CN102625435B - Gsm数字光纤选频直放站的agc装置及其快速自适应时隙方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GSM数字光纤选频直放站的AGC装置及其快速自适应时隙方法，该AGC装置包括核心逻辑处理器件、协处理器、模拟/数字转换器、RF数控衰减器、RF混频器和低噪声放大器，所述的AGC装置的快速自适应时隙方法包括自适应时隙恢复过程和快速自动增益控制过程，本发明的有益效果是：自适应计算时隙恢复门限阈值，减少了工程人员的安装和调试步骤，通过一个调整过程就能将输入ADC转换器的信号电平调整到目标电平值，整个调整周期短，基本不影响信号质量，可以保证小信号时隙的上下行链路的增益平衡性，保证了用户通话质量。

Description

GSM数字光纤选频直放站的AGC装置及其快速自适应时隙方法

技术领域

本发明涉及一种GSM数字光纤选频直放站的AGC装置及其快速自适应时隙方法

，属于移动通信领域领域。

背景技术

现有的GSM数字光纤选频直放站AGC装置，包括衰减器、模拟混频、模拟／数字转化器，逻辑处理器件。现有技术设计方法是直接统计上行ADC转换器量化后的数字信号电平，根据人为设定的时隙判断门限阈值来恢复出上行信号时隙信息，在时隙信号期间，将统计的信号电平值与目标电平值作比较，根据比较结果，以一定的步长调整值，对ADC转换器前端的衰减器进行增益调整，这相当于一个负反馈闭环控制电路，通过不断的调整射频信号数控衰减器使得ADC转换器量化信号电平值趋近目标电平值，在信号时隙转换期间，将ADC转换器前端的信号增益情况恢复到默认值，GSM制式的移动通信信道是一种复杂的通信信道，其具有快衰落、慢衰落、多径叠加等特点，而且功控速度比较慢，甚至有些基站没有开启功控功能，导致其上行信号的电平波动范围大，为了防止直放站上行信号因为信号电平过高使线性放大器进入饱和状态和ADC转换器动态范围不足而被阻塞，导致用户掉话，影响通话质量等，因此需要提高对直放站上行接收的动态范围性能的要求。

现在GSM数字光纤选频直放站为了提高上行接收动态范围，针对GSM制式信号特征，通常使用针对时隙的DAGC(DigitalAutomaticGainControl，数字自动增益控制)，按时隙信息调整输入数字信号的功率，保证ADC转换器量化精度和防止信号饱和。通常的GSM数字光纤选频直放站时隙AGC做法主要是直接统计上行ADC转换器量化后的数字信号电平，根据人为设定的时隙判断门限阈值来恢复出上行信号时隙信息，在时隙信号期间，将统计的信号电平值与目标电平值作比较，根据比较结果，以一定的步长调整值，对ADC转换器前端的射频信号数控衰减器进行增益调整，这相当于一个负反馈闭环控制电路，通过不断的调整射频信号数控衰减器使得ADC转换器量化信号电平值趋近目标电平值，在信号时隙转换期间，将ADC转换器前端的信号增益情况恢复到默认值。这种方式存在以下缺陷：

1)  为设定时隙恢复门限阈值增加了工程人员的安装和调试难度，要得到一个比较合适的门限阈值比较困难。

2)  直接以上行信号电平值作为判断时隙信号转换的标准产生误判的概率大，因为上行信号由于衰落和多径等因素使得到达直放站的信号电平波动范围大，很难准确恢复出时隙信号转换信息。

3)  需要通过多个调整过程才能将输入ADC转换器的信号电平调整到目标电平值，整个调整周期长，对该载波及其他载波信号都有一定的损伤，影响信号质量。

4)  AGC调整期间，会对小信号时隙一并衰减，这样会引起小信号用户通话质量变差甚至掉话等后果，而模拟信号直放站及宽带数字直放站无法针对单个载波信号进行增益补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的缺陷，提供一种可以自适应计算时隙恢复门限阈值，准确恢复出时隙信号转换信息，提高输入ADC转换器的信号电平调整到目标电平值的调整速度，并能保证小信号时隙的上下行链路的增益平衡性的GSM数字光纤选频直放站的AGC装置及其快速自适应时隙方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该GSM数字光纤选频直放站的AGC装置，其特征在于：包括核心逻辑处理器件FPGA(Field－ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)、协处理器CPU(CentralProcessingUnit,中央处理器)、模拟/数字转换器ADC、RF（RadioFrequency，射频）数控衰减器、RF混频器和、低噪声放大器LNA（LowNoiseAmplifier），所述低噪声放大器LNA（LowNoiseAmplifier）连接RF混频器，所述RF混频器连接RF数控衰减器，所述RF数控衰减器连接模拟/数字转换器ADC，所述模拟/数字转换器ADC连接核心逻辑处理器件FPGA，所述核心逻辑处理器件FPGA连接协处理器CPU，所述核心逻辑处理器件FPGA通过数控衰减器控制总线连接RF数控衰减器。

本发明所述的核心逻辑处理器件FPGA包括上行电平统计模块、单位转换模块、AGC控制模块、上行选频滤波器DDC部分模块、载波增益补偿模块、光纤传输协议模块、自适应下行时隙恢复模块和时延偏差调整模块，所述模拟/数字转换器ADC连接上行电平统计模块和上行选频滤波器DDC部分模块，所述上行电平统计模块连接单位转换模块，所述单位转换模块连接AGC控制模块，所述AGC控制模块连接RF数控衰减器，所述上行选频滤波器DDC部分模块连接载波增益补偿模块，载波增益补偿模块连接光纤传输协议模块，所述光纤传输协议模块连接自适应下行时隙恢复模块，所述自适应下行时隙恢复模块连接时延偏差调整模块，所述时延偏差调整模块连接AGC控制模块，所述自适应下行时隙恢复模块连接协处理器CPU。自适应下行时隙恢复模块用于能够自动计算出恢复下行时隙信息所需要的判断门限阈值，时延偏差调整模块用于通过上下行信号之间的时延关系和光纤时延值恢复出上行信号时隙信息，单位转换模块用于可以快速的将统计电平单位由瓦转换为分贝，载波增益补偿模块用于对信号电平较小的载波进行增益补偿。

本发明所述的AGC装置的快速自适应时隙方法，包括自适应时隙恢复过程和快速自动增益控制过程，所述自适应时隙恢复过程包括以下实现步骤，

a）通过在自适应下行时隙恢复模块中对下行BCCH载波信号进行功率谱计算，得到噪声功率值和信号功率值，从而计算出GSM信号时隙转换的判断门限阈值；

b）对下行BCCH载波信号进行滑动平均滤波，根据判断门限阈值恢复出下行时隙转换信息,然后根据GSM信号制式上行信号时隙和下行信号时隙在基站的接收端是时隙对齐的，在下行时隙转换信息的基础上加上Δt的时延提前量，通过时延偏差调整模块即可得到上行时隙转换信息，其中Δt为光纤传输时延加上机器本身固定时延，

所述自动增益控制过程包括以下实现步骤，

c)通过上行电平统计模块对上行信号进行平均功率统计，通过在单位转换模块中应用移位和查表算法，完成将功率值由瓦到分贝的单位转换；

d)在时隙转换期间，将上行增益值恢复为默认设置值，在时隙信号期间，对上行信号作功率谱计算控制，此时与目标功率值作比较，通过对RF数控衰减器的一次衰减设置即可将信号功率控制在目标功率值之间。

本发明快速自适应时隙方法还包括对经过自动增益控制过程调整过的小信号进行自动增益补偿过程，该小信号自动增益补偿过程包括以下实现步骤

e)对上行选频滤波器DDC部分模块输出的载波信号进行载波功率统计；

f)在输入模拟/数字转换器ADC前的RF数控衰减器的衰减值大于设备正常衰减值的时候，对载波信号功率低于目标功率值较多的载波信号通过载波增益补偿模块进行增益补偿，保证小信号用户的上下行增益平衡性。

本发明所述的快速自适应时隙方法中对下行BCCH载波信号进行功率谱计算包括以下实现步骤

g)从光纤传输协议模块中恢复出下行BCCH载波信号，在自适应下行时隙恢复模块中对下行BCCH载波信号进行多次快速傅里叶变换操作，并对多次快速傅里叶变换操作结果的相应点进行累加平均，从而得到下行BCCH的幅度谱；

h) 将抽取GSM信号每下行BCCH载波数据的采集速率设为SkHz，在下行BCCH载波的幅度谱上将横轴坐标300kHz到660kHz的功率进行累加，得到功率值P1，通过公式

Pn=S/(660-300)*P1

i)在下行BCCH的幅度谱上横轴坐标0到300kHz和660kHz到960kHz这两段GSM信号的功率进行累加，得到信号功率值Ps，通过公式

Pt=(Ps-Pn)/2

得到时隙恢复门限阈值Pt。

本发明所述的快速自适应时隙方法，中对上行信号进行平均功率的统计是通过采用公式

对从模拟/数字转换器ADC来的数字信号进行电平统计，公式中P为N个点的数字信号累加平均统计值，I为同相信号，Q为正交信号。

本发明快速自适应时隙方法中抽取GSM信号每下行BCCH载波数据的采集速率S的值为960KHz。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)   自适应计算时隙恢复门限阈值，减少了工程人员的安装和调试步骤，而且如果基站调整了下行发射功率，也无需人为的去修改该门限阈值。

2)   直接耦合过来的下行基站信号电平值比较稳定，该信号经过数字光纤直放站近端机的DDC滤波器，可以过滤出下行BCCH载波信号，BCCH载波信号通过光纤传输到数字直放站远端机，远端机以此BCCH载波信号作为判断时隙信号转换的标准，不会产生时隙信号转换信息误判。

3)   通过一个调整过程就能将输入ADC转换器的信号电平调整到目标电平值，整个调整周期短，基本不影响信号质量。

4)   在数字选频滤波器输出端可以对单个载波信号进行增益补偿，这样可以保证小信号时隙的上下行链路的增益平衡性，保证了用户通话质量。

附图说明

图1为本发明实施例AGC装置的原理框图。

图2为本发明实施例FPGA内部功能框图。

图3为本发明实施例对下行BCCH载波信号的多次FFT累加平均得到的幅度谱示意图。

图4为本发明实施例GSM信号时域功率波形示意图。

图5为本发明实施例恢复出的时隙信息示意图。

图6为通常做法中信号电平调节的仿真示意图。

图7为本发明实施例信号电平调节的仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

参见图1～图7，本实施例GSM数字光纤选频直放站的AGC装置包括核心逻辑处理器件FPGA、协处理器CPU、模拟/数字转换器ADC、RF数控衰减器、RF混频器和低噪声放大器LNA，所述低噪声放大器LNA连接RF混频器，所述RF混频器连接RF数控衰减器，所述RF数控衰减器连接模拟/数字转换器ADC，所述模拟/数字转换器ADC连接核心逻辑处理器件FPGA，所述核心逻辑处理器件FPGA连接协处理器CPU，所述核心逻辑处理器件FPGA通过数控衰减器控制总线连接RF数控衰减器。所述的核心逻辑处理器件FPGA包括上行电平统计模块、单位转换模块、AGC控制模块、上行选频滤波器DDC部分模块、载波增益补偿模块、光纤传输协议模块、自适应下行时隙恢复模块和时延偏差调整模块，所述模拟/数字转换器ADC连接上行电平统计模块和上行选频滤波器DDC部分模块，所述上行电平统计模块连接单位转换模块，所述单位转换模块连接AGC控制模块，所述AGC控制模块连接RF数控衰减器，所述上行选频滤波器DDC部分模块连接载波增益补偿模块，载波增益补偿模块连接光纤传输协议模块，所述光纤传输协议模块连接自适应下行时隙恢复模块，所述自适应下行时隙恢复模块连接时延偏差调整模块，所述时延偏差调整模块连接AGC控制模块，所述自适应下行时隙恢复模块连接协处理器CPU。自适应下行时隙恢复模块用于能够自动计算出恢复下行时隙信息所需要的判断门限阈值，时延偏差调整模块用于通过上下行信号之间的时延关系和光纤时延值恢复出上行信号时隙信息，单位转换模块用于可以快速的将统计电平单位由瓦转换为分贝，载波增益补偿模块用于对信号电平较小的载波进行增益补偿。光纤传输协议模块连接光/电转换模块。

本实施例GSM数字光纤选频直放站AGC装置的快速自适应时隙方法包括自适应时隙恢复过程、快速自动增益控制过程、小信号自动增益补偿过程。

a)自适应时隙恢复过程，

鉴于基站天线耦合的下行BCCH载波信号功率相对比较稳定，而且不存在多径及相邻小区干扰的问题，首先，从光纤传输协议模块中恢复出下行载波信号，在自适应下行时隙恢复模块中对下行BCCH载波信号作1024点FFT（快速傅里叶变换）操作，对100次1024点FFT结果的相应点进行累加平均，从而得到如图3所示下行BCCH载波信号的幅度谱示意图，自适应下行时隙恢复模块的FFT操作及累加平均操作由CPU协同完成。GSM信号占用带宽为0.6MHz，所以载波数字信号速率应大于0.6MHz，抽取GSM信号每下行BCCH载波的数据速率设为SkHz，图3横轴坐标300kHz到660kHz为噪声信号，将这些范围的功率进行累加，得到功率值P1，单位dBm，通过以下公式：

    Pn=S/(660-300)*P1；

可以得到整个载波内的噪声功率Pn.

本实施例上式中S取值为960kHz。

图3横轴坐标0到300kHz和660kHz到960kHz这两段为GSM信号，将这些点的功率进行累加，得到信号功率值Ps，通过以下公式

Pt=(Ps-Pn)/2

得到时隙恢复门限阈值Pt。图4为实际采集基站数据并用MATLAB软件仿真的GSM信号时域功率波形示意图，水平线为时隙恢复门限阈值Pt。

对下行BCCH载波信号进行滑动平均滤波，根据判断门限阈值Pt恢复出下行信号时隙转换信息,然后根据GSM信号制式上行信号时隙和下行信号时隙在基站的接收端是时隙对齐的，在下行时隙转换信息的基础上加上Δt的时延提前量，通过时延偏差调整模块即可得到上行时隙转换信息，其中Δt为光纤传输时延加上机器本身固定时延图5为恢复出的上行信号的时隙信息示意图。

b)快速自动增益控制

首先对从模拟/数字转换器ADC来的上行信号通过上行电平统计模块进行平均功率统计，单位转换模块通过移位和查表算法，完成将功率值由瓦到分贝的单位转换，在时隙转换期间，将上行增益值恢复为默认设置值，在时隙信号期间，对信号作AGC控制，此时与目标功率值作比较，通过一次操作控制即可快速的将信号功率控制在目标功率值之间。对上行信号进行平均功率P统计采用如下公式：

其中，I为同相信号，Q为正交信号。

在通常的做法中，需要通过多个调整过程才能将输入ADC转换器的信号电平调整到目标电平值，如图6为通常做法的仿真结果,调整周期是1us，调整步长是1dB。在本发明中，鉴于大规模可编程逻辑器件性能的不断提升，在单位转换模块中，采用移位和查表的方法，经过18个FPGA时钟处理周期，本系统处理时钟为122MHz，则只需0.15微秒的时间就可以将统计电平单位由瓦转换为分贝，因此在AGC控制模块中，可以经过一次调整就可将输入信号调整到理想参考电平，实现快速自动增益控制，如图7的仿真结果示意图。在时隙空隙期间，将增益恢复为默认值，在有信号期间进行自动增益控制，这样就不会对信号电平低于理想参考电平的信号时隙产生影响。

c)小信号自动增益补偿

对上行选频滤波器DDC部分模块输出的载波信号进行载波功率统计，对信号功率低于目标功率值较多的载波信号在载波增益补偿模块中进行增益补偿，最大限度的降低对小信号用户产生的影响。

本发明具有自适应计算时隙恢复门限阈值功能，根据基站发射功率的变化可以自动调整门限阈值，而不需要人为的去计算和修改该值，同时快速自动增益控制AGC和小信号自动增益补偿能够保证不对信号质量进行损伤，保证了用户的通话质量。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种GSM数字光纤选频直放站的AGC装置，其特征在于：该AGC装置包括核心逻辑处理器件、协处理器、模拟/数字转换器、RF数控衰减器、RF混频器和低噪声放大器，所述低噪声放大器连接RF混频器，所述RF混频器连接RF数控衰减器，所述RF数控衰减器连接模拟/数字转换器，所述模拟/数字转换器连接核心逻辑处理器件，所述核心逻辑处理器件连接协处理器，所述核心逻辑处理器件通过数控衰减器控制总线连接RF数控衰减器；

所述的核心逻辑处理器件包括上行电平统计模块、单位转换模块、AGC控制模块、上行选频滤波器DDC部分模块、载波增益补偿模块、光纤传输协议模块、自适应下行时隙恢复模块和时延偏差调整模块，所述模拟/数字转换器连接上行电平统计模块和上行选频滤波器DDC部分模块，所述上行电平统计模块连接单位转换模块，所述单位转换模块连接AGC控制模块，所述AGC控制模块连接RF数控衰减器，所述上行选频滤波器DDC部分模块连接载波增益补偿模块，载波增益补偿模块连接光纤传输协议模块，所述光纤传输协议模块连接自适应下行时隙恢复模块，所述自适应下行时隙恢复模块连接时延偏差调整模块，所述时延偏差调整模块连接AGC控制模块，所述自适应下行时隙恢复模块连接协处理器。

2.一种采用权利要求1所述的AGC装置的快速自适应时隙方法，其特征在于：包括自适应时隙恢复过程和快速自动增益控制过程，所述自适应时隙恢复过程包括以下实现步骤，

a)通过在自适应下行时隙恢复模块中对下行BCCH载波信号进行功率谱计算，得到噪声功率值和信号功率值，从而计算出GSM信号时隙转换的判断门限阈值；

b)对下行BCCH载波信号进行滑动平均滤波，根据判断门限阈值恢复出下行时隙转换信息,然后根据GSM信号制式上行信号时隙和下行信号时隙在基站的接收端是时隙对齐的，在下行时隙转换信息的基础上加上Δt的时延提前量，通过时延偏差调整模块即可得到上行时隙转换信息，其中Δt为光纤传输时延加上机器本身固定时延，

所述自动增益控制过程包括以下实现步骤，

c)通过上行电平统计模块对上行信号进行平均功率统计，通过在单位转换模块中应用移位和查表算法，完成将功率值由瓦到分贝的单位转换；

d)在时隙转换期间，将上行增益值恢复为默认设置值，在时隙信号期间，对上行信号作功率谱计算控制，此时与目标功率值作比较，通过对RF数控衰减器的一次衰减设置即可将信号功率控制在目标功率值之间。

3.根据权利要求2所述的快速自适应时隙方法，其特征在于：该方法还包括对经过自动增益控制过程调整过的小信号进行自动增益补偿过程，该小信号自动增益补偿过程包括以下实现步骤，

e)对上行选频滤波器DDC部分模块输出的载波信号进行载波功率统计；

f)输入模拟/数字转换器前的RF数控衰减器的衰减值大于设备正常衰减值的时候，对载波信号功率低于目标功率值较多的载波信号通过载波增益补偿模块进行增益补偿，保证小信号用户的上下行增益平衡性。

4.根据权利要求2所述的快速自适应时隙方法，其特征在于：所述的对下行BCCH载波信号进行功率谱计算包括以下实现步骤,

g)从光纤传输协议模块中恢复出下行BCCH载波信号，在自适应下行时隙恢复模块中对下行BCCH载波信号进行多次快速傅里叶变换操作，并对多次快速傅里叶变换操作结果的相应点进行累加平均，从而得到下行BCCH载波的幅度谱；

h)将抽取GSM信号每下行BCCH载波数据的采集速率设为S kHz，在下行BCCH载波的幅度谱上将横轴坐标300kHz到660kHz的功率进行累加，得到功率值P1，通过公式

Pn=S/(660-300)*P1

得到整个下行BCCH载波内的噪声功率Pn；

i)在下行BCCH的幅度谱上横轴坐标0到300kHz和660kHz到960kHz这两段GSM信号的功率进行累加，得到信号功率值Ps，通过公式

Pt=(Ps-Pn)/2

得到时隙恢复门限阈值Pt。

5.根据权利要求2所述的快速自适应时隙方法，其特征在于：所述对上行信号进行平均功率的统计是通过采用公式

对从模拟/数字转换器来的数字信号进行电平统计，公式中P为N个点的数字信号累加平均统计值，I为同相信号，Q为正交信号。

6.根据权利要求4所述的快速自适应时隙方法，其特征在于：抽取GSM信号每下行BCCH载波数据的采集速率S的值为960kHz。