高精度中频数字鉴相器在FPGA上的实现_刘晓庆1
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第 35 卷 第 5 期 核 技 术 Vol. 35, No.5
2012 年 5 月 NUCLEAR TECHNIQUES May 2012
高精度中频数字鉴相器在FPGA上的实现
刘晓庆
1
刘 波
1
马新朋
2
1（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800）
2（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）
摘要 介绍了一种高精度中频数字鉴相器的鉴相原理，以及在设计过程中以数字滤波器为主的参数选择方法，
并且将其在 FPGA 上硬件实现。该鉴相器采用数字 I/Q 技术，鉴相精度达到 0.029°，利用该高精度中频数字鉴
相器对 3.71875 MHz 中频信号进行鉴相，实际鉴相结果为：绝对相位鉴相结果好于 0.05°，均方根值为 0.0076°；
相对相位鉴相结果好于 0.1°，均方根值为 0.0287°。
关键词 数字鉴相器，数字滤波器，数字 I/Q，FPGA
中图分类号 TN911.8
近几年来，美国的 SLAC、德国的 DESY、意
大利的 ELETTRA 和中国科学院上海应用物理所等
相继开展了基于电子直线加速器的短波长自由电子
激光(FEL)的研究工作。FEL 拥有强相干、高亮度、
超短脉冲、波长连续可调等特性，对科技发展具有
重大的价值
[1,2]
；但 FEL 装置包含大量子系统，面
临着系统集成和调试的挑战，须确保各子系统间飞
秒量级的定时和同步，激光(包括种子激光、光阴极
电子枪驱动激光和实验站用泵浦激光等)、电子束流
与 RF 加速电场之间的高精度定时和同步对系统的
性能起着至关重要的作用
[3,4]
。
FEL 装置的同步定时系统的实现方式有光学
法、电子学法和光学电子学结合法。例如，DESY
的 Flash 装置和 ELETTRA 的 FERMI 装置采用光学
法，SLAC 的 LCLS 装置采用了基于中频数字鉴相
的电子学法，锁相稳定度达 0.07°。FEL 装置的同步
定时系统中，待同步信号与参考信号相位差作为反
馈控制环路的核心控制信号，得准确可靠地测量。
而在基于电子学的同步定时系统中，通常对 GHz
量级的待同步信号与参考信号下变频为中频信号后
再做处理。传统的模拟鉴相器中的模拟器件会引入
大量的误差，其来源包括直流偏置、阻抗匹配、传
输损耗等
[5]
。数字鉴相器可有效地避免这些误差，
故鉴相准确度更高。
本文介绍了一种在 FPGA(Field Programmable
Gate Array)上实现的高精度中频数字鉴相器，该数
字鉴相器采用数字 I/Q 技术，可对一路中频信号进
行绝对相位鉴相，或者对两路中频信号进行相对相
位鉴相，该数字鉴相器的鉴相结果稳定在 0.1º 以下，
鉴相器精度达 0.029°，鉴相结果满足飞秒同步定时
系统的精度要求。
1
高精度中频数字鉴相器原理及参数设置
1.1 高精度中频数字鉴相器原理
图 1 为基于数字 I/Q 技术的中频数字鉴相器原
理框图。
——————————————
第一作者：刘晓庆，女，1987 年 8 月生，2012 年于上海应用物理研究所获硕士学位，主要研究方向为自由电子激光同步定时系统
通讯作者：刘 波，liubo@sinap.ac.cn
收稿日期：2012-02-15，修回日期：2012-03-20
图 1 基于数字I/Q技术的中频数字鉴相器原理框图
Fig.1 Schematics of intermediate-frequency digital phase detector based
on digital I/Q technology .
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KerstinTongxi
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