CN101257472B - 正交频分复用接收机系统及其自动增益控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种正交频分复用接收机系统及其自动增益控制方法。系统中的天线依次与带通滤波器、射频增益放大器、正交解调器、基带增益放大器、第一数模转换器、解码器、帧同步判决器、自动增益控制器、信号功率处理器、第二数模转换器、对数检波器、带通滤波器相连接，自动增益控制器分别与基带增益放大器、射频增益放大器相连接，第一数模转换器与帧同步判决器相连接。增益控制方法是接收机对接收信号进行对数检波，根据功率检测结果和帧同步、解码器这两个模块的状态来控制系统增益，以达到准确调整系统增益的目的。本发明检测精度高，计算复杂度小，响应时间短，适用于各种正交频分复用接收机系统中，可以有效提高模数转换器的有效位数。

Description

正交频分复用接收机系统及其自动增益控制方法

技术领域

本发明涉及无线数字通信技术领域，具体涉及一种正交频分复用接收机系统及其自动增益控制方法。

背景技术

OFDM(正交频分复用)技术实际上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)的一种。其主要思想是，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。由于其频谱效率高、能较容易地对付多径传播引起的符号间干扰(ISI)，因而在无线移动通信中得到了越来越多的应用。

OFDM系统是突发传输系统，即用户产生业务时再进行传输和解码，这就要求OFDM接收机能够快速检测接收信号的功率并设定合适的增益再进行帧同步。OFDM也有其显著的缺点，就是信号峰均比很高，即峰值功率和均值功率的比值较大，在时域上表现为信号的起伏很大，难于测量其功率以设定合适的增益值。为此OFDM在其有效数据前端加有前导字(preamble)，前导字是特殊挑选的OFDM信号，具有良好的相关性用于同步及较小的峰均比用于增益控制，故OFDM系统均根据前导字进行自动增益控制和帧同步。

传统的自动增益控制是一个孤立的模块，根据当前的测量值估计信号功率并控制系统接收增益，但增益控制器都存在稳定时间(Settling Time)，即从设置新的增益到信号达到新的增益之间的时间，这段时间中信号处于不可预知的震荡状态，根据OFDM信号带宽和不同增益控制器稳定时间的大小，稳定期影响0.5到5个时域信号采样，在有效信号传输期间改变增益会影响OFDM符号(symbol)内含的所有子载波，提高了误码率；传统方法随时跟踪信号功率的变化，由于OFDM峰均比很大，必然在响应时间和功率估计中做出平衡，并且由于数字控制环路不可避免的控制延迟，就会造成某一段时间内功率估计过小，使得增益设置过大，导致基带输出电平过大，由于OFDM信号时域存在很多尖峰，这样过大的尖峰输出就会造成模拟电路一段时间的缓降现象，导致模数转换器一段时间输出无意义的满电平信号，造成有效信号被尖峰之后的缓降阻塞；传统功率测量多采用基带信号的数字采样，受限于模数转换器的位数，信号功率变化较大时要得到准确的估计值收敛时间较长。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种正交频分复用接收机系统及其自动增益控制方法。

正交频分复用接收机系统中的天线依次与带通滤波器、射频增益放大器、正交解调器、基带增益放大器、第一数模转换器、解码器、帧同步判决器、自动增益控制器、信号功率处理器、第二数模转换器、对数检波器、带通滤波器相连接，自动增益控制器分别与基带增益放大器、射频增益放大器相连接，第一数模转换器与帧同步判决器相连接。

信号功率处理器的内部模块连接关系为：

先入先出缓冲器依次与负变换器、第一加法器、第一寄存器、除法器、第二加法器、乘法器、第二寄存器相连接，第二加法器与第二寄存器相连接。

或者幂数器依次与平方器、先入先出缓冲器、负变换器、第一加法器、第一寄存器、除法器、对数器、第一乘法器、第二加法器、第二乘法器、第二寄存器相连接，平方器与第一加法器相连接，第二加法器与第二寄存器相连接。

或者第一先入先出缓冲器依次与第一乘法器、第二先入先出缓冲器、负变换器、第一加法器、第一寄存器、除法器、第二加法器、第二乘法器、第二寄存器相连接，第一乘法器与第一加法器相连接，第二加法器与第二寄存器相连接。

自动增益控制方法包括如下步骤：

(a)将接收信号通过带通滤波器，滤除带外噪声，通过对数检波器进行信号-功率变换，最后经第二模数转换器转换为数字信号A(i)，同时将滤除带外噪声的信号通过射频放大器，进行模拟正交解调，再通过基带放大器，经第一模数转换器转换为数字信号B(i)；

(b)对数字信号A(i)进行功率统计，接收信号前导字是以N个信号为周期循环的，统计N个信号功率得到E₁(i)；

(c)对信号功率E₁(i)进行滤波得到E₂(i)；

(d)自动增益控制系统初始化后处于信号搜索阶段，射频增益放大器和基带增益放大器的增益均设为最小，若 ${\max }_{k\&Element;[0,M-1]}(E_2(i-k)-{\mathrm{\&Sigma;}}_{l=0}^{M-1}{E}_2(i-l))<T_2,$ 则判定E₂(i)达到稳定状态且E₂(i)大于门限值T₁，则判定有前导字到达，根据第i个时刻功率的估计值设定系统增益，并进入帧同步阶段，保持增益不变，其中T₁是功率门限值，T₂是稳定门限值；

(e)在帧同步阶段，成功帧同步进入步骤(f)，失败则当max_{k∈[0，P-1]}(A(i-k))＜T₃时，判定接收信号消失，回到步骤(d)，其中T₃是信号消失门限值；

(f)此后若成功解码B(i)信号可知帧的长度，在帧结束的时候回到步骤(d)，若解码失败则当max_{k∈[0，P-1]}(A(i-k))＜T₃时，判定接收信号消失，回到步骤(d)，其中T₃是信号消失门限值。

步骤(b)所述的N个信号功率E₁(i)统计式为：

$E_1\left(i\right){\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}A(i-k)/N,$ 其中，N是信号统计长度，A(i)是经过信号-功率变换的数字信号。

步骤(b)所述的N个信号功率E₁(i)统计式为：

$E_1\left(i\right)={\log }_{10}({\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}{\left({10}^{A(i-k)}\right)}^2/N),$ 其中N是信号统计长度，A(i)是经过信号-功率变换的数字信号。

步骤(b)所述的N个信号功率E₁(i)统计式为：

$E_1\left(i\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}A(i-k)\&times;A(i-k-N)/N,$ 其中N是信号统计长度，A(i)是经过信号-功率变换的数字信号。

步骤(c)所述的滤波计算式为：E₂(i)＝E₂(i-1)×(1-α)+E₁(i)×α，α是遗忘因子。

本发明通过计算机仿真表明，能有效的去除不适当的功率设置带来的饱和过冲电压导致的缓降现象所引起的有效信号被缓降信号淹没，对于功率不同的接收信号的响应时间都相同，能够有效克服在信号接收过程中增益变化所引起的信号震荡，即使在低信噪比的条件下仍能准确的检测前导字的到来并设定合适的增益值，从而提高了帧检测成功和解码成功率。

附图说明

图1是正交频分复用接收机系统的电路框图；

图2是接收信号前导字结构图；

图3是本发明中的自动增益控制系统的状态转化图；

图4是本发明中的功率处理器电路框图I；

图5是本发明中的功率处理器电路框图II；

图6是本发明中的功率处理器电路框图III。

具体实施方式

如图1所示，正交频分复用接收机系统中的天线依次与带通滤波器、射频增益放大器、正交解调器、基带增益放大器、第一数模转换器、解码器、帧同步判决器、自动增益控制器、信号功率处理器、第二数模转换器、对数检波器、带通滤波器相连接，自动增益控制器分别与基带增益放大器、射频增益放大器相连接，第一数模转换器与帧同步判决器相连接。

带通滤波器用于滤除非本系统工作频段内的干扰信号。其输入端为天线，输出端为对数检波器和射频增益放大器。

对数检波器用于指示当前信号功率的大小，把信号的幅值转换为关于dB的线性变化的电压。其输入端为带通滤波器，输出端为用于转换功率信号的模数转换器。

射频增益放大器用于在射频频段控制信号的幅度大小。其输入端为带通滤波器，输出端为模拟正交解调器。

模拟正交解调器用于正交解调射频信号，把射频信号转换为I、Q两路基带信号。其输入端为射频增益放大器、输出端为基带增益放大器。

基带增益放大器用于在基带频段控制信号幅度的大小。其输入端为模拟正交解调器，输出端为第一模数转换器。

第一模数转换器用于把经过基带放大器后的信号转化为数字信号。其输入端是基带增益放大器，输出端是帧检测判决器，解码器。

帧检测判决器用于根据转换接收信号的模数转换器、自动增益控制器及解码器将当前帧是否结束反馈给自动增益控制器并指示解码器帧的位置信息用于解码。其输入端为自动增益控制器、转换接收信号的模数转换器及解码器，输出端为自动增益控制器，解码器。

第二模数转换器用于把从对数检波器输出的信号转换为数字信号。输入端为对数检波器，输出端为信号功率处理器。

信号功率处理器用于从转换功率信号的模数转换器输出的数字信号中统计出一段时间长度的平均功率。其输入端为转换功率信号的模数转换器，输出端为自动增益控制器。

自动增益控制器用于指示帧检测判决器进入判决状态，根据帧检测判决器的工作状态指示和信号功率处理器的输出控制射频增益放大器和基带增益放大器的增益。其输入端为帧检测判决器和信号功率处理器，输出端为帧检测判决器、射频增益放大器和基带增益放大器。

解码器用于从转换接收信号的模数转换器和帧检测判决器的帧位置信息中解码出信号所包含的原始数字信息，并将帧长度信息反馈给帧检测判决器。其输入端为转换接收信号的模数转换器及帧检测判决器，输出端为帧检测判决器。

如图3所示，信号功率处理器的内部模块连接关系为：先入先出缓冲器依次与负变换器、第一加法器、第一寄存器、除法器、第二加法器、乘法器、第二寄存器相连接，第二加法器与第二寄存器相连接。

如图4所示，信号功率处理器的内部模块连接关系为：幂数器依次与平方器、先入先出缓冲器、负变换器、第一加法器、第一寄存器、除法器、对数器、第一乘法器、第二加法器、第二乘法器、第二寄存器相连接，平方器与第一加法器相连接，第二加法器与第二寄存器相连接。

如图5所示，信号功率处理器的内部模块连接关系为：第一先入先出缓冲器依次与第一乘法器、第二先入先出缓冲器、负变换器、第一加法器、第一寄存器、除法器、第二加法器、第二乘法器、第二寄存器相连接，第一乘法器与第一加法器相连接，第二加法器与第二寄存器相连接。

加法器用于将输入的数字信号的数值相加计算出输出的数字信号。

乘法器用于将输入的数字信号与一固定值相乘计算出输出的数字信号。

除法器用于将输入的数字信号与一固定值相除计算出输出的数字信号。

先入先出缓冲器将输入的数字信号存储起来，并在延后若干个时刻后输出。

负变换器用于将输入的数字信号的数值取反并输出数字信号

平方器用于将输入的数字信号的数值平方后计算出输出的数字信号。

对数器用于将输入的数字信号的数值关于某一定值求对数后计算出输出的数字信号。

幂数器用于将输入的数字信号的数值关于某一定值求幂数后计算出输出的数字信号。

寄存器将输入的数字信号存储起来，并在下一个时刻输出。

自动增益控制方法包括如下步骤：

(a)将接收信号通过带通滤波器，滤除带外噪声，通过对数检波器进行信号-功率变换，最后经第二模数转换器转换为数字信号A(i)，同时将滤除带外噪声的信号通过射频放大器，进行模拟正交解调，再通过基带放大器，经第一模数转换器转换为数字信号B(i)；

本发明可应用到802.16d接收机系统中。天线接收的信号先通过带通滤波器，滤除带外噪声，记射频信号为S_rf(t)＝S(t)×e^-jw，通过对数检波器进行信号-功率变换得到S_pw(t)＝|S(t)|，由于对数检波器对于在其处理范围内所有功率的信号都能进行对数转换，因此通过模数转换器转换为数字信号A(i)后的功率测量精度只与模数转换器本身的转换位数有关，传统方法通过直接测量接收信号的方法，在信号和系统增益都较小的情况，估计精度较差，本方法与系统增益和信号功率大小无关，能够准确地估计信号，通过模数转换器转换为数字信号记为功率信号A(i)＝S_pw(iT)，设信号带宽为5MHz，T为采样周期200ns；同时将滤除带外噪声的信号通过射频放大器，进行模拟正交解调，输出I、Q两路信号，再通过基带放大器，经模数转换器转换为数字信号B(i)＝S(iT)。这样就能够对模拟信号进行数字化处理，实现准确的功率检测与增益控制。

(b)对数字信号A(i)进行功率统计，接收信号前导字是以N个信号为周期循环的，统计N个信号功率得到E₁(i)；

在802.16d标准中，如图2所示，前导字的重复周期N＝64，由4个重复周期组成，同时还包括长度为N_cp＝32的循环前缀，循环前缀由于是重复周期的一部分，并不会影响信号功率的估计特征。使用 $E_1\left(i\right){=\log }_{10}({\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}{\left({10}^{A(i-k)}\right)}^2/N)$ 对功率进行估计。

(c)对信号功率E₁(i)进行滤波得到E₂(i)；

(d)自动增益控制系统初始化后处于信号搜索阶段，射频增益放大器和基带增益放大器的增益均设为最小，若 ${\max }_{k\&Element;[0,M-1]}(E_2(i-k)-{\mathrm{\&Sigma;}}_{l=0}^{M-1}{E}_2(i-l))<T_2,$ 则判定E₂(i)达到稳定状态且E₂(i)大于门限值T₁，则判定有前导字到达，根据第i个时刻功率的估计值设定系统增益，并进入帧同步阶段，保持增益不变，其中T₁是功率门限值，T₂是稳定门限值；

自动增益控制模块的状态转换如图3所示，平时保持系统增益为最小，这样保证了不会有大幅度的尖峰信号对模拟电路造成冲击以淹没有效信号，当前信号功率大于-90dBm后并且连续8个E₂(i)相差值都小于±2dBm时，判定前导字已经到来，这时根据这8个E₂(i)的最大值来设定相应的系统增益，设定之后保持增益不变。因此这里T₁＝-90dBm，T₂＝2dBm。

(e)在帧同步阶段，成功帧同步进入步骤(f)，失败则当max_{k∈[0，P-1]}(A(i-k))＜T₃时，判定接收信号消失，回到步骤(d)，其中T₃是信号消失门限值；

(f)此后若成功解码B(i)信号可知帧的长度，在帧结束的时候回到步骤(d)，若解码失败则当max_{k∈[0，P-1]}(A(i-k))＜T₃时，判定接收信号消失，回到步骤(d)，其中T₃是信号消失门限值。

进入帧检测状态后，开启帧同步判决器和解码器，若帧同步成功，则进一步对B(i)进行解码，若解码也成功，则能够从控制信息中得知当前信号的帧长从而计算出信号持续时间，在信号结束的时候让自动增益控制器回到信号搜索状态，检测下一次帧前导字的到达。若两者有一者不成功，则在信号即时功率A(i)连续8个都小于-90dBm时，再次回到信号搜索状态。因此这里P＝8，T₃＝-90dBm。

步骤(b)所述的N个信号功率E₁(i)统计式为：

$E_1\left(i\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}A(i-k)/N,$ 其中，N是信号统计长度，A(i)是经过信号-功率变换的数字信号。

步骤(b)所述的N个信号功率E₁(i)统计式为：

$E_1\left(i\right)={\log }_{10}({\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}{\left({10}^{A(i-k)}\right)}^2/N),$ 其中N是信号统计长度，A(i)是经过信号-功率变换的数字信号。

步骤(b)所述的N个信号功率E₁(i)统计式为：

$E_1\left(i\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}A(i-k)\&times;A(i-k-N)/N,$ 其中N是信号统计长度，A(i)是经过信号-功率变换的数字信号。

要着重说明的是三种功率检测方案：

1.使用 $E_1\left(i\right)={\log }_{10}({\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}{\left({10}^{A(i-k)}\right)}^2/N)$ 估计功率时间响应最短，在有效信号出现一个重复周期后，就能检测到功率平台，其电路框图对应于图5，包含一个平方器、一个幂数器、一个对数器、两个加法器、两个乘法器、一个负变换器、一个除法器和两个先入先出缓冲器和两个寄存器，实际电路中乘法器、除法器、平方器、幂数器和对数器的实现非常复杂，加法器、寄存器和先入先出缓冲器的实现非常简单。与其他方案相比，此方案实现复杂度最高。

2.使用 $E_1\left(i\right){\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}A(i-k)/N$ 计算功率其功率信号平台较第一种方案出现略晚，时间响应稍长。其电路框图对应于图4，仅包含一个除法器、一个乘法器、两个加法器、两个寄存器、一个先入先出缓冲器和一个负变换器，仅包含两个实现复杂度高的电路，同时能够通过仔细选择α和N的值改用移位操作以去掉乘法器和除法器，实现复杂度非常低的电路，同时仅付出较低的响应时间代价。

3.使用 $E_1\left(i\right){\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}A(i-k)\&times;A(i-k-N)/N$ 估计功率需要有效信号前导字出现两个重复周期后，才能检测到功率平台，这样丢掉了两个前导字周期，不利于后续信号处理，但这种方法能够有效对付信噪比极差的情况，因此只有在信噪比及差且前导字重复周期数较多时建议采用此方法。其电路框图对应于图6，包含两个先入先出缓冲器、两个加法器、两个寄存器、一个负变换器、两个个乘法器、一个除法器。仅包含三个复杂度高的电路模块，因此相比第一种方案在电路实现复杂度上有了较大的改进，同时能对信噪比极差的接收信号进行正确的增益控制，但是需要付出响应时间的代价。

步骤(c)所述的滤波计算式为：E₂(i)＝E₂(i-1)×(1-α)+E₁(i)×α，α是遗忘因子。

遗忘因子越大则对噪音的过滤效果越好，但是系统响应时间也越长，建议α＝0.25。

Claims (2)

1.一种正交频分复用接收机系统，其特征在于天线与带通滤波器相连接，带通滤波器、射频增益放大器、正交解调器、基带增益放大器、第一模数转换器、解码器、帧同步判决器、自动增益控制器、信号功率处理器、第二模数转换器、对数检波器、带通滤波器顺次相连接，自动增益控制器分别与基带增益放大器、射频增益放大器相连接，第一模数转换器与帧同步判决器相连接；带通滤波器用于滤除非本系统工作频段内的干扰信号，其输入端为天线，输出端为对数检波器和射频增益放大器，对数检波器用于指示当前信号功率的大小，把信号的幅值转换为关于dB的线性变化的电压，其输入端为带通滤波器，输出端为用于转换功率信号的第二模数转换器，射频增益放大器用于在射频频段控制信号的幅度大小，其输入端为带通滤波器，输出端为正交解调器，正交解调器用于正交解调射频信号，把射频信号转换为I、Q两路基带信号，其输入端为射频增益放大器、输出端为基带增益放大器，基带增益放大器用于在基带频段控制信号幅度的大小，其输入端为正交解调器，输出端为第一模数转换器，第一模数转换器用于把经过基带增益放大器后的信号转化为数字信号，其输入端是基带增益放大器，输出端是帧同步判决器和解码器，帧同步判决器用于根据转换接收信号的第一模数转换器、自动增益控制器及解码器将当前帧是否结束反馈给自动增益控制器并指示解码器帧的位置信息用于解码，其输入端为自动增益控制器、转换接收信号的第一模数转换器及解码器，输出端为自动增益控制器和解码器，第二模数转换器用于把从对数检波器输出的信号转换为数字信号，输入端为对数检波器，输出端为信号功率处理器，信号功率处理器用于从转换功率信号的第二模数转换器输出的数字信号中统计出一段时间长度的平均功率，其输入端为转换功率信号的第二模数转换器，输出端为自动增益控制器，自动增益控制器用于指示帧同步判决器进入判决状态，根据帧同步判决器的工作状态指示和信号功率处理器的输出控制射频增益放大器和基带增益放大器的增益，其输入端为帧同步判决器和信号功率处理器，输出端为帧同步判决器、射频增益放大器和基带增益放大器，解码器用于从转换接收信号的第一模数转换器和帧同步判决器的帧位置信息中解码出信号所包含的原始数字信息，并将帧长度信息反馈给帧同步判决器，其输入端为转换接收信号的第一模数转换器及帧同步判决器，输出端为帧同步判决器。

2.一种使用如权利要求1所述系统的自动增益控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)将接收信号通过带通滤波器，滤除带外噪声，通过对数检波器进行信号-功率变换，最后经第二模数转换器转换为数字信号A(i)，同时将滤除带外噪声的信号通过射频增益放大器放大，通过正交解调器解调，再通过基带增益放大器放大，经第一模数转换器转换为数字信号B(i)；

(b)对数字信号A(i)进行功率统计，接收信号前导字是以N个信号为周期循环的，统计N个信号功率得到E₁(i)

所述的N个信号功率E₁(i)统计式为：

其中，N是信号统计长度，A(i)是经过信号-功率变换的数字信号；

或者所述的N个信号功率E₁(i)统计式为：

其中N是信号统计长度，A(i)是经过信号-功率变换的数字信号；

或者所述的N个信号功率E₁(i)统计式为：

其中N是信号统计长度，A(i)是经过信号-功率变换的数字信号；

(c)对信号功率E₁(i)进行滤波得到E₂(i)；

所述的滤波计算式为：E₂(i)＝E₂(i-1)×(1-α)+E₁(i)×α，α是遗忘因子；

(d)自动增益控制器初始化后处于信号搜索阶段，射频增益放大器和基带增益放大器的增益均设为最小，若

则判定E₂(i)达到稳定状态且E₂(i)大于门限值T₁，则判定有前导字到达，根据第i个时刻功率的估计值设定系统增益，并进入帧同步阶段，保持增益不变，其中T₁是功率门限值，T₂是稳定门限值；

(e)在帧同步阶段，成功帧同步进入步骤(f)，失败则当max_{k∈[0，P-1]}(A(i-k))＜T₃时，判定接收信号消失，回到步骤(d)，其中T₃是信号消失门限值；

(f)此后若成功解码B(i)信号可知帧的长度，在帧结束的时候回到步骤(d)，若解码失败则当max_{k∈[0，P-1]}(A(i-k))＜T₃时，判定接收信号消失，回到步骤(d)，其中T₃是信号消失门限值。

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