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《fpga的高阶全数字锁相环的研究与设计开发与实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、基于FPGA地高阶全数字锁相环地设计与实现1引言 锁相环在通信、雷达、测量和自动化控制等领域应用极为广泛,已经成为各种电子设备中必不可少地基本部件.随着电子技术向数字化方向发展,需要采用数字方式实现信号地锁相处理.因此,对全数字锁相环地研究和应用得到了越来越多地关注.文档收集自网络，仅用于个人学习 传统地数字锁相环系统是希望通过采用具有低通特性地环路滤波器,获得稳定地振荡控制数据.对于高阶全数字锁相环,其数字滤波器常常采用基于DSP地运算电路.这种结构地锁相环,当环路带宽很窄时,环路滤波器地实现将需要很大地电路量,这给专用
2、集成电路地应用和片上系统SOC（systemonchip）地设计带来一定困难.另一种类型地全数字锁相环是采用脉冲序列低通滤波计数电路作为环路滤波器,如随机徘徊序列滤波器、先N后M序列滤波器等.这些电路通过对鉴相模块产生地相位误差脉冲进行计数运算,获得可控振荡器模块地振荡控制参数.由于脉冲序列低通滤波计数方法是一个比较复杂地非线性处理过程,难以进行线性近似,因此,无法采用系统传递函数地分析方法确定锁相环地设计参数.不能实现对高阶数字锁相环性能指标地解藕控制和分析,无法满足较高地应用需求.文档收集自网络，仅用于个人学习 本文提出
3、了一种基于比例积分（PI）控制算法地高阶全数字锁相环.给出了该锁相系统地具体结构,建立了系统数学模型,并对其系统性能进行了理论分析.采用MATLAB软件对系统进行了仿真实验.应用EDA技术设计了该锁相系统,并用FPGA予以实现.文档收集自网络，仅用于个人学习2全数字锁相环地结构及工作原理 基于比例积分控制算法地三阶全数字锁相环地系统结构如图1所示.该系统由数字鉴相器（DPD）、数字环路滤波器（DLF）和数控振荡器（DCO）三个部件组成.文档收集自网络，仅用于个人学习图1三阶全数字锁相环系统结构图 本锁相系统中由于数控振荡器
4、采用累加器地结构,因此,累加器输出地并行码就是数控振荡器地输出相位码B,它反映了输入信号和输出信号之间地瞬时相位差.鉴相器中地寄存器是由一组D触发器构成.DCO地输出相位码B并行送到D触发器地D端,在输入信号地正向过零点对D触发器采样,D触发器组地输出E就表示该采样时刻地瞬时相位差,从而完成了数字鉴相功能.文档收集自网络，仅用于个人学习 数字环路滤波器地主要作用是抑制噪声及高频分量,并且控制着环路相位校正地速度与精度.为了提高锁相系统地性能,设计了基于PI控制算法地二阶数字滤波器.其工作原理是对鉴相器输出地相位误差信号经一阶
5、积分环节、二阶积分环节和比例环节调节后,分别产生积分控制参数NP1和NP2,以及比例控制参数NI,然后取这三个控制参数之和作为数控振荡器地控制参数.为使DLF输出地控制码组在同一瞬间并行送入DCO,在这两个环路部件之间接入一缓冲寄存器.文档收集自网络，仅用于个人学习 数控振荡器是由全加器和寄存器构成地累加器组成.若累加器位长为N,则低位输入端NL接DLF地控制码组G,高位NH接DCO自由振荡频率0f地控制码组C（该参数可由设计者设定）.当控制码组G均为‘0’时,DCO输出端最高位AN地输出信号地频率便是DCO地自由振荡频率f
6、0.在环路锁定过程中,控制码组G不是全为零,此时累加器地累加结果将进位而改变累加器地分频系数,从而改变DCO输出信号地频率,实现比例积分控制参数对本地估算信号地控制作用,最终达到锁相地目地.文档收集自网络，仅用于个人学习3数字锁相环系统性能地理论分析3.1锁相环地系统结构 若采样周期很短,并且把数字鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器地增益系数归并到环路总增益一起考虑,可画出锁相环在Z域地系统结构如图2所示.文档收集自网络，仅用于个人学习 图2中θi(Z)为锁相环地输入信号；θo(Z)?为锁相环地输出信号；K为环路总增益；K
7、a为比例环节系数；Kb为一阶积分环节系数；Kc为二阶积分环节系数.文档收集自网络，仅用于个人学习 由图2可以分别写出该锁相环开环、闭环和误差Z域传递函数：3.2锁相环系统地稳态分析3.2.1系统地稳定性 由离散系统地奈奎斯特判据可知,环路系统稳定地充分必要条件是闭环传递函数地特征根必须全部位于Z平面地单位圆内,只要有一个在单位圆外,系统就不稳定.由式（2）可得环路地特征方程为：文档收集自网络，仅用于个人学习 利用朱例（Jury）稳定判据,可以根据系统闭环特性方程地系数来判别特征根是否位于Z平面地单位圆内,从而判别系统是
8、否稳定.经分析推导可得,该三阶数字锁相环系统稳定地所有条件为：文档收集自网络，仅用于个人学习3.2.2系统跟踪误差 由系统误差传递函数可以计算环路在各种不同输入信号作用下地稳态跟踪误差,即：θi(Z)为输入信号,He(Z)为锁相系统误差传递函数.由式（6）所求得地本系统对应
