CN101826848B - 正交频分复用接收机中的自动增益控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线数字通信技术领域，具体为一种正交频分复用接收机系统中自动增益控制系统和方法。正交频分复用接收机系统中的天线依次与带通滤波器、射频放大器、正交解调器、模数转换器、时域功率处理器、增益控制器、基带数字增益放大器、帧同步判决器、频域均衡器、解码器、频域处理器和增益产生器相连接。其中，时域功率处理器，增益控制器、基带数字增益放大器、频域处理器以及增益产生器组成自动增益控制系统。频域处理器由与比较判决器以及能量估算器相连接组成。本发明避免有效信号被缓降信号淹没，克服增益变化所引起的信号振荡导致的同步相关器失效的问题，得到稳定的增益值，提高帧检测率和解码成功率。

Description

正交频分复用接收机中的自动增益控制系统和方法

技术领域

本发明属于无线数字通信技术领域，具体涉及一种时域同步的正交频分复用系统的频域自动增益控制系统以及方法。

背景技术

OFDM(正交频分复用)是一种多载波调制技术，主要思想是将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，随后调制到每个正交的子信道上进行传输。理想情况下，各正交信道上的信号没有相互干扰。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、能较容易的对付多径传播引起的符号间干扰，因而在无线移动通信中得到了越来越多的应用，并且被普遍认为是未来4G的核心技术。

OFDM系统是突发传输系统，即用户产生业务时才再进行传输和解码，这就要求OFDM接收机能够快速检测接收信号的功率并进行合适的增益设置和帧同步。在OFDM接收机中，接收机输出信号水平取决于输入信号电平和接收机的增益。由于各种原因(包括发射机的功率大小、接收机距离发射机距离的远近、信号在传播过程中的传播条件的变化、接收机的环境变化等)，接收机的输入信号变化范围往往很大，最强信号和最弱信号之间相差甚至可达几十分贝。为克服外界各种因素对接收机输入信号的影响，及正交频分复用系统时域峰均比(PAR)较高的特点，需要使用自动增益控制(AGC)技术，使得输入信号电平稳定在接收机的动态范围之内；另一方面，对于使用多调制方案的系统，满足最小性能水平可能要求显著的动态范围，以便适应多个衰落信道的不同SNR要求，比如对相同误比特率(BER)性能的16QAM和QPSK调制方式，前者的SNR要求更高。为了在系统的动态范围内保持可以接受的SNR，接收机也需要使用AGC技术。

传统自动增益控制方法使用信号时域的能量作为衡量标准来产生用于接收机放大器的增益值，此时如果所取的用来进行能量估计的数据点数如果过少，由于正交频分复用本身时域高峰均比的特点，能量估计值会相差很大，并且由于反馈回路具有时间延迟，过快的功率调节速度使得反馈回路可能变成振荡器，可能在功率水平上产生乒乓(ping-pang)效应。

由于自动增益建立在数据包或者数据帧的基础上，使用传统的自动增益控制方法，从设置新的增益到信号达到新的增益之间的时间中信号处于不可预知的震荡状态，在有效数据信号传输过程中调整放大器的增益会影响接收机中用于时域同步的相关器的正常工作，使得数据无法正常接收，从而提高了误码率。另一方面，由于数字控制环路存在不可避免的时间延迟，会造成一段时间内的功率估计值偏小，此时如果调整增益，则增益会偏大，而OFDM信号的时域存在很多的尖峰，过大的尖峰输出造成在模拟电路中出现一段时间的缓降现象，有时会造成A/D模块的满电平输出，提高了误码率。

以往的OFDM接收系统的突发信号检测在射频部分完成，它是通过包络检波和电桥网络实现的。由于RF包络检波器存在延时，当RF包络检波器输出大于电桥网络的某一参考电压值时，系统检测到信号的传输，此时已经有一部分帧头部有用训练新号丢失，不利于OFDM接收系统帧同步、频率同步的进行。同时，RF模拟器件比较容易受到干扰，器件本身具有一定的分离特性，导致突发信号检测精度不够高，容易受到环境影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种新的正交频分复用接收机的自动增益控制的系统和方法。

正交频分复用接收机系统中的天线依次与带通滤波器、射频放大器、正交解调器、模数转换器、时域功率处理器、增益控制器、基带数字增益放大器、帧同步判决器、频域均衡器、解码器、频域处理器以及增益产生器相连接。如图1所示，其中时域功率处理器，增益控制器、基带数字增益放大器、频域功率处理器以及增益产生器组成自动增益控制系统，其中：

时域功率处理器由平方器、缓冲器、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、第二寄存器以及第二乘法器一次相连接组成。

频域处理器由与比较判决器以及能量估算器相连接组成。

信号检波与同步之间利用时间同步时能信号和增益保持的反馈信号保持在一定时间内，接收数据的增益保持不变，避免因为增益的变化导致同步处理器中的相关器的不正常工作。

自动增益控制方法包括如下步骤：

(1)将接收到的正交信号通过带通滤波器，滤除带外噪声并进行信号的检波得到模拟信号，正交解调并经过A/D模数转换器转换后得到数字信号值R1(i)。

(2)对数字信号R1(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P1(i)，对P1(i)进行滤波得到P2(i)。

(3)当P2(i)达到稳定状态并且大于某个门限Threshold1时，判定有前导字到达，通过和能量参考值P_reference1进行比较，计算得到初始的增益值。

(4)将初始增益值和预先设定的阶跃的增益值进行对比，选择与初始增益值最接近的增益值作为阶跃增益值Gain_initial。

(5)经过数字放大后得到数字信号值R2(i)，进入帧同步阶段，同时利用帧同步处理器产生的增益保持信号，保持之前的Gain_initial不变。

(6)在帧同步阶段，失败则继续进入步骤(5)，成功则进行频域均衡，并且解码得到频域的信号R_fre(i)。

(7)对频域的信号进行判决，消除其中由于信道中单频干扰所造成的偏差过大的信号并进行能量估计，随后进入自动控制装置，进行增益的调整。

其中，步骤(1)～(5)为初始阶段自动增益控制，步骤(6)、(7)为帧同步阶段的自动增益控制。

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，能有效克服信号接收过程当中增益变化所引起的信号振荡导致的同步相关器失效的问题，即使在低信噪比的条件下仍能够准确检测前导字的到来。另一方面通过频域的信号值的处理能够有效克服由于信道当中通带内单频信号的干扰导致的能量估计的不准确，而且由于频域的稳定性，能够得到较为稳定的增益值，反过来又提高了帧检测率和解码成功率。

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是时域功率处理器的模块电路框图。

图3是频域功率处理器的模块电路框图。

图4是增益控制模块与帧同步模块之间的接口信号示意图。

图5是本发明的系统的状态转换图。

图6是A/D模数转换器对于系统误码率的影响。

图7是增益的收敛图。

图8是自动增益控制装置对量化器量化误差的影响。

具体实施方式

如图1所示，正交频分复用接收机系统当中天线依次与带同滤波器、射频增益放大器、模拟正交解调器、A/D模数转换器、时域功率处理器、初始增益控制器、数字基带放大器、帧同步判决器、频域均衡器、解码器、频域功率处理器和增益产生器相连接。

带通滤波器用于滤除本系统所用数据信号之外的通带外噪声。其输入端为天线，输出端为模数转换器。

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A/D模数转换器。

A/D模数转换器用于数字化输入的模拟信号，使得系统中能够使用数字化的方法来产生放大器的初始增益值。其输入端为正交解调器。

时域功率处理器用于对输入的N个点的数字信号进行处理，得到其对应的功率水平的估计，通过与相应阈值的比较来判定是否需要产生时间同步使能信号，让帧同步模块工作来同步已经读入的数字化的信号。其输入端为模数转换器1，输出端为初始增益控制产生器。

增益控制器用于当N个点的时域信号功率水平大于相应阈值时，针对该功率水平初步设定射频放大器以及基带增益放大器的增益值，以便处理有用的信号。其输入端为时域功率处理器，输出端为数字基带放大器。

基带数字放大器用于在基带频段控制信号幅度的大小。器输入端为A/D模数转换器器，输出端为帧同步判决器。

帧同步判决器其中含有相关器，利用信号中所含的同步信号做相关之后的峰值来做数据时域部分的同步。其输入端为数字基带放大器，输出端为频域均衡器。

频域均衡器用于均衡由于信道造成的对于数据信号的影响。其输入端帧同步判决器，输出端为解码器。

解码器用于将已经得到的时域数字信号去除循环前缀(CP)序列，作FFT变换得到包含数据的原始数字信息，并且将帧长度的信息反馈给帧检测判决器。其输入端为频域均衡器，输出端为频域处理器。

频域处理器用于将得到的频域信号经过单频干扰的消除并且进行一个OFDM帧中的频域数据的能量水平的计算。其输入端为解码器，输出端为增益产生器。

增益产生器用于根据得到的频域能量水平跟已知能量范围进行比较，如若超出最大门限，或者小于最小门限，则根据已知的增益步长调整初始增益，否则则保持初始增益不变。其输入端为频域处理器，输出端为射频放大器以及基带增益放大器。

时域功率处理器的模块电路，如图2所示，由平方器、缓冲器、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、第二寄存器以及第二乘法器依次相连接组成。

平方器用于计算输入的数字信号的平方值。

缓冲器用于存储数字信号的平方值，并在下一个时刻输出。

第一加法器和第二加法器用于累加当前的以及上一个时刻的数字信号平方值。

第一寄存器和第二寄存器用于记录上一时刻数字信号的累加的结果，并在下一个时刻输出。

除法器用于将输入的数字信号与以固定值相除计算出输出的数字信号。

对数器用于求出输入的数字信号的对数计算出输出地数字信号。

第一乘法器和第二乘法器用于将输入的数字信号与一个固定值相乘计算出输出地数字信号。

频域功率处理器的模块电路，如图3所示，由比较判决器以及能量估计器相连接。

比较判决器用于将输入的频域数字信号和上限和下限门限进行比较，如果大于上限或者小于下限则修改相应的数字信号值。

能量估计器用于计算输入的一个帧当中的频域数字信号的能量值，其中包括加法器、寄存器、乘法器、平方器以及对数器。

如图4所示，增益控制模块与同步模块之间的接口信号包括初始增益使能信号、时间同步使能信号以及增益保持信号。

当帧检测判决其检测得到数据信号值大于某一阈值，则判定数据帧到来，产生初始增益使能信号，给射频和基带放大器置初始增益。

一旦初始增益值设置成功产生时间同步使能信号从而进入时间同步阶段。

在时域同步的过程当中产生增益保持信号反馈给射频和基带放大器，当同步完成之后才允许修改放大器增益。

自动增益控制方法包括如下步骤：

(1)将接收到的正交信号通过带通滤波器，滤除带外噪声并进行信号的检波以及正交解调得到模拟信号之后经过A/D模数转换器转换得到数字信号值R1(i)。此时的A/D模数转换器需要根据实际的要求进行相应的设置，不然由于A/D模数转换器的满电平较小会产生很多满电平的量化值，可以选取A/D模数转换器的相应最大的满电平电压为8V。图6显示出量化比特数为16位的A/D模数转换器不同的量化精度对于接收机误码率的影响，其中一根曲线代表量化满电平为±4V，量化精度为13bit的量化器对于误码率有一定影响，而另一根曲线代表量化满电平为±8V，量化精度为12bit的量化器，由仿真可得，此时对于接收机误码率影响不大。

(2)对数字信号R1(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P1(i)，对P1(i)进行滤波得到P2(i)。

$P1\left(i\right)=10*{\log }_{10}(\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|R1(i-k)\right|}^2/N)$                      ①

P2(i)＝P2(i-1)*(1-α)+P1(i)*α               ②

公式②中的α是遗忘因子，代表当前能量的权重，滤波可以部分滤除噪音对于该能量估计的影响，α越小，对于噪音的过滤效果越好，但是系统的响应时间会变长，一般可取0.1~0.5之间的值。仿真中，取α为0.125。

首先，因为模拟放大器存在一定的延迟，信号功率的水平需要经过几个样点之后才显示出来而不是即时的，所以为了减小噪声的影响并使得估计稳定α取较小的值将更好，即P2(i-1)的权重更大。此外，0.125可以被8整除，那意味着硬件上可以简单地通过右移三位来实现。算法中不需要估计估计功率的均值只需要估计功率的参考水平，所以对样点取其模值来进行运算，使得算法更简单，快速。

(3)当P2(i)小于某个门限Threshold1时，继续检测，当P2(i)达到稳定状态并且大于Threshold1时，判定有前导字到达，通过和能量参考值P_reference1进行比较，计算得到初始的增益值。

接收机开始阶段增益控制模块进行初始化，当P2(i)达到稳定状态并且大于门限值-30dB后并且连续8个P2(i)的差值都小于±0.5dB，则判定有前导字到达，通过和P_reference1进行比较得到初始增益值

Gain＝P_reference1-P2(i)                            ③

P_reference1＝(Threshold2+Threshold3)/2             ④

其中Threshold2允许接收的信号的能量上限，单位为dB，Threshold3为允许接收的信号的能量下限，单位为dB。通过公式④计算得到的P_reference1为能量的一个参考值，根据此参考值得到的初始增益Gain，即需要提供给射频和基带放大器的初始增益，可以选取Threshold2＝-10dB，Threshold3＝-20dB，则P_reference1＝-15dB。

(4)将初始增益值和预先设定的阶跃的增益值进行对比，选择与初始增益最接近的增益值作为阶跃增益值Gain_initial。

通过公式③和公式④得到增益值之后为了方便之后对增益值进行调整，需要对该增益Gain进行近似操作。由于在之后的增益调整过程当中，使用固定步长的增益调整方案可以有效较少增益调整所需的时间，更快的增益收敛速度，另外通过增益的上下限以及阶跃的步长的设置，可以有效避免以前系统当中经常出现的增益收敛抖动的现象，所以在系统当中予以采用。基于以上原因，需要在一系列固定差值的可调增益值当中选取一个和Gain最为接近的增益值作为Gain_initial。

(5)将下次的数据信号滤除带外噪声之后通过射频放大器，进行模拟正交解调以及模数转换，再通过基带数字放大器，得到数字信号值R2(i)。进入帧同步阶段，利用帧同步处理器产生的增益保持信号，保持之前的Gain_initial不变。该增益保持信号需要注意是能够记录到寄存器当中的，增益保持信号有效时，射频放大器和基带放大器的总增益保持不变，当同步完成之后，进行后续的增益修改，修改之后的增益值反馈到基带数字放大器中，此时的增益保持信号无效，并且同步使能信号无效。

(6)在帧同步阶段，失败则继续进入步骤(5)，成功则进行频域均衡，并且解码得到频域的信号R_fre(i)。

如果帧同步失败则再次读取下一个时间的信号再做一次同步。如果成功则进行频域的均衡，得到的均衡之后的数据去掉循环前缀再做FFT得到频域的信号R_fre(i)，由于增益的改变，最终的频域部分的数字信号也被放大。

(7)对频域的信号进行判决，消除其中由于信道中单频干扰所造成的偏差过大的信号并进行能量估计。由于进行了频域的均衡很容易能够观察到频域当中所存在的单频干扰，对于这些单频干扰可以通过将其归一到频域的解调值的标准值，以避免对增益调整的过大影响。

根据所得频域数字信号的能量估计水平进入自动控制装置，利用OFDM频域相对比较稳定的特定，进行频域的AGC处理，当能量P_fre大于频域能量的上限P_upthreshold时，

Gain＝Gain+Δ

当P_fre小于频域能量的下限P_downthreshold时，

Gain＝Gain-Δ

修改下一个帧信号通过放大器的增益。Δ为增益调整量，可根据实际情况确定，可优取0.5~2之间。仿真中，选Δ为1。

如果能量在门限范围之内，则保持当前增益不变，同时信号进入下一步后续的操作，如图5所示。最后的增益调整的仿真结果可见图7，由图可见频域的增益控制对初始的增益设置进行调整的作用，最终的增益收敛值与初始增益值相差3dB，只需要经过3个帧的时间即能够完成增益调整，并且该增益之后不会出现振荡。

图8的仿真图是经过增益调整与不经过增益调整的量化器2在不同信道信噪比条件下一种较为明显情况的量化误差的比较，仿真中选用16量化比特，量化精度为12bit的量化器2。由图可知，不经过增益调整的量化器的量化误差最大可相差约5dB，而经过自动增益调整之后，量化误差稳定在一个较低的水平，能够适应信道信噪比的变化。

Claims (4)

1.一种正交频分复用接收机系统中自动增益控制系统，其特征在于正交频分复用接收机系统中的天线依次与带通滤波器、射频放大器、正交解调器、模数转换器、时域功率处理器、增益控制器、基带数字增益放大器、帧同步判决器、频域均衡器、解码器、频域功率处理器以及增益产生器相连接；增益产生器输出与基带数字增益放大器连接，当接收的数据帧不是第一帧时，模数转换器直接输出到基带数字增益放大器；其中时域功率处理器，增益控制器、基带数字增益放大器、频域功率处理器以及增益产生器组成自动增益控制系统，其中：

时域功率处理器由平方器、缓冲器、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、第二寄存器以及第二乘法器依次连接组成；频域功率处理器与比较判决器以及能量估算器依次连接组成。

2.一种正交频分复用接收机系统的自动增益控制方法，其特征在于包括初始阶段自动增益控制和帧同步阶段自动增益控制，其中：

初始阶段自动增益控制包括如下步骤：

(1)将接收到的正交信号通过带通滤波器，滤除带外噪声并进行信号的检波得到模拟信号，正交解调并经过A/D模数转换器转换后得到数字信号值R1(i)；

(2)对数字信号R1(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P1(i)，对P1(i)进行滤波得到P2(i)；

(3)当P2(i)达到稳定状态并且大于某个门限Threshold1时，判定有前导字到达，通过和能量参考值P-reference1进行比较，计算得到初始的增益值；

(4)将初始增益值和预先设定的阶跃的增益值进行对比，选择与初始增益值最接近的增益值作为阶跃增益值Gain_initial；

(5)将下次的数据信号滤除带外燥声之后通过射频放大器，进行模拟正交解调以及模数转换，再通过基带数字增益放大器，得到数字信号值R2(i)，进入帧同步阶段，同时利用帧同步处理器产生的增益保持信号，保持之前的Gain initial不变；

帧同步阶段自动增益控制包括如下步骤：

(1)在帧同步阶段，同步失败则返回初始阶段自动增益控制，同步成功则进行频域均衡，并且解码得到频域的信号R_fre(i)；

(2)对频域的信号进行判决，消除其中由于信道中单频干扰所造成的偏差过大的信号，并进行能量估计，随后进入自动控制装置，进行增益的调整；

初始阶段自动增益控制的步骤(2)中：

$P1\left(i\right)=10*{\log }_{10}(\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|R1(i-k)\right|}^2/N)$

P2(i)＝P2(i-1)*(1-α)+P1(i)*α

其中N为信号的采样值，R1(i)是经过模数转换之后的数字信号；其中的α是遗忘因子，代表当前能量的权重；

初始阶段自动增益控制的步骤(3)中初始增益的计算方法如下：

Gain＝P_reference1-P2(i)

P_reference1＝(Threshold2+Threshold3)/2

其中，Threshold2为允许接收的信号的能量上限，单位为dB，Threshold3为允许接收的信号的能量下限，单位为dB；

初始阶段自动增益控制的步骤(4)中的阶跃增益值Gain_initial是根据在一连串固定差值的增益值中选取最为接近Gain的值作为该Gain_initial；

初始阶段自动增益控制的步骤(5)中，当进入帧同步阶段时，产生一控制电压到放大器端，保持当前增益不变，当帧同步完成并且后续增益调整结束时，增益调整信号反馈到放大器端，此时修改放大器增益。

3.根据权利要求2所述的自动增益控制方法，其特征在于所述的帧同步阶段自动增益控制的步骤(1)中，将存在单频干扰的频域点归一到频域解调的标准值。

4.根据权利要求2所述的自动增益控制方法，其特征在于所述的帧同步阶段自动增益控制的步骤(2)中，通过以下步骤修改增益：当频域能量P_fre大于频域能量的上限P_upthreshold时，Gain＝Gain+△，当P_fre小于频域能量的下限P_upthreshold时，Gain＝Gain-△，△为调整量。

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