会溢出，这时分 频比变化为i + l 。无溢出时，分频比保持为m 。 例如，如果要进行厶= 5 3 工的频率合成，f 的l o 个时钟周期等于厶的 5 3 个时钟周期。在第一个参考周期内，上面的环路以除n = 5 - e 作，累加器加进小 数f = o 3 并记忆住。第二、第三周期也是如此，累加器增至0 9 。在第四个参考 周期累加器溢出一次，控制脉冲删除电路删除一个脉冲，再经过n = 5 的程序分频 后，分频效果相当于除6 ，累加器在溢出之后还有余数0 2 ，再经过三个参考周 期又溢出一次，并存有余数0 1 ，再经过三个周期，在第十个周期又溢出一次后， 余数为零，恢复到初始状态，这样，经过1 0 个参考周期完成依次循环，期间累 加器溢出了三次，删除了三个脉冲。因而，每l o 个，的周期内厶共有1 0 x 5 + 3 = 5 3 个脉冲，这就完成了n f = 5 3 的小数分频。 假若要完成n f = 2 7 3 5 的小数分频，则用f = o 3 5 加到累加器，在1 0 0 次累加 器中将溢出3 5 次。环中n 置为2 7 。每溢出一次作一次除2 8 。这样就能准确完成 2 7 3 5 的小数分频。 13 网，f f ，、节豫l 学! ? 论乏 t t f l j i 土, g n 当分频系数为5 3 时，每绎过，的一个周期，厶，就经过了5 3 个周期。这样，每经过一个参考周期，鉴相器的输入端就出现0 3 2 x 的相位误 差，这样经历过l o 个参考周期以后，回到初始的0 相位误差状态。 图2 8 为分频系数为5 3 时，即f = 0 3 时的相位差波形。 纯( f j i l ； 门门门， ： ： ； o 123456789 1 0 t r 图2 8 小数分频比为3 时的相位差波形 这个相位差波形加到鉴相器的输入端，会产生一个递减的阶梯电压，这个 电压如果自i n v c 0 的输入端，会使v c 0 调频，频率合成器的输出频谱会很差。 传统的消除相位噪声引起的误差的方法是将累加器中所存放的数经d a c 数 模变换以后恰好可以形成一个递增的阶梯电压，可与相位差形成的递减的阶梯 电压相互抵消。这种模拟的的补偿措施有以下的不足g 补偿电路过于复杂，调 试起来不方便；由于补偿电压和相位调制在时间上和幅度上很难达到一致，因 此补偿程度有限，一般存在1 以上的误差。因此一个全数字的方案被提出来， 它很好的解决了分数调制问题，这就是一z 调制。 2 3a 一调制。凹l f 如1 1 3 2 l 数字一阶a 一调制器在z 域的数学模型如图2 9 所示。1 6 1 1 8 i i 凹i i 加i 图2 9 数字一阶一z 调制器的z 域模型 l4 那么调制器的输出为： r ( z ) - - f ( z ) + ( 1 一z “) e ( z ) ( 2 - 8 ) 可以得出一阶一调制器的误差传递函数为 日( z ) = ( 1 一z ) ( 2 - 9 ) 由此可知数字一阶a 一调制器无衰减传输信号，而高通滤除了他自己产 生的量化噪声。小数分频合成器中的相位累加器和数字一阶a 一调制器具有 相同的数学模型，由于他的相位噪声主要在低频端，所以累加器对其自身的量 化误差的滤波性能十分有限，因此应该采用多级级联的方式来对量化噪声进行 整形。以下是三阶级连的一调制器，其模型如图2 1 0 所示。 图2 1 0 三阶一调制器模型 由图3 1 0 可推导出三阶一调制器的分频比输出为： 15 阴“! j 、乍，曼1 彳r ，硷上 y ( z ) = ，( z ) + ( 1 一z 一1 r 。( z ) ( 2 1 0 ) 町以得出三阶一调韦1 器的误差传递函数为： ( z ) = 0 一z ) 3 ( z - 1 1 ) 由此可知采用多阶一调制器利用其对噪声的整型功能，将量化噪声从 低频端推向高频端。并且一调制器阶数越大，在高频端的噪声功率也越大， 噪声整型效果越好。在频率合成器中鉴相器的输出信号在输入到v c o 之前需要 经过环路滤波器对噪声进行滤波，而滤波器的带宽大小也在很大程度上决定了 通过低通滤波器的相位噪声大小。因此在小数分频合成器中采用多阶一z 调 制器，并且选用适当的环路滤波器，可以得到良好频谱的输出频率。 2 4p ci - f p g a 频率合成控制电路板相关技术 2 4 1p c i 总线技术 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 即连接外部设备的计算机内部 总线) 是美国s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u po fa s s o c i a t i o nf o rc o m p u t e r m a c h i n e r y 美国计算机协会专业集团) 集团推出的新一代6 4 位总线。p c i 局部总线 是一种高性能的局部总线，有严格的规范保证其可靠性和兼容性。它的数据宽 度为3 2 位，也可升级至6 4 位，总线频率为3 3 m h z ，传输速率达1 3 2 蛐s ，升级后 可达2 6 4 m b s ，具有很强的数据处理能力。而且p c i 还支持一种名为线性突发的数 据传送模式，可确保总线不断满载数据，减少无谓的寻址操作。p c i 总线还支持 并发工作，使c p u 与p c i 总线上的外设同步工作，提高了数据吞吐量。此外，p c i 总线支持即插即用，能实现p c i 扩展卡的自动配置，毋需在安装扩展卡时人为调 整跨接线、d i p 开关或系统中断，而由软件自动设定。由于这些优点，使p c i 总 线已成为现行的工业标准。1 2 i i 2 4 2f p g a 技术 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一种可由用户现场编程，配置， 在其内部实现用户所需要的硬件电路的可编程器件，它的出现受到世界范围内 16 p q ，1 1 人学坳 学伫沦z 电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。其优点有以下几个方面： 随着v 1 s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高， 单一芯片内部可以容纳上百力个晶体管，f p g a 芯片的规模也越来越大，其单片 逻辑门数己达到上百乃门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系 统集成。 f p g a 芯片在出厂之前部做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片 风险，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯 片的最终功能设计。所以，f p g a 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。 设计人员可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用 不同软件就可实现不同的功能。所以，用f p g a 试制样片，能缩短产品开发时问， 以最快的速度占领市场。f p g a 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设 计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输 入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显 示出f p g a 的优势。 许多f p g a 生产厂商在生产f p g a 的同时也推出其相应的开发工具，并且 配套有i p 库和一些成熟电路的宏，这些都是经过验证和优化的，开发人员可以 利用这些已有的资源，加速完成自己的设计。 2 4 3v h d l 硬件描述语言 v h d l ( v e r y - h i g h - s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 是h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 的一种，1 9 8 7 年底，v h d l 被i e e e 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。之后，i e e e 公布了v h d l 的标 准版本，i e e e - 1 0 7 6 ( 简称8 7 版) 和i e e e1 0 7 6 - 1 9 9 3 ( 简称9 3 版) 。 1 v h d l 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有 硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计 算机高级语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体( 可以 是一个元件，一个电路模块或一个系统) 分成外部( 或称可是部分，及端口) 和 内部( 或称不可视部分) ，既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设 计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调 用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是v h d l 系统设计的基本点。 随着数字电路的发展，v h d l 语言将承担更多数字系统设计任务。 2 5 小结 本章从最基本的数字p l l 频率合成原理开始，详细叙述了f n p l l 频率合成 的实现原理，给后面具体的硬件设计提供了坚实的理论基础。然后，对频率合 成控制电路扳p c i - f p g a 频率合成控制电路板中所用的到技术做了简要介绍。 l7 州川，、7 t 兜j 学o j 论史 第三章设计方案 3 1 设计任务及总方案 系统设计任务是设计基于卧一p l l ( 小数分频锁相环) 频率合成器，频率输出 范围为4 - 8 g h z ，输入参考1 0 t z ，频率l b j 隔呵变，相位噪声在一7 0 d b c h z 1 0 k h z 以下，且要求频宰合成器在p c 机的控制下工作，控制数据采用p c i 总线传递。 根据设计任务的要求，我们将本设计从整体上分为两个部分来实现，频率 合成的控制部分和频率合成部分，如图3 1 所示： i频率合成控制 ii 控制数据 j 上 l频率合成 l 图3 1 设计粗框图 在3 1 所示的设计粗框图中，频率合成控制部分由p c 控制程序输入我们所 需要的频率合成器的工作方式