基于EP1K30TC144-1芯片的鎖相環(huán)位同步提取電路設(shè)計方案

一、引言

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，數(shù)字通信系統(tǒng)占據(jù)越來越重要的地位。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，各種數(shù)字通信的專用芯片相繼問世，但這類芯片往往功能單一且價格昂貴，給通信設(shè)備成本帶來較大壓力。近年來，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的推出，為數(shù)字通信電路的設(shè)計帶來了更多便利，其高靈活性、高可靠性和高集成度等特點，使得FPGA在數(shù)字通信系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。本文旨在詳細(xì)闡述基于ALTERA公司的EP1K30TC144-1 FPGA芯片實現(xiàn)全數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）位同步提取電路的設(shè)計方案。

二、主控芯片型號及作用

2.1 主控芯片型號

主控芯片選用ALTERA公司的EP1K30TC144-1 FPGA芯片。該芯片是一款高性能的現(xiàn)場可編程邏輯器件，具有豐富的邏輯資源和高速的I/O接口，非常適合用于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字邏輯電路。EP1K30TC144-1芯片采用BGA封裝，具有144個引腳，支持多種I/O標(biāo)準(zhǔn)和豐富的邏輯資源，能夠滿足本設(shè)計中對高速、高精度和高可靠性的要求。

2.2 在設(shè)計中的作用

EP1K30TC144-1 FPGA芯片在本設(shè)計方案中扮演了核心控制器的角色，具體作用如下：

1. 時鐘管理：FPGA內(nèi)部集成的時鐘管理模塊可以產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定性的時鐘信號，作為整個鎖相環(huán)電路的基準(zhǔn)時鐘。本設(shè)計中，F(xiàn)PGA的高頻時鐘信號被用于生成雙相高頻時鐘源，以及過零檢測電路的時鐘信號。

2. 邏輯控制：FPGA內(nèi)部的可編程邏輯資源被用來實現(xiàn)鎖相環(huán)電路中的各個功能模塊，包括過零檢測電路、鑒相器、控制器和分頻器等。這些模塊通過FPGA內(nèi)部的邏輯連接，共同構(gòu)成了一個完整的鎖相環(huán)位同步提取電路。

3. 數(shù)據(jù)處理：FPGA能夠?qū)崟r處理輸入信號，包括信號的檢測、轉(zhuǎn)換和同步提取等。在本設(shè)計中，F(xiàn)PGA通過檢測輸入的單極性不歸零碼（NRZ）信號的正負(fù)跳變，生成含有位同步信息的窄脈沖序列，并通過鑒相器與分頻器輸出的脈沖進行相位比較，最終實現(xiàn)位同步信號的提取。

三、設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于EP1K30TC144-1 FPGA的鎖相環(huán)位同步提取電路主要由雙相高頻時鐘源、過零檢測電路、鑒相器、控制器和分頻器五個模塊組成。

3.2 各模塊設(shè)計

3.2.1 雙相高頻時鐘源

雙相高頻時鐘源由FPGA內(nèi)部的高頻時鐘信號經(jīng)過二分頻器和與門組成，用于產(chǎn)生兩路相位相差180度的時鐘信號e和f。這兩路信號分別作為控制電路的常開門和常閉門的控制信號，以及控制器中D觸發(fā)器的時鐘信號。實際系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA的高頻時鐘頻率為32.768MHz，因此e和f兩路信號的頻率為16.384MHz。

3.2.2 過零檢測電路

過零檢測電路用于檢測輸入單極性不歸零碼（NRZ）信號的正負(fù)跳變，并將其轉(zhuǎn)換為窄脈沖序列。該電路由D觸發(fā)器和異或門組成，通過檢測輸入信號的跳變沿，生成含有位同步信息的窄脈沖序列。為了提高檢測精度，過零檢測電路的時鐘信號由FPGA的高頻時鐘信號四分頻得到，這樣輸出的脈沖寬度約為f路信號的兩個周期。

3.2.3 鑒相器

鑒相器用于比較過零檢測電路輸出的窄脈沖序列與分頻器輸出的脈沖的相位差。鑒相器由兩個與門（超前門g1和滯后門g2）組成。當(dāng)分頻器輸出的脈沖相位超前于窄脈沖序列時，超前門g1有輸出；當(dāng)分頻器輸出的脈沖相位滯后于窄脈沖序列時，滯后門g2有輸出。鑒相器的輸出信號用于控制控制器的操作，以實現(xiàn)相位的自動調(diào)整。

3.2.4 控制器

控制器是鎖相環(huán)電路中的核心部分，用于根據(jù)鑒相器的輸出信號調(diào)整分頻器的輸入脈沖序列，從而實現(xiàn)相位的鎖定。當(dāng)鑒相器檢測到相位超前或滯后時，控制器會相應(yīng)地扣除或添加一個脈沖到分頻器的輸入端，使分頻器輸出的脈沖相位與窄脈沖序列的相位保持一致?？刂破饔蒁觸發(fā)器和與門組成，通過FPGA內(nèi)部的邏輯連接實現(xiàn)控制功能。

3.2.5 分頻器

分頻器用于將FPGA的高頻時鐘信號分頻到與輸入信號速率相匹配的頻率。在本設(shè)計中，輸入信號的頻率為256kHz，因此分頻器需要完成16384/256=64的分頻功能。分頻器由FPGA內(nèi)部的邏輯資源實現(xiàn)，其輸出信號作為位定時信號（clkout），與過零檢測電路輸出的窄脈沖序列進行相位比較。

3.3 工作原理

整個鎖相環(huán)位同步提取電路的工作原理如下：

1. FPGA的高頻時鐘信號經(jīng)過二分頻后產(chǎn)生兩路相位相差180度的時鐘信號e和f。

2. 輸入的單極性不歸零碼（NRZ）信號經(jīng)過過零檢測電路轉(zhuǎn)換為窄脈沖序列，該序列含有位同步信息。

3. 窄脈沖序列與分頻器輸出的位定時信號（clkout）進入鑒相器進行相位比較。

4. 若鑒相器檢測到相位超前或滯后，控制器會根據(jù)鑒相器的輸出信號調(diào)整分頻器的輸入脈沖序列，使分頻器輸出的脈沖相位與窄脈沖序列的相位保持一致。

5. 當(dāng)鑒相器的兩個輸出端均無輸出時，表示環(huán)路已經(jīng)鎖定，此時分頻器輸出的位定時信號即為從輸入信號中提取的位同步信號。

四、實現(xiàn)與測試

4.1 實現(xiàn)

整個鎖相環(huán)位同步提取電路的設(shè)計在Quartus II平臺上完成，采用VHDL語言進行編程。完成編程后，將程序下載到EP1K30TC144-1 FPGA芯片中，實現(xiàn)電路的硬件功能。

4.2 測試

為了驗證設(shè)計的正確性，需要進行一系列測試。首先，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生單極性不歸零碼（NRZ）信號作為輸入信號，并將其送入FPGA芯片。然后，觀察FPGA芯片輸出的位定時信號是否與輸入信號的位同步信息一致。通過示波器等儀器觀察信號的波形和相位關(guān)系，可以判斷電路是否成功實現(xiàn)了位同步信號的提取。

五、性能優(yōu)化與擴展應(yīng)用

5.1 性能優(yōu)化

在現(xiàn)有設(shè)計的基礎(chǔ)上，為了進一步提升鎖相環(huán)位同步提取電路的性能，可以從以下幾個方面進行優(yōu)化：

1. 時鐘管理優(yōu)化：

• 精確調(diào)整FPGA內(nèi)部時鐘管理模塊的參數(shù)，以減少時鐘抖動和相位噪聲，提高時鐘信號的穩(wěn)定性和精度。

• 引入時鐘樹綜合技術(shù)，優(yōu)化時鐘信號的分布網(wǎng)絡(luò)，確保時鐘信號在FPGA內(nèi)部各模塊間傳輸時保持一致的相位和延遲。

2. 算法優(yōu)化：

• 改進鑒相器的設(shè)計，采用更先進的鑒相算法，如數(shù)字鑒相器（DPD）或全數(shù)字鎖相環(huán)（ADPLL），以提高相位檢測的精度和速度。

• 優(yōu)化控制器的控制邏輯，減少不必要的邏輯門延遲和信號沖突，提高控制信號的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

3. 資源優(yōu)化：

• 合理利用FPGA內(nèi)部的邏輯資源，通過邏輯綜合和布局布線優(yōu)化，減少資源消耗，提高資源利用率。

• 引入并行處理技術(shù)，將部分邏輯功能并行化實現(xiàn)，以縮短處理時間，提高整體性能。

4. 噪聲抑制：

• 在電路設(shè)計中加入噪聲抑制措施，如濾波電路、屏蔽層等，以減少外部噪聲對電路性能的影響。

• 采用差分信號傳輸技術(shù)，提高信號抗干擾能力，確保信號在傳輸過程中的完整性和穩(wěn)定性。

5.2 擴展應(yīng)用

基于EP1K30TC144-1 FPGA的鎖相環(huán)位同步提取電路不僅適用于數(shù)字通信系統(tǒng)，還可以擴展到其他需要高精度同步控制的領(lǐng)域，如：

1. 高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：

• 在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，位同步是確保數(shù)據(jù)正確接收和解析的關(guān)鍵。本設(shè)計可以應(yīng)用于光纖通信、衛(wèi)星通信等高速數(shù)據(jù)傳輸場景，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確同步和高效傳輸。

2. 數(shù)字視頻處理：

• 在數(shù)字視頻處理中，需要對視頻信號進行同步處理以確保圖像的連續(xù)性和穩(wěn)定性。本設(shè)計可以應(yīng)用于數(shù)字視頻編碼器、解碼器等設(shè)備中，實現(xiàn)視頻信號的精確同步和高質(zhì)量處理。

3. 雷達信號處理：

• 雷達信號處理中需要對回波信號進行精確的時間同步和相位同步。本設(shè)計可以應(yīng)用于雷達信號處理系統(tǒng)中，實現(xiàn)回波信號的精確同步和高效處理，提高雷達系統(tǒng)的探測精度和性能。

4. 無線通信系統(tǒng)：

• 在無線通信系統(tǒng)中，位同步是實現(xiàn)信號解調(diào)、信道估計等關(guān)鍵步驟的基礎(chǔ)。本設(shè)計可以應(yīng)用于移動通信、無線局域網(wǎng)等無線通信場景，實現(xiàn)信號的精確同步和高效解調(diào)。

六、總結(jié)與展望

本文詳細(xì)闡述了基于ALTERA公司EP1K30TC144-1 FPGA芯片的鎖相環(huán)位同步提取電路設(shè)計方案，并探討了性能優(yōu)化和擴展應(yīng)用的可能性。通過充分利用FPGA的高靈活性、高可靠性和高集成度等特點，實現(xiàn)了從輸入信號中提取位同步信號的功能，為數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提供了有力支持。

展望未來，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和FPGA技術(shù)的不斷進步，鎖相環(huán)位同步提取電路的設(shè)計將更加注重性能優(yōu)化和擴展應(yīng)用。通過引入更先進的算法和技術(shù)手段，可以進一步提高電路的精度、速度和穩(wěn)定性；同時，通過與其他技術(shù)的融合和創(chuàng)新應(yīng)用，可以拓展電路的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，為數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展注入新的活力。