Цифровой фазовый контур автоподстройки частоты

Открыть сценарий

В этом примере показано, как моделировать цифровую систему фазовой автоподстройки частоты с использованием Blockset™ смешанного сигнала. В цифровой системе фазовой автоподстройки частоты детектирование фазы выполняется преобразователем времени в цифровое (TDC), фильтрация контура выполняется цифровым фильтром, а генератор является генератором с цифровым управлением (DCO). Этот пример демонстрирует поведенческую модель TDC, использование BiquadFilter из DSP Systen Toolbox™ в качестве фильтра цифрового шлейфа и использование VCO и DAC из блока смешанного сигнала для моделирования DCO.

Этот пример также демонстрирует один способ конструирования контура управления цифровой ФАПЧ путем использования архитектур ФАПЧ из блока смешанного сигнала для конструирования аналоговой ФАПЧ и последующего преобразования аналоговой конструкции в ее цифровой эквивалент.

Цифровой ФАПЧ

Откройте и запустите пример модели цифровой ФАПЧ. Затем выберите PLL Testbench в модели и нажмите кнопку Plot phase noise (график фазового шума) (или вызовите функцию обратного вызова кнопки). Сохранение формы сигнала петлевого фильтра и данных фазового шума для последующего сравнения с аналоговыми результатами ФАПЧ.

open('DigitalPLL.slx');
simout = sim(gcs);
msblks.PLL.pllTBPlotPhaseNoiseButton([gcs '/PLL Testbench']);
dpll_vcntl = simout.dpll_vcntl;
getDigitalPllPhaseNoise;

Преобразователь времени в цифровой

Поведенческая модель TDC использует запускаемые подсистемы для выборки тактового времени на восходящих краях опорного тактового сигнала и дробного делителя PLL. Затем вычисляется разность между этими двумя дискретизированными временами синхронизации и преобразуется в восьмиразрядное целочисленное выходное значение. Для моделирования цифрового контура обратной связи, синхронизированного эталоном, частота дискретизации выходного порта устанавливается на эталонную частоту.

open_system('DigitalPLL/TDC','force');

Цифровой управляемый осциллятор

Модель DCO представляет схему, в которой управление ГУН устанавливается цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). Преобразование в DAC инициируется опорным синхросигналом.

Ухудшение фазового шума в ГУН включено. Модель DAC также может моделировать нарушения. Однако нарушения DAC не включены в модели примера.

Можно также смоделировать DCO, непосредственно установив массив управляющего напряжения VCO для смешанного блока сигналов в массив последовательных целых чисел, который охватывает диапазон цифровых входных значений. Затем можно задать массив выходных частот для подачи выходной частоты для каждого возможного входного значения.

open_system('DigitalPLL/DCO','force');

Цифровой фильтр шлейфа

Фильтр цикла представляет собой BiquadFilter из панели инструментов системы DSP. Он синхронизируется на опорной тактовой частоте выходным портом TDC.

Цифровой петлевой фильтр разработан с использованием функции автоматизированного проектирования целочисленной N-PLL с моделью Single Modulus Prescaler из библиотеки архитектуры смешанного сигнального блока PLL. Аналоговый фильтр контура предназначен для достижения заданной полосы пропускания контура и запаса по фазе, затем значения схемы и интервал выборки преобразуются в коэффициенты цифрового фильтра. Для получения правильного общего коэффициента усиления контура к модели биквадратного фильтра контура применяется масштабный коэффициент.

Получение масштабного коэффициента усиления контура совпадает с вычислением процедуры проектирования для всех цифровых фазоблокированных контуров на основе аналогии фазоблокированного контура зарядного насоса.

Переменные, используемые в деривации:

$I_{CP}$ Максимальная амплитуда тока зарядного насоса
Импеданс передачи фильтра аналогового контура
$K_{VCO}$ Чувствительность VCO для аналоговых и цифровых PLL
$T_{REF}$ Опорный тактовый период
$\Delta_{TDC}$ Разрешение времени TDC
Функция передачи фильтра цифрового контура
$K_{DAC}$ Усиление DAC

Следует отметить, что в этом примере общий диапазон TDC составляет два опорных тактовых периода.

Уравнение, делающее коэффициент усиления контура аналоговой и цифровой PLL равным:

${{{I_{CP}}} \over {2\pi }}Z\left( s \right){{{K_{VCO}}} \over s} = {{2{T_{REF}}} \over {{2_\pi }}}{1 \over {{\Delta _{TDC}}}}H\left( s \right){K_{DAC}}{{{K_{VCO}}} \over s}$

Поскольку TDC и DAC в этом примере сконфигурированы так, чтобы иметь одинаковое количество битов, это уравнение сводится к:

$H\left( s \right) = {{{I_{CP}}} \over 2}Z\left( s \right)$

С момента выполнения функции getSOSfromAnalogPLL в этом примере создаются коэффициенты фильтра, которые приводят к усилению фильтра, $Z(s)$ масштабный коэффициент для фильтра контура равен. ${{{I_{CP}}} \over 2}$

В то время как коэффициенты петлевого фильтра, входной сигнал и выходной сигнал в этом примере являются плавающей точкой с двойной точностью, также можно использовать Designer™ с фиксированной точкой для моделирования всего цифрового тракта обратной связи, используя точно такую же цифровую точность, как в схеме, таким образом получая еще более точную оценку нарушений, таких как шум квантования.

Можно разработать и настроить цифровой фильтр цикла, запустив сценарий:

%%%designDigitalLoopFilter;

Сравнение с аналоговой PLL

Можно сравнить захват контура аналоговой ФАПЧ с таковым цифровой ФАПЧ. Дополнительная высокочастотная пульсация в отклике фильтра аналогового контура обусловлена формой сигнала насоса заряда.

open('AnalogPLL.slx');
simout = sim(gcs);
apll_vcntl = simout.apll_vcntl;
plotLoopFilterWaveforms;
msblks.PLL.pllTBPlotPhaseNoiseButton([gcs '/PLL Testbench']);
plot(xdpll,ydpll,'LineWidth',2,'DisplayName','Digital PLL');

Документация