DPLL

Une boucle à verrouillage de phase numérique (DPLL) est un système de rétroaction électronique qui force un signal d'horloge ou un oscillateur à se verrouiller sur la fréquence et la phase d'une entrée de référence. Contrairement à son cousin analogique, la PLL, qui utilise des niveaux de tension continus pour ajuster la fréquence de l'oscillateur, une DPLL effectue toute la détection de phase, la comparaison et le contrôle de fréquence en utilisant des échantillons numériques discrets et de l'arithmétique. L'oscillateur de sortie génère toujours un signal continu, mais la boucle elle-même fonctionne par des mesures et des calculs périodiques plutôt que par un filtrage analogique.

L'opération principale est cyclique: échantillonner la différence de phase entre la référence entrante et le signal généré en interne, calculer un terme d'erreur, mettre à jour un oscillateur contrôlé numériquement (NCO) et répéter. Le NCO est un compteur ou un accumulateur dont le taux de débordement définit la fréquence de sortie. En ajustant la valeur d'incrément de l'accumulateur en fonction de l'erreur de phase mesurée, la DPLL dirige la sortie pour qu'elle corresponde à l'entrée. L'échantillonnage se produit à des intervalles discrets, généralement liés à une horloge système ou à la référence elle-même.

Applications courantes et variantes

Les DPLL apparaissent dans les circuits de récupération d'horloge pour les flux de données, les synthétiseurs de fréquence, les références de synchronisation dans les télécommunications et la synchronisation dans les processeurs de signaux numériques. Dans les récepteurs Ethernet et USB, une DPLL extrait une horloge des transitions de données entrantes sans ligne d'horloge séparée. Les variantes incluent des conceptions de boucles de second ordre et d'ordre supérieur (contrôlant non seulement la fréquence mais aussi son taux de variation) et des variantes entièrement numériques où même l'oscillateur de sortie est synthétisé à partir d'une horloge de référence plus rapide plutôt que d'être un véritable circuit analogique.

Les compromis de conception incluent la bande passante de la boucle (réponse rapide versus rejet du bruit), la plage de verrouillage (à quel point l'entrée peut être décalée en fréquence et toujours atteindre le verrouillage) et la gigue (oscillation de phase résiduelle). Le gain de la boucle, les coefficients proportionnels et intégrateurs, et la résolution du NCO déterminent tous les performances. Une DPLL avec une bande passante trop large peut amplifier le bruit; trop étroite, elle devient lente à suivre les étapes ou la dérive de fréquence.

Le terme a gagné en popularité dans les années 1960, lorsque les circuits intégrés numériques ont rendu la rétroaction basée sur l'arithmétique pratique. Aujourd'hui, la DPLL est un élément primitif standard dans les systèmes à signaux mixtes et définis par logiciel, souvent implémentée dans la logique FPGA ou le micrologiciel de processeur de signal numérique où les PLL entièrement analogiques sont peu pratiques ou inutiles. La simplicité mathématique rend les DPLL portables sur différentes technologies de silicium et déboguables via la simulation.