一種自動變模控制的寬頻帶全數字鎖相環(huán)

1 改進后的自動變模控制的全數字鎖相環(huán)的結構和工作原理
如圖1所示為改進后的自動變模控制的全數字鎖相環(huán)的系統(tǒng)方框圖。圖中的鑒相器采用邊沿觸發(fā)鑒相器，相對于異或門鑒相器具有更大的鑒相范圍，邊沿觸發(fā)型鑒相器的線性鑒相范圍為±π。該設計中的數字環(huán)路濾波器為可變模的K可逆計數器，鑒相器的輸出ue作為K可逆計數器的計數方向控制信號，K計數器的計數值增加到K時，就輸出“加”指令；反之，K計數器的計數值減到0時，就輸出“減”指令。在系統(tǒng)工作過程中，自動變模控制器通過檢測電路對輸入信號ui和輸出信號uo的相位差進行計數，然后經過比較電路和模數控制電路選擇合適的模值mo，不斷地更新K計數器的K值。脈沖加減電路作為數控振蕩器的一部分，是整個系統(tǒng)中最重要的模塊。脈沖加減電路的功能是在接收到“加”、“扣”指令時，能夠準確地在本地高速時鐘clk中插入和扣除一個脈沖，把調整后的脈沖序列作為除N計數器的時鐘源，對輸出信號uo的相位進行調整。該設計的最大特點就是除N計數器模塊的N值可以根據輸入信號的變化不斷更新，使輸出信號uo快速跟蹤輸入信號ui的頻率，同時達到對系統(tǒng)中心頻率的不斷更新，實現(xiàn)寬頻帶快速鎖相的目的。N值的檢測是由鑒頻和鎖存模塊實現(xiàn)的，當輸入信號ui為上升沿時，內部計數器開始計數，直到ui變?yōu)榈碗娖綍r，計數器停止計數。同時在ui為低電平時把計數結果送入鎖存器中作為除N計數器的分頻值。上述即為改進后的自動變模控制的全數字鎖相環(huán)的工作原理。

從以上的分析可知，該設計的全數字鎖相環(huán)具有兩個顯著優(yōu)點：第一，由于采用自動變模控制的數字環(huán)路濾波器，很好地解決了環(huán)路的捕捉時間和抗噪聲性能之間的矛盾。模值K的大小對整個系統(tǒng)的性能具有很大影響，K值越大，系統(tǒng)響應越慢，捕捉時間越長；相反，K值越小，系統(tǒng)響應越快，捕捉時間越短。但是在系統(tǒng)由捕捉進入同步過程后，如果K值太小，會因可逆計數器的頻繁循環(huán)計數而產生持續(xù)的進位或借位脈沖，導致輸出信號相位抖動，增加了同步誤差。采用自動變模控制后，系統(tǒng)可以根據輸入／輸出信號相位誤差的大小，對模值K進行選擇更新。在環(huán)路捕捉過程中，選擇較小的模值，可增加環(huán)路帶寬，加快鎖定速度；在同步過程中，選擇較大的模值，可縮小環(huán)路帶寬，有利于抑制相位抖動，減小同步誤差，從而可以實現(xiàn)快速高精度的鎖相。第二，在傳統(tǒng)全數字鎖相環(huán)結構的基礎上增加了獨特的鑒頻鎖存模塊，不僅可以捕捉和鎖定未知的輸入信號，還可以使系統(tǒng)具有較寬的頻帶寬度，實現(xiàn)對頻率發(fā)生變化的輸入信號的快速鎖定。該設計的頻帶拓寬原理可以描述為：在鑒頻鎖存模塊，輸入信號頻率的計算是以外部高速時鐘作為時鐘源的，外部時鐘頻率越高得到的N值越精確。能夠精確計算出的頻率值就相當于不同系統(tǒng)中心頻率，而在每個中心頻率附近鎖相環(huán)系統(tǒng)都有一個捕捉帶。因此，選擇合適的外部高速時鐘，不同的中心頻率所得到的不同捕捉帶，就可以構成整個環(huán)路的捕捉帶。所以，該設計與傳統(tǒng)的數字鎖相環(huán)系統(tǒng)相比具有較寬的頻帶。如圖2所示為頻帶拓寬原理示意圖。