CN107463750B - 锁相环电路中阻容参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锁相环电路中阻容参数确定方法，该方法通过将田口算法与仿真的锁相环电路的仿真模型进行结合，将田口算法输出的当前代参数组合输送给仿真模型，由仿真模型进行仿真试验，并将仿真试验的仿真结果再输入给田口算法，直至田口算法判定达到结束条件，将已经获取的最后代参数组合作为该锁相环电路的阻容参数；由于田口算法的实验次数少、鲁棒性强、收敛速度快等优点，使得锁相环电路中的VCO(压控振荡器)的输入电压能够快速锁定并保持稳定。

Description

锁相环电路中阻容参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种锁相环电路中阻容参数确定方法，属于智能算法优化及电路时钟处理领域。

背景技术

锁相环作为高速时钟单元实现方式的一种，在航天、航空的电子系统中扮演着极其重要的角色。频率合成器可以突破石英晶体的固有频率限制而获得与石英晶体振荡器同等精确度和稳定度的大量的离散频率信号。锁相环的合成简单、频率稳定，现已被广泛应用，锁相环电路的阻容参数对电荷泵锁相环抖动性能的影响较大，如何优化锁相环电路的阻容参数已成为设计过程中不可或缺的一环。

发明内容

本发明的目的在于同时优化锁相环电路的多个阻容参数，利用田口算法的特性使得优化过程快速收敛，得出最优解。

本发明提供了一种锁相环电路中阻容参数确定方法，所述方法包括：

在田口算法模块中计算出第i代参数组合，判断是否达到结束条件；

若未达到所述结束条件，则将所述第i代参数组合导入预先生成的锁相环电路的仿真模型中，在所述仿真模型中进行仿真试验，将所述仿真模型输出的第i个仿真结果导出至所述田口算法模块中，将i+1，在所述田口算法模块中缩小水平差值，继续执行所述在田口算法模块中计算出第i代参数组合的步骤；

若达到所述结束条件，则将所述第i代的参数组合作为所述锁相环电路的阻容参数。

可选的，所述判断是否达到结束条件，包括：

判断迭代次数大于预定次数；

或者，

判断第i代水平差值与第1代水平差值的比值是否达到收敛限制。

可选的，所述田口算法模块中使用的正交表为OA(N,k,s,t)，其中，N为正交表的行数，用于表示试验次数；k为正交表的列数，用于表示最多可优化的参数个数；s为参数的水平数；t为强度，用于表示参数之间的相关性。

可选的，所述田口算法模块中使用的适应度函数

其中，R(t)＝|f(t+Δt)-f(t)|，f(t)为所述锁相环电路的仿真模型计算出的压控振荡器的输入电压，Δt≤10^-8。

可选的，所述在田口算法模块中计算出第i代参数组合，包括：

当i大于1时，将第n个参数第i-1次迭代时的最优解确定为所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值；

将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值减去衰减值得到所述第n个参数的第i次迭代时的1水平值；

将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值加上所述衰减值得到所述第n个参数的第i次迭代时的1水平值；

其中，所述衰减值为rrⁱLD₁，rrⁱ为指数衰减因子，所述LD₁为初始水平差值。

可选的，所述在田口算法模块中计算出第i代参数组合，包括：

当i为1时，第n个参数在第1次迭代时的2水平值

设置为参数搜索空间(X_min,X_max)的中间值；

将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值减去初始水平差值得到所述第n个参数的第i次迭代时的1水平值；

将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值加上所述初始水平差值得到所述第n个参数的第i次迭代时的1水平值。

可选的，在所述判断是否达到结束条件之前，所述方法还包括：

在所述田口算法模块中利用所述仿真模型输出的第i-1个仿真结果计算适应度函数值，所述第i-1个仿真结果是所述仿真模型根据所述田口算法模块输出的第i-1代最优参数组合进行仿真试验后得到的；

根据所述适应度函数值计算每个参数、每个水平数的平均信噪比，并构造响应表；

根据所述响应表确定第i代最优参数水平数组合及第i代最优解，并计算第i代最优适应度函数值，在所述第i代最优适应度函数值优于已存储的全局最优值时，将所述第i代最优适应度函数值作为全局最优值进行更新存储。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

通过将田口算法与仿真的锁相环电路的仿真模型进行结合，将田口算法输出的当前代参数组合输送给仿真模型，由仿真模型进行仿真试验，并将仿真试验的仿真结果再输入给田口算法，直至田口算法判定达到结束条件，将最后代参数组合作为该锁相环电路的阻容参数；由于田口算法的实验次数少、鲁棒性强、收敛速度快等优点，使得锁相环电路中的VCO(压控振荡器)的输入电压能够快速锁定并保持稳定。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明一个实施例中提供的基于电荷泵锁相环的频率合成器的框图；

图2是本发明部分实施例中提供的田口算法的流程；

图3是本发明另一部分实施例中提供的田口算法的流程；

图4是本发明一个实施例中提供的田口算法与MATLAB联合优化系统；

图5是本发明一个实施例中提供的优化后的VCO输入电压仿真图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本申请首先需要建立一个锁相环电路的仿真模型，可选的，可以通过matlab中的simulink模块建立，其次需要设计一个田口算法模块。在实现时，该田口算法模块执行田口算法，计算出当前代的最优参数组合通过matlab自带的sim函数导入锁相环电路的仿真模型，仿真模型进行仿真试验，并将仿真结果以矩阵形式导出到田口算法，通过比较适应度函数值求解出下一代参数组合，循环此过程直至算法收敛求出最优解。

这里所讲的田口算法是在正交试验设计基础上发展起来的一种全局优化算法，其核心思想是参数设计，即运用多因素、多水平的正交试验设计方法来设计参数的水平值组合，利用信噪比判断各参数水平值组合的优劣，通过多次迭代寻找到最佳参数的水平值组合，从而实现快速的多参数优化。与传统的优化算法和一些现代优化算法相比具有实验次数少、鲁棒性强、收敛速度快等优点。

在一种可能的实现方式中，生成的锁相环电路的仿真模型包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。鉴相器用来鉴别输入信号U_i与输出信号U_o之间的相位差，并输出误差电压U_d，U_d中的噪声被低通环路滤波器滤除，形成压控振荡器的控制电压U_c，U_c作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率f_o拉向环路输入信号频率f_i，当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。

图1是基于电荷泵锁相环的频率合成器的框图，其中，鉴频鉴相器不仅可以鉴相还可以鉴频，可以加速环路的锁定。电荷泵环路滤波器对环路稳定性起重要作用，在电荷泵锁相环路中负责把电荷泵电流转换为电压，为压控振荡器提供输入电压。N是分频比，一般由计数器构成。锁定后环路输出频率f_o＝N*f_i。

田口算法之所以能够降低计算量、快速收敛，依赖于两个关键技术，一是正交表，二是信噪比。以10个参数且每个参数有3个水平值为例，采用完整排列实验需要进行3¹⁰＝59049次实验，用正交矩阵来设计实验，则只需要进行27次实验。对27次实验的输出结果进行简单的统计处理后，就可以得到一个最优的参数值组合。尽管实验的数量大幅减少，但从正交矩阵获得的最优结果和从完整排列方法获得的最优结果是接近的。而信噪比概念的采用则可以增大适应度函数值之间的差异，有效的评估参数水平值组合的优劣。

假设使用正交表OA(N,k,s,t)来设计各参数水平值的组合(本发明以水平s取3为例)。第n个参数在第i次迭代时的m水平值用

表示。初始参数2水平值

设置为参数搜索空间(X_min,X_max)的中间值，其余各代

取父代最优解

和

分别由公式(1)和公式(2)确定：

其中，

为指数衰减因子。初始水平差值LD₁由公式(3)确定：

也就是说，在田口算法模块中计算出第i代参数组合时，在i为1时，第n个参数在第1次迭代时的2水平值

设置为参数搜索空间(X_min,X_max)的中间值；将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值减去初始水平差值LD₁得到所述第n个参数的第i次迭代时的1水平值；将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值加上所述初始水平差值LD₁得到所述第n个参数的第i次迭代时的1水平值。

在大于1时，将第n个参数第i-1次迭代时的最优解确定为所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值；利用公式(1)，即将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值减去衰减值得到所述第n个参数的第i次迭代时的1水平值；利用公式(3)，即将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值加上所述衰减值得到所述第n个参数的第i次迭代时的1水平值；其中，所述衰减值为rrⁱLD₁。

根据各组实验的参数水平值组合计算适应度函数值Fitness，并由公式(4)计算信噪比h：

h＝-20lg(Fitness) (4)

由公式(5)得到每个参数、每个水平的平均信噪比：

最大平均信噪比所对应的参数水平值即为当前代最优解

当LD_i/LD₁达到收敛限制时，结束算法程序。

请参见图2所示，在实现锁相环电路中阻容参数确定方法时，包括如下步骤：

步骤201，在田口算法模块中计算出第i代参数组合；

步骤202，判断是否达到结束条件；

步骤203，若未达到所述结束条件，则将所述第i代参数组合导入预先生成的锁相环电路的仿真模型中，在所述仿真模型中进行仿真试验，将所述仿真模型输出的第i个仿真结果导出至所述田口算法模块中；

步骤204，将i+1，在所述田口算法模块中缩小水平差值，继续执行所述在田口算法模块中计算出第i代参数组合的步骤；

步骤205，若达到所述结束条件，则将所述第i代的参数组合作为所述锁相环电路的阻容参数。

其中，田口算法的流程如图3所示：

步骤301：根据优化参数个数，选择合适的正交表，设计合适的适应度函数；

除此之外，还可以设计合适的衰减因子、最大内循环次数N_in和最大迭代次数M等。

算法的初始化包括选择适当的正交表和设计合适的适应度函数。正交表的选择由需要优化的参数个数决定，适应度函数则由设计目标决定。

(1)正交表的选择

在田口算法的设计流程中，正交表用符号OA(N,k,s,t)表示，其中N为正交表的行数，用来表示试验次数。k为正交表的列数，用来表示最多可优化的参数个数。s为参数的水平数，通常三水平数就已经足够解决大多数问题。强度t(0≤t≤k)则表示参数之间的相关性。当强度为2时，考虑两个参数之间的影响，如果强度为3，则同时考虑三个参数之间的影响。当强度增加时，试验次数会急剧增加，通常t取2对于大多数问题都是有效的。本发明使用的优化方案参数个数为6个，即电荷泵的阻抗R0、分频比N、滤波器的阻抗R1、阻容C1、C2以及VCO的增益G，则选择正交表OA(27，6，3，2)。

(2)适应度函数的设计

因为VCO的输入电压能否快速稳定是决定电荷泵锁相环的关键因素，设输入频率固定为30MHZ，通过matlab仿真模型计算出VCO的输入电压f(t)，取Δt≤10^-8，间隔2个时间点的输入电压的差值d￡0.01时VCO的输入电压稳定，即用R(t)＝|f(t+Δt)-f(t)|来衡量VCO的输入电压是否稳定，因此适应度函数值取Fitness＝min(R^-1(t))。

步骤302：对于第i代迭代，在田口算法模块中计算第i代参数组合的水平值，并根据正交表得出第i代参数组合的水平值表；

步骤303：将第i代参数组合的水平值表输入至锁相环电路的仿真模型进行仿真试验，利用该仿真模型输出的第i个仿真结果计算适应度函数值和平均信噪比，并构造响应表；

步骤304：根据该响应表确定第i+1代最优参数水平数组合及相应的最优解，计算第i+1代最优适应度函数值；

步骤305，判断是否优于已存储的全局最优值，条件成立则将该当前代最优适应度函数值作为全局最优值进行更新存储；

比如，当best_Fitness优于全局最优值Gbest_Fitness时，判断迭代次数是否达到最大迭代次数M，若达到最大迭代次数，则

步骤306：判断是否达到结束条件；

步骤307，若未达到结束条件，则缩小水平差值，转到步骤302，否则执行步骤308；

这里的判断是否达到结束条件可以包括两种方式：

第一种方式：判断迭代次数大于预定次数，可选的，这里的预定次数为设定的最大迭代次数M。

第二种方式：判断第i代水平差值与第1代水平差值的比值LD_i/LD₁是否达到收敛限制。

步骤308：结束程序，输出结果。

图4是田口算法与MTLAB联合优化系统：田口算法作为外部优化算法，不断将产生的参数组合传递给锁相环模型，并对仿真输出的数据进行适应度函数值的判断。锁相环仿真模型根据田口算法产生的每个实验回合修改模型参数，进行仿真计算，并将仿真得到的数据返回给外部算法优化器。如此循环迭代，直到满足终止条件为止。

图5是优化后的VCO输入电压仿真图，横轴是时间轴，单位为1×10^-6s，竖轴为电压值。此图表明了VCO的输入电压经过田口算法优化后可以在较短的时间内达到稳定电压值。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种锁相环电路中阻容参数确定方法，其特征在于，所述方法包括：

在田口算法模块中计算出第i代参数组合，判断是否达到结束条件；

若未达到所述结束条件，则将所述第i代参数组合导入预先生成的锁相环电路的仿真模型中，在所述仿真模型中进行仿真试验，将所述仿真模型输出的第i个仿真结果导出至所述田口算法模块中，将i+1，在所述田口算法模块中缩小水平差值，继续执行所述在田口算法模块中计算出第i代参数组合的步骤；

若达到所述结束条件，则将所述第i代的参数组合作为所述锁相环电路的阻容参数；

所述田口算法模块中使用的适应度函数Fitness＝min(R^-1(t))，其中，R(t)＝|f(t+Δt)-f(t)|，f(t)为所述锁相环电路的仿真模型计算出的压控振荡器的输入电压，Δt≤10^-8。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断是否达到结束条件，包括：

判断迭代次数大于预定次数；

或者，

判断第i代水平差值与第1代水平差值的比值是否达到收敛限制。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述田口算法模块中使用的正交表为OA(N,k,s,t)，其中，N为正交表的行数，用于表示试验次数；k为正交表的列数，用于表示最多可优化的参数个数；s为参数的水平数；t为强度，用于表示参数之间的相关性。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在田口算法模块中计算出第i代参数组合，包括：

当i大于1时，将第n个参数第i-1次迭代时的最优解确定为所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值；

将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值减去衰减值得到所述第n个参数的第i次迭代时的1水平值；

将所述第n个参数的第i次迭代时的2水平值加上所述衰减值得到所述第n个参数的第i次迭代时的3水平值；

其中，所述衰减值为rrⁱLD₁，rrⁱ为指数衰减因子，所述LD₁为初始水平差值；

其中：使用正交表OA(N,k,s,t)来设计各参数水平值的组合，水平s取3，第n个参数在第i次迭代时的m水平值用

表示，初始参数2水平值

设置为参数搜索空间(X_min,X_max)的中间值，其余各代

取父代最优解

和

分别由公式(1)和公式(2)确定：

其中，

为指数衰减因子，初始水平差值LD₁由公式(3)确定：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述判断是否达到结束条件之前，所述方法还包括：

在所述田口算法模块中利用所述仿真模型输出的第i-1个仿真结果计算适应度函数值，所述第i-1个仿真结果是所述仿真模型根据所述田口算法模块输出的第i-1代最优参数组合进行仿真试验后得到的；

根据所述适应度函数值计算每个参数、每个水平数的平均信噪比，并构造响应表；

根据所述响应表确定第i代最优参数水平数组合及第i代最优解，并计算第i代最优适应度函数值，在所述第i代最优适应度函数值优于已存储的全局最优值时，将所述第i代最优适应度函数值作为全局最优值进行更新存储。

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