CN109450443A - 用于数字控制振荡器增益非线性行为的补偿技术 - Google Patents

用于数字控制振荡器增益非线性行为的补偿技术 Download PDF

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CN109450443A CN201810965782.0A CN201810965782A CN109450443A CN 109450443 A CN109450443 A CN 109450443A CN 201810965782 A CN201810965782 A CN 201810965782A CN 109450443 A CN109450443 A CN 109450443A
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苑敏学
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Abstract

本公开提供用于使数字控制振荡器在多个信道中跳跃的系统和方法，其中数字控制振荡器的增益KDCO是频率的非线性函数。产生对应于多个信道中的第一信道的第一归一化调谐字。在对应于第一信道的第一频率下，基于频率的非线性函数或基于频率的非线性函数估计产生第一归一化增益乘数X。用第一归一化调谐字乘以第一归一化增益乘数X以获得第一振荡器调谐字。将第一振荡器调谐字输入至数字控制振荡器以使得数字控制振荡器跳跃到第一信道。一种用于在多个相应频率下的多个信道中跳跃的系统，其包括锁相环、数字控制振荡器、多路复用器以及算术模块。

Description

用于数字控制振荡器增益非线性行为的补偿技术
技术领域
本公开中所描述的技术大体上涉及数字控制振荡器(digitally controlledoscillator；DCO)，且更具体地说，涉及数字控制振荡器在锁相环(phase locked loop；PLL)中的用途。
背景技术
全数字锁相环(all-digital PLL；ADPLL)广泛用于高级互补金属氧化物半 导体(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)型的半导体元件。在 所述半导体元件中，所述全数字锁相环采用电压控制振荡器(voltage-controlled oscillator；VCO)(例如数字控制振荡器)的天然精细分辨率，由此相比于模拟 锁相环减少了面积和功耗。
发明内容
一种用于控制数字控制振荡器的方法，所述方法包括：产生对应于多个 信道的第一信道的第一归一化调谐字；在对应于所述第一信道的第一频率 下，基于频率的非线性函数或所述频率的非线性函数的估计产生第一归一化 增益乘数；使所述第一归一化调谐字与所述第一归一化增益乘数相乘以得到 第一振荡器调谐字；以及将所述第一振荡器调谐字输入至所述数字控制振荡 器以使得所述数字控制振荡器跳跃到所述第一信道。
一种用于控制数字控制振荡器的系统，所述系统包括：锁相环，配置成 产生多个归一化调谐字，所述多个归一化调谐字的每一个对应于多个信道中 的相应信道；数字控制振荡器，具有是频率的非线性函数的增益；多路复用 器，配置成产生多个归一化增益乘数，所述多个归一化增益乘数的每一个在 所述多个信道中的信道的相应频率下是基于参考频率fR和所述频率的非线 性函数，或所述频率的非线性函数的估计；以及算术模块，配置成基于相应 归一化调谐字和相应归一化增益乘数产生多个振荡器调谐字，其中所述数字 控制振荡器基于所述多个振荡器调谐字中的相应振荡器调谐字在所述多个 信道当中跳跃。
一种归一化数字控制振荡器，包括：数字控制振荡器，具有是频率的非 线性函数的增益；多路复用器，配置成产生多个归一化增益乘数，在多个频 率中的相应频率下，所述多个归一化增益乘数的每一个是基于参考频率fR以及所述频率的非线性函数，或所述频率的非线性函数的估计；以及算术模 块，配置成基于所述多个归一化增益乘数的每一个产生相应振荡器调谐字， 所述数字控制振荡器基于每一振荡器调谐字产生相应频率。
附图说明
结合附图阅读时，从以下详细描述最好地理解本公开的各方面。应注意， 根据业界的标准惯例，各个特征未按比例绘制。实际上，为了论述清晰起见， 可任意增大或减小各个特征的尺寸。
图1A描绘根据一些实施例的及时系统数字控制振荡器增益校准流程的实 例图式。
图1B描绘根据一些实施例的归一化数字控制振荡器硬件抽象层(hardwareabstraction layer)的实例图式。
图2以图形方式绘示覆盖所有全球行动通讯系统(Global System for MobileCommunication；GSM)从直流(DC)至核心数字控制振荡器的频带所需的上限 范围的较宽频率跨度上的增益KDCO(f)。
图3A以图形方式绘示覆盖四个全球行动通讯系统TX频带和RX频带的频 率跨度上的KDCO(f)。
图3B描绘覆盖四个全球行动通讯系统TX频带和RX频带的频率跨度上的 内插误差。
图4A以图形方式绘示覆盖DCS-1800频带的频率跨度上的增益KDCO(f)。
图4B描绘覆盖DCS-1800频带的频率跨度上的内插误差。
图5描绘覆盖四个全球行动通讯系统TX频带和RX频带的频率跨度上的 逆三次方关系。
图6描绘所提出的增益KDCO补偿算法的流程图。
图7描绘根据一些实施例的数字控制振荡器增益变量与振荡频率的三次方 规则曲线的实例图式。
图8描绘根据一些实施例的从曲线的中心使用线性内插的所述曲线的实例 图式。
图9描绘根据一些实施例的用于信道跳跃(channel hopping)的完整数字控制 振荡器增益校准流程的实例图式。
图10A描绘根据一些实施例的锁相环和数字控制振荡器硬件的实例图式。
图10B至图10E描绘根据一些实施例的在图10A的锁相环和数字控制振荡 器硬件中不同位置处的信号的曲线的实例图式。
图11描绘根据一些实施例的数字控制振荡器增益变量与振荡频率的曲线 的实例图式。
图12描绘根据一些实施例的用于信道跳跃的数字控制振荡器硬件的实例 图式。
图13描绘根据一些实施例的用于校准数字控制振荡器增益的实例流程图。
附图标号说明
20：信道；
100：数字控制振荡器抽象层；
110：全数字锁相环；
112：增益估计模块；
114：多路复用器；
116：算术模块；
120、134、640、1200：数字控制振荡器；
122：函数
130：归一化数字控制振荡器；
132：数字控制振荡器增益归一化模块；
210、220、230、240、250、260、270：步骤；
310：虚线；
320：实心曲线；
330、340：线；
350：点；
510、520、530、540、550、560、570、1310、1320、1330、1340：操作；
600：锁相环；
610、620、630、650：算术模块；
612、614、616、642、644、646：线；
1300：流程图；
F1、F2：方程。
具体实施方式
以下公开内容提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实 例。下文描述组件和布置的特定实例以简化本公开。当然，这些只是实例且并 不意欲为限制性的。另外，本公开可以在各种实例中重复参考标号及/或字母。 此重复是出于简化和清楚的目的，且本身并不规定所论述的各种实施例和/或配 置之间的关系。
此外，为易于描述，本文中可使用空间相对术语，例如“在…下方”、“下 方”、“下部”、“在…上方”、“上部”以及其类似者，来描述如图式中所示出的 一个元件或特征与另外一或多个元件或特征的关系。除图中所描绘的定向之外， 空间相对术语意图涵盖在使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其它方式 定向(旋转90度或处于其它定向)，且本文中所使用的空间相对描述词同样可 相应地进行解释。
数字控制振荡器可以各种形式实施。举例来说，电感-电容(LC)型的数 字控制振荡器(也可被称作电感-电容槽路(tank))可实现较低功率消耗下改进 的相位噪声(phasenoise；PN)，其具有低频率推移以及对工艺和温度变化的抗 扰性。然而，电感-电容型数字控制振荡器在整个调谐带内具有强烈的非线性行 为。此非线性可导致潜在的稳定性问题，且可增加环路行为(loop’s behavior)的 不确定性。在一些实施例中，本文中描述的系统和方法涉及用于补偿数字控制 振荡器(数字控制振荡器)增益非线性行为的技术以及相关系统和装置。其它 实施例描述基于内插的补偿技术用于数字控制振荡器增益的三次方行为以及相 关系统和装置，例如基于中心线性内插的补偿技术、系统以及装置。举例来说，某些实施例描述时钟脉冲振荡(clock generation)技术、电感-电容槽路振荡器(电 压控制振荡器/数字控制振荡器)、非线性振荡器增益、线性内插技术、跳频和/ 或快速锁定，以及其适合的组合。
本文中的某些实施例描述用数字控制振荡器产生稳定且精细调谐的频率， 例如以供用于在数字电路(例如，计算机处理器)中产生时钟信号；产生跳频 信号，例如以供用于蜂窝式(cellular)通信；以及其类似者。某些实施例描述一 种用于将锁相环(例如，全数字锁相环)锁定为由数字控制振荡器产生频率的 方法，所述数字控制振荡器展现随频率变化的非线性增益且因此原本可能难以 在锁相环的情况下锁定至稳定。某些实施例提供以下优势中的一或多个：数字 控制振荡器增益的非线性行为可经预测，且由此用于在锁相环的情况下锁定至 数字控制振荡器的频率而无需在运行时测量数字控制振荡器的频率，且因此提 供以下中的一或多个：(1)在锁定至数字控制振荡器的频率时减少相位误差； (2)更快速地锁定至数字控制振荡器的频率；(3)更精细地调谐数字控制振荡 器的频率；以及(4)更稳定地产生时钟信号或通信频率。
本公开的实例方法、系统以及装置的细节描述于所附公开内容和图式中。 应注意，本技术不限于硅类数字控制振荡器或具有三次方增益行为的数字控制 振荡器，而是也适用于基于其它材料和/或具有其它非线性行为的数字控制振荡 器。
图1A描绘根据一些实施例的归一化数字控制振荡器硬件抽象层的实例图 式。数字控制振荡器抽象层100可包含锁相环(例如，全数字锁相环110)和 耦合到所述锁相环的电压控制振荡器(例如，数字控制振荡器120)。数字控制 振荡器120的增益KDCO可具有非线性行为，全数字锁相环110可配置成补偿此 类非线性行为。举例来说，被定义为在频率f的至少一些范围内，数字控制振 荡器120的增益KDCO可随频率f的三次方函数而变化，且全数字锁相环110可 以例如本文中所提供的方式配置成产生可用于补偿数字控制振荡器增益KDCO的非线性(例如，三次方)行为的归一化增益乘数x。举例来说，全数字锁相 环110可包含：增益估计模块112，其以例如本文中所描述的方式配置成基于 增益KDCO或估计增益和全数字锁相环所产生的参考频率fR来计算归一化增 益乘数x；多路复用器(multiplexer；MUX)114，其配置成基于计算“完成” 信号而在归一化增益乘数x与初始增益乘数x0之间进行选择；以及算术模块 116，其配置成基于x而产生振荡器调谐字(oscillator tuning word；OTW)。全 数字锁相环100可包含配置成将振荡器调谐字提供至数字控制振荡器120的 输出端(例如，算术模块116的输出端)，所述数字控制振荡器基于所述振荡器 调谐字产生具有高准确度和相位稳定性的频率。
图1A绘示根据一些实施例的及时数字控制振荡器增益校准流程。在图1A 中，x指数字控制振荡器增益归一化值，NTW指归一化调谐字，且OTW指振 荡器调谐字。初始值x0用于开始的振荡器调谐字计算。随后，相对于原始锁定 频率f0的频率改变Δf和数字控制振荡器增益变量ΔKDCO可或将被引入至增益估 计模块(计算器)112中以产生归一化增益乘数x(计算值)，所述归一化增益 乘数被提供至多路复用器114。多路复用器114基于计算“完成”信号而在初 始值x0与归一化增益乘数x之间进行选择。在计算完成时，，新的且正确的归一 化值x可或将代替初始值x0，且可在算术模块116处乘以归一化调谐字以获得 输入至数字控制振荡器120的振荡器调谐字。数字控制振荡器120将在校正(例 如，三次方规则校正)之后输出正确的频率。算术模块116和数字控制振荡器 120的功能可一起组成函数122。
在一些实施例中，联系数字控制振荡器的频率阶跃(step)ΔfT与所述数字控 制振荡器的可切换电容ΔCT的关系式由公式(1)控制或可表达为公式(1)， 所述数字控制振荡器例如图1A中示出的数字控制振荡器120，其具有例如图7 中示出的数字控制振荡器增益变量：
ΔfT(f)＝-2π2(L·ΔCT)f3 (1)
其中L为电感-电容槽路电感。L和ΔCT两者均为稳定工艺、电压以及温度(process,voltage,and temperature；PVT)的常量。在一些实施例中，L和ΔCT为方程右侧唯一的未知数且受工艺、电压以及温度变化，因此将其以乘积形式 组合在一起是合理的。共振频率f受电感-电容槽路的总电容C控制。f通过全 数字锁相环环路运算而精确已知(在频率控制字(frequency control word；FCW) 分辨率1.5Hz/LSB内)。
因为KDCO＝|ΔfT|，所以公式(1)可重写为公式(2)：
KDCO(f)＝2π2(L·ΔCT)f3 (2)
取得KDCO相对于频率f的导数，产生公式(3)：
在一些实施例中，增益KDCO估计值以例如本文中其它处所描述的方式 由增益估计模块112产生，且在全数字锁相环频率合成器中用于例如提供至多 路复用器114的数字控制振荡器归一化增益乘数值x的分母，以用于例如图1A 中所示基于增益KDCO估计值和外部参考频率fR(该参考频率可由全数字锁 相环110产生)而产生x。在一些实施例中，可使用公式(4)来产生增益乘数 x的值：
在一些实施例中，此方程的示例性目的是便利地分离整个系统中的相位和 频率信息与通常影响数字控制振荡器120的增益KDCO的工艺、电压以及温度变 化。举例来说，可使用将频率信息归一化为外部参考频率fR的值。此归一 化可替代地在数字控制振荡器内执行，例如，在例如图1B中所示的归一化数 字控制振荡器(normalized DCO；nDCO)130内执行，所述图1B描绘根据一 些实施例的及时数字控制振荡器增益校准流程的实例图式。说明性地，在一些 实施例中，归一化数字控制振荡器的数字输入为定点归一化调谐字，其整数部 分LSB可对应于fR。在一些实施例中，为数字控制振荡器增益估计准确 度的程度，且影响频率调制的精确度。在一些实施例中，由函数122所指示的 算术模块116和数字控制振荡器120的功能可由归一化数字控制振荡器130表 示，且更确切地由数字控制振荡器增益归一化模块132和数字控制振荡器134 表示。
基于所估计增益的归一化增益乘数x可表达为或替代地，基于 实际增益KDCO的归一化增益乘数x可表达为x＝fR/KDCO。在任一实施例中，可 使用专用硬件或软件模块(例如，图1A中所示的增益估计模块112和多路复 用器114)，通过及时方法基于每个封包来执行x的产生。即使及时方法在本质 上可以是数字(例如数字Δf模拟及/或数字振荡器调谐字测量值)，测量振荡器 调谐字可能存在相当大量的差异。在一些实施例中，通过求平均值减小测量差 异。在一些实施例中，为了节省功率消耗，产生能够通过多个封包测量增益KDCO的需求。
为了进一步减小数字译码的设计复杂度，可使用一或多个线性功能，例如 使用线性内插估计数字控制振荡器增益的非线性(例如三次方)表现。举例来 说，在一些实施例中，采用随频率变化的x＝fR/KDCO(例如，，基于实际数字控制 振荡器增益KDCO而不是估计数字控制振荡器增益)的导数产生公式(5)：
其可方便地写成公式(6)：
公式(6)揭露，在一些实施例中，数字控制振荡器增益变量ΔKDCO大致是 频率变量的3倍。
图2以图形方式绘示覆盖所有全球行动通讯系统从直流至核心数字控制振 荡器的频带所需频率4000MHz的较宽频率跨度上的公式(2)中的三次方关系。 核心数字控制振荡器可以由利用核心数字控制振荡器的应用程序使用的频率的 倍数来操作。核心数字控制振荡器的频率可分频下降(devided down)至由应用程 序使用的频率。举例来说，核心数字控制振荡器以高频带全球行动通讯系统 (1800MHz和1900MHz)频率的双倍操作。在其它频带中，核心数字控制振 荡器可以使用核心数字控制振荡器的的频率的4倍操作。允许核心数字控制振 荡器以更广频率范围操作。
图3A以图形方式绘示覆盖四个全球行动通讯系统TX频带和RX频带的频 率跨度上的公式(2)的三次方关系。四个全球行动通讯系统TX频带和RX频 带包含850MHz、900MHz、1800MHz以及1900MHz频带。还绘示两个极值 点之间的线性内插以证明完整频率范围上的弯曲程度。图3B描绘覆盖四个全 球行动通讯系统TX频带和RX频带的频率跨度上的内插误差。2.6％的最大KDCO内插误差对于覆盖完整全球行动通讯系统频谱的线性内插过高且图中未绘示。
图4A和图4B类似于图3A和3B，但它们覆盖DCS-1800频带。图4B将 线性内插误差描绘为仅0.14％，因此能够在单一频带内的KDCO值之间延展似乎 是可实行的。
图5描绘覆盖四个全球行动通讯系统TX谱带和RX谱带的频率跨度上的 逆三次方关系，以及两个极值点之间的线性内插以证明整个频率范围上的弯曲 程度。
图6描绘KDCO补偿算法的流程图。来自不同频率处的封包的x＝fR/KDCO估 计可能与频率无关或由逆三次方公式(4)或线性内插归一化，如图6中所描绘。 在步骤210处，确定完成封包的频率，且在步骤220处，确定x的值。x的归 一化值可由x0[k]表示，其中k是样本指数，且其对应于优选地位于全球行动通 讯系统频带中间的某一频率f0。在步骤230处基于线性内插计算的归一化值x0由公式(7)表示：
项次y0[k]针对特定封包频率f去归一化，使得y[k]可用作数字控制振荡器 增益乘数。在此方法中，考虑到过于嘈杂，及时计算样本并未立即由归一化增 益乘数取代，而是输入到滤波算法。随后，在步骤240处，，根据公式(8)中的 “漏(leaky)积分器”的公式执行滤波：
y0[k]＝(1-α)·y0[k-1]+α·x0[k]
(8)
其中α是一阶无限脉冲响应(infinite impulse response；；IIR)滤波器且y0[k]是滤波归一化值。出于实际实施原因，α＝2-λ其中λ是整数。因此，相乘可实 现为右侧位元移位(right bit shift)运算。
在步骤250处，确定新封包频率f。在步骤260处计算的滤波乘数y的去归 一化方程在公式(9)中所绘示：
在公式(9)中，y对应于数字控制振荡器增益变量ΔKDCO，f0对应于增益 变量是100％的频率，且y0对应于增益变量是100％的数字控制振荡器增益变量 ΔKDCO的值。在步骤270处，y的计算值写入及/或输出为数字控制振荡器增益 乘数。
图7描绘根据一些实施例的数字控制振荡器增益变量与振荡频率f的三次 方规则曲线的实例图式。图7绘示后模拟值的数字控制振荡器增益变量包含电 磁(EM)模拟之后的寄生电阻电容(RC)提取和電感。菱形指示选定频率处 的数字控制振荡器的模拟增益，实心曲线指示拟合模拟增益的多项式。已发现 在一些实施例中，曲线可大约由具有较高相关性的三阶多项式(例如，以 Y＝aX3+bX2+cX+d形式)，即，以频率的三次函数形式表示。在一些实施例中， 数字控制振荡器频率在蓝牙频带处双倍运算(例如在大约4.8GHz处运算且频 率随后减半到大约2.4GHz，以便使用在可能需要在蓝牙频带中直接产生频率 的更小的组件)。举例来说，非线性数字控制振荡器增益变量可在GHz频带中。
减少的数字设计可得益于从三次方多项式到线性方程的简化。举例来说， 图8描绘根据一些实施例的从曲线的中心使用线性内插的所述曲线的实例图 式。图8绘示以虚线310形式的来自公式(9)的线性内插的数字控制振荡器增 益变量的示例性实施例，以菱形(对应于图7中所示的菱形)形式的数字控制 振荡器模拟增益，以及以实心曲线320形式的数字控制振荡器增益三次拟合(对 应于图7中所示的曲线)。在此示例性实施例中，实心曲线320可由y＝-6.5668x3 +98.228x2-488.77x+810.12表示。在一些实施例中，线性内插将或可能产生相 对较大的预测误差于数字控制振荡器增益的三次方非线性曲线的操作频率的中 间。因此，在一些实施例中，可使用不同线性方程式(例如，图8中所示的诸 如以直线、实线330、实线340形式绘示的中心线性内插)以便减小预测误差。 在一些此配置中，可存在两个方程F1(对应于线330)和方程F2(对应于线 340)，每一者在(f-f0)/f0之前与具有不同参数y0的公式(9)相同。举例来说，在 示例性实施例中，在F1中，y0的变化值可从3到2.8(或其它合适的值)，及/ 或在F2中，y0的值可从3变化到3.3(或其它合适的值)。应了解，y0的特定值 可取决于曲线的中心点(对应于图8中的点350)和三次方效果，且F1和F2 中的y0的值不限于大于或小于y0的原始值。另外或替代地，，应了解如果三次多 项式不是以曲线的非线性部分形式，那么从开始到结尾的线性内插(例如图8 中所示的线310)还可满足恰当地用于系统设计的精确性。另外或替代地，应 了解实心直线330、实心直线340的中点350不限于操作频带的中心，而是实 际上可由系统设计和设计复杂度调整。
图9描绘根据一些实施例的用于信道跳跃的完整数字控制振荡器增益校准 流程的实例图式。举例来说，图9绘示本文中所提供的示例性实施例的细节。 开始时例如参考公式(1)导出三次方式(操作510)，例如本文中所描述。可 任选地添加电感L(f)效果(操作520)。对于受限制分辨率，电感变量应考虑在 内，然而，电感L(f)不限于(例如，不必要)以电流形式添加，这是因为其对 操作频率产生影响相对轻微。
在导出数字控制振荡器的非线性增益(操作530)之后，可用线性内插于 减小频率误差(操作540)，例如诸如本文中参考公式(7)和图8所描述的中 心线性内插。举例来说，在一些实施例中，在上频带和下频带中将存在两个公 式(F1、F2)，但应了解其不仅限于两个。对于更精确预测，可存在若干公式 以模拟真实非线性(例如，三次方)规则。如果设计复杂度并不必考虑，那么 也可跳过线性内插。纯非线性(例如，三次方)多项式可嵌入到系统中。
因为数字控制振荡器的增益随频率变化而非线性地变化，用于补偿此非线 性的估计值类似地可随频率变化而改变。因此，在将由数字控制振荡器产 生的每一不同信道(频带)中，差异可能存在用于产生线性公式(F1、F2)的 数字控制振荡器增益。在一些实施例中，可通过将Δf采用到方程中来计算估计 值可替代地，数字控制振荡器增益的不同值KDCO1…KDCON可存储在查找 表中且基于信道(频带)选择(操作550)而选择。举例来说，当系统接收信 道跳跃(频率更改/频率锁定)请求时，数字控制振荡器振荡器调谐字计算器可 使用查找表来得到对应数字控制振荡器增益以获得精确输出频率且基于其产生 振荡器调谐字(操作560)，所述振荡器调谐字提供到数字控制振荡器(操作570) 以藉由数字控制振荡器产生频率，举例来说，所述频率是由如图10A所示的应 用程序使用的所需频率fckv的两倍。
在本文中的某些实施例中，预测的数字控制振荡器增益可接近实际硅表现， 此可在相位锁定过程的开始处明显地减小全数字锁相环中的相位误差。因此， 此技术还可有助于改善锁定时间和稳定时间。
图10A描绘根据一些实施例的锁相环和数字控制振荡器硬件的实例图式， 且图10B到图10E描绘在根据一些实施例的图10A的锁相环和数字控制振荡器 硬件中的不同位置处的信号或操作的曲线的实例图式。在图10A中所示的实例 中，数字控制振荡器640的增益非线性的多阶补偿可由锁相环600(例如， APDLL)执行。举例来说，在第一级处，任意信道CH，本文是CH20(频率fCH20的信道20)，用作中心点，且由此频道频率的锁相环600产生的频率控制字输 入到第一算术模块610，例如第一乘数模块。另外，用于任意信道的第一补偿因子由锁相环600产生且输入到第一算术模块610。举例来说，第一补偿因子 可为或包含任意信道CH(例如CH20)处的归一化增益KDCO(数字控制振荡器 增益)。应注意，可例如通过校准数字控制振荡器而精准地得知KDCO,CH20。锁相 环600可包含用于以类似于本文中参考图1A所描述的方式产生用于CH20的x(CH)＝fR/KDCO,CH模块(例如，增益估计模块和多路复用器)。锁相环600的算 术模块610可配置成使FCWCH20与归一化增益乘数x(CH20)相乘得到初级振荡器调谐字，在图10A中称为OTWPRE。如图10B所示，线612表示不具有信 道(三次方)补偿的数字控制振荡器频率，线614表示具有例如由算术模块610 和算术模块620施加的信道补偿的数字控制振荡器频率，且线616表示不具有 例如在下文进一步描述的二进制误差补偿的数字控制振荡器频率。
图10A中所示的锁相环600的算术模块620可配置成补偿非线性控制字。 举例来说，给定频率(信道)下数字控制振荡器的增益KDCO可使用上文公式(2) 来表达，且所述频率(信道)下KDCO的导数可使用上文公式(3)来表达。在 图10A中所示的实例中，针对特定信道CH，所述信道的估计增益可表达 为：
且所述信道的归一化增益乘数x(CH)可表达为：
算术模块620(例如，乘数模块)可配置成使OTWPRE与x(CH)相乘，以产 生用于信道CH下特定跳跃频率的输出OTWHOP。如图10C中所示，与不具有 信道补偿的平直数字控制振荡器增益(线624)相比，此运算可产生大体上线 性的估计数字控制振荡器增益(线622)。
图10A中所示的锁相环600的算术模块630(例如，求和模块)可配置成 将OTWHOP变换成图10D中的图表632中所描绘的二进制码，且配置成为了补 偿二进制控制中的任何非线性而使用以例如图10C中所示的方式存储频率相关 二进制误差(LSB)的查找表(look-uptable；LUT)。任意信道下第三算术模块 630的输出(例如，CH20或其它合适的信道的OTWCH，其可对应于归一化频 率控制字)可在锁相环600的输出端处提供且随后输入至数字控制振荡器640。 在例如通过锁相环600的算术模块610、算术模块620以及算术模块630执行 补偿之后，数字控制振荡器640的频率控制字输入对于所述信道将为基本上线 性的，且所有信道上的增益KDCO将为基本上恒定的。如图10E中所示，数字控 制振荡器增益KDCO跨越信道CH1至信道CH40的范围。线642对应于无信道 补偿的数字控制振荡器增益，线646对应于无二进制误差补偿的数字控制振荡 器增益，且线644对应于补偿之后的数字控制振荡器增益。
在一个示例性实施方案中，信道CH和CH20为蓝牙频带的两倍，且数字 控制振荡器640的输出经输入至算术模块650(例如，配置成将数字控制振荡 器输出除以2的模块)，使得与在蓝牙频带内直接产生数字控制振荡器输出可能 需要的模块大小相比，锁相环600及数字控制振荡器可具有相对较小模块。所 需蓝牙频率由fckv表示。
图11描绘根据一些实施例的数字控制振荡器增益变量与振荡频率的曲线 的实例图式。在图11中，可以看出，模拟数字控制振荡器(正方形)的增益变 化相对接近于硅数字控制振荡器(菱形)的所测量增益变化，且两者的增益变 化大体上均为线性的(虚线)。
图12描绘根据一些实施例的用于信道跳跃的数字控制振荡器电路1200(例 如，数字控制振荡器120或数字控制振荡器640)的实例图式。图12的数字控 制振荡器电路1200为耦合的变换器，且具有五种开关电容器(sw-cap)调谐组 (tuning bank)：用于锁相环环路锁定的PVT、COAR及FINE，以及用于2点调 制的HOP及FM。举例来说，FM组可用于高斯频移键控(Gauss Frequency Shift Keying；GFSK)调制。Hop1/Hop2组可覆盖零跳跃时间的信道跳跃频率。变换 器匝比N＝2及耦合系数(k＝0.74)可设计以将被动电压增益从跨导体对的漏极 侧提供至栅极侧，由此将环路增益提高50％，且改进在较低供电0.23V下的启 动。PVT组可为单位加权的(unit-weighted)，且可提供相对大的10.2MHz步进。 PVT组可分成主要变换器(1)和次要变换器(2)，以实现最大Q因数提高 (Q-factor enhancement)。为确保每一调谐组中的充分覆盖率，在一些实施例中， COAR组具有0.48MHz的步进尺寸，且FINE组具有最细分辨率(例如，16kHz) 以便消除大功耗数字控制振荡器抖动(dithering)的需要。为了实现最细分辨率， FINE组可连接至初级线圈以得益于1/N2的电容转换。在一个示例性实施例中， FM开关电容器组可包含128单位加权的16kHz单位，以便覆盖±250kHz的高 斯频移键控调制范围。图12的数字控制振荡器硬件的组件的示例性特性列于下 表中：
FM 128b 单位加权
Fine 128b 单位加权
COAR 128b 单位加权
PVT 32b 单位加权
Hop1 8b 二进制加权
Hop2 8b 二进制加权
振荡器调谐字，例如是数字控制振荡器120中的振荡器调谐字或是数字控 制振荡器640的振荡器调谐字，可由上方表中的示例性数字控制振荡器电路 1200构成输入，包含FM、FINE、COAR、PVT、Hop1以及Hop2。
图13描绘根据一些实施例的用于校准数字控制振荡器增益的实例流程图。 虽然图13的过程适用于多种不同系统及装置，但为了易于理解，参考图1及6 进行描述。流程图1300包含产生归一化调谐字的操作(操作1310)。举例来说， 图1A中所示的全数字锁相环110或图10A中所示的锁相环600可包含用于产 生归一化调谐字的合适模块，所述归一化调谐字可被称作频率控制字。
流程图1300还包含基于参考频率和数字控制振荡器增益的频率的非线性 函数的内插而产生归一化增益乘数的操作(操作1320)。举例来说，图1A中所 示的全数字锁相环110或图10A中所示的锁相环600可包含用以基于增益KDCO和参考频率fR产生归一化增益乘数x的合适模块，所述模块例如图1A中所示 的全数字锁相环110的多路复用器114或耦合到图10A中所示的锁相环600的 第二算术模块620的合适模块。
流程图1300还包含使归一化调谐字与归一化增益乘数x相乘以获得振荡器 调谐字的操作(操作1330)。举例来说，图1A中所示的全数字锁相环110或图 10A中所示的锁相环600可包含用于使归一化调谐字与归一化增益乘数x相乘 以获得振荡器调谐字的合适模块，所述模块例如图1A中所示的全数字锁相环 110的算术模块116或图10A中所示的锁相环600的第二算术模块620。
流程图1300还包含将振荡器调谐字输入至数字控制振荡器以使得数字控 制振荡器跳跃至信道的操作(操作1340)。举例来说，图1A中所示的全数字锁 相环110或图10A中所示的锁相环600可耦合到数字控制振荡器以便将振荡器 调谐字提供至数字控制振荡器，所述数字控制振荡器配置以基于所述振荡器调 谐字而产生所需频率，例如图1A中所示的数字控制振荡器120或图10A中所 示的数字控制振荡器640。
应注意，本文所提供的模块的任何合适组合可视需要与锁相环或数字控制 振荡器适当地集成或适当地耦合到锁相环或数字控制振荡器。举例来说，参看 图9提及的增益估计模块、多路复用器以及算术模块中的一些或全部的任何合 适组合可作为数字控制振荡器的一部分而非作为锁相环的一部分提供，或可作 为耦合在锁相环与数字控制振荡器之间的独立元件的一部分提供。说明性地， 图1B中所示的归一化数字控制振荡器配置成以便从锁相环(未图示)接收归 一化调谐字，且包含配置成以便执行例如本文所提供的数字控制振荡器增益归 一化且将振荡器调谐字输出至数字控制振荡器以产生所需频率的模块。另外， 应注意，本文所提供的模块可使用硬件与软件的任何合适组合来实施，例如可由适当编程的现场可编程门阵列(field-programmable gate array；FPGA)或专 用集成电路(application-specific integrated circuit；ASIC)提供和/或可通过经适 当编程的计算机提供。
在本文提供的一个示例性方面下，导出非线性数字控制振荡器增益行为作 为振荡频率的三次函数。举例来说，在一些实施例中，随着振荡频率增加，数 字控制振荡器增益将立方地增加。此外，本公开展示此非线性行为是可预测的 且与工艺、电压以及温度变化无关。基于此非线性(例如，三次方)增益的推 导，例如基于中心线性内插，可在不需要测量增益的情况下基本上或完全实现 自由运行数字控制振荡器频率。在本文中所提供的另一个示例性方面下，模拟 硅行为的线性方法对于最细分辨率应用来说还不够。举例来说，从曲线的中心 的进行内插可大大改善硅与模拟行为之间的预测误差。在本文中所提供的另一 个示例性方面下，本方法可实施用于快速锁定应用中的任何类型的数字控制振 荡器。举例来说，其可有助于最小化锁定程序开始时的相位误差。
因此，提供了数字控制振荡器增益的非线性行为的导出三次方规则。线性 内插可有助于获得准确的数字控制振荡器增益，同时设计复杂度更低。中心线 性内插技术另外可改善数字控制振荡器增益。“及时”数字控制振荡器增益校 准流程可包含使用输出最终归一化数字控制振荡器增益的计算器，配置成选择 正确归一化数字控制振荡器增益的多路复用器和配置成在完成计算时将归一化 调谐字变为振荡器调谐字的乘数。通常，“校准”暗示已在硬件操作之前执行的 一系列步骤。然而，此处使用术语“及时校准”来描述校准类型过程，所述过 程可在硬件操作期间执行且“及时”用于产生输出。用于信道跳跃(频段选择)的完成的数字控制振荡器增益校准流程可包含使用导出三次方公式、电感对频 率的影响、非线性数字控制振荡器增益曲线、中心线性内插方程式、查找表、 振荡器调谐字计算器和数字控制振荡器。其可用于任何跳频、快速锁定及频率 预测应用。校准可与任何其它类型的数字控制振荡器增益/频率校准，例如线性 校准(二进制误差)，组合。数字控制振荡器设计可以是任何类型的电感-电容 槽路振荡器，例如电感器及/或变换器。电容器组不限于实例且组合不限于二进 制控制或单位加权。补偿后的数字控制振荡器增益可以在相同的整个频率范围 内。补偿后，数字控制振荡器频率曲线可与振荡频率成线性关系。
在一个实施例中，提供了一种控制数字控制振荡器的方法。产生对应于多 个信道中的第一信道的第一归一化调谐字。在对应于第一信道的第一频率下， 基于频率的非线性函数与其估计产生第一归一化增益乘数X。用第一归一化调 谐字乘以第一X以获得第一振荡器调谐字。第一振荡器调谐字输入到数字控制 振荡器以使得数字控制振荡器跳跃到第一信道。
在另一实施例中，提供一种控制数字控制振荡器的系统。所述系统包括： 锁相环，配置成产生多个归一化的调谐字，每一归一化调谐字对应于多个信道 的相应信道；数字控制振荡器，具有频率的非线性函数的增益；多路复用器， 配置成产生多个归一化增益乘数X，每一X是基于多个信道中的一个信道的相 应频率下的基准频率fR和频率的非线性函数，或频率的非线性函数的估计；和 算术模块，配置成基于相应归一化调谐字和相应X产生多个振荡器调谐字，其 中所述数字控制振荡器基于多个振荡器调谐字的相应振荡器调谐字在信道中跳 跃。
在又一实施例中，归一化数字控制振荡器包括：数字控制振荡器，具有频 率的非线性函数的增益；多路复用器，配置成产生多个归一化增益乘数X，每 一X在多个频率的相应频率下，基于基准频率fR和频率的非线性函数，或频率 的非线性函数的估计；和算术模块，配置成基于每一X产生相应的振荡器调谐 字，数字控制振荡器基于每一振荡器调谐字产生相应的频率。
在一些实施例中，本申请提供一种用于控制数字控制振荡器的方法，所述 方法包括：产生对应于多个信道的第一信道的第一归一化调谐字；在对应于所 述第一信道的第一频率下，基于频率的非线性函数或所述频率的非线性函数的 估计产生第一归一化增益乘数；使所述第一归一化调谐字与所述第一归一化增 益乘数相乘以得到第一振荡器调谐字；以及将所述第一振荡器调谐字输入至所 述数字控制振荡器以使得所述数字控制振荡器跳跃到所述第一信道。在一些实 施例中，其中所述第一归一化增益乘数X还基于参考频率fR产生。在一些实施 例中，其中所述参考频率fR是所述多个信道中的第二信道的频率。在一些实施 例中，其中所述第二信道是所述多个信道中的中心信道。在一些实施例中，所 述的用于控制数字控制振荡器的方法进一步包括：产生对应于所述多个信道中 的所述第一信道的第二归一化调谐字；在对应于第二信道的第二频率下基于所 述频率的非线性函数或在所述第二频率下基于所述频率的非线性函数的估计产 生第二归一化增益乘数；使所述第二归一化调谐字与所述第二归一化增益乘数 相乘以得到第二振荡器调谐字；以及将所述第二振荡器调谐字输入至所述数字 控制振荡器以使得所述数字控制振荡器跳跃到所述第二信道。在一些实施例中， 其中所述方法的至少部分在全数字锁相环中执行。在一些实施例中，其中所述 第一归一化增益乘数是基于所述频率的非线性函数在所述第一频率下的线性内 插。在一些实施例中，其中所述内插是基于所述频率的非线性函数的中心点。 在一些实施例中，其中所述频率的非线性函数是频率的三次函数。在一些实施 例中，其中所述内插是基于：其中y对 应于所述数字控制振荡器增益变量的变化，f0对应于所述数字控制振荡器所述 增益变量是100％的频率，以及y0对应于所述增益变量是100％的所述数字控制 振荡器所述增益变量的变化的值。
在一些实施例中，本申请提供一种用于控制数字控制振荡器的系统，所述 系统包括：锁相环，配置成产生多个归一化调谐字，所述多个归一化调谐字的 每一个对应于多个信道中的相应信道；数字控制振荡器，具有是频率的非线性 函数的增益；多路复用器，配置成产生多个归一化增益乘数，所述多个归一化 增益乘数的每一个在所述多个信道中的信道的相应频率下是基于参考频率fR和 所述频率的非线性函数，或所述频率的非线性函数的估计；；以及算术模块，配 置成基于相应归一化调谐字和相应归一化增益乘数产生多个振荡器调谐字，其 中所述数字控制振荡器基于所述多个振荡器调谐字中的相应振荡器调谐字在所 述多个信道当中跳跃。在一些实施例中，其中所述锁相环包括全数字锁相环。 在一些实施例中，其中提供所述多路复用器以及所述算术模块中的至少一者作 为包括所述数字控制振荡器的归一化数字控制振荡器的部分。在一些实施例中， 其中每一归一化增益乘数X是基于所述频率的非线性函数的线性内插。在一些 实施例中，其中所述内插是基于所述频率的非线性函数的中心点。在一些实施 例中，其中所述频率的非线性函数是频率的三次函数。在一些实施例中，其中 所述内插是基于：其中y对应于所述数 字控制振荡器增益变量的变化，f0对应于所述数字控制振荡器所述增益变量是 100％的频率，以及y0对应于所述增益变量是100％的所述数字控制振荡器所述 增益变量的变化的值。
在一些实施例中，本申请提供一种归一化数字控制振荡器，包括：数字控 制振荡器，具有是频率的非线性函数的增益；多路复用器，，配置成产生多个归 一化增益乘数，在多个频率中的相应频率下，所述多个归一化增益乘数的每一 个是基于参考频率fR以及所述频率的非线性函数，或所述频率的非线性函数的 估计；以及算术模块，配置成基于所述多个归一化增益乘数的每一个产生相应 振荡器调谐字，所述数字控制振荡器基于每一振荡器调谐字产生相应频率。在 一些实施例中，其中所述多个归一化增益乘数的每一个是基于所述频率的非线 性函数的线性内插。在一些实施例中，其中所述线性内插是基于频率范围的中 心点。
前文概述若干实施例的特征以使得本领域的技术人员可更好地理解本公开 的各方面。所属领域的技术人员应了解，其可以易于使用本公开作为设计或修 改用于进行本文中所介绍的实施例的相同目的和/或获得相同优势的其它工艺 和结构的基础。所属领域的技术人员还应认识到，这类等效构造并不脱离本公 开的精神及范围，且其可在不脱离本公开的精神和范围的情况下在本文中进行 各种改变、替代及更改。
此书面描述和以下权利要求可包含例如“在……上”的术语，所述术语仅 用于描述性目的，并且不应被理解为具有限制性。本文中所描述的系统、锁相 环和/或数字控制振荡器的实施例可以数个配置制造、使用或运送。

Claims (1)

1.一种用于控制数字控制振荡器的方法，所述方法包括：
产生对应于多个信道的第一信道的第一归一化调谐字；
在对应于所述第一信道的第一频率下，基于频率的非线性函数或所述频率的非线性函数的估计产生第一归一化增益乘数；
使所述第一归一化调谐字与所述第一归一化增益乘数相乘以得到第一振荡器调谐字；以及
将所述第一振荡器调谐字输入至所述数字控制振荡器以使得所述数字控制振荡器跳跃到所述第一信道。
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