[发明专利]一种用于载波提取的锁相环环路带宽动态调整的方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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

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一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。

一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：

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θ_e，和输入载噪比C/N₀，并根据C/N₀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Th_down和相位门限Th_up；