一种用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，带宽调节的过程可以分为两个阶段；一是动态过程发生时由静态带宽切换为动态带宽的过程，称之为响应阶段；二是动态过程结束后由动态带宽恢复为静态带宽的过程，称之为恢复阶段。与FAB-PLL相比，本发明有着调节过程无相位滑动失锁、对动态过程响应速度快等特点，响应速度快，使得该方法在火箭、导弹、低轨卫星等运动模型复杂、环境时变明显的任务中有着巨大的应用潜力。
【专利说明】-种用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信与测量领域，尤其涉及一种用于载波提取和跟踪的锁相环环 路带宽动态调整的方法。
【背景技术】
[0002] 载波的提取是无线通信与测量领域中重要的技术之一。载波的跟踪性能受随时间 变化的各种外界因素影响，并且在每种外界条件下均存在着最佳环路参数。为了提高环路 的跟踪性能，各种自适应带宽调整方法不断被提出并得到了广泛的应用。目前常用的自适 应带宽调整方法有FAB-PLL，PLB-PLL，FL-PLL等。
[0003] 环路动态性能和环路跟踪精度是带宽调整中的核心问题。当采用大带宽时，可以 更好的应对动态过程但却牺牲了跟踪精度，当采用小带宽时，可以获得较高的跟踪精度却 容易导致环路因动态过程而失锁。因此，各种算法的关注重点在于最佳环路带宽的计算。
[0004] FAB-PLL :即快速自适应环路带宽锁相环。该方法根据鉴相器输出的相位差、收到 的信号功率、当前的动态过程的估计、当前的噪声特性，实时的计算并更新环路带宽，以达 到环路带宽与当前工作环境的最佳匹配。环路带宽初始值设为15Hz，可以在衰落信道条件 下调整到5Hz以内，提高了环路的信噪比。然而FAB-PLL也有以下几个缺点。（1)关注的重 点仅仅是如何确定各种环境下的最佳带宽，而不同带宽间的切换过程没有相应约束，存在 相位失周或者短暂失锁等风险。（2)由于计算量繁杂，环路带宽的更新周期较长，一般几毫 秒更新一次，这使其无法及时应对某些突发的动态过程，这也会造成相位的滑动失周。
[0005] PLB-PLL :预定义环路带宽锁相环。PLB-PLL可以看做是FAB-PLL的一种简化形式， 它仅需要测量信噪比，不需要估计动态过程，将最佳带宽以查找表的方式保存，使用时仅需 查找，避免了复杂的实时计算过程，简化了系统实现。但是该方法仅针对不同信噪比调整带 宽，并不根据实时动态过程调整。PLB-PLL和FAB-PLL相比，损失仅有3%左右。然而，这仅 限于动态过程变化范围较小、不同动态过程下的带宽差距不大时，若动态过程的变化范围 较大，则性能损失会比较严重，因为即使没有发生动态过程时，该方法仍然工作在较大的带 宽下。
[0006] FL-PLL :模糊逻辑锁相环。模糊逻辑锁相环将鉴相器输出的相位差和鉴频器输出 的频率差作为输入，通过模糊逻辑判断当前的动态特性，从而调整输入到环路滤波器的信 号的增益，从而达到调整环路带宽的目的。这种方法有着更好的鲁棒性，对比FL-PLL与传 统PLL的锁定范围和拉入范围，FL-PLL均提高了 5倍以上。然而由于模糊控制是非线性过 程，导致恢复出的相位与接收到的相位有一定偏差，不适宜应用在GNSS系统中。另外一个 缺陷是FL-PLL需要训练过程，该训练过程与实际应用的偏差会导致FL-PLL的性能下降。
[0007] 这些方法有着两个不足，首先，它们缺少及时应对频率阶跃等突发动态过程的能 力，其次，它们均不关心不同带宽间的切换过程。这导致了相位滑动失周发生的可能性。在 载波测距、电离层检测等系统中，相位滑动失周会导致以下两个问题。首先，当相位滑动失 周发生时，恢复出的信号与接收到的信号的相位不再相同，因此这段时间内的伪距测量值 是无效的。但是这些无效值仍然用在了后续的平滑过程中，造成了精度损失。其次，当相位 滑动失周结束后，接收到的信号和恢复出的信号经历了不同的周期数，因此相位解整周模 糊过程需要重新进行，该过程需要耗费一定的时间，所以解模糊完成前会出现一些与真实 伪距不同的野值，造成了测量值的不连续。
【发明内容】
[0008] 针对上述方法的不足，本文提出一种新的带宽自适应调节方法。与FAB-PLL相比， 该方法有着两个明显的不同。首先，本方法使用了一个独立的动态过程检测器连续不间断 的监测动态过程。一旦监测到动态过程，立即开启带宽调节过程，而不是像FAB-PLL -样在 特定时间调整带宽。这改进了对于动态过程的响应速度，使得系统能够对于频率阶跃等突 发的动态过程进行快速响应，避免系统的失锁。其次，该方法考虑了环路在带宽调节过程中 的行为，并且通过添加一系列的约束条件，保证了环路在带宽切换过程中始终处于稳定不 失锁状态。这两个特性保证了相位在带宽调节过程中无滑动失周现象。
[0009] -种用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，分为响应阶段和恢复阶 段：
[0010] 响应阶段：为动态过程发生时由静态带宽切换为动态带宽的过程；
[0011] (1)动态过程发生时，检测锁相环的相位差θ ε，和输入载噪比C/Ν。，并根据C/N。计 算最佳动态带宽和最佳静态带宽c〇s，并设定切换门限Th d_和相位门限Thup;
[0012] (2)判断相位差叭是否超过相位门限Thup，若超过，由最佳静态带宽、切换到最 佳动态带宽，并根据切换门限Th d_计算持续时间TD和过渡环路带宽ω?;
[0013] 恢复阶段，动态过程结束后由动态带宽恢复为静态带宽的过程；
[0014] (3)设定动态过程的持续时间TD，直到超过持续时间TD，同时T D时间后的相位差 0e小于切换门限Thd_;
[0015] (4)引入过渡频率C0t，并判断C0t与最佳静态带宽C0 s的大小，在最佳静态带宽C0s 大于过渡频率《1时，直接切换到最佳静态带宽c〇s。
[0016] 在步骤（2)中，若相位差叭不超过相位门限Thup，则回到动态过程发生前的初始 状态，并继续检测相位差。
[0017] 在步骤（4)中，当最佳静态带宽ω3小于过渡频率C0t时，切换到过渡频率C0 t，并 对持续时间TD和过渡频率〇^进行更新，再重复步骤（3)和步骤（4)的操作，直到切换为最 佳静态带宽《 s。
[0018] 在切换为最佳静态带宽《3后，更新持续时间TD，在超过持续时间T D后，恢复至动 态过程发生前的初始状态。
[0019] 最佳动态带宽ω?:
[0020]
【权利要求】
1. 一种用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，其特征在于，分为响应阶段 和恢复阶段： 响应阶段：为动态过程发生时由静态带宽切换为动态带宽的过程； (1) 动态过程发生时，检测锁相环的相位差θε，和输入载噪比C/X，并根据C/X计算最 佳动态带宽ω d和最佳静态带宽ω s，并设定切换门限Thd_和相位门限Thup ; (2) 判断相位差叭是否超过相位门限Thup，若超过，由最佳静态带宽切换到最佳动 态带宽，并根据切换门限Thd_计算持续时间TD和过渡环路带宽ω?; 恢复阶段，动态过程结束后由动态带宽恢复为静态带宽的过程； (3) 设定动态过程的持续时间TD，直到超过持续时间TD，同时TD时间后的相位差叭小 于切换门限Th d_; (4) 引入过渡频率c〇t，并判断c〇t与最佳静态带宽c〇s的大小，在最佳静态带宽〇^大 于过渡频率《 1时，直接切换到最佳静态带宽c〇s。
2. 如权利要求1所述的用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，其特征在 于，在步骤（2)中，若相位差叭不超过相位门限Th up，则回到动态过程发生前的初始状态， 并继续检测相位差。
3. 如权利要求1所述的用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，其特征在 于，在步骤（4)中，当最佳静态带宽小于过渡频率〇^时，切换到过渡频率c〇 t，并对持续 时间TD和过渡频率〇^进行更新，再重复步骤（3)和步骤（4)的操作，直到切换为最佳静态 带宽《 s。
4. 如权利要求3所述的用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，其特征在 于，在切换为最佳静态带宽ω s后，更新持续时间TD，在超过持续时间TD后，恢复至动态过程 发生前的初始状态。
5. 如权利要求1所述的用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，其特征在 于，最佳动态带宽《d: Αω c"v。-9 ω, = min(" Ι11：ΙΧ ,0.637χ 10 10 ) d 2.4 式中，Δ c〇inmax为最大频率阶跃，C/X为输入载噪比。
6. 如权利要求1所述的用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，其特征在 于，持续时间TD由切换门限Th d_确定， Uel(TD) 二-0.492，103咕.八%-臟/似" +0.499e-〇149^-A^_max/^ 式中，ωη为开环传递函数的参数，Δ ω?η__为最大频率阶跃。
7. 如权利要求1所述的用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，其特征在 于，采用独立的相位差积分器检测所述的相位差θ ε。
8. 如权利要求7所述的用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法，其特征在 于，采用载噪比检测器检测输入信号载噪比。
【文档编号】H03L7/08GK104283552SQ201410447306
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】张朝杰, 娄延年, 郭攀, 金仲和 申请人:浙江大学