一種低相位噪聲的鎖相環(huán)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域中的一種鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，尤其是一種低相位噪聲的鎖相環(huán)。
【背景技術(shù)】
[0002]鎖相環(huán)是一種反饋系統(tǒng)，其中電壓控制振蕩器(VCO)和相位比較器相互連接，使得振蕩器輸出可以相對(duì)于參考信號(hào)維持恒定的相位角度。鎖相環(huán)在眾多領(lǐng)域中都有應(yīng)用，如無(wú)線通信、數(shù)字電視、廣播等領(lǐng)域。如附圖1所示，一個(gè)鎖相環(huán)電路通常由以下模塊構(gòu)成:鑒相器(ro)、低通濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)和反饋回路(通常由一個(gè)分頻器(DIV)來(lái)實(shí)現(xiàn))。鑒相器對(duì)輸入的參考信號(hào)和反饋回路的信號(hào)進(jìn)行頻率和相位的比較，輸出一個(gè)代表兩者差異的信號(hào)至低通濾波器。環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)的一個(gè)重要組成部分，它將輸入信號(hào)中的高頻成分濾除，保留直流部分送至壓控振蕩器。壓控振蕩器輸出一個(gè)周期信號(hào)，其頻率由輸入電壓所控制。反饋回路將壓控振蕩器輸出的信號(hào)送回至鑒相器，通常壓控振蕩器的輸出信號(hào)的頻率大于參考信號(hào)的頻率，因此一般加入分頻器以降低鑒相頻率。
[0003]理想情況下，在正弦波的每個(gè)周期，相位都會(huì)隨著時(shí)間從O度連續(xù)均勻地變化到360度。不過(guò)，實(shí)際波形的相位隨時(shí)間的變化與理想情況會(huì)有一定的偏差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為相位抖動(dòng)。相位噪聲是一種頻域現(xiàn)象。在時(shí)域內(nèi)，該效應(yīng)表現(xiàn)為時(shí)間抖動(dòng)。在正弦波中表現(xiàn)為連續(xù)過(guò)零的時(shí)間并不固定，方波中表現(xiàn)為邊沿偏離其理想的出現(xiàn)時(shí)間。
[0004]對(duì)一個(gè)給定載波功率的輸出頻率來(lái)說(shuō)，相位噪聲是載波功率相對(duì)于給定的頻率偏移處IHz的帶寬上的功率。相位噪聲是鎖相環(huán)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，相位噪聲主要來(lái)源于四個(gè)部分:參考輸入、反饋分頻、電荷泵、VC0，相應(yīng)的減小相位噪聲的措施有:增大鑒相頻率、縮小環(huán)路帶寬、增大電荷泵電流和參考晶振選用更低噪聲的產(chǎn)品等。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種低相位噪聲的鎖相環(huán)，旨在解決現(xiàn)有鎖相環(huán)相位噪聲過(guò)大的技術(shù)缺陷。
[0006]為此，發(fā)明實(shí)施方式提供的一種低相位噪聲的鎖相環(huán)采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種低相位噪聲的鎖相環(huán)，其特征在于，包括頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器、振蕩器頻率校準(zhǔn)器、環(huán)路帶寬校準(zhǔn)器、數(shù)字振蕩器、鑒相器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、濾波器和時(shí)鐘分配模塊，其中，
[0008]所述頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端接收輸入信號(hào)，輸出端分別與所述振蕩器頻率校準(zhǔn)器和環(huán)路帶寬校準(zhǔn)器的輸入端連接；
[0009]所述振蕩器頻率校準(zhǔn)器的輸出端與所述數(shù)字振蕩器的輸入端連接，所述環(huán)路帶寬校準(zhǔn)器的輸出端與所述濾波器的控制端連接；
[0010]所述鑒相器的輸入端接收輸入信號(hào)，輸出端與所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述濾波器的輸入端連接，所述濾波器的輸出端與所述數(shù)字振蕩器的輸入端連接；
[0011]所述數(shù)字振蕩器的反饋端經(jīng)所述時(shí)鐘分配模塊與所述鑒相器的反饋端連接。
[0012]優(yōu)選地，還包括方波整形電路，所述輸入信號(hào)經(jīng)所述方波整形電路傳遞至所述頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端和鑒相器的輸入端。
[0013]優(yōu)選地，還包括正弦波整形電路，所述數(shù)字振蕩器的反饋端依次經(jīng)所述正弦波整形電路和時(shí)鐘分配模塊與所述鑒相器的反饋端連接。
[0014]優(yōu)選地，所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括至少一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列，所述現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列內(nèi)設(shè)有多個(gè)內(nèi)嵌鎖相環(huán)。
[0015]優(yōu)選地，所述振蕩器頻率校準(zhǔn)器包括頻率誤差比較器、誤差緩存模塊和頻率匹配模塊，所述頻率誤差比較器與輸入端連接，輸出端與所述誤差緩存模塊連接，所述誤差緩存模塊與所述頻率匹配模塊連接。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例涉及的低相位噪聲的鎖相環(huán)中采用高分辨率的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)相位差的轉(zhuǎn)換，替代了傳統(tǒng)數(shù)字鑒相器，擺脫了系統(tǒng)時(shí)鐘頻率對(duì)鑒相速度的限制，使得高頻鑒相死區(qū)變得更小，從而大大降低了鎖相環(huán)路的相位噪聲。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是現(xiàn)有鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施方式提供的一種低噪聲相位的鎖相環(huán)；
[0019]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中時(shí)所述鎖相環(huán)的鑒相器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中多相時(shí)鐘生成示意圖；
[0021]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中采用脈沖編碼法實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔測(cè)量示意圖；
[0022]圖6是本發(fā)明實(shí)例中使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯延時(shí)單元來(lái)構(gòu)成多級(jí)延時(shí)線示意圖。
[0023]圖中:
[0024]100:方波整形電路；110:頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器；120:振蕩器頻率校準(zhǔn)器；130:環(huán)路帶寬校準(zhǔn)器；140:鑒相器；141:D觸發(fā)器；150:時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器；160:濾波器；170:正弦波整形電路；180:時(shí)鐘分配模塊；190:數(shù)字振蕩器。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]參見(jiàn)圖2，圖2是本發(fā)明實(shí)施方式提供的一種低噪聲相位的鎖相環(huán)。在圖2示出的實(shí)施方式中，該結(jié)構(gòu)的低相位噪聲的鎖相環(huán)包括頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器110、振蕩器頻率校準(zhǔn)器120、環(huán)路帶寬校準(zhǔn)器130、數(shù)字振蕩器190、鑒相器140、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器150、濾波器160和時(shí)鐘分配模塊180。
[0027]在圖1示出的實(shí)施方式中，頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器110的輸入端接收輸入信號(hào)，輸出端分別與振蕩器頻率校準(zhǔn)器120和環(huán)路帶寬校準(zhǔn)器130的輸入端連接。振蕩器頻率校準(zhǔn)器120的輸出端與數(shù)字振蕩器190的輸入端連接，環(huán)路帶寬校準(zhǔn)器130的輸出端與濾波器160的控制端連接。鑒相器140的輸入端接收輸入信號(hào)，輸出端與時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器150的輸入端連接，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器150的輸出端與濾波器160的輸入端連接，濾波器160的輸出端與數(shù)字振蕩器190的輸入端連接。數(shù)字振蕩器190的反饋端經(jīng)時(shí)鐘分配模塊180與鑒相器140的反饋端連接。
[0028]其中，鑒相器140是一個(gè)高速且無(wú)相位死區(qū)的相位比較器。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)會(huì)同時(shí)輸入鑒相器140，該鑒相器140只檢測(cè)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的上升沿，檢測(cè)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的上升沿之間的相位差信息，且不受輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的占空比的影響。如附圖3所示，在該鑒相器140中輸入信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行相位比較，但其鑒相速度不受時(shí)鐘的限制，由D觸發(fā)器141的響應(yīng)速度決定，因此其鑒相分辨率非常高。根據(jù)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)是超前還是滯后的關(guān)系輸出上升或下降的脈沖信號(hào)，指示環(huán)路的相位調(diào)整，最終兩個(gè)信號(hào)的相位將鎖定在O度。
[0029]另外，在一些實(shí)施方式中，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器150可以是基于FPGA內(nèi)嵌PLL的多相時(shí)鐘相移技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其基本原理是利用對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間脈沖信號(hào)的精確測(cè)量。該技術(shù)利用內(nèi)嵌PLL的負(fù)反饋回路機(jī)制，使時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器150的分辨率不受溫度、氣壓等環(huán)境變化的影響。多相時(shí)鐘的產(chǎn)生如圖4所示，利用PLL內(nèi)核產(chǎn)生8個(gè)頻率相同、相位均勻分布的時(shí)鐘(Clk_0-Clk_7)，為后續(xù)的精確時(shí)間間隔測(cè)量做準(zhǔn)備。實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔測(cè)量的計(jì)算方法有很多種，本發(fā)明采用脈沖編碼法實(shí)現(xiàn)，如圖5所示，首先8個(gè)多相時(shí)鐘根據(jù)鑒相器140的上升(up)或下降(down)脈沖信息利用8個(gè)觸發(fā)器分別進(jìn)行獨(dú)立的編碼，然后利用零相位偏移時(shí)鐘Clk_0作為同步編碼器的時(shí)鐘，在每個(gè)Clk_0時(shí)鐘上升沿到來(lái)的同時(shí)，對(duì)8個(gè)不同相時(shí)鐘的編碼狀態(tài)進(jìn)行整合，最后使用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)編碼結(jié)果進(jìn)行加減運(yùn)算，得到與時(shí)間間隔成線性關(guān)系的數(shù)字量。這樣在不提高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的情況下，便實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖信息的精確編碼。相對(duì)于傳統(tǒng)的單時(shí)鐘系統(tǒng)，多相時(shí)鐘系統(tǒng)充分利用了內(nèi)嵌PLL精確移相功能，提升了時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度，使其分辨率提升至原來(lái)的1/8，為后來(lái)的鎖相環(huán)路提供了更高分辨率的相位差信息。
[0030]利用內(nèi)嵌PLL多相時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)的時(shí)間內(nèi)插技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，但是如果需要實(shí)現(xiàn)更高分辨率的測(cè)量，就必須要對(duì)時(shí)間進(jìn)行更多級(jí)的內(nèi)插，這樣原有的內(nèi)嵌PLL已經(jīng)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需求，因此需要利用FPGA內(nèi)部資源，即標(biāo)準(zhǔn)邏輯延時(shí)單元來(lái)構(gòu)成多級(jí)延時(shí)線，如128級(jí)延時(shí)線，如圖6所示，利用多個(gè)延時(shí)單元首尾串聯(lián)形成延時(shí)線，在相鄰的兩個(gè)延時(shí)單元之間的線路連接觸發(fā)器的信號(hào)輸入端，在信號(hào)觸發(fā)端有效時(shí)，利用每個(gè)觸發(fā)器分別對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行鎖存；在信號(hào)終止端有效時(shí)，獲取各個(gè)觸發(fā)器的輸出狀態(tài)，從而可以根據(jù)(^-1的狀態(tài)得到信號(hào)觸發(fā)端輸入的觸發(fā)信號(hào)與信號(hào)終止端輸入的終止信號(hào)之間的時(shí)間間隔。使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器150的原理與多相時(shí)鐘原理基本一致，但它更加靈活，更能適應(yīng)用戶(hù)自定義的需求。由于延時(shí)單元的邏輯布線路徑以及走線延時(shí)不受控制，而且邏輯延時(shí)很容易隨著電壓波動(dòng)或者溫度變化的影響而變化，變動(dòng)范圍從幾十皮秒到一百七十多皮秒。對(duì)于邏輯單元延時(shí)非線性問(wèn)題，采用多沿切割的技術(shù)對(duì)延時(shí)寬度進(jìn)行平滑，使得延時(shí)單元的平均值減到1ps左右。對(duì)于邏輯單元受外部溫度和電壓波動(dòng)而產(chǎn)生的影響，可采用平均延時(shí)校準(zhǔn)方式，即對(duì)一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所有邏輯單元的延時(shí)做平均處理，該方法響應(yīng)速度快，可以快速的對(duì)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0031]頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器110使用周期來(lái)表示頻率信