基于EP1K30TC144-1芯片的锁相环位同步提取电路设计方案

一、引言

在现代通信系统中，数字通信系统占据越来越重要的地位。随着超大规模集成电路的发展，各种数字通信的专用芯片相继问世，但这类芯片往往功能单一且价格昂贵，给通信设备成本带来较大压力。近年来，现场可编程门阵列（FPGA）的推出，为数字通信电路的设计带来了更多便利，其高灵活性、高可靠性和高集成度等特点，使得FPGA在数字通信系统中的应用日益广泛。本文旨在详细阐述基于ALTERA公司的EP1K30TC144-1 FPGA芯片实现全数字锁相环（PLL）位同步提取电路的设计方案。

二、主控芯片型号及作用

2.1 主控芯片型号

主控芯片选用ALTERA公司的EP1K30TC144-1 FPGA芯片。该芯片是一款高性能的现场可编程逻辑器件，具有丰富的逻辑资源和高速的I/O接口，非常适合用于实现复杂的数字逻辑电路。EP1K30TC144-1芯片采用BGA封装，具有144个引脚，支持多种I/O标准和丰富的逻辑资源，能够满足本设计中对高速、高精度和高可靠性的要求。

2.2 在设计中的作用

EP1K30TC144-1 FPGA芯片在本设计方案中扮演了核心控制器的角色，具体作用如下：

1. 时钟管理：FPGA内部集成的时钟管理模块可以产生高精度、高稳定性的时钟信号，作为整个锁相环电路的基准时钟。本设计中，FPGA的高频时钟信号被用于生成双相高频时钟源，以及过零检测电路的时钟信号。

2. 逻辑控制：FPGA内部的可编程逻辑资源被用来实现锁相环电路中的各个功能模块，包括过零检测电路、鉴相器、控制器和分频器等。这些模块通过FPGA内部的逻辑连接，共同构成了一个完整的锁相环位同步提取电路。

3. 数据处理：FPGA能够实时处理输入信号，包括信号的检测、转换和同步提取等。在本设计中，FPGA通过检测输入的单极性不归零码（NRZ）信号的正负跳变，生成含有位同步信息的窄脉冲序列，并通过鉴相器与分频器输出的脉冲进行相位比较，最终实现位同步信号的提取。

三、设计方案

3.1 系统总体架构

基于EP1K30TC144-1 FPGA的锁相环位同步提取电路主要由双相高频时钟源、过零检测电路、鉴相器、控制器和分频器五个模块组成。

3.2 各模块设计

3.2.1 双相高频时钟源

双相高频时钟源由FPGA内部的高频时钟信号经过二分频器和与门组成，用于产生两路相位相差180度的时钟信号e和f。这两路信号分别作为控制电路的常开门和常闭门的控制信号，以及控制器中D触发器的时钟信号。实际系统中，FPGA的高频时钟频率为32.768MHz，因此e和f两路信号的频率为16.384MHz。

3.2.2 过零检测电路

过零检测电路用于检测输入单极性不归零码（NRZ）信号的正负跳变，并将其转换为窄脉冲序列。该电路由D触发器和异或门组成，通过检测输入信号的跳变沿，生成含有位同步信息的窄脉冲序列。为了提高检测精度，过零检测电路的时钟信号由FPGA的高频时钟信号四分频得到，这样输出的脉冲宽度约为f路信号的两个周期。

3.2.3 鉴相器

鉴相器用于比较过零检测电路输出的窄脉冲序列与分频器输出的脉冲的相位差。鉴相器由两个与门（超前门g1和滞后门g2）组成。当分频器输出的脉冲相位超前于窄脉冲序列时，超前门g1有输出；当分频器输出的脉冲相位滞后于窄脉冲序列时，滞后门g2有输出。鉴相器的输出信号用于控制控制器的操作，以实现相位的自动调整。

3.2.4 控制器

控制器是锁相环电路中的核心部分，用于根据鉴相器的输出信号调整分频器的输入脉冲序列，从而实现相位的锁定。当鉴相器检测到相位超前或滞后时，控制器会相应地扣除或添加一个脉冲到分频器的输入端，使分频器输出的脉冲相位与窄脉冲序列的相位保持一致。控制器由D触发器和与门组成，通过FPGA内部的逻辑连接实现控制功能。

3.2.5 分频器

分频器用于将FPGA的高频时钟信号分频到与输入信号速率相匹配的频率。在本设计中，输入信号的频率为256kHz，因此分频器需要完成16384/256=64的分频功能。分频器由FPGA内部的逻辑资源实现，其输出信号作为位定时信号（clkout），与过零检测电路输出的窄脉冲序列进行相位比较。

3.3 工作原理

整个锁相环位同步提取电路的工作原理如下：

1. FPGA的高频时钟信号经过二分频后产生两路相位相差180度的时钟信号e和f。

2. 输入的单极性不归零码（NRZ）信号经过过零检测电路转换为窄脉冲序列，该序列含有位同步信息。

3. 窄脉冲序列与分频器输出的位定时信号（clkout）进入鉴相器进行相位比较。

4. 若鉴相器检测到相位超前或滞后，控制器会根据鉴相器的输出信号调整分频器的输入脉冲序列，使分频器输出的脉冲相位与窄脉冲序列的相位保持一致。

5. 当鉴相器的两个输出端均无输出时，表示环路已经锁定，此时分频器输出的位定时信号即为从输入信号中提取的位同步信号。

四、实现与测试

4.1 实现

整个锁相环位同步提取电路的设计在Quartus II平台上完成，采用VHDL语言进行编程。完成编程后，将程序下载到EP1K30TC144-1 FPGA芯片中，实现电路的硬件功能。

4.2 测试

为了验证设计的正确性，需要进行一系列测试。首先，通过信号发生器产生单极性不归零码（NRZ）信号作为输入信号，并将其送入FPGA芯片。然后，观察FPGA芯片输出的位定时信号是否与输入信号的位同步信息一致。通过示波器等仪器观察信号的波形和相位关系，可以判断电路是否成功实现了位同步信号的提取。

五、性能优化与扩展应用

5.1 性能优化

在现有设计的基础上，为了进一步提升锁相环位同步提取电路的性能，可以从以下几个方面进行优化：

1. 时钟管理优化：

• 精确调整FPGA内部时钟管理模块的参数，以减少时钟抖动和相位噪声，提高时钟信号的稳定性和精度。

• 引入时钟树综合技术，优化时钟信号的分布网络，确保时钟信号在FPGA内部各模块间传输时保持一致的相位和延迟。

2. 算法优化：

• 改进鉴相器的设计，采用更先进的鉴相算法，如数字鉴相器（DPD）或全数字锁相环（ADPLL），以提高相位检测的精度和速度。

• 优化控制器的控制逻辑，减少不必要的逻辑门延迟和信号冲突，提高控制信号的响应速度和稳定性。

3. 资源优化：

• 合理利用FPGA内部的逻辑资源，通过逻辑综合和布局布线优化，减少资源消耗，提高资源利用率。

• 引入并行处理技术，将部分逻辑功能并行化实现，以缩短处理时间，提高整体性能。

4. 噪声抑制：

• 在电路设计中加入噪声抑制措施，如滤波电路、屏蔽层等，以减少外部噪声对电路性能的影响。

• 采用差分信号传输技术，提高信号抗干扰能力，确保信号在传输过程中的完整性和稳定性。

5.2 扩展应用

基于EP1K30TC144-1 FPGA的锁相环位同步提取电路不仅适用于数字通信系统，还可以扩展到其他需要高精度同步控制的领域，如：

1. 高速数据传输系统：

• 在高速数据传输系统中，位同步是确保数据正确接收和解析的关键。本设计可以应用于光纤通信、卫星通信等高速数据传输场景，实现数据的精确同步和高效传输。

2. 数字视频处理：

• 在数字视频处理中，需要对视频信号进行同步处理以确保图像的连续性和稳定性。本设计可以应用于数字视频编码器、解码器等设备中，实现视频信号的精确同步和高质量处理。

3. 雷达信号处理：

• 雷达信号处理中需要对回波信号进行精确的时间同步和相位同步。本设计可以应用于雷达信号处理系统中，实现回波信号的精确同步和高效处理，提高雷达系统的探测精度和性能。

4. 无线通信系统：

• 在无线通信系统中，位同步是实现信号解调、信道估计等关键步骤的基础。本设计可以应用于移动通信、无线局域网等无线通信场景，实现信号的精确同步和高效解调。

六、总结与展望

本文详细阐述了基于ALTERA公司EP1K30TC144-1 FPGA芯片的锁相环位同步提取电路设计方案，并探讨了性能优化和扩展应用的可能性。通过充分利用FPGA的高灵活性、高可靠性和高集成度等特点，实现了从输入信号中提取位同步信号的功能，为数字通信系统的设计和实现提供了有力支持。

展望未来，随着通信技术的不断发展和FPGA技术的不断进步，锁相环位同步提取电路的设计将更加注重性能优化和扩展应用。通过引入更先进的算法和技术手段，可以进一步提高电路的精度、速度和稳定性；同时，通过与其他技术的融合和创新应用，可以拓展电路的应用领域和范围，为数字通信系统的发展注入新的活力。