CN101160731B - 通信接收器的前摄增益控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通信接收器的前摄增益控制系统(200)。所述前摄增益控制系统(200)包括：可变增益模块(220)，用于响应于输入信号而输出输出信号；检测器(204)，用于检测所述输出信号并且输出表示所述输出信号的信号强度的检测信号；业务监视器(206)，用于监视所述输出信号并且输出表示所述输入信号的业务配置将改变的业务配置信号；增益计算模块(208)，用于响应于所述检测信号和所述业务配置信号而输出增益调节值；增益控制模块(210)，用于响应于所述增益调节值而输出增益控制信号至用于确定所述输入和输出信号之间的增益的所述可变增益模块(220)。

Description

通信接收器的前摄增益控制系统
相关申请的交叉引用
本发明要求2004年9月9日提交的名称为“Proactive GainController for Receiver”的美国临时专利申请No.60/608,441和2005年7月26日提交的名称为“Proactive Gain Control System forCommunications Receivers”的美国专利申请No.11/189,941的优先权。
技术领域
本发明yi,gif般涉及通信接收器，并且尤其涉及通信接收器的前摄(proactive)增益控制系统。
背景技术
增益控制系统通常被用于控制通信接收器的输入信号电平。环境改变可能改变输入信号电平。例如，在蜂窝通信系统中，输入信号电平可能由于移动单元的运动或者信道衰减而在若干毫秒之内改变20dB。业务配置(profile)的变化也可能大幅度改变输入信号电平。所述业务配置包括数据业务属性，例如输入信号的调制类型、输入信号的业务信道的数量、输入信号的编码方案以及输入信号的数据传输速率。环境改变导致的信号电平的改变与业务配置改变导致的信号电平改变相比相对缓和。
通信接收器具有有限的动态范围用于接收输入信号。环境改变或者业务配置改变导致的输入信号电平的改变可能超出通信接收器的有限动态范围。因此，多数通信接收器具有某种类型的增益控制系统。增益控制系统的yi,gif个目的是在输入信号电平过高时降低接收器增益，并且在输入信号电平过低时提高接收器增益。因此，输入信号可以保持在接收器的动态范围之内的最优电平。
目前使用了很多传统的自动增益控制(AGC)电路。大多数这些AGC电路是反应式增益控制器。它们通常包括：信号强度检测器，用于检测当前接收到的信号电平；比较器，用于将接收到的信号电平与阈值电平比较；以及控制电路，用于调节接收器增益以减少比较器产生的信号误差。这些反应式AGC电路使用一种所谓的“先感知再反应”方法。然而，反应式AGC电路不能很好地处理由于业务配置变化导致的输入信号的剧烈变化。
因此，在通信接收器的增益控制系统的领域中需要一种提供前摄接收器增益控制方案的电路设计，其中考虑了由于业务配置变化导致的输入信号的剧烈变化。
发明内容
本发明公开了一种通信接收器的前摄增益控制系统。在本发明的一个实施例中，所述前摄增益控制系统包括可变增益模块，用于响应于输入信号输出输出信号。检测器检测输出信号并且输出表示输出信号的信号强度的检测信号。业务监视器监视输出信号并且输出表示输入信号的业务配置将改变的业务配置信号。增益计算模块响应于检测信号和业务配置信号而输出增益调节值。增益控制模块响应于增益调节值而输出增益控制信号至用于确定输入信号和输出信号之间的增益的可变增益模块。
然而，本发明的构造和操作方法以及其他目的和优点通过下面的结合附图对特定实施例的详细描述可以更好的理解。
附图说明
图1表示具有传统反应式增益控制系统的通信接收器；
图2表示根据本发明一个实施例的通信接收器的前摄增益控制系统；
图3表示根据本发明另一个实施例的输入信号和通信接收器的动态范围的图示；
图4表示根据本发明另一个实施例的输入信号和通信接收器的动态范围的图示；以及
图5表示根据本发明另一个实施例的前摄增益控制系统。
具体实施方式
图1表示传统的通信接收器100的框图，其中该通信接收器100具有AGC电路102，用于控制接收器的信号增益。天线108接收发射的射频(RF)信号，该射频信号通过双工模块106路由至低噪声放大器110。低噪声放大器110放大并且滤波RF信号，然后该RF信号进一步通过RF滤波器112滤波。RF信号通过在混合器114中与通过可编程合成器116产生的本振信号进行外差(heterodyne)混合而被转换为中频信号(IF)。然后IF频率通过带通滤波器118被滤波以将信号带宽大约限制为一个无线信道。然后信号被馈送给AGC电路102以调节输入信号的幅度，从而将该信号保持在接收器的动态范围之内。AGC电路102包括可变增益模块120、模拟数字转换器(ADC)122以及控制可变增益模块120的反馈电路124。来自ADC122的信号输出被馈送给反馈电路124和基带信号处理器126。基带信号处理器126控制可编程合成器116，并且还输出解码数据128以供进一步处理。
使用反应式增益控制方案的AGC电路102不能很好处理由于业务配置变化导致的输入信号的剧烈改变。因此，需要一种能够将业务配置的变化考虑进去的通信接收器的增益控制方案。
图2表示根据本发明一个实施例的前摄增益控制系统200。前摄增益控制系统200包括可变增益模块220和ADC222。输入信号由可变增益模块220接收。输出信号从可变增益模块220输出至ADC222以从模拟格式转换为数字格式。来自ADC222的输出信号被发送至接收器信号强度(RSS)检测器204，该检测器204检测输出信号的实时瞬间信号电平。业务监视器206监视输出信号并且输出业务配置信号，表示输入信号的业务配置何时改变以及如何改变。所述业务配置包括数据业务属性，例如输入信号的调制类型、输入信号的业务信道的数量、输入信号的编码方案以及输入信号的数据传输速率。增益计算模块208响应于检测信号和业务配置信号而输出增益调节值至增益控制电路210。增益控制电路210响应于增益调节值输出增益控制信号至用于确定输入信号和输出信号之间的增益的可变增益模块220。
业务监视器206基于监视业务配置何时基于其中包含的指令数据而变化以及如何变化。可以理解，通信协议是分层结构。最低层是物理层，其处理通信的物理方面，例如放大、频率转换、调制等等。在物理层之上，存在其他通信层，用于处理数据类型定义、数据设置、发送方和接收方地址等等。业务监视器206分析通信协议的更高层，并且监视当前业务配置的情况以及表示未来业务配置的任何高层指令。例如，在具有动态调制和信道分配方案的数据通信系统中，存在某些逻辑信道被指定为发送或者接收关于将来调制和数据传输速率何时改变以及如何改变的指令。业务监视器206将监视这些逻辑信道，并且将此信息前摄地转发至增益计算电路208。
增益计算电路208对增益调节值的计算依赖于业务配置信号表示业务配置在接下来的接收器增益更新周期中是否将改变。在第一种情况下，即业务配置信号表示业务配置在接下来的接收器增益更新周期中并不改变时，增益计算电路208将输出增益调节值至增益控制电路210。在此情形下，仅发生环境改变，例如天气、移动运动、衰减等等，并且可变增益模块220缓慢调节接收器增益。增益调节值通过将预定当前参考信号强度(RSS_ref)与平均信号强度(RSS_ave)比较而确定，所述平均信号强度可以为检测到的信号强度在预定窗口中的均方根值(RMS)。所述窗口必须远大于信息承载信号幅度变化时段，但是必须小于环境变化所导致的信号变化时段。当RSS_ave小于预定的当前RSS_ref时，增益控制电路210响应于增益调节值而提高接收器的输入信号和输出信号之间的增益。当RSS_ave大于预定的当前RSS_ref时，增益控制电路210响应于增益调节值而降低接收器的输入信号和输出信号之间的增益。
在第二种情况下，即业务配置信号表示业务配置在接下来的接收器增益更新周期中将改变时，增益计算电路208将输出增益调节值，其中考虑了业务配置的变化。在此情况中，增益计算电路208在接下来的增益更新周期中计算预期RSS_ref以替代当前RSS_ref。增益调节值通过将当前RSS_ref与RSS_ave比较而确定，其中考虑了预期RSS_ref和当前RSS_ref之间的差别。增益调节值表示在接下来的接收器增益更新周期中接收器增益应当提高或者降低的量。
在本发明一个实施例中，增益控制电路210是实时的、无延迟的增益设置电路。它将增益调节值转换为模拟增益控制信号，并且将其应用到可变增益模块220。然后可变增益模块220响应于增益控制信号而调节接收器增益。
图3表示根据本发明一个实施例的通信接收器的动态范围和输入信号的图示300。所有接收器具有有限的动态范围。对于所有接收器存在最大输入信号电平(上限)和最低输入信号电平(有效噪声基准)。上限和有效噪声基准之间的差值确定了接收器的动态范围。上限的特征通常表现为不会过载(超过)接收器能力的最大信号电平。有效噪声基准被认为是实际影响信号质量的噪声基准。在码分多址(CDMA)接收器的情况下，有效噪声基准是环境噪声基准加上接收器噪声系数再减去CDMA扩频增益：有效噪声基准＝-174+NF-10*log10(SF)dBm/Hz，其中SF为CDMA扩频因子。
如图表300所示，并非整个接收器动态范围可用。大量因素例如波顶(crest)因子和最低信噪比(SNR)限制了可用的接收器信号动态范围。对于数字调制信号，信号包络随着时间改变，并且其峰值和均值之间的比值被称为峰均比或者波顶因子。波顶因子是业务配置的函数，业务配置包括调制、信道数量、编码等等。数字调制信号的波顶因子的特征在于互补累积分布函数(CCDF)曲线。如果信号的链路质量要求已知，则可以使用信号峰值比均值CCDF曲线来确定波顶因子。例如，如果信号的链路质量要求为0.1％，则信号的波顶因子可以通过CCDF曲线在0.1％处确定。最低SNR也会降低可用的接收器信号动态范围。要求最低SNR以保证信号质量。SNR依赖于业务配置，例如依赖于调制类型等。例如，正交相移键控(QPSK)调制要求大约10dB的SNR，而64-ary正交幅度(QAM64)调制要求大约23dB的SNR。因此，如图表300所示，可用接收器动态范围小于接收器动态范围。
输入信号具有其自身的动态范围。信号动态范围定义为接收到的信号的总功率和一个信道的功率之间的功率差值。信号动态范围也依赖于业务配置。例如，包括100个信道的CDMA信号具有20dB的动态范围，由10*log10(100)＝20dB得出。信号动态范围需要低于接收器可用动态范围。因此，利用附加裕度例如上裕度和下裕度(图3中的up_margin和low_margin)以应对信号波动和增益控制系统误差。
根据接收器动态范围和业务配置，接收到的信号的实际的上电平界限(图3中的上边界)和下电平界限(图3中的下边界)通过RSS_ref而确定，其中RSS_ref被用于将输入信号电平设置为最优点。例如，图3中的RSS_ref被设置为上边界电平302以允许信号动态范围具有等同于下裕度的上裕度。设置RSS_ref的可替换方法显示于图4中的图表400中，其中下裕度(low_margin)被设置为常数，而RSS_ref根据信号动态范围而改变(从点402至点404)。
在CDMA系统中，假定信道数量为N_ch，则信号动态范围为10*log10(N_ch)。如果上裕度和下裕度根据需要而相等，则RSS_ref如下给出：
RSS_ref＝(DR_rx-crest_factor-SNR_min)/2+SNR_min+5*log10(N_ch)以dBm计算
可替换地，如果下裕度(low_margin)被设置为常数，则RSS_ref如下给出：
RSS_ref＝SNR_min+low_margin+10*log10(N_ch)以dBm计算其中DR_rx是单位为dB的接收器动态范围，crest_factor是单位为dB的信号波顶因子，SNR_min是单位为dB的所需最低SNR，N_ch是与新的业务配置关联的信道数量，并且RSS_ref参考接收器的有效噪声基准而给定。
在第一种情况中，如果计算的RSS_ave低于RSS_ref，则接收器增益应当增加计算得到的增益调节值。如果计算得到的RSS_ave大于RSS_ref，则接收器增益应当降低计算得到的增益调节值。增益调节值(ΔG)可以被设置为使其为根据增益校正表而对应于RSS_ref和RSS_ave的差值的增益差值。可替换地，可以设置固定值例如0.25dB为增益调节步长以单步调节接收器增益直到达到全增益调节值(ΔG)。
在第二种情况中，业务监视器206检测业务配置何时改变以及如何改变。业务监视器206在适当时间发送该信息至增益计算电路208。然后增益计算电路208计算与新的业务配置关联的参考信号强度(RSS_refl)和RSS_ave。如果上裕度和下裕度根据需要而相等，则RSS_refl如下给出：
RSS_refl＝(DR_rx-crest_factor l-SNR_min l)/2+SNR_min l+5*log10(N_chl)以dBm计算
可替换地，如果下裕度(low_margin)被设置为常数，则RSS_refl如下给出：
RSS_refl＝SNR_minl+low_margin+10*log10(N_chl)以dBm计算其中DR rx是单位为dB的接收器动态范围，crest_factorl是单位为dB的信号波顶因子，SNR minl是单位为dB的所需最低SNR，N_chl是信道数量，所有这些参数均与新的业务配置关联。RSS_refl参考接收器的有效噪声基准而给定。
增益调节值(ΔG1)可以计算为：
ΔG1＝ΔG+ΔTP
其中ΔG是从RSS_ave和当前RSS_ref的差值得出的增益增量。ΔTP是业务配置改变导致的RSS_refl和RSS_ref之间的差值。
增益计算电路208将于业务配置变化时在接下来的增益更新周期中输出增益调节值(ΔG1)。增益设置、配置变化以及所有其他系统事件与系统定时一起同步以允许这种前摄增益控制实现。
接收器增益可以被实时地计算并且包含在接收器内。这意味着所有功能例如RSS检测、业务监视、增益调节计算以及增益设置均可以在同一时间进行。在某些情况下，某些功能可以以更低速率执行，从而降低处理器的每秒百万指令数(MIPS)要求。
前摄增益控制电路200是前摄的和数字的。ADC222在输出信号分别被RSS检测器204和业务监视器206检测和监视之前将输出信号从模拟格式转换为数字格式。该电路200不仅监视针对环境效应引起的增益变化的信号强度，而且还监视针对与将来业务配置变化相关的信息的业务。当没有检测到业务配置变化时，电路200将改变接收器增益设置以跟踪由环境效应导致的信号变化(通常为更缓慢的增益变化)。然而，当检测到将来的业务配置变化时，接收器增益会相应的改变以将输入信号电平保持在接收器的最优可用动态范围之内。这种前摄增益控制电路200可以应对突然的业务配置变化，并且将对数据通信业务配置频繁变化的通信接收器保持最优操作。
图5表示根据本发明另一个实施例的前摄增益控制电路500。除了RSS检测器502在ADC将输出信号从模拟格式转换为数字格式之前在模拟域中检测输出信号之外，电路500等同于电路200。
上述示例提供了很多不同实施例或用于实现本发明不同特征的实施例。其中描述了组件和过程的特定实施例以帮助理解本发明。当然，这些仅为示例实施例并且并不限制本发明，本发明仅由权利要求书限制。尽管在一个或者多个特定示例中描述了本发明，然而并不将本发明限制于这些细节，因为可以对本发明做出各种修改和结构变化，但是并不背离本发明的实质，并且仍然在权利要求书的等同方案的范围之内。因此，应当将所附权利要求书按照与本发明范围一致的方式广泛理解。

Claims (28)

1.一种通信接收器的前摄增益控制系统，包括：
可变增益模块，用于响应于输入信号而输出输出信号；
检测器，用于检测所述输出信号并且输出表示所述输出信号的信号强度的检测信号；
业务监视器，用于监视所述输出信号并且输出表示所述输入信号的业务配置将何时改变以及如何改变的业务配置信号；
增益计算模块，用于响应于所述检测信号和所述业务配置信号而输出增益调节值；以及
增益控制模块，用于响应于所述增益调节值而输出增益控制信号至用于确定所述输入信号和输出信号之间的增益的所述可变增益模块。
2.根据权利要求1所述的前摄增益控制系统，其中所述业务配置包括关于下列的信息：所述输入信号的调制类型、所述输入信号的业务信道数量、所述输入信号的编码方案、所述输入信号的数据传输速率或者其组合。
3.根据权利要求1所述的前摄增益控制系统，其中所述业务配置包括关于调制类型、业务信道数量、编码方案或者数据传输速率何时改变和如何改变的一个或者多个指令。
4.根据权利要求1所述的前摄增益控制系统，其中当所述业务配置信号表示所述业务配置在接下来的增益更新周期中不改变时，所述增益调节值通过将预定当前参考信号强度与平均信号强度比较而确定，所述平均信号强度是所述输出信号的信号强度在预定窗口中的均方根值(RMS)。
5.根据权利要求4所述的前摄增益控制系统，其中所述预定当前参考信号强度是通过所述输入信号的动态范围、所述接收器的动态范围、所述输入信号的波顶因子以及所述接收器要求的最低信噪比(SNR)而确定的。
6.根据权利要求5所述的前摄增益控制系统，其中当所述平均信号强度小于所述预定当前参考信号强度时，所述增益控制模块响应于所述 增益调节值而提高所述输入信号和输出信号之间的增益。
7.根据权利要求5所述的前摄增益控制系统，其中当所述平均信号强度大于所述预定当前参考信号强度时，所述增益控制模块响应于所述增益调节值而降低所述输入信号和输出信号之间的增益。
8.根据权利要求1所述的前摄增益控制系统，其中当所述业务配置信号表示所述业务配置在接下来的增益更新周期中会改变时，所述增益计算模块计算预期参考信号强度。
9.根据权利要求8所述的前摄增益控制系统，其中当所述业务配置信号表示所述业务配置在接下来的增益更新周期中将改变时，所述增益调节值通过将预定当前参考信号强度与平均信号强度比较而确定，并考虑了所述预期参考信号强度和所述预定当前信号强度之间的差值，其中所述平均信号强度是所述输出信号的信号强度在预定窗口中的均方根值(RMS)。
10.根据权利要求9所述的前摄增益控制系统，其中所述预定当前参考信号强度是通过所述输入信号的动态范围、所述接收器的动态范围、所述输入信号的波顶因子以及所述接收器要求的最低信噪比(SNR)而确定的。
11.根据权利要求1所述的前摄增益控制系统，进一步包括模拟数字转换器，用于在所述输出信号分别被所述检测器和业务监视器检测和监视之前将所述输出信号从模拟格式转换为数字格式。
12.根据权利要求1所述的前摄增益控制系统，进一步包括模拟数字转换器，用于在所述输出信号被所述检测器检测之后并且在所述输出信号被所述业务监视器监视之前将所述输出信号从模拟格式转换为数字格式。
13.一种通信接收器的前摄增益控制系统，包括：
可变增益模块，用于响应于输入信号而输出输出信号；
检测器，用于检测所述输出信号并且输出表示所述输出信号的信号强度的检测信号；
业务监视器，用于监视所述输出信号并且输出表示所述输入信号的业务配置将何时改变以及如何改变的业务配置信号； 
增益计算模块，用于响应于所述检测信号和所述业务配置信号而输出增益调节值；
增益控制模块，用于响应于所述增益调节值而输出增益控制信号至用于确定所述输入信号和输出信号之间的增益的所述可变增益模块；以及
模拟数字转换器，用于在所述输出信号分别被所述检测器和业务监视器检测和监视之前将所述输出信号从模拟格式转换为数字格式。
14.根据权利要求13所述的前摄增益控制系统，其中当所述业务配置信号表示所述业务配置在接下来的增益更新周期中不改变时，所述增益调节值通过将预定当前参考信号强度与平均信号强度比较而确定，其中所述平均信号强度是所述输出信号的信号强度在预定窗口中的均方根值(RMS)。
15.根据权利要求14所述的前摄增益控制系统，其中所述预定当前参考信号强度是通过所述输入信号的动态范围、所述接收器的动态范围、所述输入信号的波顶因子以及所述接收器要求的最低信噪比(SNR)而确定的。
16.根据权利要求15所述的前摄增益控制系统，其中当所述平均信号强度小于所述预定当前参考信号强度时，所述增益控制模块响应于所述增益调节值而提高所述输入信号和输出信号之间的增益。
17.根据权利要求15所述的前摄增益控制系统，其中当所述平均信号强度大于所述预定当前参考信号强度时，所述增益控制模块响应于所述增益调节值而降低所述输入信号和输出信号之间的增益。
18.根据权利要求13所述的前摄增益控制系统，其中当所述业务配置信号表示所述业务配置在接下来的增益更新周期中将改变时，所述增益计算模块计算预期参考信号强度。
19.根据权利要求18所述的前摄增益控制系统，其中当所述业务配置信号表示所述业务配置在接下来的增益更新周期中将改变时，所述增益调节值通过将预定当前参考信号强度与平均信号强度比较而确定，并考虑了所述预期参考信号强度和所述预定当前信号强度之间的差值，其中所述平均信号强度是所述输出信号的信号强度在预定窗口中的均方根 值(RMS)。
20.根据权利要求19所述的前摄增益控制系统，其中所述预定当前参考信号强度是通过所述输入信号的动态范围、所述接收器的动态范围、所述输入信号的波顶因子以及所述接收器要求的最低信噪比(SNR)而确定的。
21.一种通信接收器的前摄增益控制系统，包括：
可变增益模块，用于响应于输入信号而输出输出信号；
检测器，用于检测所述输出信号并且输出表示所述输出信号的信号强度的检测信号；
业务监视器，用于监视所述输出信号并且输出表示所述输入信号的业务配置将何时改变以及如何改变的业务配置信号；
增益计算模块，用于响应于所述检测信号和所述业务配置信号而输出增益调节值；
增益控制模块，用于响应于所述增益调节值而输出增益控制信号至用于确定所述输入和输出信号之间的增益的所述可变增益模块；以及
模拟数字转换器，用于在所述输出信号被所述检测器检测之后并且在所述输出信号被所述业务监视器监视之前将所述输出信号从模拟格式转换为数字格式。
22.根据权利要求21所述的前摄增益控制系统，其中当所述业务配置信号表示所述业务配置在接下来的增益更新周期中不改变时，所述增益调节值通过将预定当前参考信号强度与平均信号强度比较而确定，其中所述平均信号强度是所述输出信号的信号强度在预定窗口中的均方根值(RMS)。
23.根据权利要求22所述的前摄增益控制系统，其中所述预定当前参考信号强度是通过所述输入信号的动态范围、所述接收器的动态范围、所述输入信号的波顶因子以及所述接收器要求的最低信噪比(SNR)而确定的。
24.根据权利要求23所述的前摄增益控制系统，其中当所述平均信号强度小于所述预定当前参考信号强度时，所述增益控制模块响应于所述增益调节值而提高所述输入信号和输出信号之间的增益。
25.根据权利 要求23所述的前摄增益控制系统，其中当所述平均信号强度大于所述预定当前参考信号强度时，所述增益控制模块响应于所述增益调节值而降低所述输入信号和输出信号之间的增益。
26.根据权利要求21所述的前摄增益控制系统，其中当所述业务配置信号表示所述业务配置在接下来的增益更新周期中将改变时，所述增益计算模块计算预期参考信号强度。
27.根据权利要求26所述的前摄增益控制系统，其中当所述业务配置信号表示所述业务配置在接下来的增益更新周期中会改变时，所述增益调节值是通过将预定当前参考信号强度与平均信号强度比较而确定的，并且考虑了所述预期参考信号强度和所述预定当前信号强度之间的差值，其中所述平均信号强度是所述输出信号的信号强度在预定窗口中的均方根值(RMS)。
28.根据权利要求27所述的前摄增益控制系统，其中所述预定当前参考信号强度是通过所述输入信号的动态范围、所述接收器的动态范围、所述输入信号的波顶因子以及所述接收器要求的最低信噪比(SNR)而确定的。 
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