CN112666523B - 接收机自适应载波环及接收机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种接收机自适应载波环及接收机，接收机自适应载波环包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、接收机状态判决器和环路带宽调整器，接收机状态判决器在接收机的状态为高动态模式时，将环路滤波器设置为三阶环路，在接收机的状态为低速模式时，将环路滤波器设置为二阶环路。环路带宽调整器根据接收到的信号的载噪比获取最优环路带宽，根据最优环路带宽对环路滤波器的当前带宽进行调整。通过分析接收机的状态和所接收信号的载噪比，根据动态条件自适应调整锁相环的阶数和环路带宽，实现在动态场景下满足低噪声和动态性能需求。

Description

接收机自适应载波环及接收机

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种接收机自适应载波环及接收机。

背景技术

卫星接收机对卫星信号的跟踪是一个复制接收信号载波和伪码的过程，其中，载波环的作用就是使其复制的载波信号与接收到的卫星载波信号保持一致，从而剥离卫星信号中的载波。锁相环是以锁定输入载波信号的相位为目标的一种载波环，广泛地应用于卫星接收机中。

传统的锁相环主要包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，其中环路滤波器的阶数和带宽基本决定了锁相环的性能，但在动态场景下这种锁相环结构无法满足低噪声和动态性能需求。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可在动态场景下满足低噪声和动态性能需求的接收机自适应载波环及接收机。

一种接收机自适应载波环，包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、接收机状态判决器和环路带宽调整器，所述鉴相器连接所述环路滤波器，所述环路滤波器连接所述压控振荡器、所述接收机状态判决器和所述环路带宽调整器；

所述接收机状态判决器用于查询接收机的状态，并在接收机的状态为高动态模式时，将所述环路滤波器设置为三阶环路，在接收机的状态为低速模式时，将所述环路滤波器设置为二阶环路；

所述环路带宽调整器用于根据接收到的信号的载噪比获取最优环路带宽，根据所述最优环路带宽对所述环路滤波器的当前带宽进行调整。

在其中一个实施例中，所述接收机状态判决器还用于查询信号发射源的仰角和接收机的速度，当所述信号发射源的仰角和接收机的速度满足预设的高动态条件时，则将接收机的状态设置为高动态模式，当所述信号发射源的仰角和接收机的速度满足预设的低速条件时，则将接收机的状态设置为低速模式。

在其中一个实施例中，所述低速条件包括所述接收机的速度小于第一预设速度且持续预设时长。

在其中一个实施例中，所述接收机状态判决器在所述接收机的速度小于第一预设速度时，启动低速模式计数器计时，在所述接收机的速度大于或等于所述第一预设速度时，将所述低速模式计数器清零；所述接收机状态判决器在所述低速模式计数器的计数达到所述预设时长时将接收机的状态设置为低速模式。

在其中一个实施例中，所述高动态条件包括当前信号发射源的仰角小于预设角度，且所述接收机的速度大于第二预设速度；或

所述高动态条件包括当前信号发射源的仰角大于或等于预设角度，且所述接收机的速度大于第三预设速度；其中，所述第二预设速度大于所述第一预设速度，所述第三预设速度大于所述第二预设速度。

在其中一个实施例中，所述接收机状态判决器还用于在接收机的状态为高动态模式时，启动高动态模式计数器计数，以及在所述接收机的状态为低速模式时，对所述高动态模式计数器清零。

在其中一个实施例中，所述接收机状态判决器在接收机的状态为高动态模式时，将所述环路滤波器设置为三阶环路后，还根据所述高动态模式计数器的当前计数得到平滑过渡因子，并根据所述平滑过渡因子对所述环路滤波器中的加速度累加值进行调整。

在其中一个实施例中，所述环路带宽调整器在所述最优环路带宽小于所述当前带宽时，则将所述环路滤波器的环路带宽调整为所述最优环路带宽；在所述最优环路带宽等于所述当前带宽时，则所述环路滤波器的环路带宽保持不变；在所述最优环路带宽大于所述当前带宽时，则将所述环路滤波器的环路带宽调整为所述最优环路带宽和所述当前带宽的均值。

一种接收机，包括上述的接收机自适应载波环。

在其中一个实施例中，所述接收机为卫星信号接收机或雷达信号接收机。

上述接收机自适应载波环及接收机，接收机状态判决器在接收机的状态为高动态模式时，将环路滤波器设置为三阶环路，在接收机的状态为低速模式时，将环路滤波器设置为二阶环路。环路带宽调整器根据接收到的信号的载噪比获取最优环路带宽，根据最优环路带宽对环路滤波器的当前带宽进行调整。通过分析接收机的状态和所接收信号的载噪比，根据动态条件自适应调整锁相环的阶数和环路带宽，实现在动态场景下满足低噪声和动态性能需求。

附图说明

图1为一实施例中接收机自适应载波环的结构框图；

图2为一实施例中接收机自适应载波环的结构原理图；

图3为一实施例中接收机自适应载波环的自适应调节流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。

在一个实施例中，一种接收机自适应载波环，接收机可用于卫星信号的接收，也可以用于雷达信号的接收。如图1所示，自适应载波环包括鉴相器110、环路滤波器120、压控振荡器130、接收机状态判决器140和环路带宽调整器150，鉴相器110连接环路滤波器120，环路滤波器120连接压控振荡器130、接收机状态判决器140和环路带宽调整器150。

接收机状态判决器140用于查询接收机的状态，并在接收机的状态为高动态模式时，将环路滤波器120设置为三阶环路，在接收机的状态为低速模式时，将环路滤波器120设置为二阶环路；环路带宽调整器150用于根据接收到的信号的载噪比获取最优环路带宽，根据最优环路带宽对环路滤波器120的当前带宽进行调整。

其中，接收机用于接收信号发射源发送的信号以及对信号进行跟踪，信号发射源可以是卫星或雷达等，对应地，接收机接收的信号可以是卫星信号或雷达信号。自适应载波环接收到的输入信号经鉴相器110、环路滤波器120和压控振荡器130后返回输出信号至接收机，以锁定输入载波信号的相位。

查询接收机的状态，以及分析接收机接收到的信号的载噪比的方式并不是唯一的，具体地，可以是通过接收机其他功能模块来根据实际情况分析接收机的状态以及所接收信号的载噪比，并将接收机的状态信息发送至接收机状态判决器140，以及将信号的载噪比发送至环路带宽调整器150，接收机状态判决器140根据接收到的状态信息调整锁相环的阶数，环路带宽调整器150根据接收的信号载噪比调整环路带宽。此外，也可以是利用接收机状态判决器140分析接收机的状态，根据接收机状态自适应调整锁相环的阶数，通过环路带宽调整器150对接收的信号进行分析得到信号载噪比，根据信号载噪比自适应调整锁相环的环路带宽。

上述接收机自适应载波环，通过分析接收机的状态和所接收信号的载噪比，根据动态条件自适应调整锁相环的阶数和环路带宽，实现在动态场景下满足低噪声和动态性能需求。

在一个实施例中，接收机状态判决器140还用于查询信号发射源的仰角和接收机的速度，当信号发射源的仰角和接收机的速度满足预设的高动态条件时，则将接收机的状态设置为高动态模式，当信号发射源的仰角和接收机的速度满足预设的低速条件时，则将接收机的状态设置为低速模式。

具体地，以信号发射源为卫星为例，接收机可根据采集到的数据分析卫星的仰角，接收机状态判决器140实时监测卫星的仰角以及接收机的速度，并与预先保存的高动态条件和低速条件进行对比，当满足相应条件时则可将接收机标记为对应状态，以便结合接收机的状态进行锁相环阶数调整。

可以理解，高动态条件和低速条件的具体内容也不是唯一的，可根据实际情况进行调整。在一个实施例中，低速条件包括接收机的速度小于第一预设速度且持续预设时长。进一步地，接收机状态判决器140在接收机的速度小于第一预设速度时，启动低速模式计数器计时，在接收机的速度大于或等于第一预设速度时，将低速模式计数器清零；接收机状态判决器140在低速模式计数器的计数达到预设时长时将接收机的状态设置为低速模式。

接收机状态判决器140根据接收机的速度与第一预设速度的关系，对应控制低速模式计数器static_counter的计时和清零，在低速模式计数器static_counter连续计时达到预设时长时，则可将接收机标记为低速模式状态。其中，第一预设速度和预设时长的取值也并不唯一，本实施例中，第一预设速度为2m/s，预设时长为60S。

在一个实施例中，高动态条件包括当前信号发射源的仰角小于预设角度，且接收机的速度大于第二预设速度；或高动态条件包括当前信号发射源的仰角大于或等于预设角度，且接收机的速度大于第三预设速度。

其中，第二预设速度大于第一预设速度，第三预设速度大于第二预设速度。预设角度、第二预设速度和第三预设速度的具体取值也并不唯一，本实施例中，预设角度为45度，第二预设速度为5m/s，第三预设速度为10m/s。同样以接收卫星信号为例，若当前时刻卫星的仰角小于45度，继续判断接收机的速度是否大于5m/s，若是，则将接收机状态设置为高动态模式；若当前时刻卫星的仰角大于45度，继续判断接收机的速度是否大于10m/s,若是，则将接收机状态设置为高动态模式。

在一个实施例中，接收机状态判决器140还用于在接收机的状态为高动态模式时，启动高动态模式计数器dynamic_counter计数，以及在接收机的状态为低速模式时，对高动态模式计数器dynamic_counter清零。

具体地，接收机状态判决器140还可预先设置高动态模式计数器dynamic_counter的计数上限值，在高动态模式下，若高动态模式计数器dynamic_counter的计数值小于计数上限值，则计数值加1。若某一时刻低速模式计数器static_counter的值大于或等于60，在接收机状态设置为低速模式后，高动态模式计数器dynamic_counter的计数清零。其中，高动态模式计数器dynamic_counter的计数上限值的设置也不是唯一的，本实施例中，计数上限值为255。

进一步地，在其中一个实施例中，接收机状态判决器140在接收机的状态为高动态模式时，将环路滤波器120设置为三阶环路后，还根据高动态模式计数器的当前计数得到平滑过渡因子，并根据平滑过渡因子对环路滤波器120中的加速度累加值进行调整。

具体地，在将环路滤波器120设置为三阶环路后，接收机状态判决器140将高动态模式计数器dynamic_counter的当前计数除以计数上限值得到平滑过渡因子，然后将环路滤波器120中的加速度累加值乘以平滑过渡因子，从而使得环路切换平滑过渡。

环路带宽调整器150可预先保存载噪比对应环路带宽查找表，该查找表中存储有不同载噪比下的最优环路带宽，环路带宽调整器150在查询得到接收机所接收信号的载噪比后，可根据载噪比对应环路带宽查找表直接确定最优环路带宽，进而根据最优环路带宽自适应调整锁相环的环路带宽。

环路带宽调整器150根据最优环路带宽调整锁相环的当前带宽的方式也不是唯一的，在一个实施例中，环路带宽调整器150在最优环路带宽小于当前带宽时，则将环路滤波器120的环路带宽调整为最优环路带宽；在最优环路带宽等于当前带宽时，则环路滤波器120的环路带宽保持不变；在最优环路带宽大于当前带宽时，则将环路滤波器120的环路带宽调整为最优环路带宽和当前带宽的均值。

在一个实施例中，还提供了一种接收机，包括上述的接收机自适应载波环。其中，接收机为卫星信号接收机或雷达信号接收机。此外，接收机还可包括与自适应载波环直接或间接连接的其他功能模块，在此不再赘述。

上述接收机，通过分析接收机的状态和所接收信号的载噪比，根据动态条件自适应调整锁相环的阶数和环路带宽，实现在动态场景下满足低噪声和动态性能需求。

为便于更好地理解上述接收机自适应载波环及接收机，下面以接收机对卫星信号进行跟踪为例进行详细解释说明。

卫星接收机可能采用的锁相环大致分为一阶、二阶和三阶。由于一阶锁相环无法跟踪信号频率阶跃激励和频率斜升激励，所以很少被采用；由于二阶锁相环具有性能好，易于分析，易于最优化和无条件稳定等优点，所以它被广泛应用于卫星接收机中。但是动态场景下，二阶锁相环会产生动态应力误差，当其大于鉴相牵引范围时，二阶环路会对信号失锁。三阶锁相环是有条件稳定的，其动态应力误差为零，在高动态场景下，其对信号的跟踪性能远优于二阶环路。环路带宽控制进入环路滤波器的噪声量，带宽越窄，噪声越小，环路对信号的跟踪越精确，但是支持用户动态性的能力越差。所以在实际应用中，为了同时满足低噪声和动态性能需求，需要自适应地调整环路滤波器的阶数和带宽。

一阶锁相环、二阶锁相环和三阶锁相环在不同的应用场景下具有各自的性能优势。如果所有场景固定使用一种锁相环，性能无法达到最优。为了同时满足不同应用场景的需求，需要二阶锁相环和三阶锁相环在一定的动态条件下进行自适应地切换且为了保证信号跟踪的稳定，环路切换需要平滑过渡。此外，环路带宽必须在低噪声和动态性需求之间做出平衡与选择。如果固定环路带宽，则无法在满足动态性需求的前提下同时最优化噪声性能。因此，为了满足不同卫星信号能量强度范围内的动态性需求，需要环路带宽根据信号能量强弱自适应地调整。

基于此，本申请提供了一种根据动态条件自适应切换二阶锁相环和三阶锁相环，根据接收卫星信号能量强弱自适应调整环路带宽的自适应载波环，主要根据卫星的仰角，接收机的速度和信号能量强弱自适应调整锁相环的阶数和环路带宽，以达到满足动态性能需求的条件下最优化噪声性能。

如图2所示，自适应载波环包括以下几个模块：接收机状态判决器，载噪比对应环路带宽查找表、环路带宽调整模块、鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。如图3所示为自适应载波环的自适应调节流程图，自适应调节主要包括以下步骤：

步骤1：初始化接收机状态为低速模式，低速模式计数器static_counter为零，高动态模式计数器dynamic_counter为零。

步骤2：同时查询卫星的仰角和接收机的速度，假设当前时刻卫星的仰角小于45度，继续判断接收机的速度是否大于5m/s，大于则将接收机状态设置为高动态模式；假设卫星的仰角大于45度，继续判断接收机的速度是否大于10m/s,大于则将接收机状态设置为高动态模式；在高动态模式下，若高动态模式计数器dynamic_counter的值小于255则其值加1。判断接收机的速度是否小于2m/s,小于则将低速模式计数器static_counter加1，若当前时刻低速模式计数器static_counter的值大于等于60，则将接收机状态设置为低速模式，高动态模式计数器dynamic_counter清零；若速度大于2m/s,则将低速模式计数器static_counter清零。

步骤3：查询接收机的状态，如果是高动态模式，则环路滤波器选用三阶环路，且将环路滤波器中的加速度累加值乘以平滑过渡因子：高动态模式计数器dynamic_counter的计数值/255；如果是低速模式，则环路选用二阶环路。

步骤4：查询接收到的卫星信号的载噪比，根据信号载噪比对应环路带宽的表格查找出当前载噪比下最优的环路带宽；如果选取的最优环路带宽小于当前带宽，则将环路带宽调整为新选取的窄带宽；如果选取的最优环路带宽等于当前带宽，则环路带宽保持不变；如果选取的最优环路带宽大于当前带宽，则将环路带宽调整为新选取的带宽和当前带宽的均值。

上述自适应载波环，通过对卫星接收机高动态和低速状态进行判定，根据动态条件进行二阶锁相环和三阶锁相的平滑过渡切换，同时还可根据接收到的卫星信号载噪比，自适应调整环路带宽。该自适应载波环能够根据动态场景选择环路滤波器，例如低速场景下采用二阶锁相环而高动态场景下采用三阶锁相环；在不同的卫星信号能量下，选择最优的环路带宽，使得在满足动态性需求的前提下噪声性能最好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种接收机自适应载波环，其特征在于，包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、接收机状态判决器和环路带宽调整器，所述鉴相器连接所述环路滤波器，所述环路滤波器连接所述压控振荡器、所述接收机状态判决器和所述环路带宽调整器；

所述接收机状态判决器用于查询接收机的状态，并在接收机的状态为高动态模式时，将所述环路滤波器设置为三阶环路，在接收机的状态为低速模式时，将所述环路滤波器设置为二阶环路；

所述环路带宽调整器用于根据接收到的信号的载噪比获取最优环路带宽，根据所述最优环路带宽对所述环路滤波器的当前带宽进行调整；

所述接收机状态判决器还用于查询信号发射源的仰角和接收机的速度，当所述信号发射源的仰角和接收机的速度满足预设的高动态条件时，则将接收机的状态设置为高动态模式，启动高动态模式计数器计数；将所述环路滤波器设置为三阶环路后，还根据所述高动态模式计数器的当前计数除以计数上限值得到平滑过渡因子，并将所述环路滤波器的加速度累加值乘以所述平滑过渡因子使环路切换平滑过渡；当所述信号发射源的仰角和接收机的速度满足预设的低速条件时，则将接收机的状态设置为低速模式，对所述高动态模式计数器清零。

2.根据权利要求1所述的接收机自适应载波环，其特征在于，所述低速条件包括所述接收机的速度小于第一预设速度且持续预设时长。

3.根据权利要求2所述的接收机自适应载波环，其特征在于，所述第一预设速度为2m/s，所述预设时长为60S。

4.根据权利要求2所述的接收机自适应载波环，其特征在于，所述接收机状态判决器在所述接收机的速度小于第一预设速度时，启动低速模式计数器计时，在所述接收机的速度大于或等于所述第一预设速度时，将所述低速模式计数器清零；所述接收机状态判决器在所述低速模式计数器的计数达到所述预设时长时将接收机的状态设置为低速模式。

5.根据权利要求2所述的接收机自适应载波环，其特征在于，所述高动态条件包括当前信号发射源的仰角小于预设角度，且所述接收机的速度大于第二预设速度；或

所述高动态条件包括当前信号发射源的仰角大于或等于预设角度，且所述接收机的速度大于第三预设速度；其中，所述第二预设速度大于所述第一预设速度，所述第三预设速度大于所述第二预设速度。

6.根据权利要求5所述的接收机自适应载波环，其特征在于，所述预设角度为45度，所述第二预设速度为5m/s。

7.根据权利要求5所述的接收机自适应载波环，其特征在于，所述第三预设速度为10m/s。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的接收机自适应载波环，其特征在于，所述环路带宽调整器在所述最优环路带宽小于所述当前带宽时，则将所述环路滤波器的环路带宽调整为所述最优环路带宽；在所述最优环路带宽等于所述当前带宽时，则所述环路滤波器的环路带宽保持不变；在所述最优环路带宽大于所述当前带宽时，则将所述环路滤波器的环路带宽调整为所述最优环路带宽和所述当前带宽的均值。

9.一种接收机，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的接收机自适应载波环。

10.根据权利要求9所述的接收机，其特征在于，所述接收机为卫星信号接收机或雷达信号接收机。