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  锁相环(PLL)是一种常用的频率、相位追踪算法,在信号解调、交流并网等领域有着广泛的应用。本文对全数字锁相环的原理进行介绍,随后给出 verilog 实现及仿真。

PLL 锁相原理

  锁相环结构如下图所示,主要由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等构成

在这里插入图片描述

其中鉴相器是一个乘法器,设参考信号 u i u_i ui 、本地信号 u o u_o uo 均为正弦信号
u i ( t ) = c o s ( ω 1 t + φ 1 ) u_i(t)=cos(\omega_1 t+\varphi_1) ui(t)=cos(ω1t+φ1)

u o ( t ) = c o s ( ω 2 t + φ 2 ) u_o(t)=cos(\omega_2 t+\varphi_2) uo(t)=cos(ω2t+φ2)

  根据积化和差公式, u i u_i ui u o u_o uo 的乘积将包含 ω 1 + ω 2 \omega_1+\omega_2 ω1+ω2 ω 1 − ω 2 \omega_1-\omega_2 ω1ω2 两个频率分量,经过 LF 低通滤波后,将仅剩两者的差频信号
u c = c o s [ ( ω 1 − ω 2 ) t + ( φ 1 − φ 2 ) ] = c o s [ 2 π ( f 1 − f 2 ) t + ( φ 1 − φ 2 ) ] \begin{aligned} u_c&=cos[(\omega_1-\omega_2)t+(\varphi_1-\varphi_2)]\\ &=cos[2\pi(f_1-f_2)t+(\varphi_1-\varphi_2)] \end{aligned} uc=cos[(ω1ω2)t+(φ1φ2)]=cos[2π(f1f2)t+(φ1φ2)]
使用 f 2 = f 0 + K 0 u c f_2=f_0+K_0 u_c f2=f0+K0uc 控制压控振荡器(数字式的一般用 DDS 技术生成)的频率,即可完成锁相。

  假设输入信号相对于基准频率 f 0 f_0 f0 存在 Δ f \Delta f Δf 的频率偏差,则完成锁相后两信号将具有固定的相位偏差 Δ φ \Delta \varphi Δφ,关系如下
Δ f = K 0 c o s ( Δ φ ) \Delta f=K_0cos(\Delta \varphi) Δf=K0cos(Δφ)
当然也应当注意到这里的 Δ φ \Delta \varphi Δφ 符号无法被确定。

verilog 实现

  PLL 模块主程序如下

/* * file			: ADPLL.v* author		: 今朝无言* lab		    : WHU-EIS-LMSWE* date			: 2023-08-03* version		: v1.0* description	: 锁相环* Copyright © 2023 WHU-EIS-LMSWE, All Rights Reserved.*/
module ADPLL(
input						clk,
input						rst_n,input		signed	[15:0]	A,		//参考信号
input		signed	[15:0]	B,		//本地信号output		signed	[15:0]	df		//频偏
);parameter	CLK_FREQ	= 1_000_000;	//采样频率reg signed	[15:0]	df	= 16'd0;//-----------------------multi---------------------------------
reg	signed	[31:0]	multi	= 32'd0;always @(posedge clk) beginif(~rst_n) beginmulti	<= 32'd0;endelse beginmulti	<= A*B;end
end//------------------------FIR---------------------------------
wire	signed	[15:0]	multi_filt  [1:3];localparam	FIR_N = 20;	//FIR阶数wire	[16*(FIR_N+1)-1:0]	FIR_params;FIR_params_0d1 FIR_params_inst(.params		(FIR_params)
);wire    clk_div10;
wire    clk_div100;clkdiv #(.N(10)) clkdiv10(.clk_in     (clk),.clk_out    (clk_div10)
);clkdiv #(.N(100)) clkdiv100(.clk_in     (clk),.clk_out    (clk_div100)
);//低通滤波						多级低通滤波,中间穿插下采样
FIR_filter #(.N(FIR_N + 1))
FIR_filter_inst1(.clk			(clk),.rst_n			(rst_n),.filter_params	(FIR_params),.data_in		(multi[31:16]),.data_out		(multi_filt[1])
);//低通滤波
FIR_filter #(.N(FIR_N + 1))
FIR_filter_inst2(.clk			(clk_div10),.rst_n			(rst_n),.filter_params	(FIR_params),.data_in		(multi_filt[1]),.data_out		(multi_filt[2])
);//低通滤波
FIR_filter #(.N(FIR_N + 1))
FIR_filter_inst3(.clk			(clk_div100),.rst_n			(rst_n),.filter_params	(FIR_params),.data_in		(multi_filt[2]),.data_out		(multi_filt[3])
);//---------------------control---------------------------------
always @(posedge clk_div100) begindf	<= multi_filt[3];		//  df=K*multi_filt,此处省略鉴相灵敏度K,外部请自行设置合理的K值s
endendmodule

  低通滤波器及其参数代码如下

/* * file         : FIR_filter.v* author       : 今朝无言* lab		    : WHU-EIS-LMSWE* date		    : 2023-07-03* version      : v1.0* description  : FIR 滤波器*/
module FIR_filter(
input							clk,
input							rst_n,input				[16*N-1:0]	filter_params,input		signed	[15:0]		data_in,
output	reg	signed	[15:0]		data_out
);parameter	N		= 32;	//滤波器参数个数
parameter	div_N	= 16;	//sum结果除 2^div_N,作为 filter 的输出//FIR 滤波器参数
reg	signed	[15:0] b[0:N-1];integer	m;
always @(*) beginfor(m=0; m<N; m=m+1) beginb[m]	<= filter_params[(m << 4) +: 16];end
endreg	signed	[15:0]	shift_reg[0:N-1];integer	i;
always @(posedge clk) beginif(~rst_n) beginfor(i=N-1; i>=0; i=i-1) beginshift_reg[i]	<= 16'd0;endendelse beginfor(i=N-1; i>0; i=i-1) beginshift_reg[i]	<= shift_reg[i-1];endshift_reg[0]		<= data_in;end
endreg		signed	[31:0]	multi[0:N-1];integer	j;
always @(*) beginfor(j=0; j<N; j=j+1) beginmulti[j]	<= shift_reg[j] * b[j];//这里可以考虑使用multiplier IP核,使用LUT搭建(而这里直接乘使用的是DSP资源,一般的FPGA芯片只有几百个)end
endreg		signed	[47:0]	sum;integer	k;
always @(*) beginsum		= 0;for(k=0; k<N; k=k+1) beginsum	= sum + multi[k];end
endalways @(posedge clk) begindata_out	<= sum[47-div_N : 32-div_N];
endendmodule
/* * file			: FIR_params.v* author		: 今朝无言* lab			: WHU-EIS-LMSWE* date			: 2023-08-04* version		: v1.0* description	: FIR 滤波器    lowpass   N=20   fc=0.1 fs*/
module FIR_params_0d1(
output	[335:0]	params
);assign	params[15:0]	= 16'h0000;
assign	params[31:16]	= 16'h0057;
assign	params[47:32]	= 16'h0131;
assign	params[63:48]	= 16'h0302;
assign	params[79:64]	= 16'h0616;
assign	params[95:80]	= 16'h0A6D;
assign	params[111:96]	= 16'h0FA8;
assign	params[127:112]	= 16'h1518;
assign	params[143:128]	= 16'h19E1;
assign	params[159:144]	= 16'h1D28;
assign	params[175:160]	= 16'h1E53;
assign	params[191:176]	= 16'h1D28;
assign	params[207:192]	= 16'h19E1;
assign	params[223:208]	= 16'h1518;
assign	params[239:224]	= 16'h0FA8;
assign	params[255:240]	= 16'h0A6D;
assign	params[271:256]	= 16'h0616;
assign	params[287:272]	= 16'h0302;
assign	params[303:288]	= 16'h0131;
assign	params[319:304]	= 16'h0057;
assign	params[335:320]	= 16'h0000;endmodule

关于 FIR 滤波器这部分可以参考我之前的博文。

仿真

  仿真测试代码如下

`timescale 100ns/1nsmodule PLL_tb();reg		clk_1M	= 1'b1;
always #5 beginclk_1M	<= ~clk_1M;
endreg		rst_n	= 1'b1;//---------------------参考信号A-------------------------------
wire			[15:0]	A_out_tmp;
wire	signed	[15:0]	A_out;		//参考信号localparam	f0	= 24'd10_000;
localparam	df	= -24'd9;		//频率偏差DDS #(.Freq(1_000_000)
)
DDS_inst1(.clk		(clk_1M),.rst_n		(rst_n),.fout		(f0+df),.phase0		(16'd0),.sin_out	(A_out_tmp)
);assign	A_out	= A_out_tmp - 16'd32768;//---------------------本地信号B-------------------------------
wire			[15:0]	B_out_tmp;
wire	signed	[15:0]	B_out;wire	signed	[23:0]	df2;		//控制本地信号的频偏DDS #(.Freq		(1_000_000)
)
DDS_inst2(.clk		(clk_1M),.rst_n		(rst_n),.fout		(f0+df2),.phase0		(16'd0),.sin_out	(B_out_tmp)
);assign	B_out	= B_out_tmp - 16'd32768;//-----------------------PLL---------------------------------
wire	signed	[15:0]	df_PLL;ADPLL #(.Freq		(1_000_000)
)
PLL_inst(.clk		(clk_1M),.rst_n		(rst_n),.A			(A_out),		//参考信号.B			(B_out),		//本地信号.df			(df_PLL)		//频偏
);assign	df2	= df_PLL/64;//-----------------------tb---------------------------------
initial beginrst_n	<= 1'b0;#5000;rst_n	<= 1'b1;#100;#1000000;$stop;
endendmodule

  DDS 代码如下

/* * file			: DDS.v* author		: 今朝无言* Lab			: WHU-EIS-LMSWE* date			: 2023-05-17* version		: v1.0* description	: 根据给定频率输出正弦信号* Copyright © 2023 WHU-EIS-LMSWE, All Rights Reserved.*/
module DDS(
input			clk,
input			rst_n,input	[23:0]	fout,		//输出正弦波的频率  1k-10M 要24位
input	[15:0]	phase0,		//初相output	[15:0]	sin_out
);parameter	Freq	= 100_000_000;		//clk频率,Hz//-----------------相位累加器-----------------------
reg		[47:0]	int_f_16	= 48'd0;	//相位累加器,x-16定点数
wire	[55:0]	dphi_16;				//相位步进//dphi*Freq=fout*T, T=65536
assign	dphi_16	= (fout << 32)/Freq;always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(~rst_n) beginint_f_16	<= 48'd0;endelse beginint_f_16	<= int_f_16 + dphi_16;end
end//-----------------正弦查找表-----------------------
wire	[15:0]	phase;sin_gen sin_gen_inst(.clk		(clk),.phase		(phase),		//相位.sin_out	(sin_out)
);assign phase	= phase0 + (int_f_16 >> 16);endmodule

相应的正弦查找表如下(该模块使用线性插值的方法,在仅少量增加资源消耗的情况下,将量化误差缩小了两个数量级;这部分也可详见我之前的博文)

/* * file			: sin_gen.v* author		: 今朝无言* Lab			: WHU-EIS-LMSWE* date			: 2023-05-17* version		: v1.0* description	: 根据给定相位输出正弦信号* Copyright © 2023 WHU-EIS-LMSWE, All Rights Reserved.*/
module sin_gen(
input			clk,input	[15:0]	phase,		//相位,0~65535对应[0~2pi)
output	[15:0]	sin_out
);//---------------------正弦查找表-------------------------
wire	[7:0]	addr1;
wire	[7:0]	addr2;
wire	[15:0]	sin_dat1;
wire	[15:0]	sin_dat2;//sin rom, 16bit, 256 depth
sin_rom sin_rom_inst1(.clka	(clk),.addra	(addr1),.douta	(sin_dat1)
);sin_rom sin_rom_inst2(.clka	(clk),.addra	(addr2),.douta	(sin_dat2)
);//-----------线性插值获取更精确的相位分辨率-------------------
assign	addr1	= (phase>>8);
assign	addr2	= (phase>>8)+1;wire	[15:0]	phase1;
wire	[15:0]	phase2;assign	phase1	= addr1<<8;
assign	phase2	= addr2<<8;reg		[15:0]	phase_d0;
reg		[15:0]	phase_d1;	//由于rom数据2拍后才给出,因此phase需要与之同步
reg		[15:0]	phase1_d0;
reg		[15:0]	phase1_d1;always @(posedge clk) beginphase_d0	<= phase;phase_d1	<= phase_d0;phase1_d0	<= phase1;phase1_d1	<= phase1_d0;
endwire	[31:0]	multi;
assign	multi	= (sin_dat2 > sin_dat1)? (sin_dat2 - sin_dat1)*(phase_d1 - phase1_d1) : (sin_dat1 - sin_dat2)*(phase_d1 - phase1_d1);assign	sin_out	= (sin_dat2 > sin_dat1)? sin_dat1 + (multi >> 8) : sin_dat1 - (multi >> 8);endmodule

  仿真结果如下

在这里插入图片描述

http://www.khdw.cn/news/10047.html

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