利用测量结果单调化VCO调谐曲线方法、存储介质及系统与流程

利用测量结果单调化vco调谐曲线方法、存储介质及系统
技术领域
1.本发明涉及vco调谐技术领域，特别涉及一种利用测量结果单调化vco调谐曲线方法、存储介质及系统。


背景技术：

2.在通信系统中，电感电容(lc)压控振荡器(vco)作为频率综合器和时钟恢复电路的核心单元需要覆盖很宽的频率范围。因为先进工艺供电电压的限制，特别是当工作环境的温度变化范围较大时，单一调谐曲线不能满足要求，因此vco会有很多条调谐曲线。实际使用时，会根据要求的频率和环境温度来挑选其中一条曲线，并尽量保证vco工作在比较稳定的模拟控制电压的中间区域以增加系统的鲁棒性。
3.vco的lc谐振器中有多个电容与电感并联，每个电容由一个数字控制信号来控制它与电感并联或者断开。多条调谐曲线就是通过连接或者断开不同的电容与电感的连接来实现的。一般通过一组多位数字信号来设定哪条调谐曲线会被使用。这组多位数字信号可采用二-十进制(bcd)编码，温度表(thermometer)编码或者二者结合的编码。
4.另外，lc谐振器中还有一个可调电容与电感并联，当调谐曲线选定后，改变可调电容的模拟控制电压就可以改变vco的振荡频率。vco的振荡频率与模拟控制电压形成选定的调谐曲线。
5.挑选调谐曲线时，通常会先固定调谐电压在中间的区域，然后利用算法挑选，例如常用的算法是二分法。大多数算法要求调谐曲线对于多位数字信号是单调增加或者单调减少的。但是因为器件模型的偏差，初次加工后得到的调谐曲线相对于多位数字控制信号来说并不是单调的，经常会出现有多个编码值违反单调性的情况。这无疑会增加挑选调谐曲线算法的复杂性，一般在后续的追加设计中需要单调化调谐曲线。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是提供一种准确度高、可有效消除测量误差的利用测量结果单调化vco调谐曲线方法。
7.为了解决上述问题，本发明提供了一种利用测量结果单调化vco调谐曲线方法，其包括以下步骤：
8.s1、构建vco调谐曲线模型；
9.s2、基于每条调谐曲线的所有测量值，利用最小二乘法求解得到每条调谐曲线对应的vco调谐曲线模型中的频率偏移量的最优值；
10.s3、根据求解出的频率偏移量参数构建每条调谐曲线的调谐曲线选取模型；
11.s4、利用最小二乘法求解调谐曲线选取模型，得到lc谐振器中各个电容与电感的乘积；
12.s5、利用数字控制信号的权值，归一化各个电容与电感的乘积；
13.s6、利用归一化后的各个电容与电感的乘积得到各个电容微调的系数，并利用电
容微调的系数对各个电容进行微调以单调化调谐曲线。
14.作为本发明的进一步改进，所述vco调谐曲线模型如下：
[0015][0016]
其中，a是调谐曲线中心点的调谐增益；α是形状参数，用于调整调谐曲线非线性区的形状；v
offset
是调谐曲线中心点的模拟控制电压；f
offset
是调谐曲线中心点的谐振频率，即频率偏移量；a、α、v
offset
和f
offset
为待求解的四个参数。
[0017]
作为本发明的进一步改进，步骤s2包括：
[0018]
s21、将第j条调谐曲线上的第i个点的模拟控制电压v
ij
和对应的谐振频率f
ij
的测量值表示为(v
ij
，f
ij
)，i＝1，2，...，n，j＝1，2，...，m，并得到最小二乘法的目标函数为：
[0019][0020]
s22、求解最佳的四个参数，四个参数对应的四个偏导数为0，如下：
[0021][0022]
s23、选取四个参数的初始值，并利用迭代法求解四个参数的最优值。
[0023]
作为本发明的进一步改进，步骤s23包括：
[0024]
s231、当v在v
offset
附近，公式(5)可以简化为线性方程，如下：
[0025]
f(v)≈a(v-v
offset
) f
offset
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0026]
s232、选取调谐曲线中间区域的两点(v
mj
，f
mj
)和(v
nj
，f
nj
)，两点的中心点的调谐增益初始值为：
[0027][0028]
s233、调谐曲线中心点的模拟控制电压v
offset
和调谐曲线中心点的谐振频率f
offset
的初始值分别为：
[0029][0030][0031]
s234、当v＞＞v
offset
时，公式(5)变成：
[0032][0033]
s235、选取最远离v
offset
的一个点(v
pj
，f
pj
)带入(13)，得到α的初始值为：
[0034][0035]
s236、根据四个参数的初始值利用迭代法求解四个参数的最优值。
[0036]
作为本发明的进一步改进，步骤s3包括：根据公式(5)，将lc谐振器中电容电感与谐振频率的关系式改写成包含数字控制信号的形式，得到调谐曲线的调谐曲线选取模型如下：
[0037][0038]
其中，c
fix
是固定模拟控制信号在v
offset，j
后可变电容的电容值与lc谐振器中的固定电容的并联值，sk，(k＝1，2，...，p)是取值为0或者1的数字控制信号，ck是被第k个数字控制信号控制的电容，f
offset，j
j是第j条调谐曲线中心点的谐振频率，l为电感。
[0039]
作为本发明的进一步改进，步骤s4包括：
[0040]
假定数字信号是bcd编码的，把数字序列s
p
，s
p-1
，...，s2，s1当成一个二进制数，转换成十进制数就是j，整理公式(16)得到：
[0041][0042]
满足(17)的方程一共有m个，自变量有p 1个，写成矩阵形式得到调谐曲线的选取模型满足：
[0043]
[s][lc]＝[f]
ꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0044]
其中，
[0045][0046]
[lc]＝[lc
p lc
p-1
ꢀ…ꢀ
lc
2 lc
1 lc
fix
]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0047][0048]
其中[
·
]
t
是矩阵的转置，因为方程的数目大于自变量的数目，m＞p 1，所以公式(18)是一个超定方程组，可以使用最小二乘法来求得最优解，最优解是一个闭式的解，表达成矩阵形式为：
[0049]
[lc]＝([s]
t
[s])-1
[s]
t
[f]
ꢀꢀ
(22)
[0050]
其中[
·
]-1
是矩阵的逆。
[0051]
作为本发明的进一步改进，步骤s5包括：对从公式(22)得到的[lc]进行加权处理，
得到：
[0052][0053]
其中，[lc]
weighted
为加权处理后的[lc]。
[0054]
作为本发明的进一步改进，步骤s6包括：
[0055]
选定一个lc
unit
，lc谐振器中的理想电容值应该满足：
[0056][0057]
其中c
unit
是预期的单位电容值；
[0058]
用公式(24)中的加权lc值除以公式(23)中对应的加权lc
′
，消去电感l，得到电容微调的系数为：
[0059][0060]
其中，c
new
为新的电容值，c
present
为当前电容值。
[0061]
为了解决上述问题，本发明还提供了一种利用测量结果单调化vco调谐曲线系统，其包括：
[0062]
调谐曲线模型构建模块，用于构建vco调谐曲线模型；
[0063]
调谐曲线模型求解模块，用于基于每条调谐曲线的所有测量值，利用最小二乘法求解得到每条调谐曲线对应的vco调谐曲线模型中的频率偏移量的最优值；
[0064]
调谐曲线选取模型构建模块，用于根据求解出的频率偏移量参数构建每条调谐曲线的调谐曲线选取模型；
[0065]
调谐曲线选取模型求解模块，用于利用最小二乘法求解调谐曲线选取模型，得到lc谐振器中各个电容与电感的乘积；
[0066]
归一化模块，用于利用数字控制信号的权值，归一化各个电容与电感的乘积：
[0067]
微调模块，用于利用归一化后的各个电容与电感的乘积得到各个电容微调的系数，并利用电容微调的系数对各个电容进行微调以单调化调谐曲线。
[0068]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一所述的利用测量结果单调化vco调谐曲线方法的步骤。
[0069]
本发明的有益效果：
[0070]
本发明利用测量结果单调化vco调谐曲线方法可以有效消除测量误差带来的影响，不但能得到精确的vco调谐曲线模型，精确的调谐曲线选取模型，还能给出精确的微调电容比值以满足单调化调谐曲线的需要。
[0071]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0072]
图1是本发明优选实施例利用测量结果单调化vco调谐曲线方法的整体流程图。
[0073]
图2是调谐曲线示意图；
[0074]
图3是不同形状参数α与调谐曲线的关系示意图；
[0075]
图4是本发明优选实施例中调谐曲线中心点的谐振频率平方的倒数与调谐曲线编号的关系；
[0076]
图5是本发明优选实施例中加权后的lc值。
具体实施方式
[0077]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0078]
常用的单调化调谐曲线的方法是调整lc谐振器中的电容值。因为lc谐振器中的电容值很小，所以不能通过直接测量来确定，而是通过测量得到的vco的谐振频率来间接量化。先是利用某个电容接入前后的频率的不同得到这个电容与电感的乘积，在得到所有的电容与电感的乘积后，各个电容之间的比值就可以得到了。然后就可以对电容进行微调以达到预想的电容之间的比值，进而单调化调谐曲线。
[0079]
例如，如果某电容c2接入前的频率为f1，它与lc谐振器中电感l电容c1的关系，即lc谐振器中电容电感与谐振频率的关系式为：
[0080][0081]
设这个电容c2接入后的频率为f2，它与lc谐振器中电感l电容(c1 c2)的关系是
[0082][0083]
结合公式(1)和(2)，可以得到电容的比值如下：
[0084][0085]
这种方法操作简单，只需要少数测量数据和简单的计算就可得到微调电容所需要的电容间的比值。缺点是误差大，可能针对所取测量数据附近的调谐曲线比较准，对其它远离测量数据的调谐曲线不准。因为只选取了少数的测量数据，不能有效消除测量误差带来的影响。
[0086]
如图1所示，为本发明优选实施例中利用测量结果单调化vco调谐曲线方法，其包括以下步骤：
[0087]
s1、构建vco调谐曲线模型；
[0088]
如图2所示，具体地，当通过数字控制信号选定一条调谐曲线后，vco的振荡频率便由一个与可变电容连接的模拟控制信号来控制。适当的设置可变电容的偏置电压，vco的振荡频率可以表示为：
[0089][0090]
公式(5)即为vco调谐曲线模型，其中，a是调谐曲线中心点的调谐增益；α是形状参数，用于调整调谐曲线非线性区的形状，参照图3；v
offset
是调谐曲线中心点的模拟控制电压；f
offset
是调谐曲线中心点的谐振频率，即频率偏移量；a、α、v
offset
和f
offset
为待求解的四个参数。
[0091]
s2、基于每条调谐曲线的所有测量值，利用最小二乘法求解得到每条调谐曲线对应的vco调谐曲线模型中的频率偏移量的最优值；
[0092]
具体地，步骤s2包括：
[0093]
s21、将第j条调谐曲线上的第i个点的模拟控制电压v
ij
和对应的谐振频率f
ij
的测量值表示为(v
ij
，f
ij
)，i＝1，2，...，n，j＝1，2，...，m，并得到最小二乘法的目标函数为：
[0094][0095]
s22、求解最佳的四个参数，四个参数对应的四个偏导数为0，如下：
[0096][0097]
其中，从公式(8)得到的四个方程中对于参数α和v
offset
的方程是非线性的，因而由(8)组成的方程组没有闭式解，但可以用成熟的迭代法，例如莱文贝格-马夸特(levenberg-marquardt)算法来求解四个参数。
[0098]
s23、选取四个参数的初始值，并利用迭代法求解四个参数的最优值。
[0099]
可选地，步骤s23包括：
[0100]
s231、当v在v
offset
附近，公式(5)可以简化为线性方程，如下：
[0101]
f(v)≈a(v-v
offset
) f
offset
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0102]
s232、选取调谐曲线中间区域的两点(v
mj
，f
mj
)和(v
nj
，f
nj
)，两点的中心点的调谐增益初始值为：
[0103][0104]
s233、考虑到测量点在整个调谐曲线上是大致均匀分布的，调谐曲线中心点的模拟控制电压v
offset
和调谐曲线中心点的谐振频率f
offset
的初始值分别为：
[0105][0106]
[0107]
s234、当v＞＞v
offset
时，公式(5)变成：
[0108][0109]
s235、选取最远离v
offset
的一个点(v
pj
，f
pj
)带入(13)，得到α的初始值为：
[0110][0111]
s236、根据四个参数的初始值利用迭代法求解四个参数的最优值。
[0112]
其中，对于每条调谐曲线，这四个参数可能不同，第j条调谐曲线的最优参数可以表示为aj，αj，v
offset，j
和f
offset，j
。
[0113]
s3、根据求解出的频率偏移量参数构建每条调谐曲线的调谐曲线选取模型；
[0114]
假定所有m条调谐曲线的模拟控制电压的中心点几乎一样，实际的测量结果也证明了这一点。可以令v＝v
offset，j
把m条调谐曲线中心点的谐振频率表示为f
offset，j
(j＝0，1，2，...，m-1)。
[0115]
具体地，步骤s3包括：根据公式(5)，将lc谐振器中电容电感与谐振频率的关系式(1)改写成包含数字控制信号的形式，得到调谐曲线的调谐曲线选取模型如下：
[0116][0117]
其中，c
fix
是固定模拟控制信号在v
offset，j
后可变电容的电容值与lc谐振器中的固定电容的并联值，sk，(k＝1，2，...，p)是取值为0或者1的数字控制信号，ck是被第k个数字控制信号控制的电容，f
offset，j
j是第j条调谐曲线中心点的谐振频率，l为电感。
[0118]
s4、利用最小二乘法求解调谐曲线选取模型，得到lc谐振器中各个电容与电感的乘积；
[0119]
具体地，步骤s4包括：
[0120]
假定数字信号是bcd编码的，把数字序列s
p
，s
p-1
，...，s2，s1当成一个二进制数，转换成十进制数就是j，整理公式(16)得到：
[0121][0122]
满足(17)的方程一共有m个，自变量有p 1个，写成矩阵形式得到调谐曲线的选取模型满足：
[0123]
[s][lc]＝[f]
ꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0124]
其中，
[0125][0126]
[lc]＝[lc
p lc
p-1
ꢀ…ꢀ
lc
2 lc
1 lc
fix
]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0127][0128]
其中[
·
]
t
是矩阵的转置，因为方程的数目大于自变量的数目，m＞p 1，所以(18)是一个超定方程组，可以使用最小二乘法来求得最优解，最优解是一个闭式的解，表达成矩阵形式为：
[0129]
[lc]＝([s]
t
[s])-1
[s]
t
[f]
ꢀꢀ
(22)
[0130]
其中[
·
]-1
是矩阵的逆。
[0131]
s5、利用数字控制信号的权值，归一化各个电容与电感的乘积；
[0132]
不失一般性，假设数字控制信号是bcd编码的，为了保证调谐曲线中心频率平方的倒数与数字控制信号是线性的，lc谐振器中的电容应该满足：
[0133][0134]
其中c
unit
是预期的单位电容值。但是初次加工后，公式(23)往往得不到完全的满足。如图4所示，为调谐曲线中心点的谐振频率平方的倒数与调谐曲线编号的关系，除了多处出现小的突变外，在k＝64出现了非单调现象。
[0135]
具体地，步骤s5包括：对从公式(22)得到的[lc]进行加权处理，得到：
[0136][0137]
其中，[lc]
weighted
为加权处理后的[lc]。
[0138]
加权处理后的[lc]
weighted
值更能反映线性特性，如图5所示，所有的加权lc值没有在一条水平线上，不满足公式(23)。
[0139]
为了消除中心频率平方的倒数与调谐曲线编号的关系曲线上的小突起和非单调性，可以根据公式(24)中的加权lc值对电容进行微调，使得公式(23)得到满足。
[0140]
s6、利用归一化后的各个电容与电感的乘积得到各个电容微调的系数，并利用电容微调的系数对各个电容进行微调以单调化调谐曲线。
[0141]
具体地，步骤s6包括：
[0142]
选定一个lc
unit
，例如可以直接取公式(24)中等号右边的前p个值的平均值以尽量减少对vco振荡频率的偏移。
[0143]
用公式(24)中的加权lc值除以公式(23)中对应的加权lc
′
，消去电感l，得到电容
微调的系数为：
[0144][0145]
其中，c
new
为新的电容值，c
present
为当前电容值。
[0146]
本发明利用测量结果单调化vco调谐曲线方法可以有效消除测量误差带来的影响，不但能得到精确的vco调谐曲线模型，精确的调谐曲线选取模型，还能给出精确的微调电容比值以满足单调化调谐曲线的需要。
[0147]
本发明优选实施例还公开了一种利用测量结果单调化vco调谐曲线系统，其包括：
[0148]
调谐曲线模型构建模块，用于构建vco调谐曲线模型；
[0149]
调谐曲线模型求解模块，用于基于每条调谐曲线的所有测量值，利用最小二乘法求解得到每条调谐曲线对应的vco调谐曲线模型中的频率偏移量的最优值；
[0150]
调谐曲线选取模型构建模块，用于根据求解出的频率偏移量参数构建每条调谐曲线的调谐曲线选取模型；
[0151]
调谐曲线选取模型求解模块，用于利用最小二乘法求解调谐曲线选取模型，得到lc谐振器中各个电容与电感的乘积；
[0152]
归一化模块，用于利用数字控制信号的权值，归一化各个电容与电感的乘积；
[0153]
微调模块，用于利用归一化后的各个电容与电感的乘积得到各个电容微调的系数，并利用电容微调的系数对各个电容进行微调以单调化调谐曲线。
[0154]
本发明实施例中的利用测量结果单调化vco调谐曲线系统用于实现前述的利用测量结果单调化vco调谐曲线方法，因此该系统的具体实施方式可见前文中的利用测量结果单调化vco调谐曲线方法的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
[0155]
另外，由于本实施例的利用测量结果单调化vco调谐曲线系统用于实现前述的利用测量结果单调化vco调谐曲线方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。
[0156]
本发明优选实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的利用测量结果单调化vco调谐曲线方法的步骤。
[0157]
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。