專利名稱：數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字通信領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，屬于數(shù)字傳輸中使用接收信號(hào)的瞬變來(lái)控制同步信號(hào)發(fā)生裝置的相位的技術(shù)。
鎖相環(huán)路(PLL)是一種閉環(huán)的跟蹤系統(tǒng)，它能夠跟蹤輸入信號(hào)的相位和頻率。它跟蹤固定頻率的輸入信號(hào)沒(méi)有頻差；跟蹤頻率變化的輸入信號(hào)時(shí)精度也很高。鎖相環(huán)路分為模擬鎖相環(huán)路(APLL)和數(shù)字鎖相環(huán)路(DPLL)兩種。模擬鎖相環(huán)路由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)和壓控分頻器(VCO)三部分組成。其特點(diǎn)是抖動(dòng)抑制性能好，但工藝上離散度大，制造成本較高，穩(wěn)定性差。
如果數(shù)字鎖相環(huán)的部分電路采用數(shù)字電路，就叫部分?jǐn)?shù)字環(huán)，它的原理和模擬鎖相環(huán)路相近，其缺點(diǎn)是由于仍采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率控制，這樣依然存在器件離散性大、生產(chǎn)制造難度大、成本較高的弊病。全數(shù)字鎖相環(huán)路全部由數(shù)字電路組成，美國(guó)專利(US5033064)對(duì)全數(shù)字鎖相環(huán)路提出了一種較新的實(shí)現(xiàn)方法。這種方法實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字鎖相環(huán)路的抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性和凈抖動(dòng)輸出特性良好，但缺點(diǎn)是沒(méi)有提出一種有效的環(huán)路濾波方法，它在較低頻段的抖動(dòng)濾波性能不夠理想。
本發(fā)明的目的是提出一種新的數(shù)字鎖相環(huán)濾波方法，使數(shù)字鎖相環(huán)在較低和較高頻段，抖動(dòng)容限、抖動(dòng)轉(zhuǎn)移和凈輸出抖動(dòng)性能都非常優(yōu)良。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。
數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，包括以下步驟第一步，以先進(jìn)先出存儲(chǔ)器半滿為理想狀況，確定參考時(shí)鐘Fref和數(shù)控分頻器輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘Fdco之間的相位差理想值；第二步，由減法器計(jì)算所得之先進(jìn)先出存儲(chǔ)器寫/讀地址差來(lái)確定參考時(shí)鐘Fref和數(shù)控分頻器輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘Fdco之間的相位差；第三步，將所述相位差與所述相位差理想值進(jìn)行比較，如果相位差小于理想值，就減小所述數(shù)控分頻器輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘Fdco；如果相位差大于理想值，就增大數(shù)控分頻器輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘Fdco，使相位差穩(wěn)定在理想值，其特征在于在第三步對(duì)所述本地恢復(fù)時(shí)鐘Fdco進(jìn)行調(diào)整時(shí)，以相位差理想值為中心，將相位差分成不同區(qū)段，對(duì)于相位差理想值所在的區(qū)段，本地恢復(fù)時(shí)鐘Fdco隨相位差變化的速度最??；其它區(qū)段的本地恢復(fù)時(shí)鐘Fdco隨相位差變化的速度是隨相位差與相位差理想值的距離逐段增加；離相位差理想值最遠(yuǎn)的區(qū)段，本地恢復(fù)時(shí)鐘Fdco隨相位差變化的速度最大。
由于本發(fā)明是建立在數(shù)字鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上，所以能克服模擬鎖相環(huán)的離散度大、成本高、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)；最重要的是數(shù)控分頻器輸出的本地時(shí)鐘恢復(fù)頻率Fdco能根據(jù)不同的頻率差異進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在參考時(shí)鐘Wclk與本地恢復(fù)時(shí)鐘Rclk的相位差遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)時(shí)，本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率Fdco能迅速向標(biāo)稱頻率拉近，而在接近平衡點(diǎn)時(shí)，又以較小速率調(diào)整，這樣兼顧了不誤碼和抖動(dòng)最小化兩項(xiàng)重要的通信指標(biāo)，所以抖動(dòng)容限得到較大提高，抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性很好，凈輸出抖動(dòng)在低頻和高頻部分的指標(biāo)都有改善。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為數(shù)字鎖相環(huán)路原理方框圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例電路方框圖；圖3是濾波運(yùn)算函數(shù)原理圖。
根據(jù)圖1，全數(shù)字鎖相環(huán)主要由鑒相器1、濾波運(yùn)算電路2和數(shù)控分頻器3組成；比相器1接收遠(yuǎn)端時(shí)鐘Wclk和本地恢復(fù)時(shí)鐘Rclk，并對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行鑒頻、鑒相，然后向?yàn)V波運(yùn)算電路2輸出相位差；濾波運(yùn)算電路根據(jù)相位差計(jì)算出相應(yīng)的累加值K；數(shù)控分頻器3由加法器301和寄存器302組成，加法器301將寄存器302、濾波運(yùn)算電路2輸出的數(shù)據(jù)S和K進(jìn)行加法運(yùn)算，寄存器302在每一個(gè)Fs(本地高速時(shí)鐘)的上升沿存儲(chǔ)本次加法結(jié)果(寄存器組的位數(shù)與加法器相同，只存儲(chǔ)加法器的和，不存進(jìn)位信號(hào))并向加法器301輸出累加數(shù)據(jù)S(n0)(即上次加法結(jié)果)，從而實(shí)現(xiàn)累加功能。累加器和的最高位(MSB)即為數(shù)控分頻器恢復(fù)的本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率(Fdco)，它又提供給鑒相器進(jìn)行鑒相。累加器301的工作頻率(Fs)由本地高速晶振提供。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)方框圖，它采用58.32MHz的本地高速晶振來(lái)恢復(fù)一個(gè)抖動(dòng)最小化的2.048MHz時(shí)鐘，數(shù)控分頻器3采用24位累加器。其中數(shù)字鑒相器1完成鎖相環(huán)路的鑒頻、鑒相，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括128比特的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(FIFO)101、讀地址計(jì)數(shù)器103、寫地址計(jì)數(shù)器102、減法器(WADDR-RADDR)104、相位采樣電路105和同步電路106、107。減法器WADDR-RADDR計(jì)算讀寫地址的差異，它的運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過(guò)幀時(shí)鐘采樣后，向環(huán)路濾波器2輸入相位差異的整數(shù)部分Dif_int0(60)，而向環(huán)路濾波器2輸入的相位差的小數(shù)部分即Dif_fac0(20)則來(lái)自數(shù)控分頻器DCO的高三位Sum(2321)；環(huán)路濾波器2根據(jù)相位差完成對(duì)累加值K的運(yùn)算，并把數(shù)據(jù)輸出給數(shù)控分頻器3，以實(shí)現(xiàn)累加，環(huán)路濾波器2根據(jù)相位差來(lái)計(jì)算K值的方法將在后面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明；采樣電路105的時(shí)鐘為經(jīng)過(guò)本地高速時(shí)鐘(Clk58m)同步后的Fmclk，F(xiàn)mclk為幀信號(hào)，在每一幀的幀頭特定位置出現(xiàn)。數(shù)控分頻器3，它在本地高速時(shí)鐘Clk58m的節(jié)拍下對(duì)環(huán)路濾波器2輸出的數(shù)據(jù)K(230)進(jìn)行累加，加法所得進(jìn)位信號(hào)自然溢出，加法和在每一個(gè)Clk58m的上升沿存入寄存器組Sum(230)302，寄存器組302的最高位Sum(23)即為本地恢復(fù)時(shí)鐘Rclk。
環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)路的濾波運(yùn)算模塊，它實(shí)現(xiàn)運(yùn)算累加值K的功能，并借此調(diào)整數(shù)控分頻器輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率，它的運(yùn)算方法如下。
先以先進(jìn)先出存儲(chǔ)器FIFO半滿為平衡點(diǎn)，確定相位差理想值。本實(shí)施例中，先進(jìn)先出存儲(chǔ)器FIFO深度為128bit，所以相位差的平衡點(diǎn)，即理想值就是64bit。
減法器104根據(jù)寫地址計(jì)數(shù)器102輸出的數(shù)據(jù)WADDR(60)和讀地址計(jì)數(shù)器103輸出的數(shù)據(jù)RADDR(60)，計(jì)算參考時(shí)鐘頻率Fref和本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率Fdco之間的相位差W-R，并把計(jì)算結(jié)果在經(jīng)過(guò)幀時(shí)鐘取樣之后，向?yàn)V波運(yùn)算模塊2輸出，作為相位差的整數(shù)部分Dif-int0(60)，參考時(shí)鐘Fdco即為FIFO寫時(shí)鐘，本地恢復(fù)時(shí)鐘即為FIFO讀時(shí)鐘；累加器3向相位采樣電路105輸出的數(shù)據(jù)Dif-fac(20)是24位寄存器的高三位Sum(2321)，該數(shù)據(jù)經(jīng)相位采樣后，作為相位差的小數(shù)部分輸出給濾波運(yùn)算模塊2。
環(huán)路濾波器即濾波運(yùn)算模塊2根據(jù)相位采樣電路輸出的數(shù)據(jù)Dif-int、Dif-fac與相位差理想值64bit的差異大小，分段計(jì)算累加值K，在相位差W-R偏離理想值64bit較大時(shí)，K值隨相位差W-R變化的速率也比較大，在相位差W-R偏離理想值64bit較小時(shí)，K值隨相位差W-R變化的速率也比較??；然后將K值輸出給累加器3進(jìn)行累加，使得在相位差W-R偏離理想值64bit較大時(shí)，本地恢復(fù)時(shí)鐘Rclk頻率即累加結(jié)果的最高位S(23)向標(biāo)稱頻率2.048MHz靠近的速率也較大，而在相位差W-R偏離理想值64bit較小時(shí)，本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率向標(biāo)稱頻率2.048MHz靠近的速率也較小。
本實(shí)施例中，環(huán)路濾波器對(duì)K值的計(jì)算采用7段4系數(shù)法。用函數(shù)表達(dá)為 其中，x為參考時(shí)鐘與本地恢復(fù)時(shí)鐘之間的相位差，即W-R；K(x)表示累加值K是關(guān)于相位差x的函數(shù)；K0是相位差x＝64bit時(shí)環(huán)路濾波器輸出的累加值，具體數(shù)值由本地恢復(fù)時(shí)鐘標(biāo)稱頻率Fdco、本地高速晶振頻率Fs、累加器位數(shù)n決定，本實(shí)施例中其值為K0＝(Fdco×2n)/Fs＝(2.048×224)/58.32＝589159α0、α1、α2、α3為四個(gè)系數(shù)，反映累加值K隨相位差W-R變化的快慢，要求α0＜α1＜α2＜α3，這樣才能保障相位差偏離理想值越遠(yuǎn)的區(qū)段，累加值K隨相位差變化的速度越快。本實(shí)施例中取α0＝1，α1＝2，α2＝3，α3＝4因?yàn)楸緦?shí)施例中先進(jìn)先出存儲(chǔ)器FIFO深度是128 bit，所以相位差的取值范圍為0-128bit。
圖3為K值函數(shù)對(duì)應(yīng)的折線圖，由該圖可直觀地看出，累加值K是關(guān)于相位差x的分段連續(xù)函數(shù)。在相位差偏離理想值64bit最遠(yuǎn)的區(qū)段，如0-16bit和112-128bit區(qū)段，折線最陡，K值隨相位差變化的速度最大，本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率向標(biāo)稱頻率2.048MHz靠近的速度也最快；相位差偏離理想值較大的區(qū)段，如16-32bit和96-112bit區(qū)段，折線較陡，K值隨相位差變化的速度較大，本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率向標(biāo)稱頻率2.048MHz靠近的速度也較快；相位差偏離理想值較小的區(qū)段，如32-48bit和80-96bit區(qū)段，折線較平，K值隨相位差變化的速度較小，本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率向標(biāo)稱頻率2.048MHz靠近的速度也較慢；相位差偏離理想值最小的區(qū)段，即48-80bit區(qū)段，折線最平，K值隨相位差變化的速度最小，本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率向標(biāo)稱頻率2.048MHz靠近的速度也最小。從而在實(shí)現(xiàn)不誤碼的同時(shí)，兼顧了抖動(dòng)最小化，使得數(shù)字鎖相環(huán)的抖動(dòng)容限得到較大提高，抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性很好，凈輸出抖動(dòng)在低頻和高頻部分的指標(biāo)都有改善。在本實(shí)施例中，參考時(shí)鐘頻率為20Hz時(shí)，抖動(dòng)容限為60UI，抖動(dòng)抑制特性高于-30db；頻率在20～18KHz時(shí)，凈輸出抖動(dòng)小于0.1UI，在頻率為18～100KHz時(shí)，凈輸出抖動(dòng)一般為0.035UI。
權(quán)利要求
1.數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，包括以下步驟第一步，以先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(101)半滿為理想狀況，確定參考時(shí)鐘(Fref)和數(shù)控分頻器(3)輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)之間的相位差理想值；第二步，由減法器(104)計(jì)算所得之先進(jìn)先出存儲(chǔ)器寫/讀地址差來(lái)確定參考時(shí)鐘(Fref)和數(shù)控分頻器(3)輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)之間的相位差；第三步，將所述相位差與所述相位差理想值進(jìn)行比較，如果相位差小于理想值，就減小所述數(shù)控分頻器(3)輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)；如果相位差大于理想值，就增大數(shù)控分頻器(3)輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)，使相位差穩(wěn)定在理想值，其特征在于在第三步對(duì)所述本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，以相位差理想值為中心，將相位差分成不同區(qū)段，對(duì)于相位差理想值所在的區(qū)段，本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)隨相位差變化的速度最小；其它區(qū)段的本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)隨相位差變化的速度是隨相位差與相位差理想值的距離逐段增加；離相位差理想值最遠(yuǎn)的區(qū)段，本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)隨相位差變化的速度最大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，其特征在于所述先進(jìn)先出存儲(chǔ)器全滿為128bit，所以參考時(shí)鐘(Fref)和本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)之間的相位差理想值為64bit。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，其特征在于所述本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率(Fdco)是本地高速時(shí)鐘Fs經(jīng)所述數(shù)控分頻器(3)分頻得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，其特征在于所述本地高速時(shí)鐘(Fs)取58.22MHz，本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)的標(biāo)稱頻率即要求數(shù)控分頻器(3)輸出的理想頻率取2.048MHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或者4所述的數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，其特征在于所述數(shù)控分頻器(3)對(duì)所述本地高速時(shí)鐘(Fs)進(jìn)行分頻時(shí)，輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘(Fdco)隨所述相位差變化，這種變化是通過(guò)環(huán)路濾波器(2)計(jì)算累加數(shù)K的大小來(lái)控制的，包括第一步，相位采樣電路(105)對(duì)相位差進(jìn)行采樣；第二步，環(huán)路濾波器(2)根據(jù)相位差采樣計(jì)算累加數(shù)K；第三步，累加器(3)對(duì)累加數(shù)K進(jìn)行累加；第四步，累加器(3)輸出累加和的最高位，即為本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率(Fdco)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，其特征在于所述累加數(shù)K是關(guān)于相位差的多折線連續(xù)函數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或者6所述的數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，其特征在于當(dāng)所述相位差取理想值64bit，本地高速時(shí)鐘取58.22MHz時(shí)，所述數(shù)控分頻器(3)輸出的本地恢復(fù)時(shí)鐘頻率(Fdco)為理想標(biāo)稱頻率2.048MHz，此時(shí)累加數(shù)K取理想值K0＝590171。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，其特征在于在所述先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(101)全滿128bit范圍內(nèi)，將相位差分成0-16bit、16-32bit、32-48bit、48-80bit、80-96bit、96-112bit、112-128bit七個(gè)區(qū)段，在每個(gè)區(qū)段，累加數(shù)K都隨相位差線性變化，其斜率依次為α3、α2、α1、α0、α1、α2、α3。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，其特征在于所述斜率大小滿足關(guān)系α0＜α1＜α2＜α3。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或者9所述的數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法，其特征在于α0＝1、α1＝2、α2＝3、α3＝4。
全文摘要
一種數(shù)字鎖相環(huán)的濾波方法,先確定參考時(shí)鐘和本地恢復(fù)時(shí)鐘的相位差理想值;然后由減法器計(jì)算它們之間的相位差;將所得的相位差和相位差理想值進(jìn)行比較,并增大或減少本地恢復(fù)時(shí)鐘,使相位差穩(wěn)定在理想值。特點(diǎn)在于調(diào)整本地恢復(fù)時(shí)鐘時(shí)以相位差理想值為中心,將相位差分成不同區(qū)段,相位差理想值所在的區(qū)段,本地恢復(fù)時(shí)鐘隨相位差變化的速度最小;離相位差理想值越遠(yuǎn)的區(qū)段,本地恢復(fù)時(shí)鐘隨相位差變化得越快。
文檔編號(hào)H03L7/085GK1307406SQ0010158
公開日2001年8月8日 申請(qǐng)日期2000年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月27日
發(fā)明者何庭波 申請(qǐng)人:華為技術(shù)有限公司