CN100531170C - 无线局域网络系统的自动增益控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动增益控制方法与系统。检测信号的功率先被检查，以确定其功率是否够大而可以开始AGC程序。检测信号的平均功率于是被计算并与第一阈值比较，以判断是否继续粗调，或是进入微调程序。低噪声放大器(LNA)增益值与可变增益放大器(VGA)增益值在粗调时被调整，而微调阶段则只调整VGA增益值。LNA与VGA增益值在粗调阶段按照默认值进行调整，而微调阶段时，VGA增益则是根据计算的平均功率与第二阈值之间的差额进行调整。

Description

无线局域网络系统的自动增益控制方法和装置

技术领域

本发明有关于自动增益控制(Automatic Gain Control；AGC)，特别是一种有关适用于无线局域网络(Wireless Local Area Network；WLNA)的AGC方法。

背景技术

自动增益控制(Automatic Gain Control；AGC)方法是一种利用特定参数，例如接收信号电平，以特定方式自动调整增益的过程。增益的定义为，从原本的输入到放大后的输出之间电信号增加的幅度。下面叙述了两种通常被用在无线通信接收器里的AGC算法范例，包括二进制树(binary tree)搜寻、以及根据RSSI计算。

图1描述了一种二进制树搜寻方法。电路以二进制方式执行低噪声放大器(low noise amplifier；LNA)以及可变增益放大器(variable gainamplifier；VGA)，以快速的判断最终增益设定，用来找解调频时模数(A/D)转换器所需要的最佳输入值。LNA是用在调整粗调增益(coarse gain)的值，而VGA则是用在调整微调增益(fine gain)的值。二进制树搜寻AGC算法完全是根据A/D转换器是否检测到饱和(saturation)而控制的。A/D转换器的饱和是依据数字字(digital word)是否达到一个预设的最大或最小值所判断的。实现二进制树搜寻AGC算法的电路首先将VGA与LNA值设为预设最大增益情况。当判断到A/D饱和时，电路利用调整VGA值将增益降低到一个预设中间值。中间值的选择让电路可以判断LNA值可以正确设定。如果此时电路检测到饱和，电路将射频(radio frequency；RF)前端设定为低增益模式，并开始利用二进制数方式搜寻正确的VGA设定。如果电路此时没有检测到饱和，电路将LNA留在高增益模式，并且开始利用二进制搜寻VGA值。这样以二进制树叙述AGC算法可以由图2的AGC决定结构来表示。很重要的一点是当电路决定了LNA设定，此LNA设定在一个分组传送时间内都一直保持，直到下一个分组的前都不会变。如图2所示，二进制树搜寻AGC算法在每一段时间经由选择两种可能路径之中的一种来调整增益值。为了得到可接受的增益准确度，所需要的收敛时间相当长。

图3为描述根据RSSI值的AGC算法的流程图。接收信号强度指针(received signal strength indicator；RSSI)电压可以用来加速调整增益的参考基准。由RSSI区块检测到的信号是从基频模拟IQ低通频道过滤器的输出得到的。RSSI输出值是直接由RF端的增益设定而定的。不过基频AGC的增益设定却不影响RSSI输出，这是因为RSSI区块的输入信号是从基频AGC区块之前就得到的。因为根据RSSI所实现的AGC算法调整的增益值，可以在接收器的模拟基频区被完全的控制，所以并不需要模数的转换器，不过根据RSSI实现的AGC算法却只适用于在基频端包含RSSI功能的接收器。而并不是所有的RF的IC提供厂商都为基频传输提供RSSI功能。

发明内容

为了达到缩短自动增益控制(AGC)收敛的时间，本发明提供一种AGC的方法，适用于由IEEE 802.11a/b/g所定义的无线局域网络(WLNA)上。由于IEEE802.11a/b/g的短前文(short preamble)较短，AGC算法能够在短时间内将增益值收敛。AGC算法经由调整放大器的增益，来判断模数转换器(ADC)的接收信号强度。

本发明的另一个目的为提供一种AGC电路，不需要参考RSSI的信息就可以自动控制增益值。

本发明的一个实施例提供一种AGC方法，在不需要RSSI的协助下，调整低噪声放大器(LNA)与可变增益放大器(VGA)的增益。AGC方法的实施例可以大约分成检测程序、粗调程序、以及微调程序。LNA增益与VGA增益在检测程序的前，就分别根据预设最高阈值LNA0与VGA0被初始化。在检测程序中，一个信号的功率被持续的检测，并与第一功率电平比较，直到检测的信号功率超过第一功率电平为止。其中第一功率电平必须要大于平均噪声功率。接下来开始执行粗调程序，来调整LNA增益与VGA增益到最大默认值LNA1与VGA1。依据检测信号的平均功率计算第二功率电平，以判断是否结束粗调程序。当第二功率电平高过第一阈值，就继续执行粗调程序，否则就可以开始进行AGC方法中的微调程序。如果第二功率电平超过第一阈值时，将LNA与VGA增益根据中间默认值LNA2与LGA2进行调整，并且重新计算第二功率电平。重新计算的第二功率电平与第一阈值再次进行比较，同样地，如果重算的第二功率电平仍然高于第一阈值，就将增益调成最小默认值LNA3与VGA3，否则进入微调程序。在微调程序中，LNA增益不再被调整。当开始微调程序后，依据检测信号的平均功率计算第三功率电平。VGA增益于是根据第三功率电平与第二阈值的一差额进行调整。

本发明的实施例提供一种完全数字化的AGC设计，并不需要任何射频(RF)的回馈，并且适用于不同厂商所提供的各种类型的RF集成电路(IC)上。在一个实施例中，LNA增益的调整是从最大的值调到最小的值(LNA0＞＝LNA1＞＝LNA2＞＝LNA3)，这是因为放大器放电(discharge)的时间通常比充电的时间短。

附图说明

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

图1表示传统上二进制树搜寻的AGC方法的流程图。

图2表示传统上AGC决策方法的结构图。

图3描述传统上根据RSSI实现的AGC方法的流程图。

图4a-4b为描述本发明实施例的AGC方法的流程图。

图5为本发明实施例的AGC装置的方块图。

符号说明

502-LNA/VGA放大器；

504-模数转换器(ADC)；

506-功率计算单元；

509-噪声基准；

508-第一功率计算单元；

510-检测逻辑；

511-AGC启动信号；

512-第二功率计算单元；

513-第一阈值(TH1)；

514-粗调增益判断单元；

516-第三功率计算单元；

517-第二阈值(TH2)；

518-微调增益判断单元；

519-微调信号；

520-LNA增益控制器；

522-VGA增益控制器；

524-加法器

具体实施方式

图4a-4b描述本发明实施例的AGC方法的步骤。G_RF代表射频的增益值，同时也被称为低噪声频率放大器(LNA)的增益，而G_BB代表基频的增益值，同时也被称为可变增益放大器(VGA)的增益。这两个增益值G_RF与G_BB在步骤402被设定为最高阈值LNA0与VGA0。步骤404中，检测信号的功率与第一功率电平avg_power1进行比较，其中，检测功率的算法为实数部分(realcomponent)与虚数部分(imaginary component)平方总合，而avg_power1是一个超过平均噪声功率的理想功率平均值。再本发明的一个实施例中，avg_power1为16点抽样样本的平均功率。步骤404的比较结果如果是检测信号功率大于平均功率时，表示检测信号的功率已经够大了，就可以起始AGC进行粗调程序。

粗调程序包括步骤406到424，如步骤406所示，增益值G_RF与G_BB分别被调成最大默认值LNA1与VGA1。改变增益时，系统需要一段增益调变时间GS_TimeX(步骤408、416、424、430、以及436)。GS_Time0-GS_Time4的时间值随着不同的RF芯片而不同，例如Maxim RF的所有增益调变时间都是大约等于0.4μs。接下来，平均功率avg_power2在步骤410被计算出来，经由与第一阈值TH1进行比较，得到的比较结果被用来判断是否继续进行粗调程序，或是进入微调程序。在一个实施例中，avg_power2为16点抽样样本的平均功率。步骤410需要花费一段时间来累加时间ACC_Time，以计算用来判断增益值的avg_power2。当avg_power2为16点抽样样本的平均功率，并且当系统时序为40MHz时，ACC_Time1大约等于0.4μs。第一阈值TH1是按照16点抽样样本的理想功率加上一个增益增额，例如理想的16点样本功率为-7dB，而增益增额为15dB，则让TH1为8dB(-7dB+15dB)。增益增额用来决定微调VGA的幅度，当功率小于TH1时，代表所调整的增益已经够接近目标增益值，也代表可以开始执行微调的程序。

如果avg_power2在步骤412中小于等于TH1，则代表目前的增益接近目标增益，AGC程序将粗调程序停止，并开始执行步骤426到436的微调程序。否则步骤414将增益G_RF与G_BB分别调整成中间默认值LNA2与VGA2。Avg_power2在步骤418中被重算，并且在步骤420中与TH1进行比较，相同地，如果从步骤418得到的avg_power2小于等于步骤420的TH1时，就结束粗调程序。当重算avg_power2仍然超过TH1时，在步骤422中分别将增益G_RF与G_BB调为最小默认值LNA3与VGA3。

在微调的程序中，步骤426先将第三平均功率avg_power3计算出来，总共花费的时间为ACC_Time2。再本发明的一个实施例中，avg_opwer3为32点样本的平均功率，因此ACC_Time2被认定为ACC_Time1时间的两倍，即0.8μs。在获得avg_power3之后，步骤428中计算出第二阈值TH2与avg_power3之间的差异dG1。再本发明的一个实施例中，第二阈值TH2是根据32点样本的理想功率所计算出来的，且如果TH1为16点样本的理想功率，比TH1的值高3dB。步骤428计算出来的差异dG1代表增加VGA增益的值G_BB(以dB为单位)。

Avg_power3在步骤432中再次被计算，avg_power3按照TH2与重算出来的avg_power3之间的差距dG2，微调VGA的增益值的AGC方法在微调VGA增益两次后完成，于是便开始后续的基频程序。

本发明的一个实施例提供了如图5的一个AGC系统。RF信号从LNA/VGA放大器502以及模数转换器(ADC)504接收并且由功率计算单元506算出信号的功率。第一功率计算单元508针对接收功率计算理想的16点抽样样本平均值，并输出第一功率电平avg_power1至检测逻辑单元510。第一功率电平必须超过一个平均噪声功率，即噪声基准(noise floor)509。检测逻辑单元510将功率计算单元506计算的检测功率，与第一功率计算单元508算出的avg_power1进行比较，并当检测的功率超过avg_power1时，输出AGC启动信号511。AGC启动信号511让AGC程序开始进行粗调。第二功率计算单元512计算16点的平均功率avg_power2，并输出至粗调增益判断单元514。粗调增益判断单元514将avg_power2与第一阈值TH1513比较，如果avg_power2超过TH1513，就触发LNA增益控制器520即VGA增益控制器522，经由输出粗调信号515来调整放大器502的增益。利用重复两次这样的粗调程序，就可以达到缩小增益的目的。当avg_power2小于或等于TH1 313时，第三功率计算单元516计算32点样本的平均功率avg_power3，并将avg_power3输出至微调判断单元518。微调增益判断单元518将第二阈值517减去avg_power3，以获得一个微调信号519。微调信号519更可经由加法器524将VGA增益控制器522的输出加上微调信号519，以调整VGA增益值。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行更动与修改，因此本发明的保护范围以所提出的权利要求所限定的范围为准。

Claims (32)

1.一种自动增益控制方法，包括：

将一低噪声放大器的增益设定为预设的最高阈值LNA0以及将一可变增益放大器的增益设定为预设的最高阈值VGA0；

检测一信号功率，并将该信号功率与一第一功率电平比较，直到超过该第一功率电平，其中该第一功率电平大于一平均噪声功率；

将该低噪声放大器的增益调整为最大默认值LNA1以及将该可变增益放大器的增益调整为最大默认值VGA1；

依据该被检测信号的一平均信号功率计算一第二功率电平；

将该第二功率电平与一第一阈值比较，如果该第二功率电平小于或等于该第一阈值，开始执行微调程序；

如果该第二功率电平超过该第一阈值时，则将该低噪声放大器的增益调整为中间默认值LNA2与将该可变增益放大器的增益调整为中间默认值LGA2；

重算该第二功率电平并与该第一阈值进行比较，如果该重算第二功率电平小于或等于该第一阈值时，执行微调程序；

如果该重算第二功率电平超过该第一阈值，则将该低噪声放大器的增益调整为最小默认值LNA3与将该可变增益放大器的增益调整为最小默认值LGA3；

开始微调程序，依据该被检测信号的一平均功率计算一第三功率电平；以及

根据该第三功率电平与一第二阈值的一差额调整该可变增益放大器的增益。

2.如权利要求1所述的自动增益控制方法，其中该第一功率电平为预先设定的理想16点抽样样本平均功率。

3.如权利要求1所述的自动增益控制方法，其中该自动增益控制方法是由数字运算执行的。

4.如权利要求3所述的自动增益控制方法，其中该第二功率电平、该第三功率电平、该第一阈值、该第二阈值、以及该低噪声放大器与该可变增益放大器增益皆由对数单位分贝表示。

5.如权利要求1所述的自动增益控制方法，其中该第二功率电平根据计算该被检测信号的16点抽样样本平均功率而得。

6.如权利要求5所述的自动增益控制方法，其中该第一阈值是根据一增益容许值以及16点抽样样本的一理想功率电平而得。

7.如权利要求1所述的自动增益控制方法，其中该第三功率电平根据计算该被检测信号的32点抽样样本平均功率而得。

8.如权利要求7所述的自动增益控制方法，其中该第二阈值是由32点抽样值的理想功率电平而判断出来的。

9.如权利要求1所述的自动增益控制方法，其中该低噪声放大器增益的预设最高阈值LNA0大于或等于该最大默认值LNA1，而该最大默认值LNA1大于或等于该低噪声放大器增益的该中间默认值LNA2，并且该中间默认值LNA2大于或等于该低噪声放大器增益的最小默认值LNA3。

10.如权利要求1所述的自动增益控制方法，更包括重算该第三功率电平，并将该可变增益放大器增益根据该重算第三功率电平与该第二阈值之间的一差额重新进行调整。

11.一种自动增益控制系统，包括：

一检测逻辑单元，检测一信号的功率并将之与一第一功率电平进行比较，并且当该检测功率超过该第一功率电平时，输出一自动增益控制启动信号，其中该第一功率电平超过一平均噪声功率；

一低噪声放大器增益控制器，将一低噪声放大器增益初始化为一预设最高阈值LNA0，如果该检测逻辑单元输出该自动增益控制启动信号，则将该低噪声放大器增益调整到一最大默认值LNA1，并且于之后接收到一粗调信号时，依序将该低噪声放大器增益调整为一中间默认值LNA2以及一最小默认值LNA3；

一可变增益放大器增益控制器，将一可变增益放大器增益初始化为一预设最高阈值VGA0，如果该检测逻辑单元输出该自动增益控制启动信号，则将该可变增益放大器增益调整到一最大默认值VGA1，并且于之后接收到一粗调信号时，依序将该可变增益放大器增益调整为一中间默认值VGA2以及一最小默认值VGA3，并且根据一微调信号调整该可变增益放大器增益；

一第二功率计算单元，依据该被检测信号的一平均功率计算一第二功率电平；

一粗调增益判断单元，将该第二功率电平与一第一阈值比较，如果该第二功率电平超过该第一阈值，经由传送该粗调信号来分别指示将该低噪声放大器增益调整成中间默认值LNA2与将该可变增益放大器增益控制器的增益调整成中间默认值VGA2，并且请求该第二功率计算单元重新计算该第二功率电平，然后将该重算第二功率电平与该第一阈值比较，如果该重算第二功率电平超过该第一阈值时，则经由传送该粗调信号将该低噪声放大器的增益调整成最小默认值LNA3与将该可变增益放大器的增益调整成最小默认值VGA3；

一第三功率计算单元，依据该被检测信号的一平均功率计算一第三功率电平；

一微调增益判断单元，根据该第三功率电平与一第二阈值之间的一差额，即该微调信号，指示该可变增益放大器增益控制器将该可变增益放大器增益调整。

12.如权利要求11所述的自动增益控制系统，更包括一第一功率计算单元，根据一理想16点抽样样本平均功率计算该第一功率电平。

13.如权利要求11所述的自动增益控制系统，其中该自动增益控制系统是由数字运算执行的。

14.如权利要求13所述的自动增益控制系统，其中该第二功率电平、该第三功率电平、该第一阈值、该第二阈值、该低噪声放大器与该可变增益放大器增益皆由对数单位分贝表示。

15.如权利要求11所述的自动增益控制系统，其中该第二功率计算单元经由计算该被检测信号的一16点抽样样本平均功率得到该第二功率电平。

16.如权利要求15所述的自动增益控制系统，其中该第一阈值的判断是根据一增益容许值以及16点抽样值的一理想功率电平而得。

17.如权利要求11所述的自动增益控制系统，其中该第三功率计算单元根据计算该被检测信号的32点抽样样本平均功率得到该第三功率电平。

18.如权利要求17所述的自动增益控制系统，其中该第二阈值是由32点抽样值的理想功率电平而得。

19.如权利要求11所述的自动增益控制系统，其中该低噪声放大器增益的预设最高阈值LNA0大于或等于该LNA值的最大默认值LNA1，而该最大默认值LNA1大于或等于该低噪声放大器增益的该中间默认值LNA2，并且该中间默认值LNA2大于或等于该低噪声放大器增益的最小默认值LNA3。

20.如权利要求11所述的自动增益控制系统，其中该微调增益判断单元指示该第三功率计算单元重算该第三功率电平，并将该可变增益放大器增益根据该重算第三功率电平与该第二阈值之间的一差额重新进行调整。

21.一种自动增益控制方法，用来控制包括一低噪声放大器增益与一可变增益放大器增益的一无线接收器，该自动增益控制方法用来判断低噪声放大器与可变增益放大器增益的一最终增益设定LNAFinal以及VGAFinal，该自动增益控制方法包括：

(i)设定该低噪声放大器与该可变增益放大器为对应一最大增益的初始值；

(ii)检测并判断是否一接收射频信号的功率在一有效接收范围内；

(iii)如果该接收射频信号的功率不在该有效接收范围内，根据下一个默认值粗调该低噪声放大器与该可变增益放大器的增益；其中增益的多个默认值的排列顺序为数值由大到小，因此下一个默认值比上一个默认值小；

(iv)如果该接收射频信号的功率仍然在该有效接收值以外，重复步骤(ii)与(iii)，否则将目前的低噪声放大器增益固定为LNAFinal；

(v)计算该接收射频信号的一平均功率；

(vi)根据该平均功率与一阈值之间的一差额，微调该可变增益放大器的增益成VGAFinal。

22.如权利要求21所述的自动增益控制方法，其中该有效接收范围根据一理想16点抽样样本平均功率所设定。

23.如权利要求21所述的自动增益控制方法，其中该自动增益控制方法由数字运算执行的。

24.如权利要求21所述的自动增益控制方法，其中该平均功率电平由计算该射频信号的一32点抽样样本平均功率所得到的。

25.如权利要求24所述的自动增益控制方法，其中该阈值是根据32点抽样值的一理想功率电平而判断的。

26.如权利要求21所述的自动增益控制方法，更包括：

(vii)重新计算该平均功率电平，并根据该重算平均功率电平与该阈值之间的一差额调整该可变增益放大器增益。

27.一种自动增益控制装置，用来控制包括一低噪声放大器增益与一可变增益放大器增益的一无线接收器，该自动增益控制装置判断低噪声放大器与可变增益放大器增益的一最终增益设定LNAFinal以及VGAFinal，包括：

一设定装置，设定该低噪声放大器与该可变增益放大器为对应一最大增益的初始值；

一检测与判断装置，检测并判断是否一接收射频信号的功率在一有效接收范围内；

一粗调装置，如果该接收射频信号的功率不在该有效接收范围内，根据下一个默认值粗调该低噪声放大器与该可变增益放大器的增益；其中增益的多个默认值的排列顺序为数值由大到小，因此下一个默认值比上一个默认值小；

一计算装置，计算该接收射频信号的一平均功率；

一微调装置，根据该平均功率与一阈值之间的一差额，微调该可变增益放大器的增益成VGAFinal；

其中如果该接收射频信号的功率仍然在该有效接收值以外，该检测与判断装置请求该粗调装置调整低噪声放大器与可变增益放大器，否则将目前低噪声放大器的增益固定为LNAFinal。

28.如权利要求27所述的自动增益控制装置，其中该有效接收范围根据判断的一理想16点抽样样本平均功率所设定。

29.如权利要求27所述的自动增益控制装置，其中该自动增益控制装置以数字运算执行的。

30.如权利要求27所述的自动增益控制装置，其中该平均功率电平由计算该信号的一32点抽样样本平均功率所得到的。

31.如权利要求30所述的自动增益控制装置，其中该阈值是根据32点抽样值的一理想功率电平而判断的。

32.如权利要求27所述的自动增益控制装置，更包括一重新计算装置，重新计算该平均功率电平，并根据该重算平均功率电平与该阈值之间的一差额调整该可变增益放大器增益。

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