全數(shù)字鎖相環(huán)畢業(yè)設計之開題報告(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上青 島 大 學畢業(yè)論文（設計）開題報告題 目： 全數(shù)字鎖相環(huán)的設計與實現(xiàn) 院 系： 自動化工程學院電子工程系 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 2007級2班 姓 名： 張景楠 指導教師： 董介春 2011年3月14日1 數(shù)字鎖相環(huán)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢鎖相環(huán)路（PLL）是一個輸出信號能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它在無線電技術的各個領域得到了很廣泛的應用。早在30年代無線電技術發(fā)展的初期，鎖相環(huán)技術就已出現(xiàn)，1930年已建立了同步控制理論的基礎，1932年貝爾賽什（Bellescize）提出了同步檢波理論，第一次公開發(fā)表了鎖相環(huán)路的數(shù)學描述，用鎖相環(huán)路提取相

2、干載波來完成同步檢波。早期的鎖相環(huán)路采用電子管，且價格昂貴，只能用在實驗裝置中，未得到廣泛應用。到了40年代，在電視接收機的同步掃描電路中，開始廣泛的應用鎖相技術，使電視圖像的同步性能得到很大改善。進入50年代，隨著空間技術的發(fā)展，由杰費（Jaffe）和里希廷（Rechtin）利用鎖相環(huán)路作為導彈信標的跟蹤濾波器獲得成功，并首次發(fā)表了包含噪聲效應的鎖相環(huán)路理論分析的文章，同時解決了鎖相環(huán)路最佳化設計問題。一種最簡單的遙測方式就是信標跟蹤，在衛(wèi)星上裝一臺低功率的連續(xù)波發(fā)射機，地面上就可以接收到信號的頻率，由于衛(wèi)星的徑向運動而產(chǎn)生多普勒頻移，測出多普勒頻移大小，就可以算出衛(wèi)星的徑向運動速度，從而測

3、定它的運行軌道。但是，由于衛(wèi)星上發(fā)射機功率?。ê镣呒墸?，而接收機相距幾千乃至幾萬公里以上，因而接收到的信號異常微弱，加之存在多普勒頻移及振蕩器的頻率漂移，接收機的帶寬必須足夠的寬才行。噪聲強度與帶寬成正比的，這樣在接收點的信號噪聲功率比必然很低，通常在-10-30dB的數(shù)量級，即所需信號被深深地埋在噪聲之中，在此情況下，普通接收機是無能為力的，而只有采用具有鎖相環(huán)路的窄帶鎖相跟蹤接收機才能把埋在噪聲中的信號提取出來。所以空間技術的發(fā)展，促進人們對鎖相環(huán)路理論及其應用的進一步探討。在60年代，維特畢（Viterbl）研究了無噪聲鎖相環(huán)路的非線性理論問題，并發(fā)表了“相干通信原理”一書。到70年代林

4、特賽（Lindscy）和查利斯（Charles）進行了由噪聲的一階、二階及高階鎖相環(huán)路的非線性理論分析，并做了大量實驗以充實理論分析。隨著對鎖相技術的理論和應用進行廣泛深入地研究，目前，鎖相技術已經(jīng)成為一門比較系統(tǒng)的理論科學。由于鎖相環(huán)路具有許多優(yōu)良特性，它可用于頻率合成與變換、自動頻率調(diào)諧跟蹤、模擬和數(shù)字信號的相干解調(diào)、AM波信號的同步檢波、數(shù)字通信中的位同步提取、鎖相穩(wěn)頻、鎖相倍頻和分頻、鎖相測速與測距、鎖相FM（PM）調(diào)制與解調(diào)、微波鎖相頻率源以及微波鎖相功率放大器等。所以，鎖相技術的應用已遍及無線電領域，從空間探測、衛(wèi)星與導彈的跟蹤測距、雷達、導航、通信、計算機、激光到電子儀器。近幾年

5、來，冶金、水文地質(zhì)、電力、機械加工、生產(chǎn)自動化等方面都有廣泛應用。甚至今天鎖相環(huán)路已出現(xiàn)在每個家庭的電視機接收機和立體聲收錄機中。隨著半導體集成電路技術的迅速發(fā)展，從60年代后期起，已相繼試制成功集成化的鎖相環(huán)路部件及單片集成鎖相環(huán)路。今天集成鎖相環(huán)路的商品種類日益繁多，這將使鎖相技術得到更廣泛的應用。我國早在50年代就有許多科學工作者開展了對鎖相技術的研究和應用工作。特別是中遠程導彈的定點發(fā)射、衛(wèi)星的發(fā)射和回收、同步衛(wèi)星的發(fā)射和定點等技術的發(fā)展，都離不開鎖相技術，我國在1970年4月24日成功地發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，地面站對人造衛(wèi)星發(fā)回信號的接收以及遙測控制都證明鎖相技術的研究和應用達到了較

6、先進的水平。我國第一顆人造衛(wèi)星把“東方紅”樂曲傳遍了全球，這極大地鼓舞了我國科學工作者攀登世界高峰的斗志。1984年4月8日，我國成功地發(fā)射了試驗通信衛(wèi)星，進入同步軌道正常運行。1986年2月1日又成功地發(fā)射了一顆實用通信廣播衛(wèi)星，準確定點于東經(jīng)103度赤道上空。經(jīng)定點試播，圖像和聲音質(zhì)量都達到或超過國際5號衛(wèi)星的水平。近年來，除繼續(xù)發(fā)射本國各類衛(wèi)星外，我國還承接外國衛(wèi)星的發(fā)送業(yè)務，亞洲衛(wèi)星通信有限公司的“亞洲衛(wèi)星一號”是1990年4月在中國發(fā)射的。這些都充分說明，我國科學工作者和工程技術人員，對鎖相技術的研究和應用達到了較先進的水平。近年來，鎖相環(huán)路組件逐步由分立元件向中、大規(guī)模集成電路發(fā)展

7、。目前北京、上海、甘肅等許多地方的單位都能成批生產(chǎn)中、大規(guī)模集成鎖相環(huán)路和部件，如鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、二十進制可預置可逆計數(shù)器以及集成鎖相環(huán)等，對鎖相技術的理論和應用的研究也日益深入、廣泛，相應的論文、書籍的發(fā)展和出版也逐漸多起來，以適應科學技術的飛速發(fā)展和我國現(xiàn)代化建設的需要。目前，鎖相環(huán)路的理論研究正日益完善，應用范圍遍及整個電子技術領域?，F(xiàn)在鎖相環(huán)路正向著集成化、數(shù)字化、多用途、系列化、高性能方向發(fā)展，且商品化集成鎖相環(huán)路日益增多，為鎖相技術應用提供了廣闊的前景。對于鎖相環(huán)路主要應用于信號的同步，這里有一個小故事：用斧子砍狐貍任何時候都是一件困難的事情，特別是在獵手與狐貍之間

8、有一個180度的相差時。獵手試圖砍到狐貍，但是它不能夠“同步”。很明顯，雖然獵手與狐貍以相同的頻率行動，但獵手不能達到相位捕捉。于是，故事悲劇性的發(fā)生了：斧子沒擊中狐貍，而擊中拴著它的繩子，狐貍帶著偷到的小雞逃跑了。簡單說鎖相環(huán)路就是用于正確捕捉信號避免信號丟失的一項技術。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，信號同步成為通信中的關鍵技術。同步技術使得由發(fā)射端發(fā)出的信號經(jīng)傳輸媒介正確的由接收端接收得到了保證。同步的技術基礎是鎖相，因而鎖相技術是通信中最重要的技術之一。鎖相就是利用輸入信號與輸出信號之間的相位誤差來自動調(diào)節(jié)輸出信號的相位，使之達到與輸入信號的相位一致，或保持一個很小的相位差，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的功能。

9、鎖相技術現(xiàn)已廣泛應用于電子技術的各個領域，特別是在數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)、位同步、頻率合成中常常要用到各種各樣的鎖相環(huán)。最初的鎖相環(huán)全部由模擬電路組成，由于模擬鎖相環(huán)存在溫度漂移、電網(wǎng)電壓的影響等缺點，給系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)帶來了困難。隨著大規(guī)模、超大規(guī)模數(shù)字集成技術的發(fā)展，模擬鎖相環(huán)逐漸被數(shù)字鎖相環(huán)所取代。由于模擬鎖相環(huán)存在不少問題，為了改善數(shù)字通信系統(tǒng)的同步性能，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，因此發(fā)展數(shù)字鎖相環(huán)路也是集成鎖相環(huán)路發(fā)展的重要方面。鎖相環(huán)路的數(shù)字集成，不僅可靠性提高、降低成本，而且擴大了鎖相環(huán)路的應用范圍。隨著通信及其它電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對系統(tǒng)的準確性、可靠性、小型性等要求越來越高。大規(guī)模集

10、成電路及數(shù)字技術的迅速發(fā)展，為實現(xiàn)上述要求提供了條件。VHDL語言（VHSIC Hardware Description Language，VHSIC即為Very High Speed Integrated Circuit的縮寫詞）是一種行為描述語言，其編程結構類似于計算機中的C語言，在描述復雜邏輯設計時，非常簡潔，具有很強的邏輯描述和仿真能力，是未來硬件設計語言的主流。運用VHDL語言設計系統(tǒng)一般采用自上而下分層設計的方法，首先從系統(tǒng)級功能設計開始，對系統(tǒng)高層模塊進行行為描述和功能驗證。這樣，在電路細節(jié)設計之前，先對系統(tǒng)的功能和結構進行驗證，可對存在的問題早發(fā)現(xiàn)早修改，提高設計效率。完成系統(tǒng)

11、的功能驗證后，就可以將抽象的高層設計，自頂而下逐級細化，直到所用PLD（可編程邏輯器件）結構相對應的邏輯描述。在細化的過程中，對電路結構清楚的模塊可采用結構描述；對采用什么電路結構不確定的模塊可采用行為描述?，F(xiàn)在的EDA（電子設計自動化）工具一般都具有邏輯綜合的功能，可將行為描述自動轉(zhuǎn)換為與PLD器件結構相對應的邏輯描述，這給設計者帶來了極大地方便，并大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。支持行為描述與結構描述的混合使用，是VHDL的一個重要特征，具有很大的優(yōu)越性。因為VHDL語言的功能強大，優(yōu)點突出，因此VHDL語言自從被定為IEEE標準后，在各EDA系統(tǒng)中迅速出現(xiàn)，成為十分流行的硬件描述工具。2 主要

12、設計內(nèi)容本設計從模擬鎖相環(huán)研究出發(fā)，掌握鎖相環(huán)的基本工作原理，了解環(huán)路失鎖、捕獲、跟蹤過程及環(huán)路鎖定條件等。在分析模擬鎖相環(huán)缺點的基礎上，掌握數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理，并用VHDL語言對該系統(tǒng)進行設計，給出數(shù)字鎖相環(huán)電路各個主要模塊的設計過程及仿真結果，得到該系統(tǒng)的頂層電路。3 擬采取的設計方案V2(f2)V1 (f1)Vd NfcMfc圖1 數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖數(shù)字鑒相器數(shù)字濾波器數(shù)控振蕩器數(shù)字鎖相環(huán)電路的系統(tǒng)結構圖如圖1所示。由數(shù)字鑒相器、數(shù)字濾波器和數(shù)控振蕩器組成。如果把數(shù)字濾波器看成一個分頻器，其分頻比為，其輸出頻率為： （式1）其中，為輸入信號與輸出信號的相位差；為環(huán)路的中心頻率。則數(shù)控振

13、蕩器的輸出頻率為： （式2）由于鎖定的極限范圍為，所以得到環(huán)路的捕捉帶： （式3）當環(huán)路鎖定時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)相位誤差： （式4）可見，只要合理選擇值，就能使輸出信號的相位較好地跟蹤輸入的相位，以達到鎖定的目的。如果值選的太大，環(huán)路捕捉帶就會變小，導致捕捉時間增大；如果值太小，可能會出現(xiàn)頻繁進位、借位脈沖，從而使相位出現(xiàn)抖動。4 主要研究手段、方法數(shù)字鎖相環(huán)的研究手段，大體可以分為軟件仿真和硬件實現(xiàn)兩種。軟件仿真即是在通用的微型計算機上用軟件實現(xiàn)，如利用Quartus II進行工程建立、程序編寫、原理圖輸入、波形仿真等步驟最終實現(xiàn)。而硬件實現(xiàn)則是在軟件仿真成功的基礎上，將正確的VHDL程序經(jīng)過轉(zhuǎn)換下

14、載到FPGA等可編程邏輯器件中，然后對其應實現(xiàn)的功能進行測試。5 預期獲得的結果最終期望結果是輸入信號經(jīng)過此系統(tǒng)后的輸出信號與輸入信號頻率完全相同，相位差保持恒定。最終實現(xiàn)的功能是在通信系統(tǒng)中實現(xiàn)同步，即通信系統(tǒng)中發(fā)射端發(fā)出的信號經(jīng)過傳輸媒介在接收端得到正確的接收。6 課題進度計劃調(diào)研、設計方案論證、題目發(fā)展動態(tài)綜述，寫出開題報告 2周模擬鎖相環(huán)的工作原理 1周環(huán)路失鎖、捕獲、跟蹤過程及環(huán)路鎖定條件的研究 1周數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理 1周FPGA芯片結構、設計流程 1周硬件描述語言的編程規(guī)則及調(diào)試下載方法 1周鑒相器的工作原理以及用VHDL語言進行設計仿真 1周數(shù)字濾波器的工作原理以及用VHDL語言進行設計仿真 1周脈沖加/減電路的工作原理以及用VHDL語言進行設計仿真 1周分頻器的工作原理以及用VHDL語言進行設計仿真 1周全數(shù)字鎖相環(huán)總體方案設計、仿真、下載及調(diào)試 2周撰寫畢業(yè)設計