CN100440741C - 移动通信终端的自动增益控制装置及其方法 - Google Patents

移动通信终端的自动增益控制装置及其方法 Download PDF

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本发明公开了一种移动通信终端的自动增益控制装置及其方法,该移动通信终端包括将接收到的射频信号解调成数字信号的接收通路,该装置包括:信号平均功率计算器:用于截取所述接收通路的I信号、Q信号的码片值,并计算增益调整周期的信号平均功率;增益系数计算器:连接所述信号平均功率计算器,用于比较所述信号平均功率与预先设置的阈值,获得下一周期的接收增益系数;选择器:连接所述增益系数计算器,用于从增益映射表中选择所述增益系数对应的控制参数;数模转换器:用于根据所述控制参数调整所述接收通路的增益,从而完成接收信号增益控制。

Description

移动通信终端的自动增益控制装置及其方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域,尤其涉及移动通信终端的自动增益控制装置及其方法。
背景技术
在移动通信终端中使用控制信号调节接收信号增益的过程,称之为自动增益控制(AGC)。AGC一般根据接收的一段信号的强度来估算下一段信号的强度,并调整接收增益系数使接收到的信号符合所需要求,以提高接收的效果。
在TD-SCDMA(Time Division-Synchronization Code Division MultipleAccess,时分双工同步码分多址)系统中,接收机接收信号的范围应保证在80dB(-105dB--25dB)的动态范围内,除了保证总体动态范围外,接收机还需提供足够的瞬时动态范围以适应接收时的信号衰落。而为了简化系统结构和降低成本,接收机一般都选择线性范围较小的功率放大器和采样比特小的ADC(模数转换器),但当功率放大器输入的模拟信号超出其线性范围,则会影响接收机的调解结果。为此,现有技术一般采用通过接收机的自动增益控制方法将接收信号调整至规定的动态范围,进而解决该技术问题。
请参阅图1,其为接收机的一个接收原理示意图。所述接收机包括第一级带通滤波器11、低噪声放大器(LNA)12、第二级带通滤波器13、混频器和本振14、IF带通滤波器15、AGC电路16、I/Q解调单元17、增益可调放大器(PA)18、低通滤波器19、模数转换器(ADC)20、FIR滤波器22、数字信号处理器(DSP)21。
在接收机中,收到的RF信号(射频信号)经第一级带通滤波器11过滤掉带外信号,接着由LNA12进行放大,随后由第二级带通滤波器13进一步过滤以衰减无用信号,之后生成的信号被混频器和本振14转换为频率较低的中频(IF)信号。中频信号经过IF带通滤波器15滤波后,再经AGC电路16的自动增益控制,然后通过I/Q解调单元17解调成同相(I)和正交(Q)基频信号。获得的IQ信号再经过增益可调放大器18放大,然后通过低通滤波器19处理后送至ADC20采样,采样后的数据经FIR过滤器22滤波处理后送到DSP21,进而完成数字解调功能。
在上述接收机中,自动增益控制装置为AGC电路16。请参阅图2,图2为该中频部分的AGC电路示意图。该AGC电路包括可变增益放大器161、主中频放大器162、耦合器163、检波器164、直流放大器165和驱动器166。该些器件组成一个AGC控制回路,通过调整可变增益放大器161的放大系数,进而调整接收信号的接收范围。但是,该自动增益控制的AGC电路使用的器件较多,占用接收机的内部空间较大,因而无法满足接收机体积越来越小的要求。
由此,现有技术又提出了一种新的自动增益控制装置及其方法,该自动增益控制装置主要是通过软件的方式完成。
请参阅图3,图3为采用该自动增益控制装置进行自动增益的接收机接收原理结构示意图。该接收机包括将接收到的射频信号解调成数字信号的接收通路2,该接收通路2包括:LNA12、I/Q解调单元17、PA18、低通滤波器19、ADC20、FIR滤波器22和DSP21。射频信号RF先经过LNA12放大后,接着通过I/Q解调单元17正交解调成同相(I)和正交(Q)基频信号,随后IQ信号经过PA18放大并经过低通滤波器19处理后,输入到ADC20内进行采样,经采样的数据经FIR滤波器22做滤波处理后,最后送至DSP21内完成数字解调。
该自动增益控制装置包括DSP21和数模转换器23。其中:
DSP21:用于先设置增益调整的周期和阈值,接着接收ADC20采样的码片值,并计算本周期的信号平均功率,然后确定下一个周期的接收增益系数,随后查找增益系数与控制参数的增益映射表,从而获得对应的控制参数,最后将所述控制参数发送至数模转换器(DAC)23,该控制参数为一个数字信号。
与DSP21连接的数模转换器23,用于将控制参数转换成模拟信号,控制接收通路的增益。数模转换器23可直接控制LNA12、PA18和I/Q解调单元的混频器的增益。
每一个增益系数都会对应一个数值(称之为控制参数),形成一个增益映射表。该增益映射表由射频产品决定的。即接收机在出厂时经自动校准,产生该增益映射表,并将之固化在ROM中。接通电源后,DSP21可以将该增益映射表从ROM中读出。假设增益系数为-50db时,对应的控制参数为0x1234,则DSP21将0x1234发送到DAC23,DAC23将它转换成模拟信号,就能控制射频接收增益。
请参阅图4,图4为基于上述自动增益控制装置的一种自动增益控制的流程图。DSP21预先设置增益调整的周期和阈值,由于现有的接收机通常采用成本低、处理能力相对弱的DSP21,使得增益调整周期较长,该周期一般大于或等于1帧,以下以1帧周期为例,说明自动增益控制的步骤。
首先进行步骤S110:将ADC20采样的码片值发送至DSP21中。
接着进行步骤S120:DSP21保存该些码片值,并将已接收的该帧的部分或者全部码片值进行接收信号平均功率的计算,以确定下一帧接收的增益系数。
接收信号平均功率可以依下例公式进行计算:
σ AGC 2 = 1 P Σ m = 0 p - 1 | | e ‾ m | | 2
其中,P为接收的该帧的码片数,e m为每个码片的码片值,σAGC为信号平均功率。
根据计算得到的信号平均功率与预设的阈值进行比较,确定下一帧信号的增益系数。
然后进行步骤S130:由增益系数确定的控制参数经过DAC23,控制接收通路的增益,从而完成对接收信号的增益控制。
为了计算方便,现有技术中也采用直接以该帧信号中最大码片值来确定下一帧信号的增益系数。预先设置下一帧信号的增益系数的计算公式为:
gAGC=上一帧信号的增益系数+调整因子
gAGC为下一帧信号的增益系数
计算获得的gAGC则又存入DSP21的上一帧信号的增益系数的存储单元(后简称为上一帧增益系数存储单元)内。
比如:
Figure C20041004267600081
其中,gAGC为下一帧信号的增益系数;
e max为本帧内接收信号功率的最大码片值;
Dmax为ADC饱和时的最大值。
e max大于60%Dmax时,gAGC在上一帧增益系数的基础上降低一个步长;当e max小于等于60%Dmax且大于等于40%Dmax时,gAGC设置为上一帧增益系数,当e max小于40%Dmax时,gAGC在上一帧增益系数的基础上增加一个步长。
当然,也可以将调整的步骤更加细化,如e max>80%Dmax时,降低两个步长;e max<20%Dmax时,增加两个步长。
此方案虽可解决图1所示的自动增益近控制AGC电路元器件占用接收机较大的空间的问题。但由于此方案揭示的自动增益控制装置采用的是成本低、处理能力相对弱的DSP21,因而其进行增益调整的周期至少为1帧,从而导致该自动增益控制至少有1帧时间的延迟,另外,该技术方案还存在以下问题:
第一,在移动通信环境中,由于移动台的移动使得电波传播条件恶化,表现为电波慢衰落和快衰落的特性,从而造成信号到达接收机入口处的强度是动态变化的,特别是在移动台高速移动时,接收信号频率和幅度动态变化尤其明显。但是,由于自动增益的延时长,使得后续信号的ADC20采样容易产生饱和或者样值过小,从而减小了ADC20的动态范围,进而影响后续的解调效果。
第二,DSP21需将大量码片值先存储起来,然后经过至少1帧的时间延时再进行处理,从而使得DSP21需耗费一定的计算资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种移动通信终端的自动增益控制装置及其方法,以解决现有技术中自动增益的延时长的技术问题。
为解决上述问题,本发明公开了一种移动通信终端的自动增益控制装置,该移动通信终端包括将接收的射频信号解调成数字信号的接收通路,所述自动增益控制装置包括:
信号平均功率计算器:用于截取经所述接收通路正交解调的I信号、Q信号的码片值,并计算增益调整周期的信号平均功率;
增益系数计算器:连接所述信号平均功率计算器,用于比较所述信号平均功率与预先设置的阈值,获得下一周期的接收增益系数;
选择器:连接所述增益系数计算器,用于从增益映射表中选择所述增益系数对应的控制参数;
数模转换器:用于根据所述控制参数调整所述接收通路的增益,从而完成接收信号增益控制。
其中,所述信号平均功率计算器包括第一加法器、计数器、切换单元和计算单元,其中:所述第一加法器:用于将所述I信号、Q信号的码片值相加,获得信号强度的瞬间估计值,并将所述瞬间估计值进行累加;所述计数器:连接所述第一加法器,用于统计所述瞬间估计值的个数;所述切换单元:分别与所述计数器、所述第一加法器和所述计算单元连接,当所述个数等于所述周期的信号个数时,接通所述第一加法器和所述计算单元的连接;计算单元:用于接收所述瞬间估计值的累加值,并计算该周期信号的信号平均功率。
所述计算单元为移位器,所述移位器将接收到的所述瞬间估计值的累加值右移log2n位,获得信号平均功率,其中,n为所述周期的信号个数。
所述增益系数计算器包括第一比较器和第二加法器,其中,所述第一比较器,连接所述信号平均功率计算器,用于比较所述信号平均功率和所述阈值,获得调整因子;所述第二加法器,连接所述第一比较器,用于将所述调整因子与上一周期的增益系数相加,进而获得下一周期的增益系数。
另外,该自动增益控制装置还包括存储器;该存储器包括与增益系数计算器中的第一比较器连接的阈值存储单元、及与所述增益系数计算器第二加法器连接的上一周期增益系数存储单元。
所述移动通信终端为TD-SCDMA通信系统的子终端。
一种移动通信终端的自动增益控制方法,其中所述移动通信终端包括将接收的射频信号解调成数字信号的接收通路和自动控制装置,该方法具体包括如下步骤:(1)所述自动控制装置截取所述接收通路的I信号、Q信号的码片值,并计算增益调整周期的信号平均功率;(2)比较所述信号平均功率与预先设置的阈值,获得下一周期的接收增益系数;(3)从增益映射表中选择所述增益系数对应的控制参数;(4)根据所述控制参数调整所述接收通路的增益,从而完成接收信号增益控制。其中
步骤(1)进一步包括:a:将所述接收通路的I信号、Q信号的码片值相加,得到信号强度的瞬间估计值;b:将所述周期内的所有瞬间估计值进行算术平均,获得信号平均功率。
其中,步骤b进一步包括:将接收到的所有瞬间估计值累加后右移log2n位,获得信号平均功率,其中,n为所述周期的信号个数。
步骤(2)中,通过M*ureq获得所述阈值,其中,M为信号的统计平均与算术平均的补偿因子,:ureq为期望的信号强度
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
现有技术中通常以至少大于一帧的时延进行自动增益控制,而本发明采用的自动增益装置通过先截取IQ信号,然后测量增益调整周期的信号平均功率来决定下一个周期的信号增益系数,由于该装置是独立于处理能力相对弱的DSP,所以可根据事先设置小于1帧的调整周期进行自动增益控制,如32码片,从而缩短了增益控制的时延,进而有效地跟踪信号的衰变趋势,并且增加了信号接收的动态范围,从而使得移动通信终端可采用位数较小的ADC,由此不仅达到较好的解调效果而且减少了成本。还有,可以减轻了DSP的计算负担。
(2)本发明还采用算术平均来获得信号平均功率,简化了运算,进而提高了系统的处理能力。
附图说明
图1是现有技术中一种接收机的接收原理示意图;
图2是图1所示接收机中的一种AGC电路的电路图;
图3是现有技术中利用软件控制自动增益方法的另一种接收机的接收原理示意图;
图4是图3所示移动通信终端的自动增益流程图;
图5是采用本发明自动增益控制装置的一种接收机的接收原理示意图;
图6A是本发明自动增益控制装置的一种结构示意图;
图6B是本发明自动增益控制装置的另一种结构示意图;
图7为本发明自动增益控制装置的实施例的结构示意图;
图8为本发明自动增益控制装置的实施例的流程示意图;
图9为本发明自动增益控制的流程图;
图10为本发明自动增益控制的具体实施例的流程图。
具体实施方式
本发明的自动增益控制装置及方法不仅适用TD-SCDMA的终端子系统,而且也可以适用于其他无线通信系统的终端子系统。
以下以TD-SCDMA通信系统的接收机为例,具体说明本发明。
请参阅图5,图5是采用本发明自动增益控制装置的一种接收机的接收原理示意图。该接收机包括用于将接收的射频信号解调成数字信号的接收通路2和与接收通路2连接的自动增益控制装置3。其中:
接收通路2包括:LNA12、I/Q解调单元17、PA18、低通滤波器19、ADC20、FIR滤波器22、DSP21。射频信号RF先经过LNA12放大后,接着通过I/Q解调单元17正交解调成同相(I)和正交(Q)基频信号,随后IQ信号经过PA18放大,然后通过低通滤波器19处理后经ADC20采样,最后采样后的数据经过FIR滤波器22做滤波处理后发送至DSP21,完成解调工作。
请参阅图6A,图6A是本发明自动增益控制装置的一种结构示意图。自动增益控制装置3包括信号平均功率计算器31、增益系数计算器32、选择器33和DAC23。其中:
信号平均功率计算器31:用于截取所述接收通路的I信号、Q信号的码片值,并计算预先设置的增益调整周期内的信号平均功率;
信号平均功率计算器31即可以连接在FIR滤波器之前,获得I信号、Q信号的码片值,也可以连接FIR滤波器22后,获得滤波后的码片值。
增益系数计算器32:连接所述信号平均功率计算器31,用于比较所述信号平均功率与预先设置的阈值,获得下一个周期的增益系数;
选择器33:连接所述增益系数计算器32,用于从增益映射表中选择所述增益系数对应的控制参数;
DAC23:用于将所述控制参数转换成模拟信号,控制所述接收通路的增益,从而完成接收信号增益控制。
图6A中,增益控制装置3直接与DSP21连接,获取DSP21中设置的增益调整周期、阈值、上一周期的增益系数、增益映射表等。该些数据也可直接存储在增益控制装置3的存储器40内(请参阅图6B)。
请参阅图7和图8,图7为图6所示自动增益装置更为详细的结构示意图,而图8为图5所示自动增益装置控制的流程示意图。
该自动增益控制装置3包括信号平均功率计算器31、增益系数计算器32、选择器33及存储器40。其中:
存储器40包括用于存储阈值的阈值存储单元402和用于存储上一周期增益系数的上一周期增益系数存储单元403。
平均功率计算器31包括第一加法器311、计数器313、切换单元312和计算单元314,其中:第一加法器311:用于将I信号、Q信号的码片值相加,获得信号强度的瞬间估计值,再将该瞬间估计值进行累加。为防止溢出,  应该选取足够长位数的加法器。计数器313:连接第一加法器311,用于统计所述瞬间估计值的个数。该计数器313中保存有增益调整的周期(如一个周期为接收的信号个数为N),当该个数等于N时,归零重新计数。切换单元312:分别与计数器313连接,当个数等于N时,接通和计算单元314的连接,使得计算单元314获得瞬间估计值的累加值。本实施例中采用的切换单元312为一开关。计算单元314:用于接收瞬间估计值的累加值,并计算信号平均功率。
在本实施例中,计算单元314为移位器。当移位器将接收到的瞬间估计值的累加值右移log2n位,就能获得信号平均功率,其中,n为周期所设定的信号个数。如计数器313的值为32时,考虑I、Q两路信号相加,则只需将第一加法器311内的累加值右移6位即可获得该算术平均值,该算术平均值即为该周期的信号平均功率。
增益系数计算器32包括第一比较器321和第二加法器322,其中第一比较器321连接信号平均功率计算器31,用于比较所述信号平均功率和阈值存储单元402的阈值,获得调整因子。第二加法器322,连接第一比较器321,用于将所述调整因子与上一周期增益系数存储单元403内的上一周期增益系数相加,进而获得下一周期的增益系数,并将下一周期的增益系数保存在上一周期增益系数存储单元403内。
选择器33,根据获得的增益系数,查询增益系数与控制参数的增益映射表,获得控制参数,并将该控制参数发送至DAC23。
DAC23,将其转换成模拟信号后控制接收通路的增益。
基于上述公开的自动增益控制装置,本发明还提供了自动增益方法。请参阅图9,该方法包括:首先,自动控制装置截取所述接收通路的I信号、Q信号的码片值,并计算增益调整周期的信号平均功率(步骤S210);然后,比较信号平均功率与预先设置的阈值,获得下一周期的接收增益系数(步骤S220);然后,从增益映射表中选择增益系数对应的控制参数(步骤S230);最后,根据控制参数调整所述接收通路的增益,从而完成接收信号增益控制(步骤S240)。
请参阅图10,图10为上述自动增益控制装置实施例的自动控制流程图。
S310:设置增益调整周期和阈值。由于现有技术自动增益调整需延迟的时间较长,使得系统的资源耗费且影响解调效果。本发明为了保证快速AGC的增益效果,增益调整的时间不能太缓,同时考虑到TD-SCDMA采用QPSK(四相移相键控)调制,因此调整也不能过于频繁,否则影响到信号的解调处理,因此,根据TD-SCDMA系统的实际情况,可以将设置增益调整的周期为32码片(Chip)或者64码片。本实施例就以一个周期为32个码片为例。则计数器313的最大计数值为32,当从0计数到32后,又重新归零计数,并且设置的阈值保存在阈值存储单元402。
S320:截获接收机的I通路、Q通路上的I信号的码片值、Q信号的码片值,通过第一加法器311相加,获得并保存该瞬间估计值,还将该瞬间估计值进行累加。同时,计数器313统计瞬间估计值的个数。
S330:当计数器313的计数值达到32时,计数器313重新归零,切换单元312接通第一加法器311和计算单元314。
S340:计算单元314接收该周期内所有的瞬间估计值的累加值,计算信号平均功率,并将该信号平均功率发送至第一比较器321;
S350:第一比较器321将信号平均功率与阈值存储单元402的阈值进行比较,根据比较结果输出调整因子至第二加法器322;
S360:第二加法器322将调整因子和上一周期增益系数存储单元403的上一周期增益系数相加,获得下一周期增益系数,并将下一周期增益系数发送至上一周期增益系数存储单元403内保存。
S370:选择器33根据下一周期增益系数查找增益映射表获得对应的控制参数,并将控制参数发送至DAC23。
S380:DAC将该控制参数转换成模拟信号,控制接收通路的增益,进而控制下一周期的接收信号强度。
本实施例可采用以下公式完成信号平均功率的计算:
C k ‾ = 1 2 N Σ n = 1 N | Re ( e ‾ n ) | + | Im ( e ‾ n ) |
其中,e为经过FIR滤波器之后的码片值,k为周期的编号,N为预先设定的一个周期的码片长度。
该均值算法可以采用移位器的移位操作完成。第一加法器311将该些码片值进行累加,移位器获得第一加法器311的累加值后进行右移log2n位,获得信号平均功率。
以接收信号为高斯分布为例,计算阈值的公式为
V=M*ureq
其中,M为信号的统计平均与算术平均的补偿因子,:ureq为期望的信号强度,V为阈值。
而高斯分布信号的统计平均与算术平均的补偿因子为1.3,则
V=1.3*ureq
例如,如果期望得到的统计均值为0x4000,则V=0x5333。
根据该阈值初始化第一比较器321。假设:
g AGC = no change 40 % * V &OverBar; &le; C k &OverBar; &le; 60 % * V &OverBar; + 3 db C k &OverBar; < 40 % * V &OverBar; - 3 db C k &OverBar; > 60 % * V &OverBar;
gAGC为增益系数。
则第一比较器321中保存40%V和60%V的值,获得信号平均功率后,与40%V和60%V进行比较,当信号平均功率大于60%V时,输出-3db,当小于40%V时,输出+3db,否则输出0,上述的-3/0/3db,为调整因子。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例,但本发明并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化,都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种移动通信终端的自动增益控制装置,所述移动通信终端包括将接收的射频信号解调成数字信号的接收通路,其特征在于,包括:
信号平均功率计算器:用于截取所述接收通路的I信号、Q信号的码片值,并计算增益调整周期的信号平均功率;所述增益调整周期小于1帧,且增益调整周期可以设置;
增益系数计算器:连接所述信号平均功率计算器,用于比较所述信号平均功率与预先设置的阈值,获得下一周期的接收增益系数;
选择器:连接所述增益系数计算器,用于从增益映射表中选择所述增益系数对应的控制参数;
数模转换器:用于根据所述控制参数调整所述接收通路的增益,从而完成接收信号增益控制。
2、如权利要求1所述的移动通信终端的自动增益控制装置,其特征在于,所述信号平均功率计算器包括第一加法器、计数器、切换单元和计算单元,其中:
所述第一加法器:用于将所述I信号、Q信号的码片值相加,获得信号强度的瞬间估计值,并将所述瞬间估计值进行累加;
所述计数器:连接所述第一加法器,用于统计所述瞬间估计值的个数;
所述切换单元:分别与所述计数器、所述第一加法器和所述计算单元连接,当所述个数等于所述周期设定的信号个数时,接通所述第一加法器和所述计算单元的连接;
计算单元:用于接收所述瞬间估计值的累加值,并计算该周期的信号平均功率。
3、如权利要求2所述的移动通信终端的自动增益控制装置,其特征在于,所述计算单元为移位器,所述移位器将接收到的所述瞬间估计值的累加值右移log2n位,获得信号平均功率,其中,n为所述周期设定的信号个数。
4、如权利要求1所述的移动通信终端的自动增益控制装置,其特征在于,所述增益系数计算器包括第一比较器和第二加法器,其中,
所述第一比较器,连接所述信号平均功率计算器,用于比较所述信号平均功率和所述阈值,获得调整因子;
所述第二加法器,连接所述第一比较器,用于将所述调整因子与上一周期的增益系数相加,进而获得下一周期的增益系数。
5、如权利要求4中所述的移动通信终端的自动增益控制装置,其特征在于,所述自动增益控制装置还包括存储器,所述存储器包括与所述第一比较器连接的阈值存储单元、及与所述第二加法器连接的上一周期增益系数存储单元。
6、如权利要求1至5中的任何一项所述的移动通信终端的自动增益控制装置,其特征在于,所述移动通信终端为TD-SCDMA通信系统的子终端。
7、一种移动通信终端的自动增益控制方法,所述移动通信终端包括将接收的射频信号解调成数字信号的接收通路和自动增益控制装置,其特征在于,
(1)所述自动增益控制装置截取所述接收通路的I信号、Q信号的码片值,并计算增益调整周期的信号平均功率;所述增益调整周期小于1帧,且增益调整周期可以设置;
(2)比较所述信号平均功率与预先设置的阈值,获得下一周期的接收增益系数;
(3)从所述自动增益控制装置的增益映射表中选择所述增益系数对应的控制参数;
(4)根据所述控制参数调整所述接收通路的增益,从而完成接收信号增益控制。
8、如权利要求7所述的自动增益控制方法,其特征在于,步骤(1)进一步包括:
a:将所述接收通路的I信号、Q信号的码片值相加,得到信号强度的瞬间估计值:
b:将所述周期内的所有瞬间估计值进行算术平均,获得信号平均功率。
9、如权利要求8所述的自动增益控制方法,其特征在于,步骤b进一步包括:将接收到的所有瞬间估计值累加后右移log2n位,获得信号平均功率,其中,n为所述周期设定的信号个数。
10、如权利要求7所述的自动增益控制方法,其特征在于,步骤(2)中,通过M*ureq获得所述阈值,其中,M为信号的统计平均与算术平均的补偿因子,  ureq为期望的信号强度。
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