利用仿真软件MATLAB对3种噪声水平下的输入信号进行相位跟踪仿真，3种情况下，锁相环参数相同，输入的调制信号相同，不同的是对信号叠加3种功率不同的噪声。结果显示，锁相环中引入的噪声越大，则鉴相器模块输出信号的抖动越大。输入信号的信噪比为5、10和20 dB时，鉴相器模块的输出信号如图4所示。
由图4可以看出，噪声水平越高，则鉴相器的输出信号抖动越厉害，于是设计中利用鉴相器输出信号的抖动状况来判断锁相环中的噪声水平，并根据噪声水平来调整 C1、C2值。MATLAB仿真结果显示，鉴相器的输出值是在0值上下浮动，因此利用FPGA实现此功能时，可利用鉴相器输出值的绝对值或平方值判断噪声大小，浮动越大则噪声水平越高。利用单个点的抖动来判断时，具有一定的偶然性，结果不准确，容易产生误判，因此，在FPGA硬件板上利用VHDL编程实现时，对鉴相器的输出数据取绝对值或进行平方处理，并对连续15个点的绝对值或平方值进行累加运算，利用累加的结果来判断相位抖动的大小。对15个点取和时，利用树形加法结构，引入流水线设计方法，使各个加法器并行工作，确保输出结果的速率和输入数据的速率相等。计算过程中使用绝对值代替平方值，能获取与平方值相似的结果，有效降低运算量。进行带宽调整时，可以利用当前应该设置的BL值计算出与之对应的环路滤波器系数C1、C2由式(3)～式(5)可以看出，通过BL计算C1、C2时比较复杂，涉及多次除法运算、乘法运算以及加法运算，在FPGA中，实现除法器、乘法器都是比较占用逻辑资源的，因此设计中不采用直接计算的方法，而是利用查找表法来实现，首先订制2个容量为256的ROM，将可取的带宽值平均划分为256等分，对每个带宽值对应的C1、C2 值预先进行计算，计算结果经量化处理后，以MIF文件的形式分别加载到ROM1、ROM2。ROM1、ROM2的地址线均为8位设计中连接到同一信号，对应地址范围为0x00到OxFF，由图2中的噪声评估模块产生。噪声评估模块输出的初始值设置为0x7F，即初始带宽值设置为可取范围段的中间值，之后根据噪声评估模块的结果，与提前设定的上限值、下限值进行比较，并根据比较结果调整带宽值，其中上限值、下限值通过仿真得出，这两个域值与FPGA实现时采用的位宽、位截短处理、滤波处理等有关。为防止过于频繁地进行调整，程序中设定，如果连续3次的抖动高于上限值且当前地址值大于Ox00，则减小带宽值 (即地址减1)，相反，若连续3次的抖动低于下限值且当前地址值小于0xFF，则增加带宽值(即地址加1)。
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锁相环启动工作时，不论噪声水平高低，鉴相器输出信号的抖动都比较大，连续3次抖动高于上限值是比较正常的，这时若将带宽值减小，会降低跟踪速度。因此设计中限定，只有本振信号的相位和接收载波信号的相位大致相符后，才允许减小带宽值。因此环路设计中需要判断相位是否大致相符。
参看结构图l，经低通滤波后的同相和正交支路的信号分别为：。相位大致相符时，取值较小，I(t)2应大于Q(t)2。设计中利用条件判断是否已满足相位大致相符的条件。二者之差的下限值c同样与系统中的输入数据位数、滤波器等模块有关系，可在Modelsim或QUARTus下通过测试获得。为了增加判断的准确性，设计中同样做出限定，连续3次满足条件时，才判定相位已大致相符。
5 实验结果及分析
设置中频载波信号为10 MHz，采样频率为80 MHz，本地初始中心频率为9．9 MHz。在信噪比固定为25 dB和信噪比变化的情况下，分别利用传统的锁相环和图2所示的自适应锁相环进行相位跟踪，得到的相差结果如图5所示。
通过仿真结果(图5)可以看出，与传统锁相环相比，自适应锁相环能够根据当前环境自适应对环路带宽作出调整，对环境的适应性更强。噪声水平较低时，跟踪速度是关键性能参数。在噪声水平较低的情况下(对应25 dB)，自适应跟踪具有更快的跟踪速度。噪声水平较高时，相位抖动是关键参数，结果显示，在噪声水平较高的情况下，自适应锁相环具有较小的抖动。
在此基础上，在多种信噪比环境下进行实验。信噪比较大即噪声水平较低时，传统锁相环的自适应跟踪的跟踪速度结果如表1所示。信噪比较小即噪声水平较高时，传统锁相环的自适应跟踪的跟踪速度结果如表2所示。
上述结果显示，与传统锁相环相比，自适应锁相环在噪声水平较高时，具有更快的跟踪速度，在噪声水平较低时，最有更小的相位抖动，起到了根据环境作出自适应调整的作用。
系统设计中使用的FPGA是EP3CIOF256C8。将调试好的程序下载到FPGA硬件板，通过QUARTUSⅡ软件中自带的SIGNALTAP工具对输入和输出信号进行实时观察，结果显示，设计的自适应锁相环能够进行正确稳定的跟踪，正确解调出数据信号。该模块目前已应用在基于数字中频方案的扩频接收机中。
6 结论
在传统锁相环的基础上，引入自适应参数调整模块，能够根据锁相环所处环境的噪声情况，自适应地对环路带宽进行调整，由于调整过程中步长取值较小，具有一定的连续性，因此，调整过程中仍能正常进行数据解调，不会引起突变，能够有效地在噪声性能和跟踪速度间进行平衡。
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