原创 FPGA篇之码元同步DPLL设计

在介绍本文之前，要从本人参加2011年全国大学生电子设计竞赛说起。我们队选择的是E题《简易数字信号传输性能分析仪》，其中一个要求是还原出曼彻斯特编码的码元同步时钟。当时在FPGA内构建全数字锁相环DPLL来实现，最终达到了要求，还幸运地获得了“国一”。

当时的DPLL组成原理如图1所示。时钟产生使用的是N分频器，N分频器对主时钟进行整数分频，有一个很明显的缺点就是频率步进比较大，对一些不能整数倍分频的时钟，就会有频率误差，输出的时钟抖动也会变大。

图1

后来回望这道题的时候，让我想到了DDS信号发生器。DDS信号发生器频率步进可以很细，频率控制字控制输出信号的频率；通过改变相位控制字，就可以调节输出信号的相位。DDS信号发生器可以产生任意的波形信号，当然也可以产生时钟信号。而利用DDS原理的时钟发生器，其实就是就是DDS信号发生器去掉了查找表，然后取地址码的最高位作为时钟输出信号，如图2所示。

图2

那么，利用DDS时钟发生器作为DPLL的时钟产生，替代原有的N分频器，效果会怎样呢？带着这样的好奇心，在工作清闲的时候，拿出以前DPLL的代码进行修改，仿真。最终在开发板上测试可行，同样可以达到锁相的目的，于是便有了这篇文章。

图3

图3就是本文要介绍的DPLL结构示意图，与图1相同的是，使用同样的鉴相器和鉴相后的数字滤波器。不同的是前端多了一个相位误差测量模块，测量出输入时钟与输出时钟之间的相位差，得到超前误差和滞后误差，其中滞后误差为负极性。使用数字滤波器出来的超前或滞后脉冲信号作为选择器的控制信号，如果超前脉冲有效则选择超前误差；如果滞后脉冲有效则选择滞后误差。然后把选择器出来的误差与一比例放大因子相乘进行误差放大，得到放大的误差再与相位控制字寄存器进行累加，最终相位控制字送入DDS时钟发生器。锁相的原理其实就是一个比例积分控制算法，使输出时钟与输入时钟相位保持一致。

需要注意的是，误差比例放大因子是要预先设定的，误差比例放大因子影响到锁相时间和输出时钟稳定性，设置太小则锁相需要的时间太长，太大则导致输出的时钟不稳定。而送给DDS时钟发生器的频率控制字可以预先设定，使得DDS时钟发生器输出的时钟频率与输入时钟一致，或者通过一个频率计数器来测量输入时钟的频率计数，作为频率控制字。

图4

仿真和测试的模型如图4的RTL图，选用的器件是altera的Cyclone II 系列EP2C8Q208C8N。伪随机信号发生器与DPLL分别使用不同的外部时钟源，伪随机信号曼彻斯特编码输出dman与DPLL的锁相输入inclk相连。DPLL输出时钟为被锁定时钟的2倍频（由于DPLL鉴相器是微分整流型，最小为2倍频）。

在Modelsim仿真中，dout为伪随机信号二进制编码，dman为曼彻斯特编码，dsync为dman的同步信号，DPLL的输入被锁信号inclk与dman相连，outclk为DPLL的输出时钟。开始时刻， outclk与 dsync是不同步的，如图5所示。等过一段时间之后，outclk与 dsync的相位慢慢靠近（图6），等仿真到74us之后，outclk与 dsync的相位已经重叠，也就是锁相成功（图7）。

图5

图6

图7