一种提高数字锁相环性能的方法

摘要

本发明提出一种提高数字锁相环性能的方法，该方法在传统锁相环电路的希尔伯特鉴相器和环路滤波器之间依次增加一个比例微分控制模块，一个模糊控制模块和一个滤波器参数更新模块；根据鉴相器输出来自动调整环路滤波器参数，进而控制环路带宽，完成锁相环的自适应控制，从而增加锁定范围、缩小锁定时间并且降低稳态相位抖动。

权利要求

1.一种提高数字锁相环性能的方法，其特征是，在传统锁相环电路的希尔伯特鉴相器的输出和环路滤波器输入之间依次增加一个比例微分控制模块，一个模糊控制模块和一个滤波器参数更新模块，根据鉴相输出自动调整环路滤波系数，进而控制环路带宽，使得环路滤波器可以随着鉴相输出自适应地调整，从而增加锁定范围，缩小锁定时间并且降低稳态相位抖动；具体步骤如下：(1)锁相环接收形式为u1(t)＝cos(ω0t+θe)的信号；

(2)通过希尔伯特鉴相器，得到鉴相输出，即相位误差θe；

(3)鉴相输出θe经过比例微分控制模块得到相位误差变化率θe′；

(4)相位误差θe以及相位误差变化率θe′作为模糊控制模块的两个输入，经过模糊算法，输出带宽控制量B；

(5)控制量B经过滤波器参数更新模块，实时更新环路滤波器参数，即控制带宽，实现自适应控制；

(6)环路滤波器输出给数控振荡器，通过正/余弦查找表，锁相输出；

其中步骤(1)～(6)的具体流程如下：

锁相环的输入信号为u1(t)＝cos(ω0t+θe)，在希尔伯特鉴相器中，输出信号为 数控振荡器有两个输出信号，同相信号I＝cos(ω0t)和正交信号Q＝sin(ω0t)，经希尔伯特鉴相器的四个乘法器和两个加法器之后，得到相位误差θe的正弦值和余弦值cosθe＝Iu1+Qu2，sinθe＝Iu2-Qu1，sinθe和cosθe经除法器得tanθe，再经过数字反正切算法，得到之后θe分为两路传输，一路经过比例微分控制模块 得到相位误差变化率θe′，考虑物理可实现性，参数K取1，T的取值尽量小，将θe和θe′作为模糊控制模块的两个输入得到环路所需的带宽控制量B，模糊控制模块由定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断以及清晰化五部分组成，其中的模糊化采用高斯隶属度函数，清晰化采用中心面积法，即n为输出模糊集的数目，Bi为第i个模糊输出集的隶属度值，u(Bi)为对应的量化因子；

最后，根据模糊控制模块得到带宽控制量B，通过滤波器参数更新模块实时更新环路滤波器参数，信号经过环路滤波器后得到控制量给数控振荡器，这样可以得到希尔伯特鉴相器需要的两路正交信号。

说明书

一种提高数字锁相环性能的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及通信领域，特别是在实现调频接收机在接收信号的同步过程中，用以消除信号在传输过程中引起的载波频率偏移和相位偏移，提高载波恢复性能的一种提高数字锁相环性能的方法。

背景技术

[0002] 数字锁相环与模拟锁相环相比具有性能稳定，工作可靠和易于集成等优点，因而在频率合成、跟踪滤波、载波恢复等领域得到了广泛的应用。随着数字技术的发展和集成电路运算速度的提高，将使数字锁相环的应用领域更加广泛。

[0003] 传统的载波恢复锁相环往往采用固定带宽的环路滤波器，这就带来了一个问题，在捕获初期，相偏较大，这个时候就需要一个较大带宽来实现快速的捕捉；而在捕获后期，相偏已经较小，此时环路稳定成了首要考虑的因素，就需要一个较小带宽来实现一个小的稳态抖动。所以，锁定时间、锁定范围和稳态相位抖动这几个锁相环的重要指标之间是互相制约的。传统的固定带宽控制无法解决这一矛盾，而模糊控制无需建立精确的系统模型，对模型参数变化和干扰具有强鲁棒性，但控制速度不快，单独使用效果不佳。

发明内容

[0004] 本发明提出一种提高数字锁相环性能的方法，该方法通过在锁相环电路中增加一个模糊控制模块实现带宽模糊控制，一个比例微分模块和一个滤波器参数更新模块来实现快速锁定，提高了锁相环的各项性能。

[0005] 本发明方法是这样实现的：一种提高数字锁相环性能的方法，其特征是在传统锁相环希尔伯特鉴相器的输出和环路滤波器输入之间依次增加一个比例微分控制模块，一个模糊控制模块和一个滤波器参数更新模块，根据鉴相输出自动调整环路滤波系数，进而控制环路带宽，使得环路滤波器可以随着鉴相输出自适应的调整，从而增加锁定范围，缩小锁定时间并且提高锁定精度。具体步骤如下：

[0006] (1)锁相环接收形式为u1(t)＝cos(ω0t+θe)的信号；

[0007] (2)通过希尔伯特鉴相器，得到鉴相输出，即相位误差θe；

[0008] (3)鉴相输出θe经过比例微分控制模块得到相位误差变化率θe′；

[0009] (4)相位误差θe以及相位误差变化率θe′作为模糊控制模块的两个输入，经过模糊算法，输出带宽控制量B；

[0010] (5)控制量B经过滤波器参数更新模块，实时更新环路滤波器参数，即控制带宽，实现自适应控制；

[0011] (6)环路滤波器输出给数控振荡器，通过正余弦查找表，锁相输出。

[0012] 上述步骤(1)～(6)的具体流程如下：

[0013] 锁相环接收下面形式的信号u1(t)＝cos(ω0t+θe)，在希尔伯特鉴相器中，输出信号为 数控振荡器有两个输出信号，同相信号I＝cos(ω0t)和正交信号Q＝sin(ω0t)，经希尔伯特鉴相器的四个乘法器和两个加法器之后，得到相位误差θe的正弦和余弦值cosθe＝Iu1+Qu2，sinθe＝Iu2-Qu1，sinθe和cosθe经除法器得tanθe，再经过数字反正切算法，得到

[0014] 之后θe分为两路传输，一路经过比例微分控制模块 得到相位误差变化率θe′，考虑物理可实现性，参数K取1，T取的尽量小，将θe和θe′作为模糊控制模块的两个输入得到环路所需的带宽控制量B，模糊控制模块由定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及清晰化五部分组成，其中的模糊化采用高斯隶属度函数，清晰化采用中心面积法，即n为输出模糊集的数目，Bi为第i个模糊输出集的隶属度值，u(Bi)为对应的量化因子；

[0015] 最后，根据模糊控制模块得到带宽控制量B，实时更新环路滤波器参数，信号经过环路滤波器后得到控制量给数控振荡器，这样可以得到希尔伯特鉴相器需要的两路正交信号。

[0016] 本发明的优点及显著效果：(1)缩小锁定时间，实现锁相环快速锁定；(2)增加锁定范围(3)提高锁定精度，实现较小稳态相位抖动；(4)应用本方法设计的锁相环电路可以全数字实现，因此众多的软件方法可以利用，而且系统的参数是可配置的。

附图说明

[0017] 图1是传统锁相环原理图；

[0018] 图2是根据本发明实施的数字锁相环原理图；

[0019] 图3是模糊控制原理图；

[0020] 图4是模糊控制隶属度函数图；

[0021] 图5是模糊控制规则表；

[0022] 图6是模糊控制规则Surface立体效果图。

具体实施方式

[0023] 首先以载波恢复的应用背景为例阐述本发明方法的原理。

[0024] 锁相环接收形式为u1(t)＝cos(ω0t+θe)的信号，这里θe为相偏，在载波恢复过程中，锁相环的作用就是通过计算得到θe，并且利用这个θe得到同频同相的载波。

[0025] 传统的锁相环结构如图1，通过鉴相器得到相偏θe，经过环路滤波器控制数控振荡器得到同频同相的载波。而环路滤波器往往采用定带宽环路，即使将锁相环分为捕捉和跟踪两个过程，采用不同带宽提高锁定性能，但还是会固定带宽，不能随着相偏实时更新，锁定性能提高很有限。本发明提出了模糊带宽控制结构，即增加带宽模糊控制模块，随着相偏实时更新环路带宽，而且为了缩小系统响应时间，加入比例微分控制思想。

[0026] 应用本发明方法设计的锁相环原理框图如图2所示，包括：1个希尔伯特鉴相器、1个比例微分控制模块、1个模糊控制模块、1个滤波器参数更新模块、1个环路滤波器和1个数控振荡器。其中比例微分控制模块、模糊控制模块和滤波器参数更新模块是为了提高锁相环的性能而在传统锁相环的基础上增加的部分，如图2中的实线部分所示。

[0027] 该锁相环电路的工作原理是，首先锁相环接收下面形式的信号：

[0028] u1(t)＝cos(ω0t+θe)

[0029] 则在希尔伯特鉴相器中，输出信号u2(t)为：

[0030]

[0031] 数控振荡器有两个输出信号，一个是同相信号I＝cos(ω0t)，另外一个是它的正交信号Q＝sin(ω0t)，经过希尔伯特鉴相器中的四个乘法器和两个加法器之后，得到相位误差θe的正弦值和余弦值cosθe＝Iu1+Qu2，sinθe＝Iu2-Qu1，用sinθe除以cosθe得到tanθe，再经过数字反正切算法，得到

[0032] 模糊算法作为一种非线性算法由于对模型参数变化和干扰具有强鲁棒性，得到广泛的研究与应用。二维Mamdani模糊算法结构如图3所示，总体控制思想为将误差量转化为模糊控制量来进行反馈控制。

[0033] 此结构包含了五个主要部分，即：定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及清晰化，简单说明如下：

[0034] (1)定义变量：也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，输入变量有输出误差E与输出误差之变化率CE，而控制变量则为下一个状态之输入U。其中E、CE、U统称为模糊变量。

[0035] (2)模糊化：将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值求该值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合。

[0036] (3)知识库：包括隶属函数库，及规则库以及清晰算法库三部分，其中规则库藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。

[0037] (4)逻辑判断：模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。此部分是模糊控制模块的精髓所在。

[0038] (5)清晰化：将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，作为系统的输入值。

[0039] 得到相位误差θe后，θe分为两路传输，一路经过比例微分控制模块得到θe′，将θe和θe′作为模糊控制模块的两个输入得到环路带宽控制量B。具体步骤如下：希尔伯特鉴相器的输出θe经过一个比例微分控制模块 得到相位误差变化率θe′。模糊控制模块的两个输入分别为θe，θe′。将Mamdani-Fuzzy算法扩展到二维，考虑物理可实现性，参数K取1，T的取值尽量小。模糊控制模块中模糊化采用高斯隶属度函数如图4，Mamdani蕴涵算法。控制规则如图5所示。两输入一输出，25条控制规则。定义输入、输出的语言变量分别为{NL，NS，ZE，PS，PL}和{GS，VS，S，M，L，VL，GL}表示“负大，负小，零，正小，正大”和“极小，很小，小，中，大，很大，极大”，总体控制思想是，当误差大，误差变化大，增大带宽；误差小，误差变化量小，减小带宽。图6为模糊控制规则Surface立体效果图。

[0040] 对于清晰化采用如下式所示的中心面积法：

[0041]

[0042] 其中，n为输出模糊集的数目，Bi为第i个模糊输出集的隶属度值，u(Bi)为对应的量化因子。

[0043] 模糊控制模块得到带宽控制量B，通过滤波参数更新模块实时更新环路滤波器参数，

[0044] 下面具体说明环路滤波器结构，以三阶为例来说明参数更新思想的具体实施。三阶锁相环闭环传输函数可以描绘为下式所示：

[0045]

[0046] 环路的单边带噪声带宽BL为：

[0047]

[0048] 其中M＝(ab2+a2-b)/(4ab-4)为环路带宽BL与自然频率ωn的比率。

[0049] 三阶环路滤波器传递函数由下式表示：

[0050]

[0051] 其中τ1，τ2，τ3为数字滤波器系数。使用双线性变换将连续时间函数转化为离散时间函数并利用上式得到其离散时间传递函数如下式所示，其中Cd为鉴相增益，Cn为数控振荡器增益。

[0052]

[0053] 环路滤波器参数计算用BL表示如下式所示：

[0054]

[0055]

[0056]

[0057] 信号经过环路滤波器后得到控制量给数控振荡器，这样可以得到希尔伯特鉴相器需要的两路正交信号。

[0058] 以上为整个数字锁相环的原理以及实现结构。分析可知，误差信号越大，并且变化趋势更大，则控制环路滤波器带宽加大，环路进入快捕区；误差信号变小，并且变化趋势更小，控制环路滤波器带宽减小，环路进入慢捕区，保证精度；稳态时误差接近0，环路锁定完成，控制带宽最小，此时为窄带控制，其跟踪性能达到最优。这样就很好地缓解了锁相环锁定时间和锁定范围之间的矛盾，同时也降低了稳态相位抖动。