CN101601190A - 自动增益控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于多载波电信系统接收器中的自动增益控制方法，该方法包括：接收由模/数转换器数字化的输入信号；确定输入信号的分布；根据所确定的分布来控制可变增益放大器的增益。

Description

自动增益控制方法和设备

技术领域

本发明一般涉及用于自动增益控制(AGC)的方法和设备，尤其涉及用于多载波电信系统接收器中的自动增益控制的方法和设备。

背景技术

近来，多载波调制技术已被广泛使用，如用于电子通信、光通信、有线通信和无线通信中。正交频分复用(OFDM)是一种典型的多载波调制技术，并且是一种非常有前途的宽带无线通信网络接入方案。OFDM已被许多国际标准如DVB(数字视频广播)和无线局域网所采用。OFDM也是一种非常有前途的用于未来宽带无线通信系统如数字电视广播和第四代无线网络的技术。

在OFDM接收器中，自动增益控制设备用于控制输入信号的增益。如果输入信号功率过高或低，则自动增益控制设备用于将输入信号的增益自动调节成适当级别，以便保持接收时域OFDM信号的幅度适于模数转换器的输入动态范围。

因此，在OFDM接收器中自动增益控制是非常必需的。大多数现有自动增益控制方法都基于接收信号的平均功率。它们从一段时间的样本来估计接收信号的平均功率，并将该估计平均功率和参考功率进行比较，该参考功率是接收信号的期望功率电平。估计功率与参考功率之差用于调节OFDM接收器的可变增益放大器的前端功率增益。

然而，这种传统自动增益控制方法具有以下问题：由于模数转换器的限幅效应，这种传统自动增益控制方法受模数转换器的影响。如果输入信号电平比期望功率电平即参考电平高得多，则输入信号幅度将超出模数转换器的动态范围。传统AGC不能准确估计模数转换器后的信号电平，因为更高幅度的信号已被限幅了。因此，当考虑模数转换器引入的限幅效应时，传统AGC不能准确估计信号功率，或者不能准确估计增益误差。

另外，因为传统AGC不能准确估计信号功率，所以将逐步调节可变增益放大器的增益，这将导致传统AGC需要更长调节周期。

因此，需要开发一种新AGC方法和设备，以克服先有技术中存在的以上问题。

发明内容

鉴于以上，本发明的目的是提供一种基于输入信号分布的自动增益控制方法和设备，该自动增益控制方法和设备能够迅速将输入信号功率调节到期望电平，并且也能精细控制增益。

根据本发明一方面，提供一种用于多载波电信系统接收器中的自动增益控制方法，该方法包括：接收由模数转换器数字化的输入信号；确定输入信号的分布；根据所确定的分布来控制可变增益放大器的增益。

根据本发明另一方面，提供一种包括自动增益控制设备的多载波电信系统接收器，该自动增益控制设备包括：用于接收由模数转换器数字化的输入信号的装置；用于确定输入信号分布的装置；以及用于根据所确定的分布来控制可变增益放大器的装置。

附图说明

由以下连同附图一起考虑的实施例说明，本发明的这些和其它目的及优点将变得很清楚，且更容易理解，其中：

图1是示出具有AGC设备的OFDM接收器的说明性框图，用于理解本发明；

图2是示出该AGC设备的说明性框图；

图3是示出发送给模/数转换器的模拟信号的分布的说明性图；

图4是示出发自模/数转换器的数字信号的分布的说明性图；

图5是示出根据本发明实施例AGC设备确定接收信号分布并估计增益误差c的过程的流程图；

图6是示出根据本发明例子计算增益误差c的过程的流程图；以及

图7是示出根据本发明另一例子计算增益误差c的过程的流程图。

具体实施方式

现在将根据本发明各说明性实例，参考附图详细说明本发明的诸多优点/特征。然而，本领域技术人员应该认识到，在此相对于自动增益控制描述的本发明不限于这些例子，并且其应用也不限于OFDM接收器，相反，可用于具有自动增益控制的任何多载波接收器中。

图1是示出具有AGC设备105的OFDM接收器100的说明性框图。现在将说明OFDM接收器100的配置和操作过程。

如图1所示，OFDM接收器100包括滤波器与混合器101、可变增益放大器(VGA)102、模/数转换器103、解调器104和AGC设备105。本领域技术人员能够理解，在此描述的OFDM接收器100的配置只是为了说明，而不是将本发明限于这种配置。

OFDM接收器100从天线接收时域OFDM信号。接收的时域OFDM信号首先通过滤波器与混合器101，然后被VGA 102放大以获得模拟信号r(n)。然后，模拟信号r(n)被发送给模/数转换器103以获得数字信号x(n)，该数字信号x(n)是解调器104的输入。由解调器104解调的信号从OFDM接收器100输出。

AGC设备105用于自动控制VGA 102的前端增益，以便保持接收的时域OFDM信号适于模/数转换器103的输入动态范围。图2是示出AGC设备105的配置的说明性框图。如图2所示，AGC设备105包括：用于从模/数转换器103接收数字信号x(n)的装置201；用于确定数字信号x(n)分布的装置202；以及用于根据所确定的分布来控制VGA 102的增益的装置203。

理论上，通过代表VGA 102的期望增益的目标增益来获得模拟信号r(n)。然而，在接收信号的放大过程中，VGA 102的增益通常不同于目标增益。我们用增益误差c来代表当前增益与目标增益之比。

如图1所示，当c＝1，即在期望条件下，模/数转换器的输入为r(n)；当在其它条件下，模/数转换器的输入为r’(n)，r(n)和r’(n)的关系如下：

r’(n)＝c×r(n)        (1)

众所周知，时域OFDM信号r(n)具有期望值为0的近似高斯分布。当设定模/数转换器的输入动态范围时，在期望条件下信号r(n)的方差将固定为σ²，则其概率密度函数(PDF)将近似为：

$f\left(r\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}^2}}{e}^{-\frac{r^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}.---\left(2\right)$

当模/数转换器的输入为r’(n)，即在其它条件下，其方差为c2σ2。因此，r’(n)的PDF为

$f\left(r^{\′}\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{c}^2{\mathrm{\σ}}^2}}{e}^{-\frac{r^{\′2}}{2c^2{\mathrm{\σ}}^2}}.---\left(3\right)$

图3示出了r(n)和r’(n)的分布。在此，水平轴代表信号幅度；垂直轴代表各幅度的分布概率。模/数转换器的输入动态范围为[-ADR，+ADR]。

如图3所示，如果当前增益等于目标增益，即c＝1，则r(n)将主要分布在[-ADR，+ADR]内；如果当前增益大于目标增益，即c＞1，则r’(n)的分布将超过[-ADR，+ADR]；如果当前增益小于目标增益，即c＜1，则r’(n)将分布在比[-ADR，+ADR]窄的动态范围内。

在模/数转换器103之后，模拟信号r(n)或r’(n)被转换成数字信号x(n)或x’(n)，则在[-ADR，+ADR]内，x(n)或x’(n)分别具有和r(n)或r’(n)相同的分布。然而，因为模/数转换器的限幅效应，当c＞1时，在±ADR处x’(n)的分布超过r’(n)，而在[-ADR，+ADR]之外没有分布。在这种条件下，r’(n)和x’(n)的分布如图4所示。

现在将说明基于以上分布的本发明原理以及AGC设备105的具体操作过程。图5是示出AGC设备105确定接收信号分布、并估计增益误差c的过程的流程图。

如图5所示，在步骤S1，记录预定参考分布，预定参考分布是期望条件下的分布。在本发明实施例中，记录预定参考分布的参数，如方差σ2。应该注意，也可记录期望条件下的其它参数，如选定的阈值范围及该范围内的概率。

例如，如果选定阈值范围，则可以根据公式(1)如下计算选定范围间的概率P：

$P={\∫}_{-\mathrm{TH}}^{+\mathrm{TH}}f\left(r\right)\mathrm{dr}---\left(4\right)$

另一方面，可以首先选定-TH至TH之间的概率P，如50％或60％，然后可以根据式(1)如下计算阈值TH。

${\∫}_{-\mathrm{TH}}^{+\mathrm{TH}}f\left(r\right)\mathrm{dr}=0.5---\left(5\right)$

因为该σ²已知，所以可以计算阈值TH为TH＝0.6745σ。

现在将详细说明记录方差σ2时的过程步骤。

在步骤S2，选择要统计的信号x’(n)的一部分分布。根据本发明原理，可以根据需要选择一部分分布。例如，可以选择信号值域从-TH至0或从0至TH的x’(n)的分布，其中阈值TH是信号的已知幅度。优选地，可以选择具有-TH至TH对称范围的x’(n)的分布，作为待统计的分布。

应该注意，不能选择从ADR至-ADR、从-ADR至0以及从0至ADR的范围，因为其概率是常数，即100％或50％。另外，优选地，选定范围接近0值，因为当c＜1时，远离0的地方没有分布。由以上，可以根据本发明原理选择所有其它范围或任何部分的部分。

然而，对于本领域技术人员而言，显然如果在步骤S1记录概率P和对应阈值，则步骤S2中选定的范围应该和步骤S1中的阈值范围相同。

然后，在步骤S3，从模/数转换器接收数字信号x’(n)，并且在步骤S4，对落入选定范围内的接收信号x’(n)的数量n进行统计。在步骤S5，可以通过使统计的数n除以总数N，来获得选定范围内x’(n)的概率P’，即P’＝n/N。

然后在步骤S6，依据下式(6)根据概率P’计算用于控制VGA102的增益误差c

$P^{\′}={\∫}_{-\mathrm{TH}}^{+\mathrm{TH}}f\left(r^{\′}\right)d{r}^{\′}$

$={\∫}_{-\mathrm{TH}}^{+\mathrm{TH}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{c}^2{\mathrm{\σ}}^2}}{e}^{-\frac{r^{\′2}}{2c^2{\mathrm{\σ}}^2}}d{r}^{\′}---\left(6\right)$

当得到概率P’时，因为阈值TH和方差σ2已知，所以可以由以上公式计算增益误差c。

例如，如果选择阈值-TH至TH以及P＝50％，则根据以上得到概率P’为：

$P^{\′}={\∫}_{-\mathrm{TH}}^{+\mathrm{TH}}f\left(r^{\′}\right)d{r}^{\′}$

$=1-2\×\mathrm{erfc}\left(\frac{0.6745}{c}\right)---\left(7\right)$

其中，

$\mathrm{erfc}\left(x\right)={\∫}_x^{+\∝}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-y^2/2}\mathrm{dy}---\left(8\right)$

然后，可以计算增益误差c，并且AGC设备105将该增益误差c应用于VGA 102的前端，以调节VGA 102的增益。

另外，如果在步骤S1记录概率P和对应阈值，则可以将概率P和概率P’进行比较，以获得增益误差c，可以根据以上内容，推导用于计算增益误差c的公式。因此，省略这些公式和过程的描述。

虽然以上描述了基于本发明原理的特定过程，但是不能认为该特定过程是对本发明的限制。例如，如上所述，OFDM接收器用于说明本发明实施例。然而，对于本领域技术人员而言，显然可以采用其它具有多载波调制的接收器。另外，选择x(n)的一部分分布来获得增益误差。然而，对于本领域技术人员而言，显然可以选择多个部分的分布来计算增益误差，并且也可根据以上公式推导对应公式。

以下是基于本发明自动增益控制的实例。

例子#1

现在将举例描述自动增益控制方法和设备如何工作。在该例子中，计数总数为N，例如N＝1024，且选择阈值为-TH至TH以及P＝50％。因此，由以上公式可知，TH等0.6745σ。

利用计数器来估计x’(n)的分布。图6是示出估计增益误差c的过程的流程图。在步骤S11，自动增益控制设备接收数字信号x’(n)。在步骤S12，确定接收的数字信号的信号值是否在选定范围即-0.6745σt至0.6745σ范围内。当结果为是，则在步骤S13计数器n加1。然后，过程前进到步骤S14，在步骤S14确定总次数是否达到N次，当结果为否，则过程返回到S11。否则，在步骤S15，由统计的数n计算增益误差c。如上所述，P’＝n/N，然后根据式(6)和记录的方差σ2可以得到增益误差c。

例子#2

根据本发明原理，我们也可选择两部分的分布，并获得一部分分布与另一部分分布之间的概率差，以估计增益误差。

如图4所示，可以将信号分布分成几个部分，在范围[-TH，+TH]内称为范围I，且在该范围外称为范围II。如上所述，TH值满足范围I和II中的x(n)概率都为0.5，且TH＝0.6745σ。作为选择，可使用其它x(n)概率，如在范围I中为0.6，而在范围II中为0.4，等等。然而，应该注意，不应选择两个对称范围，因为它们的概率差为0。可以由以上推导对应公式。范围I和II中的x(n)概率分别称为Pin和Pout，然后参考分布为：

Pin＝Pout＝0.5.(9)

或

Pin-Pout＝0.(10)

利用计数器来估计当前数字信号x’(n)的分布。如果x’(n)样本在范围I中，则计数器将加1；否则，计数器将加-1。计数器工作N次得到最终结果n，例如N＝1024。图7示出了所述操作流程图。

如果c＝1，则n将大约为0；如果c＞1，则n将比0小得多；如果c＜1，则n将比0大得多。实际上，可以如下计算c和n之间关系：

Pin和Pout的概率为：

$P_{\mathrm{in}}={\∫}_{-\mathrm{TH}}^{+\mathrm{TH}}f\left(r^{\′}\right)d{r}^{\′}$

$=1-2\×\mathrm{erfc}\left(\frac{0.6745}{c}\right)---\left(11\right)$

$P_{\mathrm{out}}={\∫}_{-\∝}^{-\mathrm{TH}}f\left(r^{\′}\right)d{r}^{\′}+{\∫}_{+\mathrm{TH}}^{+\∝}f\left(r^{\′}\right)d{r}^{\′}$

$=2\×\mathrm{erfc}\left(\frac{0.6745}{c}\right)---\left(12\right)$

则

$P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{out}}=1-4\×\mathrm{erfc}\left(\frac{0.6745}{c}\right)---\left(13\right)$

因此，在统计当前数字信号x’(n)并得到概率Pin-Pout后，结果为：n＝(Pin-Pout)×N＝[1-4×erfc(0.6745/c)]×N.(14)

因此，AGC设备可以利用式(14)由n估计c。为了减小复杂性，可以建立表将c和概率关联起来。因而，可以查找该表由n迅速估计c。

如上所述，因为本发明实施例利用分布来估计增益误差，以便控制可变增益放大器，所以不受模/数转换器动态范围的影响。因此，有利地精确估计增益误差并迅速控制可变增益放大器。另外，根据本发明原理，对于本领域技术人员而言，显然可利用与增益误差相关的其它参考来控制可变增益放大器，如实际增益或系数。可以根据以上过程和公式来计算这些参考。

可以用硬件、软件或硬件和软件组合，来实现本发明。典型的硬件和软件组合可以是具有内置程序的现场可编程门阵列(FPGA)。

以上仅仅说明了本发明原理，因而应该理解，本领域技术将能够设计虽然未在此明确描述、但体现本发明原理且落入本发明精神和范围内的诸多替换配置。应该理解，可以对说明性实施例进行诸多修改，并且可以在不背离如所附权利要求定义的本发明精神和范围的情况下设计其它配置。

Claims (14)

1.一种用于多载波电信系统接收器中的自动增益控制方法，所述方法包括：

接收由模/数转换器数字化的输入信号；

确定所述输入信号的分布；以及

根据所述确定的分布来控制可变增益放大器。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

预先记录所述输入信号的预定参考分布；以及

根据所述预定参考分布和所述输入信号的所述确定的分布，来确定增益误差以控制所述可变增益放大器。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述确定分布的步骤包括确定所述输入信号至少一部分的分布。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述确定分布的步骤包括确定所述输入信号的两部分的分布，然后获得所述两部分的所述分布之差。

5.根据权利要求2-4任一所述的方法，其中所述记录所述预定参考分布的步骤包括，记录所述预定参考分布的至少一个参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中利用计数器对出现在所述部分中的所述输入信号的数量进行统计，以获得所述分布的概率，并由所述概率和所述至少一个参数计算所述增益误差。

7.根据权利要求5所述的方法，其中利用计数器对出现在所述部分中的所述输入信号的数量进行统计，以获得所述分布的概率，并且由将所述增益误差和所述概率关联起来的表，获得所述增益误差。

8.一种包括自动增益控制设备的多载波电信系统的接收器，所述自动增益控制设备包括：

用于接收由模/数转换器数字化的输入信号的装置；

用于确定所述输入信号的分布的装置；以及

用于根据所述确定的分布来控制可变增益放大器的装置。

9.根据权利要求8所述的接收器，其进一步包括：

用于预先记录所述输入信号的预定参考分布的装置；以及

用于根据所述预定参考分布和所述输入信号的所述确定的分布，来确定增益误差以控制所述可变增益放大器的装置。

10.根据权利要求9所述的接收器，其中所述用于确定分布的装置确定所述输入信号至少一部分的分布。

11.根据权利要求9所述的接收器，其中所述用于确定分布的装置确定所述输入信号的两部分的分布，然后获得所述两部分的所述分布之差。

12.根据权利要求9-11任一所述的接收器，其中所述用于记录的装置记录所述预定参考分布的至少一个参数。

13.根据权利要求12所述的接收器，其中所述自动增益控制装置进一步包括计数器，所述计数器用于对出现在所述部分中的所述输入信号的数量进行统计、以获得所述分布的概率，并且由所述概率和所述至少一个参数计算所述增益误差。

14.根据权利要求12所述的接收器，其中所述自动增益控制装置进一步包括计数器，所述计数器用于对出现在所述部分中的所述输入信号的数量进行统计、以获得所述分布的概率，并且由将所述增益误差和所述概率关联起来的表来获得所述增益误差。

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