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详解FPGA数字锁相环平台
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2017-10-16
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一、设计目标
基于锁相环的理论，以载波恢复环为依托搭建数字锁相环平台，并在FPGA中实现锁相环的基本功能。
在FPGA中实现锁相环的自动增益控制，锁定检测，锁定时间、失锁时间的统计计算，多普勒频偏的估计。
通过USB接口与电脑实现通信来交换有关锁相环的参数。电脑传递锁相环所需的参数（如等效噪声带宽等），FPGA将锁相环的结果传递给电脑（如锁定时间，多普勒频率等）。
二、设计任务
锁相环的输入具有自动增益控制AGC模块，这样可以允许一定动态范围的信号输入，也减少了输入环路信噪比的大幅波动，从而减少了环路噪声带宽的大幅波动。
基于VHDL语言实现数字锁相环，混频基于CORDIC算法，相位提取模块是修正的反正切相位提取，环路滤波器采用理想的二阶环，NCO采用32位的累加器。设计完先进行Modelsim仿真，后利用ISE自带的CHIPSCOPE下载调试。
具有锁定检测模块，当环路锁定时，通过LED灯或数码管给出锁定指示。
通过锁定指示的输出信号，来控制一个实时时钟，这样可以统计锁定时间和失锁时间，所记录的时间存入两个FIFO。
设计USB通信模块，使得设计的锁相环可以同电脑进行通信，将接收电脑传给FPGA的环路参数，同时将检测的锁定时间和失锁时间，锁定指示，多普勒频偏估计等传输给电脑。
利用MATLAB GUI设计一个控制面板，通过控制面板可以随时改变锁相环的环路参数，也可以接收锁相环通过USB传输给电脑的锁相环的结果。
三、设计原理
随着数字技术的发展，现在出现了很多资源丰富的可编程器件，像FPGA、DSP、专用集成电路等，基于软件无线电的通信系统，一般采用数字锁相环。数字锁相环具有锁定精度高，跟踪带宽大，参数可以在不修改硬件电路的前提下进行修改等种种的优点。目前，数字锁相环广泛应用于通信、航天等领域。针对具体的应用，数字锁相环可以用于载波跟踪，相位提取等。本设计就是以载波回复环为依托进行的数字锁相环设计。
（1）、锁相环的基本框架
锁相环是一个频率与相位的同步控制系统。它的工作过程可用下图表示
图（1）、锁相环基本框图
上面的锁相环是一般模拟锁相环所必需包含的环路组成，包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器。而对于利用软件来实现的全数字锁相环，必须在FPGA内部实现锁相环的鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等部件。
（2）、本设计所要实现的锁相环的基本框架
图（2）、本设计所要实现的锁相环的基本框架
本设计中，鉴相器有CORDIC混频器加上修正的arctan相位提取器组成，环路滤波器有理想二阶环组成，NCO由32位的数字累加器组成。
基于锁相环的理论，以载波恢复环为依托搭建数字锁相环平台，并在FPGA中实现锁相环的基本功能。
在FPGA中实现锁相环的自动增益控制，锁定检测，锁定时间、失锁时间的统计计算，多普勒频偏的估计。
通过USB接口与电脑实现通信来交换有关锁相环的参数。电脑传递锁相环所需的参数（如等效噪声带宽等），FPGA将锁相环的结果传递给电脑（如锁定时间，多普勒频率等）。
二、设计任务
锁相环的输入具有自动增益控制AGC模块，这样可以允许一定动态范围的信号输入，也减少了输入环路信噪比的大幅波动，从而减少了环路噪声带宽的大幅波动。
基于VHDL语言实现数字锁相环，混频基于CORDIC算法，相位提取模块是修正的反正切相位提取，环路滤波器采用理想的二阶环，NCO采用32位的累加器。设计完先进行Modelsim仿真，后利用ISE自带的CHIPSCOPE下载调试。
具有锁定检测模块，当环路锁定时，通过LED灯或数码管给出锁定指示。
通过锁定指示的输出信号，来控制一个实时时钟，这样可以统计锁定时间和失锁时间，所记录的时间存入两个FIFO。
设计USB通信模块，使得设计的锁相环可以同电脑进行通信，将接收电脑传给FPGA的环路参数，同时将检测的锁定时间和失锁时间，锁定指示，多普勒频偏估计等传输给电脑。
利用MATLAB GUI设计一个控制面板，通过控制面板可以随时改变锁相环的环路参数，也可以接收锁相环通过USB传输给电脑的锁相环的结果。
三、设计原理
随着数字技术的发展，现在出现了很多资源丰富的可编程器件，像FPGA、DSP、专用集成电路等，基于软件无线电的通信系统，一般采用数字锁相环。数字锁相环具有锁定精度高，跟踪带宽大，参数可以在不修改硬件电路的前提下进行修改等种种的优点。目前，数字锁相环广泛应用于通信、航天等领域。针对具体的应用，数字锁相环可以用于载波跟踪，相位提取等。本设计就是以载波回复环为依托进行的数字锁相环设计。
（1）、锁相环的基本框架
锁相环是一个频率与相位的同步控制系统。它的工作过程可用下图表示
图（1）、锁相环基本框图
上面的锁相环是一般模拟锁相环所必需包含的环路组成，包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器。而对于利用软件来实现的全数字锁相环，必须在FPGA内部实现锁相环的鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等部件。
（2）、本设计所要实现的锁相环的基本框架
图（2）、本设计所要实现的锁相环的基本框架
本设计中，鉴相器有CORDIC混频器加上修正的arctan相位提取器组成，环路滤波器有理想二阶环组成，NCO由32位的数字累加器组成。
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