CN103024889B - 一种应用于无线通信系统的自动增益控制方法 - Google Patents
一种应用于无线通信系统的自动增益控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种应用于无线通信系统的自动增益控制方法，首先，增益控制值调整为最大值，最佳增益控制值所在的区间为增益控制值的最小值与最大值之间；然后通过比较当前估计到接收信号的平均功率与参考功率的大小，如果估计到的接收信号的平均功率大于参考功率，则调整当前的增益控制值为最大值与最小值之间的中间值。然后再次估计接收信号的平均功率，比较接收信号的平均功率与参考功率的大小，如果估计到接收的信号的平均功率大于参考功率，则最佳增益控制值在增益控制范围的中间值与最小值之间，反之最佳增益控制值在增益控制范围的中间值与最大值之间，直至接收信号的平均功率与参考功率的误差控制在一定的范围之内，最终完成增益的锁定，实现增益控制的快速调整。
Description
技术领域
本发明属于无线通信系统领域，涉及自动控制，数字信号处理，射频前端电路以及可变增益放大器，具体涉及接收信号功率的估计，信号平均功率与参考功率的比较，增益控制值的调整，为一种应用于无线通信系统的自动增益控制方法。
背景技术
在无线通信系统中，AGC电路广泛存在，AGC电路的好坏直接影响系统的性能，本发明针对在数字域以数字方法实现增益控制的情况，能够提高最佳增益控制值的收敛速度，降低增益控制部分消耗的时间，最终提高系统的效率，减少不必要的数据传输。
自动增益控制是对放大器的增益进行自动调节的过程，通常是为了使随输入信号电平变化而引起的输出信号电平变化少。接收机接收信号受发射功率大小、收发距离远近、信号在传输媒介中会出现明显的衰落等因素，使得作用在接收机输入端的信号强度有很大的变化和起伏，由于接收机设备一般只能处理幅度变化不大的信号，所以必须设置一个幅度调节系统，即自动增益控制系统，来保证接收机接收到的信号幅度平稳。
AGC（自动增益控制）是用来在通信接收机对射频部分或者下变频电路增益进行自动控制的过程，调整是以AGC后电路输出基本保持恒定或者信号变化范围在后续电路线性工作范围之中为准则。使用AGC电路可以减小接收信号的动态范围，在无线通信系统中，信号从发射机发出后经过信道到达接收机时，由于信道快衰落、阴影效应、路径损耗、接收机热噪声等影响，信号强度变化范围更加剧烈，势必对接收机中的ADC（模数转换器）器件提出了更高的精度和动态范围要求。一般在AGC之后是模数转换(ADC)器件。信号的动态范围小，首先可以保证功率放大器可以工作在线性范围，其次可以减小ADC的量化噪声，再者可以减小信道补偿的动态范围。所有这些都将利于设备的实现。接收信号动态范围的减小也就相当于对ADC精度要求降低了，对于同样一个接收机的实现，采用AGC后就可能用成本更低的低精度的ADC器件代替原来必须的高精度器件，这对系统的可能的实现和成本降低都至关重要。
采用AGC电路可以补偿信道衰落，一般阴影效应、路径损耗等较缓慢的变化引起的信号的衰落可以由慢速AGC，也称模拟AGC，来加以减小。并可由后面的信道估计加以进一步的补偿。另外AGC还可以对快衰落进行补偿，当然这里的AGC并非试图去完全消除快衰落，而是大致的对快衰落进行跟踪，以使ADC的输入信号的动态范围保持在一定限度之内，防止ADC带来的量化噪声进一步扩大，为后续的诸如信道估计等电路的更好工作创造条件。
采用AGC电路可以保证接收机电路的正常工作，接收机电路都有一个正常工作的范围，如果输入信号过小，由于噪声的存在，将可能淹没信号；如果输入信号过大，电路将可能过载或饱和，以至电路不能正常工作，AGC的存在将有效的压缩信号的动态范围和抑制过大，过小的信号，以使信号大小维持在一个适合的范围之内。
发明内容
本发明要解决的问题为：在无线通信系统中，为了保证数字接收机电路的正常工作，克服由于信道衰落引起的信号能量的衰减，需要采用自动增益控制电路，但是为了减少增益控制调整的时间，提高增益的收敛速度，所以提出了一种基于二分搜索的自动增益控制方法。
本发明的技术方案为：采用二分搜索进行增益的调整。初始化时，增益控制值调整为最大值，最佳增益控制值所在的区间为增益控制值的最小值与最大值之间，然后通过比较当前估计到的接收信号的平均功率与参考功率的大小，如果估计到的接收信号的平均功率大于参考功率，则调整当前的增益控制值为最大值与最小值之间的中间值。然后再次估计接收信号的平均功率，比较接收信号的平均功率与参考功率的大小，如果估计到的接收信号的平均功率大于参考功率，则最佳增益控制值在增益控制中间值与最小值之间，反之在增益控制中间值与最大值之间，依此缩小最佳增益控制值所在的区间，提高增益控制值的收敛速度。
其具体的控制方法如下：
(1)初始化增益，当前增益Gcur=Gmax，搜索区间变量gmax=Gmax，gmin=Gmin；
(2)估计当前接收信号的平均功率Pcur，Pcur通过采样一段时间内的数字信号来计算，其中N为采样点数，S(n)为输入数字信号的功率，Iadc和Qadc分别为两路ADC的数字采样值；
(3)计算当前接收信号平均功率Pcur与参考功率Pref的差值，若差值小于增益的误差容限ΔPref，则结束增益的调整过程，否则进入(4)；
(4)比较当前接收信号平均功率Pcur与参考功率Pref差值，若Pcur>Pref，则进行进入(5)，否则进入(6)；
(5)进行如下的调整：gmax=Gcur，当前增益控制值调整为Gcur=(gmax+gmin)/2，然后进入(2)；
(6)比较Gcur与Gmax，如果两者相等，说明增益调整已经达到最大值，无法再增大，增益调整结束，否则进入(7)；
(7)进行如下的调整：gmin=Gcur，当前增益控制值调整为Gcur=(gmin+gmax)/2，然后进入(2)。
上述的增益控制方法，主要包括，接收信号平均功率的估计，接收信号的估计的平均功率与参考功率的比较，增益控制值的调整三个部分，循环判断缩小最佳增益控制值所在的区间，将接收信号的平均功率控制在参考功率附近一定的范围之内。在本发明中，通过每一次增益搜索，能够将最佳增益值所在的范围缩小一半，因此能够实现增益的快速锁定。
附图说明
图1为无线通信系统接收机结构示意图。
图2无线通信系统数字AGC电路的结构示意图。
图3为自动增益控制实施过程示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合具体实施方式以及所在系统进行更为详细的描述。本例中，使用本方法的数字自动增益控制单元应用在无线通信系统接收机中。
图1为无线通信系统接收机结构图，其中可以得知无线通信系统中数字自动增益控制电路所处的位置。自动增益控制部分通过ADC的采样值，反馈调节ADC前面的可变增益放大器，直到输入ADC的信号的幅度达到一定的要求。
图2为无线通信系统数字自动增益控制AGC电路的结构图，图中AGC_en1和AGC_en2为增益控制使能信号，AGC_lock为增益锁定信号，指示已经完成增益的锁定。AGC电路由四个模块组成，平均功率估计器，能量检测器，调整计时器以及增益调整状态机。平均功率估计器，计算一段时间内ADC采样的信号的功率，然后取平均值，以此获得当前增益下信号的平均功率。能量检测器，在VGA的增益为初始化的最大值时，通过比较一段时间内的信号的平均功率与一个检测阈值的大小，如果在段时间内，信号的平均功率一直高于检测阈值，则认为有信号达到接收机，给出有效的AGC_en1使能信号，如此同时启动调整计时器。调整计时器，通过计数器获得当前增益调整的时间，如果当前增益的调整时间在可接受的范围内，则给出有效的AGC_en2使能信号，否则给出无效的AGC_en2使能信号。增益调整状态机只有当AGC_en1使能信号和AGC_en2使能信号同时有效时才能进行增益的调整，增益调整状态机在上述两个信号都有效的情况下，利用当前的平均功率，按照本发明给出的方法，进行增益的调整，最终实现增益的收敛。
图3为自动增益控制实施过程图，采用二分搜索的方式寻找最佳的增益控制值，提高最佳增益控制值的收敛速度。其具体特征如下：
(1)初始化增益，当前增益Gcur=Gmax，搜索区间变量gmax=Gmax，gmin=Gmin；
(2)估计当前接收信号的平均功率Pcur；
(3)计算当前接收信号平均功率Pcur与参考功率Pref的差值，若差值小于增益的误差容限ΔPref，则结束增益的调整过程，否则进入(4)；
(4)比较当前接收信号平均功率Pcur与参考功率Pref差值，若Pcur>Pref，则进行进入(5)，否则进入(6)；
(5)进行如下的调整：gmax=Gcur，当前增益调整为Gcur=(gmax+gmin)/2，然后进入(2)；
(6)比较Gcur与Gmax，如果两者相等，说明增益调整已经达到最大值，无法再增大，增益调整结束，否则进入(7)；
(7)进行如下的调整：gmin=Gcur，当前增益调整为Gcur=(gmin+gmax)/2，然后进入(2)。
上述增益控制方法，主要包括，接收信号平均功率的估计，接收信号的估计的平均功率与参考功率的比较，增益控制值的调整三个部分，循环判断缩小最佳增益控制值所在的区间，将接收信号的平均功率控制在参考功率附近一定的范围之内。
Claims (1)
1.一种应用于无线通信系统的自动增益控制方法，其特征在于，利用估计的接收信号的平均功率与参考功率进行比较，采用二分搜索的方式寻找最佳的增益控制值，提高最佳增益控制值的收敛速度；其具体步骤如下：
(1)初始化增益，令当前的增益控制值Gcur=Gmax，当前搜索区间变量为gmax=Gmax和gmin=Gmin；
(2)估计当前接收信号的平均功率Pcur，Pcur通过采样一段时间内的数字信号来计算，其中N为采样点数，S(n)为输入数字信号的功率，Iadc和Qadc分别为两路ADC的数字采样值；
(3)计算估计得到的当前接收信号平均功率Pcur与参考功率Pref的差值，若差值小于增益的误差容限ΔPref，则结束增益的调整过程，若差值不小于增益的误差容限ΔPref，则进入步骤(4)；
(4)比较估计得到的当前接收信号平均功率Pcur与参考功率Pref，若Pcur>Pref，则进行进入步骤(5)，若Pcur≤Pref否则进入步骤(6)；
(5)进行如下的调整：当前调整区间变量gmax=Gcur，当前控制增益值调整为Gcur=(gmax+gmin)/2，然后进入步骤(2)；
(6)比较Gcur与Gmax，如果两者相等，说明增益调整已经达到最大值，无法再增大，则增益调整结束，如果两者不相等则进入步骤(7)；
(7)进行如下的调整：gmin=Gcur，当前增益控制值调整为Gcur=(gmin+gmax)/2，然后进入步骤(2)；
符号说明如下：Pref为参考功率值，ΔPref为增益的误差容限，Pcur为当前功率的参考值，Gmax可调整增益的最大值，Gmin可调整增益的最小值，Gcur当前的增益控制值，gmax，gmin分别为当前搜索区间变量的最大值与最小值。
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