一种应用于锁相环的多段式VCO频率校准方法与流程

本发明涉及射频微波领域，更为具体的，涉及一种应用于锁相环的多段式vco频率校准方法。

背景技术：

锁相环电路是一个闭环系统，该系统最关键的三个器件是：鉴相器、环路滤波器、vco。vco是该电路的重要组成部分，近年来有一种多段式vco开始应用于锁相环，如图1所示。

频率多段式vco与传统宽带vco相比，具有更低的相位噪声。频率多段式vco的最大特点是将频率分成若干段，因此选择合适的频段组合完全覆盖所有频段是电路设计的关键点。但是存在一个无法避免的缺点，由于材料、工艺等的限制，不同批次的产品的频段划分情况会有差异，因此需要针对其不同频段进行频率校准。

现有的基于多段式vco的锁相环频率校准电路原理框图如图2。该电路实现频率校准功能必不可少的基本单元包括：控制单元、鉴相器、环路滤波器、多段式vco。基于图2的电路，现有的频率校准方法可以对多段式vco或常规宽带vco进行频率校准。

对于多段式vco，如果加工制造的误差没有超过某一频段产品手册标称最高频率和标称最低频率之差，该频段实际最高频率和实际最低频率与产品手册该频段标称最高频率和标称最低频率的相对位置关系存在4种情况，如图3所示。图3中多段式vco某一频段实际最低频率和实际最高频率分别用sd和sg表示，多段式vco某一频段标称最低频率和标称最高频率分别用用bd和bg表示。

图3场景a中，多段式vco的实际最低频率和实际最高频率包含于标称最低频率和标称最高频率之间，即这种场景下，采用现有校准方法，选择合适的比例因子，可以实现比较准确的频率校准，对于这种场景，比例因子选择越小，校准的频率值越准确。

图3场景b中，多段式vco的实际最低频率和实际最高频率与标称最低频率和标称最高频率存在一个交集，即[sd,sg]∩[bd,bg]＝[sd,bg]。这种场景下，无论比例因子如何选择，校准准确度都会存在一个系统误差，无法通过减小比例因子来减小这个系统误差，这个系统误差的范围是[bg,sg]。

图3场景c中，多段式vco的实际最低频率和实际最高频率与标称最低频率和标称最高频率存在一个交集，即[sd,sg]∩[bd,bg]＝[bd,sg]。这种场景下，无论比例因子如何选择，校准准确度都会存在一个系统误差，无法通过减小比例因子来减小这个系统误差，这个系统误差的范围是[sd,bd]。

图3场景d中，多段式vco的标称最低频率和标称最高频率包含于实际最低频率和实际最高频率之间，即这种场景下，无论比例因子如何选择，校准准确度都会存在一个系统误差，无法通过减小比例因子来减小这个系统误差，这个系统误差的范围是[sd,bd]∪[bg,sg]。

由上可知，已有多段式vco的锁相环频率校准方法对于某些应用场景校准时存在系统误差，本发明的主要目的在于消除这种系统误差，优化流程。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于锁相环的多段式vco频率校准方法，能够保证不同批次间多段式vco、全温(高温、低温、常温)状态下同批次多段式vco频率分段均能完全覆盖宽带频率范围，并且提高频率校准精度等。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种应用于锁相环的多段式vco频率校准方法，包括步骤：

s1，校准开始；

s2，开始后，控制单元的控制器判断锁相环是否锁定；如果未锁定，返回步骤s1；如果锁定并且此时的校准次数k>1，则进入步骤s3；如果锁定并且此时k＝1，进入步骤s4；

s3，将已锁定的频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最高频率fmax_n；

s4，对校准次数k计数减1，并且赋值到k，覆盖上一个k值，即k＝k-1；

s5，控制单元的控制器向鉴相器发送指令，鉴相器输出频率通过如下计算；

fmax_nk＝fmax_n-(fmax_n-fmin_n)×a×k

fmax_nk为校准过程的中间频率值，fmax_n为多段式vco频段n的产品手册标称的最高频率，fmin_n为多段式vco频段n的产品手册标称的最低频率，a为比例因子，a∈[0,1]，k为校准次数；

s6，鉴相器向控制单元上报锁相环是否锁定的状态；

s7，控制单元的控制器判断锁相环是否锁定；如果锁定，则返回步骤s4，然后依次执行步骤s4、步骤s5、步骤s6、步骤s7；如果未锁定，进入步骤s8；

s8，将距离未锁定最近的一次的已锁定频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最高频率fmax_n；

s9，频率校准；

s10，控制单元的控制器判断锁相环是否锁定；如果未锁定，返回步骤s9；如果锁定并且此时的校准次数m>1，进入步骤s11；如果锁定并且此时的校准次数m＝1，进入步骤s12；

s11，将已锁定的频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最低频率fmin_n；

s12，对校准次数m计数减1，并且赋值到m，覆盖上一个m值，即m＝m-1；

s13，控制单元的控制器向鉴相器发送指令，鉴相器输出频率通过公式2计算；

fmin_nm＝fmin_n+(fmax_n-fmin_n)×b×m

fmin_nm为校准过程的中间频率值；

s14，鉴相器向控制单元上报锁相环是否锁定的状态；

s15，控制单元的控制器判断锁相环是否锁定；如果锁定，返回步骤s12，然后依次执行步骤s12、步骤s13、步骤s14、步骤s15；如果未锁定，进入过程步骤s16；

s16，将距离未锁定最近的一次的已锁定频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最低频率fmin_n；

s17，控制单元的控制器判断多段式vco所有频段是否全部校准完成；如果未全部校准完成，返回步骤s1，依次执行步骤s1～步骤s17；如果已全部校准完成，则校准过程结束。

进一步地，在步骤s8中，距离未锁定最近的一次即为第k＝k+1次。

进一步地，在步骤s16中，距离未锁定最近的一次即为第m＝m+1次。

进一步地，在步骤s6和s14中，所述鉴相器包括但不仅限于hmc704。

进一步地，控制单元包括控制器和存储器；控制器和存储器由功能独立的器件实现，控制器包括但不仅限于xc4vlx25，存储器包括但不仅限于xcf32pfs48c。

进一步地，多段式vco包括但不仅限于siv019sp4。

进一步地，在步骤s3中，根据变量k的取值将判断选项“是”分成两种情况：“是(k＝1)”、“是(k＞1)”，当k＝1时，说明现有技术对多段式vco某一频段n的最高频率fmax_n的校准存在误差，则流程进入本实施方案中“步骤4、步骤5、步骤6、步骤7、步骤8”所组成的频率校准方法，该实施方案可以提高多段式vco某一频段n的最高频率fmax_n的准确度。

进一步地，在步骤s10中，根据变量m的取值将判断选项“是”分成两种情况：“是(m＝1)”、“是(m＞1)”，当m＝1时，说明现有技术对多段式vco某一频段n的最低频率fmin_n的校准存在误差，则流程进入“步骤11、步骤12、步骤13、步骤14、步骤15”所组成的频率校准方法，该方法可以提高多段式vco某一频段n的最低频率fmin_n的准确度。

本发明的有益效果包括：

本发明可以保证不同批次间多段式vco、全温(高温、低温、常温)状态下同批次多段式vco频率分段均能完全覆盖宽带频率范围，并且在现有技术的情况下提高频率校准精度。具体的，包括：

1、针对多段式vco由于材料、工艺等因素导致的分段频率偏移，本发明实施例中提出的校准方法可以解决a批次选择的频段组合可以完全覆盖a批次，但无法完全覆盖b批次的产品的问题。

2、针对多段式vco由于材料、工艺等因素导致的分段频率偏移，本发明实施例中提出的校准方法可以解决同一批次的产品，在高温、低温、常温下的频段划分情况也会有漂移的问题。

3、本发明实施例中提出的多段式vco频率校准方法，有益于多段式vco在工程应用广泛使用。

4、本发明实施例中提出的多段式vco频率校准方法，有益于提高多段式vco频率校准的准确度，减小某些情况下频率校准的系统误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种典型单环锁相环原理框图；

图2为基于多段式vco的锁相环频率校准电路原理框图；图2中，实线箭头表示信号流；

图3为多段式vco实际频率与标称频率的不同应用场景示意图，显示了多段式vco某一频段实际最高频率和实际最低频率与产品手册该频段标称最高频率和标称最低频率的相对位置关系存在的4种情况；图3中，□表示多段式vco某一频段实际最低频率(简称实低)，○表示多段式vco某一频段标称最低频率(简称标低)，■表示多段式vco某一频段实际最高频率(简称实高)，●表示多段式vco某一频段标称最高频率(简称标高)；

图4为本发明实施例中提出的基于多段式vco的锁相环频率校准方法流程图；

图5为现有方法流程局部1的步骤示意图；

图6为现有方法流程局部2的步骤示意图。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

实施例1

在本实施例中，进行如下定义：

fmin_n为多段式vco频段n的产品手册标称的最低频率，该频率属于未校准的初始最低频率。例如频段3的产品手册标称的最低频率为fmin_3。

fmax_n为多段式vco频段n的产品手册标称的最高频率，该频率属于未校准的初始最高频率。

fmax_n为多段式vco频段n的校准后的最高频率。

fmin_n为多段式vco频段n的校准后的最低频率。

图3、图5、图6中“n＝n+1，k＝k+1，m＝m+1，k＝k-1，m＝m-1”中的“＝”表示运算并且赋值，不代表该公式一定为等式。

公式1：fmax_nk＝fmax_n-(fmax_n-fmin_n)×a×k

公式2：fmin_nm＝fmin_n+(fmax_n-fmin_n)×b×m

其中，fmax_nk和fmin_nm为校准过程的中间频率值；k和m为校准次数，属于校准过程的中间变量；a和b为比例因子，a∈[0,1]，b∈[0,1]，a或b越小，校准后的频率值越接近实际值，但此时校准次数k或m会增加，校准时间变长；例如对某款多段式vco，选择a或b的值为5％～10％(不限于该值)，兼顾校准的准确度与校准时间。a和b的取值可以相同，也可以不同。

如图1～4所示，一种应用于锁相环的多段式vco频率校准方法，包括步骤：

s1，校准开始；

s2，开始后，控制单元的控制器判断锁相环是否锁定；如果未锁定，返回步骤s1；如果锁定并且此时的校准次数k>1，则进入步骤s3；如果锁定并且此时k＝1，进入步骤s4；

s3，将已锁定的频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最高频率fmax_n；

s4，对校准次数k计数减1，并且赋值到k，覆盖上一个k值，即k＝k-1；

s5，控制单元的控制器向鉴相器发送指令，鉴相器输出频率通过如下计算；

fmax_nk＝fmax_n-(fmax_n-fmin_n)×a×k

fmax_nk为校准过程的中间频率值，fmax_n为多段式vco频段n的产品手册标称的最高频率，fmin_n为多段式vco频段n的产品手册标称的最低频率，a为比例因子，a∈[0,1]，k为校准次数；

s6，鉴相器向控制单元上报锁相环是否锁定的状态；

s7，控制单元的控制器判断锁相环是否锁定；如果锁定，则返回步骤s4，然后依次执行步骤s4、步骤s5、步骤s6、步骤s7；如果未锁定，进入步骤s8；

s8，将距离未锁定最近的一次的已锁定频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最高频率fmax_n；

s9，频率校准；

s10，控制单元的控制器判断锁相环是否锁定；如果未锁定，返回步骤s9；如果锁定并且此时的校准次数m>1，进入步骤s11；如果锁定并且此时的校准次数m＝1，进入步骤s12；

s11，将已锁定的频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最低频率fmin_n；

s12，对校准次数m计数减1，并且赋值到m，覆盖上一个m值，即m＝m-1；

s13，控制单元的控制器向鉴相器发送指令，鉴相器输出频率通过公式2计算；

fmin_nm＝fmin_n+(fmax_n-fmin_n)×b×m

fmin_nm为校准过程的中间频率值；

s14，鉴相器向控制单元上报锁相环是否锁定的状态；

s15，控制单元的控制器判断锁相环是否锁定；如果锁定，返回步骤s12，然后依次执行步骤s12、步骤s13、步骤s14、步骤s15；如果未锁定，进入过程步骤s16；

s16，将距离未锁定最近的一次的已锁定频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最低频率fmin_n；

s17，控制单元的控制器判断多段式vco所有频段是否全部校准完成；如果未全部校准完成，返回步骤s1，依次执行步骤s1～步骤s17；如果已全部校准完成，则校准过程结束。

实施例2

在实施例1的基础上，结合图2所示电路，在现有频率校准的方法上面提出基于多段式vco的锁相环频率校准方法，该方法的流程图如图4所示。

结合图2和图4，该实施例的工作过程包括如下：

过程1：校准开始；在这一步中，开始过程可以按现有方法流程执行；例如包括如下过程1.1～过程1.9。

过程1.1：按图2所示电路逻辑关系连接电路。

过程1.2：将多段式vco不同频段(频段1，频段2，...频段n)的vco选段控制码、产品手册中标称的各频段最低频率和最高频率(此频率是未校准的初始频率)写入控制单元的存储器中。多段式vco的某一频段n的产品手册标称的最低频率为fmin_n，最高频率为fmax_n。

过程1.3：设置校准次数n，n为自然数，初始值n＝0。

过程1.4：对校准次数n计数加1，并且赋值到n，覆盖上一个n值，即n＝n+1。

过程1.5：控制单元的控制器向多段式vco发送指令，控制多段式vco工作在频段n。

过程1.6：设置变量k，k为整数，初始值k＝0。

过程1.7：对校准次数k计数加1，并且赋值到k，覆盖上一个k值，即k＝k+1。

过程1.8：控制单元的控制器向鉴相器发送指令，鉴相器输出频率通过公式1计算。

过程1.9：鉴相器向控制单元上报锁相环是否锁定的状态。

过程2：开始后，控制单元的控制器判断锁相环是否锁定。如果未锁定，返回过程1；如果锁定并且此时校准次数k>1，进入过程3；如果锁定并且此时k＝1，进入过程4。

过程3：将已锁定的频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最高频率fmax_n。

过程4：对校准次数k计数减1，并且赋值到k，覆盖上一个k值，即k＝k-1。

过程5：控制单元的控制器向鉴相器发送指令，鉴相器输出频率通过公式1计算。

过程6：鉴相器向控制单元上报锁相环是否锁定的状态。

过程7：控制单元的控制器判断锁相环是否锁定。如果锁定，返回过程4，然后依次执行过程4、过程5、过程6、过程7；如果未锁定，进入过程8。

过程8：将距离未锁定最近的一次(k＝k+1)的已锁定频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最高频率fmax_n。

过程9：按现有方法流程执行，如图4,5,6，例如包括如下过程：

过程9.1：设置变量m，m为整数，初始值m＝0。

过程9.2：对校准次数m计数加1，并且赋值到m，覆盖上一个m值，即m＝m+1。

过程9.3：控制单元的控制器向鉴相器发送指令，鉴相器输出频率通过公式2计算。

过程9.4：鉴相器向控制单元上报锁相环是否锁定的状态。

过程10：控制单元的控制器判断锁相环是否锁定。如果未锁定，返回过程9；如果锁定并且此时m>1，进入过程11；如果锁定并且此时m＝1，进入过程12。

过程11：将已锁定的频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最低频率fmin_n。

过程12：对校准次数m计数减1，并且赋值到m，覆盖上一个m值，即m＝m-1。

过程13：控制单元的控制器向鉴相器发送指令，鉴相器输出频率通过公式2计算。

过程14：鉴相器向控制单元上报锁相环是否锁定的状态。

过程15：控制单元的控制器判断锁相环是否锁定。如果锁定，返回过程12，然后依次执行过程12、过程13、过程14、过程15；如果未锁定，进入过程16。

过程16：将距离未锁定最近的一次(m＝m+1)的已锁定频率值记录在控制单元的存储器中，该频率值为校准后的频段n的最低频率fmin_n。

过程17：控制单元的控制器判断多段式vco所有频段是否全部校准完成。如果未全部校准完成，返回过程1，依次执行过程1～过程17。如果已全部校准完成，校准过程结束。

实施例3

在实施例2的基础上，针对图2所示的不同场景，场景b、场景c、场景d使用现有频率校准方法会存在一个固有的系统误差，本实例选用符合场景b的一款多段式vco，基于本发明描述的一种应用于锁相环的多段式vco频率校准方法开展电路设计，并使用图4描述的方法对多段式vco进行校准。

在本实施例中，主要描述器件选型、工作过程、测试结果共三方面内容。

器件选型，鉴相器选用hmc704，环路滤波器采用三阶无源环路滤波器(电容电阻搭建电路)，多段式vco采用siv019sp4，分路器采用功分器ep2k，控制单元的控制器和存储器采用功能独立的器件实现，控制器采用xc4vlx25，存储器采用xcf32pfs48c。器件的外围配置电路可以依据器件手册及厂商提供的参考电路进行搭建，此处不再详述。

工作过程，对实施实例的工作过程描述如下，各器件的控制默认采用器件手册给出的控制方法进行。按照发明工作过程编写计算机控制程序，将程序烧写到控制单元的存储器xcf32pfs48c中。启动校准工作，计算机控制程序按发明过程执行完成后，将siv019sp4频段1～频段9的校准结果存储在控制单元的存储器xcf32pfs48c中。

测试结果，对一件siv019sp4产品使用本发明提出的方法进行频率校准，校准结果如表1所示，同时，对同一件siv019sp4产品使用现有方法进行频率校准，校准结果对比见表1。

表1基于多段式vco的锁相环频率校准方法流程图

对频段1的校准结果与手册标称结果分析，使用现有方法对一件siv019sp4产品，以频段1为例，校准后结果为7959mhz～8628.5mhz，使用本发明提出的改进方法频段1的校准后结果为7959mhz～8783mhz。根据结果可以看出：

图2中场景b的系统误差的范围是[bg,sg]，该误差存在于频率高端；对于频段1测试结果显示本发明提出的方法和现有方法在频率低端的校准结果均为7959mhz，测试结果与理论分析一致。频率高端本发明提出的改进型方法校准结果8783mhz，比现有方法校准结果8628.5mhz更接近实际频率，测试结果与理论分析一致。表1中准确度提升率为两种方法校准差值除以某频段绝对带宽(现有方法校准后的带宽)，可以得出，对于本发明实例选用的多段式vco(型号siv019sp4)的准确度提升率大于6.3％，本发明提出的方法提高了多段式vco频率校准的准确度。

通过上述实例验证，表明本发明的采用多段式vco的锁相环频率校准方法可以实现多段式vco的校准，并且与现有技术相比，提高了校准的准确性。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(randomaccessmemory，ram)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)等。