CN101895507A - 一种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及自动增益控制方法。本接收机系统由天线、带通滤波器、射频放大器、模数转换器、第一增益控制器、同步自相关检测器、信道估计器、快速傅里叶处理器、导频取出器、均衡器、第二增益控制器以及正交解调器依次连接组成。其自动增益控制方法包括：接收机检测到信号时，对其进行A/D变换以计算其能量水平，通过增益控制器产生增益电压输出并反馈到射频放大器上；对数据信号，抽取信号中所包含的导频信息进行增益的修正，并反馈到射频放大器上。本发明计算时间省，效率高。

Description

一种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

本发明属于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自动增益控制方法。

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、能较容易的对抗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下一代无线通信系统（LTE）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受到输入信号和接收机增益的影响。由于各种环境等客观原因（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），以及OFDM系统本身高峰均比（PAR）的特点，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，这对接收机中模数转换器的要求很高，从而带来成本的大幅上升。利用自动增益控制（AGC）技术，可以解决这一问题。

OFDM系统中的移动站点通过在OFDM数据帧中使用前导信号实现自动增益控制、时间同步、频率估计、频偏估计以及信道估计等功能。传统的自动增益控制技术通过前导信号的能量水平与对应要求的门限值的比较来调整模拟放大器的增益，实际操作中主要通过包络检波和电桥网络实现的。在信号的检测阶段，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。而且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。

另一方面，传统的阶跃增益控制方案中，从检测到数据到产生初始增益，往往用时较长，造成一部分时间内数据的无效。与此同时，早期的自动增益控制方案中常常使用到数据的频域信息，而对于频域信息的提取往往存在用时较长，而且能量水平的算法也较为复杂，这也一定程度增加了用于自动增益控制的时间，造成接收机额外的性能损耗。

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系统及其自动增益控制方法。

本发明提供的正交频分复用接收机系统，其结构如图1所示。具体由天线、带通滤波器、射频放大器、模数转换器（A/D）、增益控制器1(增益改变)、同步自相关检测器、信道估计器、快速傅里叶处理器（FFT）、导频取出器、均衡器、增益控制器2（增益控制）以及正交解调器依次连接组成。其中：

所述带通滤波器，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，输出端为射频放大器；

所述射频放大器，用于在射频频段控制信号的幅度大小，同时能够通过外部电压改变其增益。其输入端为带通滤波器，输出端为模拟正交解调器； 

所述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根据接收机的信号动态范围要求自动产生射频放大器的增益值，并以电压形式反馈回射频放大器。其输入端为正交解调器，输出端为同步自相关检测器以及增益控制器1；

所述增益控制器1，根据信号的当前功率水平以及之前的增益值调整下一个增益值，最终以模拟电压的形式反馈回射频放大器上。其输入端为A/D模数转换器，输出端为射频放大器；

所述同步自相关检测器，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A/D模数转换器，输出端为信道估计器；

所述均衡器，利用前导信号中以及数据符号中的信息对信道进行预估，并在频域对信号进行均衡，一定程度上降低信道在传输过程当中对信号造成的影响；

所述快速傅里叶处理器，利用快速傅立叶变化对正交频分复用(OFDM)信号进行解调，得到频域的数据信号，其输入端为同步自相关检测器，输出信号经导频取出器在提取出导频之后输入到增益控制器2以及均衡器；

所述增益控制器2，对从频域中提取的导频信号进行能量水平的评估，与一门限电压值进行比较，得到射频放大器增益的调整值，并且通过模拟电压的形式反馈回射频放大器。

增益控制器1中的能量估算模块由平方器、缓冲器、加法器1、寄存器1、除法器、对数器、乘法器1、加法器2、寄存器2以及乘法器2依次连接组成，如图2所示。其中： 

所述平方器用于计算输入的数字信号的平方值；

所述缓冲器用于存储数字信号的平方值，并在下一个时刻输出；

所述加法器1和加法器2用于累加当前的以及上一个时刻的数字信号平方值；

所述寄存器1和寄存器2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；

所述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；

所述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；

所述乘法器1和2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。

增益控制器2中的能量估算模块由平方器、缓冲器、加法器、寄存器、除法器、对数器、乘法器以及减法比较器依次连接组成，如图3所示。其中各部件的功能与增益控制器1中的对应部件相同。

本发明中，频域处理器的内部模块为比较判决器和能量估算模块相连接。

本发明提出的自动增益控制方法，具体步骤如下：

1.当接收机检测到有信号时，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.当一定时间内超出线性范围的数字信号百分比η大于某一门限Th1时，判定为信号溢出，根据η值可直接调整增益；

3.若没有溢出，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)，再对P1(i)进行一阶滤波平滑得到放大器增益电压值P2(i)，同时将增益电压值P2(i)反馈到射频放大器；

4.若检测到的信号为数据信号，抽取数据信号中的导频信息R2(i)，计算数据包中导频能量                                                

_与门限值Pref进行比较，得到差值

可以作为放大器增益的调整值；

5.当差值

>Th2时，将放大器增益的改变值电压反馈到射频放大器；

6.利用信道估计器得到的信道的情况对解调后的信号进行信道均衡处理，降低移动通信中包括多径等多种会干扰信号传输的信道影响。将均衡之后的信号进行解码。

上述自动增益控制方法，步骤(2)中，在数据读入A/D模数转换器之后，设置一计数器，统计超出线性系统范围的数字信号的个数，根据信号总数计算百分比η。

上述自动增益控制方法，步骤(3)中：

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。

上述自动增益控制方法，步骤(3)中：

其中的

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。

上述自动增益控制方法，步骤(4)中导频平均能量水平的估算方法以及增益计算参考值为：

                                      

 

                                                                        

M为一个OFDM数据符号中所使用的导频的数量。

 

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，能有效减少失效的数据，在信号信噪比不是太低的情况下，能量的估算方法能够实现一定范围内稳定收敛的射频放大器增益电压。另一方面在发送数据包过长以及移动终端高速运动情况下，通过频域的导频信号的功率处理能够有效克服由于信道快速变化导致的增大输入信号动态范围的问题，同时也减少了用于频域功率计算的时间，提高了解码成功率。

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是增益控制器1器的模块电路框图。

图3是增益控制器2器的模块电路框图。

图4是TDD-LTE帧格式图。

图5是系统状态转换图。

图6是模数转换器10%溢出情况下初始增益设置对系统性能的影响图。

图7是信道信噪比对增益收敛的影响仿真图。

具体实施方式

如图1所示，是正交频分复用接收机系统，由天线、带通滤波器、射频放大器、模数转换器（A/D）、增益控制器1(增益改变)、同步自相关检测器、信道估计器、快速傅里叶处理器（FFT）、导频取出器、均衡器、增益控制器2（增益控制）以及正交解调器依次连接组成。其中：

所述带通滤波器，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，输出端为射频放大器；

所述射频放大器，用于在射频频段控制信号的幅度大小，同时能够通过外部电压改变其增益。其输入端为带通滤波器，输出端为模拟正交解调器； 

所述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根据接收机的信号动态范围要求自动产生射频放大器的增益值，并以电压形式反馈回射频放大器。其输入端为正交解调器，输出端为同步自相关检测器以及增益控制器1；

所述增益控制器1，根据信号的当前功率水平以及之前的增益值调整下一个增益值，最终以模拟电压的形式反馈回射频放大器上。其输入端为A/D模数转换器，输出端为射频放大器；

所述同步自相关检测器，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A/D模数转换器，输出端为信道估计器；

所述均衡器，利用前导信号中以及数据符号中的信息对信道进行预估，并在频域对信号进行均衡，一定程度上降低信道在传输过程当中对信号造成的影响；

所述快速傅里叶处理器，利用快速傅立叶变化对正交频分复用(OFDM)信号进行解调，得到频域的数据信号，其输入端为同步自相关检测器，输出信号经导频取出器在提取出导频之后输入到增益控制器2以及均衡器；

所述增益控制器2，对从频域中提取的导频信号进行能量水平的评估，与一门限电压值进行比较，得到射频放大器增益的调整值，并且通过模拟电压的形式反馈回射频放大器。

如图2所示，增益控制器1中的能量估算模块由平方器、缓冲器、加法器1、寄存器1、除法器、对数器、乘法器1、加法器2、寄存器2以及乘法器2依次连接组成。其中： 

所述平方器用于计算输入的数字信号的平方值；

所述缓冲器用于存储数字信号的平方值，并在下一个时刻输出；

所述加法器1和加法器2用于累加当前的以及上一个时刻的数字信号平方值；

所述寄存器1和寄存器2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；

所述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；

所述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；

所述乘法器1和2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。

如图3所示，增益控制器2中的能量估算模块由平方器、缓冲器、加法器、寄存器、除法器、对数器、乘法器以及减法比较器依次连接组成。其中各部件的功能与增益控制器1中的对应部件相同。

本发明中，LTE支持两种形式的无线帧形式，TDD采用类型2的数据帧，典型的TDD-LTE无线通信协议帧结构如图4所示，每一个无线帧由两个半帧构成，每一个半帧占用的时间为5ms。一个半帧中由8个常规时隙和DwPTS、GP和UpPTS时隙三个特殊时隙构成。一个常规时隙占用的时间为0.5ms，而DwPTS、GP和UpPTS占用的总时间为1ms。其中DwPTS始终用于下行发送，UpPTS始终用于上行发送，而GP作为TDD中上行至下行转换的保护时间间隔。三者所占用的总时间固定，而各自占用的时间可以根据实际情况进行相应分配。其中的DwPTS中

图5为整个接收机的状态转换图，当接收机进行帧检测时，没有检测到信号重新回到等待状态，当检测到信号，即一定时间内的信号的能量水平大于某一个阈值，此时可以判定信号到来，当该信号为特殊时帧信号时，对其进行A/D变换以计算其能量水平，通过增益控制器1产生增益电压输出并反馈到射频放大器上。而若为数据信号，在周期内，抽取信号中所包含的导频信息进行增益的修正，若所得修正值大于某一门限则通过增益控制器2产生增益改变电压反馈到射频放大器上，具体步骤如下：

1.将接收到的特殊时帧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，这会极大影响接收机的性能。对于量化比特数为16位，量化精度为12位的A/D模数转换器，其相应的最大的满电平电压8V，而量化精度位13位的A/D模数转换器，其相应的最大的满电平电压为4V。

为了加快自动增益控制的速度，在数据读入A/D模数转换器之后，设置一计数器，统计超出系统线性范围的数字信号的个数，在一定时间内得到一个百分比η，当η>Th1时，判定为信号溢出，直接进入到增益调整步骤，此时可根据百分比η调整相应增益。由于不再进行前导信号与数据信号的区分，可以减少由于初始信号判断所导致的无效信号时间。经仿真可知（图6），经过增益调整加速之后的模数转换器在有10%的信号溢出的情况下的系统性能有较大提高。

2.对数字信号R1(i)进行功率统计，可以对接收到的特殊时帧信号是以N为一个单位进行统计，对于图4当中的TDD-LTE帧来说，可以将DwPTS时隙看做是前导信号，DwPTS中包含有用于下行同步信道符号ZadOff-Chu序列，此处的N可以取32，统计N个信号功率得到P1(i)，对P1(i)进行滤波得到P2(i)；

                

             

 

公式

中的

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，对P1(i)较大的波动进行一阶滤波可以起到平滑作用，

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，基于以下原因可以考虑取

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或者取实部来进行运算，都可以使得算法更简单，快速。

在无线的传输过程当中，通常前导序列由QPSK符号经过正交调制后得到，对于本发明的算法，使用正常QPSK符号在相同信道但不同信噪比条件下的收敛仿真图如图7所示，由仿真可知，该算法使得增益在2个导频中的OFDM符号之内趋近于收敛，不同信噪比下增益均能够一定程度收敛。但在较低信噪比时，由于噪声很大，能量估计的误差也相应增大，导致信号的收敛值存在较大的震荡。

不同信噪比下得到放大器增益的收敛性如图7所示，由图可知，在TD-LTE特殊时隙的较小时间尺度内，利用能量水平的估计算法，放大器增益能够快速收敛，并且在信道信噪比条件较为恶劣的情况下，依然能够保证一定的稳定程度，上下波动控制在0.2dB范围内。

3.在帧同步阶段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。如果成功则开始接受数据符号，随后去除其中用来消除符号间与符号内干扰作用的循环前缀并对信号进行正交解调得到频域部分的数据信息，从中抽取所包含的导频信号，数字导频信号远小于频域数据信号个数，以固定间隔插入在数据信号之中，一般用作当前信道的估计，并将估计的结果用于对整个信道的均衡操作。本专利中利用抽取出来的导频，重新评估增益的水平，对增益进行更加精细的调整。

4.若检测到的信号为数据信号，则抽取数据信号频域中所包含的导频信息R2(i)，计算其数据包中的导频能量水平的公式如下：

                              

  

                                                     

其中，R2(i)为每一个导频符号的能量，M为一个OFDM数据符号中所使用的导频的数量，

为一个OFDM符号内的导频的平均能量水平，单位为dB，Pref是能量参考门限。

5.当差值

>Th2时，将放大器增益的改变值电压反馈到射频放大器。

6.接收机进入后续均衡以及解码过程，均衡中可利用之前数据信号中提取出来的导频信息，进行内插运算，得到信道的特征，通过解码得到所需的信息。

Claims (8)

1.一种正交频分复用接收机系统，其特征在于由天线、带通滤波器、射频放大器、模数转换器、第一增益控制器、同步自相关检测器、信道估计器、快速傅里叶处理器、导频取出器、均衡器、第二增益控制器以及正交解调器依次连接组成；其中：

所述带通滤波器，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，输出端为射频放大器；

所述射频放大器，用于在射频频段控制信号的幅度大小，同时能够通过外部电压改变其增益，其输入端为带通滤波器，输出端为模拟正交解调器； 

所述模数转换器，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根据接收机的信号动态范围要求自动产生射频放大器的增益值，并以电压形式反馈回射频放大器，其输入端为正交解调器，输出端为同步自相关检测器以及第一增益控制器；

所述第一增益控制器，根据信号的当前功率水平以及之前的增益值调整下一个增益值，最终以模拟电压的形式反馈回射频放大器，其输入端为模数转换器，输出端为射频放大器；

所述同步自相关检测器，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A/D模数转换器，输出端为信道估计器；

    所述均衡器，利用前导信号中以及数据符号中的信息对信道进行预估，并在频域对信号进行均衡，降低信道在传输过程当中对信号造成的影响；

    所述快速傅里叶处理器，利用快速傅立叶变化对正交频分复用信号进行解调，得到频域的数据信号，其输入端为同步自相关检测器，输出信号经导频取出器在提取出导频之后输入到增益控制器2以及均衡器；

    所述第二增益控制器，对从频域中提取的导频信号进行能量水平的评估，与一门限电压值进行比较，得到射频放大器增益的调整值，并且通过模拟电压的形式反馈回射频放大器。

2.根据权利要求1所述的正交频分复用接收机系统，其特征在于所述的第一增益控制器中的能量估算模块由平方器、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，其中： 

    所述平方器用于计算输入的数字信号的平方值；

    所述缓冲器用于存储数字信号的平方值，并在下一个时刻输出；

    所述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；

    所述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；

    所述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；

    所述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；

    所述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。

3.根据权利要求2所述的正交频分复用接收机系统，其特征在于所述的第二增益控制器中的能量估算模块由由平方器、缓冲器、加法器、寄存器、除法器、对数器、乘法器以及减法比较器依次连接组成，其中各部件的功能与第一增益控制器中的对应部件相同。

4.一种如权利要求1所述的正交频分复用接收机系统的自动增益控制方法，其特征在于具体步骤为：

1）当接收机检测到有信号时，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，经正交解调并经过A/D模数转换器转换后得到数字信号值R1(i)；

2）当一定时间内超出线性范围的数字信号百分比η大于某一门限Th1时，判定为信号溢出，根据η值可直接调整增益；

3）.若没有溢出，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)，再对P1(i)进行一阶滤波平滑得到放大器增益电压值P2(i)，同时将增益电压值P2(i)反馈到射频放大器；

4）若检测到的信号为数据信号，抽取数据信号中的导频信息R2(i)，计算数据包中导频能量                                                与门限值Pref进行比较，得到差值

可以作为放大器增益的调整值；

5）当差值

>Th2时，将放大器增益的改变值电压反馈到射频放大器；

6）利用信道估计器得到的信道的情况对解调后的信号进行信道均衡处理，降低移动通信中包括多径等多种会干扰信号传输的信道影响；将均衡之后的信号进行解码。

5.根据权利要求4所述的自动增益控制方法，其特征在于步骤2)中，在数据读入A/D模数转换器之后，设置一计数器，统计超出线性系统范围的数字信号的个数，根据信号总数计算百分比η。

6.根据权利要求4所述的自动增益控制方法，其特征在于步骤3)中，

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。

7.根据权利要求4所述的自动增益控制方法，其特征在于步骤3)中，

其中的

是遗忘因子，代表当前能量的权重。

8.根据权利要求5所述的自动增益控制方法，其特征在于步骤4)中导频平均能量水平的估算方法以及增益计算参考值为：

                              

                                             

M为一个OFDM数据符号中所使用的导频的数量。

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