CN104506469B - 一种自动增益控制和帧检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无线局域网中自动增益控制和帧检测的方法，包括自动增益控制辅助帧检测和帧检测统计信息反馈自动增益控制两个方面：帧检测利用自动增益控制产生的信号能量信息先进行能量粗同步，再利用训练序列相关性进行精同步；自动增益控制利用帧检测统计的有效数据幅度值信息，自适应的根据当前信道环境调节阈值。本发明的优点是在帧检测部分减小了因噪声而产生误同步，同时提高了自动增益控制阈值的准确度；本发明在接收机最前端构造闭环反馈系统，接收机的可靠性和有效性大大提高。

Description

一种自动增益控制和帧检测的方法及装置

技术领域

本发明涉及无线局域网技术，特别涉及一种自动增益控制(AGC)和帧检测的方法及装置。

背景技术

无线局域网络WLAN(Wireless Local Area Networks)以其优越的移动性和可扩展性在如今的多媒体通信中倍受青睐，是新世纪无线通信领域最有发展前景的技术之一。它是一种基于IEEE 802.11标准的数据传输系统，利用射频RF(Radio Frequency)技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络，利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号，使得无线局域网络能够利用简单的存取架构，让用户通过它解除了网线束缚，享受高速无线接入，在网络内自由地移动。

在WLAN通信系统中，接收机接收到的信号强度将受到信号收发双方的距离、信号传输信号的状态等多种因素的影响。因此，接收方接收到的信号强度是不固定的，但是WLAN通信系统中的信号接收机只有在接收到的信号强度在某一特定的范围内才能达到最佳的接收效果，这个范围通常很小，但是需要接收机接收的信号强度范围是很大的。因此，WLAN通信系统中的信号接收机必须要有自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)的能力，把接收到的信号强度调节到特定的范围之内，以使信号接收机达到最佳的接收效果。

在WLAN通信系统中，很多协议标准都是采用帧格式来传输数据。接收机在接收到一帧数据后，通过帧边界检测的方法来检测出该帧的帧边界，才能进行后续的数据解调工作。

所以处于WLAN接收机最前端的AGC和帧检测这两个模块的优劣直接影响到整个接收机的性能。在传统的设计方案中，当利用射频RF将接收到的频带信号下变频到基带后，送入AGC模块，计算并将结果值反馈给可变增益放大器VGA(Variable Gain Amplifier)，以此来实时调节基带信号的幅度值大小；同时，将基带数据送入帧检测模块，利用能量检测法或者滑动窗口延时检测法，确定接收帧的起始位置。传统设计方案流程图如图1。

但是这样的传统设计方案有其自身的不足，其缺点在于：

1、AGC模块的阈值是事先根据经验值或者硬件条件规定好的，不能很好的适应实际信道的复杂多变性。

2、传统的利用滑动窗口延时相关算法在某些噪声环境下会失效，导致误同步的发生。

发明内容

本发明的目的是提出一种无线局域网中的自动增益控制和帧检测方法及装置。该方法利用AGC中的中间信息辅助帧检测的进行，避免因噪声所产生的误同步；帧检测成功后统计有效数据的幅度值信息反馈AGC，在经验阈值的调整上调整阈值，使得更好的满足当前的信道环境。

本发明的核心技术和思路是基于AGC能量信息辅助的帧检测、基于帧检测统计信息反馈的AGC阈值自适应调整。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种无线局域网中的自动增益控制和帧检测方法，包括：

a、接收频带信号并将其下变频成基带信号，根据目标阈值和所述基带信号的能量信息确定基带信号调整的增益，按照所述增益进行基带信号的增益调整；

b、判断所述基带信号的能量信息是否大于设定的粗检测阈值，若不是，则不进行帧检测，并返回步骤a；若是，则根据所述基带信号进行帧检测，并在帧检测通过后，当前帧内基带信号的增益保持不变，统计当前帧内有效数据在所述目标阈值范围内和范围外的数据量比例，根据该统计的结果调整所述目标阈值，返回步骤a；所述粗检测阈值为用于区分实际信号和噪声的信号能量。

较佳地，所述目标阈值的初始值为预先设定的。

较佳地，所述统计当前帧内有效数据在所述目标阈值范围内和范围外的数据量比例包括：

统计有效数据中幅度值小于所述目标阈值的最小值的数据个数n_min，统计有效数据中幅度值大于所述目标阈值的最大值的数据个数n_max，统计有效数据中幅度值在所述目标阈值范围内的数据个数n；

当大于或等于设定的调整阈值，则保持当前的目标阈值不变；

当时，将当前的目标阈值减小△P；

当时，将当前的目标调整阈值增大△P。

较佳地，0.5<所述调整阈值<0.75。

较佳地，根据协议规定的最低接收信噪比SINR_min和目标阈值确定所述粗检测阈值。

较佳地，所述粗检测阈值大于或等于P_min为所述目标阈值的最小值。

较佳地，所述基带信号的能量信息为平均能量。

一种无线局域网中的自动增益控制和帧检测装置，包括：RF接收模块、AGC模块、能量粗检测模块、帧检测模块和统计模块；

所述RF接收模块，用于接收频带信号并将其下变频成基带信号，根据所述AGC模块输入的增益对基带信号进行增益调整，并输出给所述AGC模块和帧检测模块；

所述AGC模块，用于计算RF接收模块输出的基带信号的能量信息，并输出给所述能量粗检测模块；还用于根据初始化设置或所述统计模块的输出确定当前目标阈值，并根据目标阈值和所述基带信号的能量信息确定基带信号调整的增益，并提供给所述RF接收模块；

所述能量粗检测模块，用于判断所述AGC模块输出的能量信息是否大于设定的第一阈值，若不是，则关闭帧检测模块的输入；若是，则打开所述帧检测模块的输入；

所述帧检测模块，用于根据输入的基带信号进行帧检测，并在帧检测通过后，通知所述AGC模块停止工作，并通知所述统计模块开始工作；

所述统计模块，用于在接收到所述帧检测模块检测通过的通知后，统计当前帧内有效数据在所述目标阈值范围内和范围外的数据量比例，根据该统计的结果调整所述目标阈值，并输出给所述AGC模块。

由上述技术方案可见，本申请中，根据AGC的增益控制过程中计算的基带信号的能量信息进行能量粗检测，只有在能量信息达到一定阈值以上时才利用该基带信号进行帧检测，从而避免因噪声产生的误同步；同时，进行帧检测后，统计当前帧内所有有效数据在增益调整阈值范围内和范围外的比例关系，再根据该统计结果自适应地调整增益调整阈值，用于AGC的控制过程，从而能够使AGC过程更好地适应当前信道环境。

附图说明

图1为传统方案下的接收机前端自动增益控制和帧检测的示意图；

图2为本申请中的接收机前端闭环反馈系统。

图3为本申请中自动增益控制和帧检测方法的详细操作步骤流程图；

图4为射频模块下变频的基带信号波形图；

图5为噪声与训练序列的平均信息能量图；

图6为训练序列的相关性图；

图7为有效数据幅度值统计图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请做进一步详细说明。

参见图2，是本发明中构造的接收机前端闭环反馈系统。

本发明是针对WLAN无线局域网中的接收机，为提高其可靠性与有效性，在前端构造闭环反馈系统，利用自动增益控制AGC产生的中间信息辅助帧检测的进行，同时帧检测统计信息会反馈AGC自适应的调整阈值。这样通过AGC与帧检测的联合自优化过程，既减少了硬件资源的损耗，降低了噪声产生误同步的概率，又提高了系统的鲁棒性。

参见图3，是本发明实施例中自动增益控制和帧检测方法的具体步骤流程图。下面结合图2和图3，对本申请中的自动增益控制和帧检测的具体实现进行详细描述。如图3所示，该方法包括：

步骤一：AGC初始化阶段，根据目标阈值调节射频端VGA，保证接收到的信号强度处在特定范围内。

该步骤一包括下列操作内容：

(11)预先根据经验值或者实际的硬件寄存器位宽，选取目标阈值P_aim。由于射频RF中VGA的调节步长存在最小值，所以P_aim并不是一个特定的数值，而是一个范围。P_aim＝(P_min，P_max)其中P_max为阈值最大值，P_min为阈值最小值，P_max-P_min＝△P，其中，△P为VGA的最小调节步长。这里，目标阈值的初始化值在本方法流程之前预先确定好。

(12)根据接收的基带信号计算信号的能量信息，具体可以是平均能量信息E_s，选取合适的窗函数求平均值。为第S个信号的平均能量信息，其中re_i、im_i分别为信号的实部和虚部，N为选取窗函数的长度。

(13)根据求出需要调节的增益△G反馈给VGA，进行增益调整。

上述步骤一的处理可以采用各种现有处理方式，本申请对此不作限定。同时，在接收机刚开始工作时，接收数据全为噪声，AGC开始根据经验阈值调整射频端VGA(可变增益放大器)，使得接收噪声全部位于经验阈值范围内。同时，利用调整VGA过程中产生的数据能量信息，进行能量粗检测。此时由于数据全为噪声，能量粗检测不通过，后续的精检测和统计工作没有进行。

步骤二：在根据计算△G的同时，根据求得的信号能量信息进行能量粗检测，例如可以根据信号平均能量进行粗检测。该步骤二包括下列操作内容：

(21)预先确定粗检测的阈值；粗检测的阈值用于区分系统中的噪声和实际信号，其确定方法可以如下：在WLAN无线局域网的标准协议中，规定了接收机能检测的最小信噪比SNR_min。根据可以得到所以阈值可以确定为该阈值规定了处于当前阈值下，接收到的有效信号所必须大于的门限值。当然，上述粗检测阈值的确定方式仅为一示例，也可以采用其他方式确定，只要能够区分出噪声和实际信号即可。

(22)将步骤一中求得的信号能量信息送入能量粗检测模块，进行能量检测。当能量信息大于粗检测的阈值时时，判定能量粗检测通过；例如，时确定能量粗检测通过。

在步骤二中，利用调整VGA过程中产生的数据能量信息，进行能量粗检测。能量检测阈值由标准规定的最低接收信噪比和AGC的阈值门限共同确定。当数据全为噪声，能量粗检测不通过时，会产生中断，直到检测通过。在这之前，后续的精检测模块和统计工作不会进行。

步骤三：当能量粗检测通过之后，进行相关性精检测，以实现帧检测。该步骤三包括下列操作内容：

(31)当能量粗检测通过之后，将基带信号r(s)送入帧检测模块进行相关性精检测。

(32)WLAN通信系统的帧结构中的训练序列具有很好的相关性，所以将基带信号r(s)与本地序列做相关或者自身做延时相关，就会得到一个尖峰。延时相关n为所选滑动窗的长度，D为延时长度。

(33)根据WLAN标准中帧格式的要求，帧中会有重复的训练序列，其数量为N。所以为了兼顾可靠性与有效性，判断出现N/2个尖峰值时，认为相关性精检测通过。

步骤三中帧检测的具体方式上述仅为一个示例，还可以采用各种现有方式实现帧检测，本申请不做限制。另外，当有效数据来临时，一方面AGC中会调整有效数据的幅度值，另一方面能量粗检测会通过，这时会将对应的原始数据送入帧检测模块，进行相关性精检测。

步骤四：当帧检测通过后，不再对当前帧内后续基带信号的增益进行更新，并统计模块开始统计有效数据幅度值信息，用来反馈AGC调节阈值。其中，在帧检测通过后，不再对后续基带信号更新增益，目的是保证同一帧内的所有有效数据处于同一增益下。每个信号帧包括帧头同步信号、信令和用于传输实际信号的有效数据，进行AGC调节的目的是使帧中有效数据能够尽量位于目标阈值的范围内，因此在帧检测通过后，需要对当前帧中的所有有效数据的幅度值进行统计，以为调节目标阈值做参考。该步骤包括下列操作内容：

(41)帧检测通过后，不再对当前帧内后续基带信号的增益进行更新，即图2中的自动增益控制AGC模块停止工作，这样，该模块不再产生新的增益值，目的是保证同一帧内的所有有效数据处于同一增益下。待下一帧开始后，AGC增益更新操作再重新开始，AGC模块重新开始工作。具体下一帧开始的时刻，可以通过对当前帧中的信令数据进行解调处理后得到，详细处理属于本领域的公知常识，这里就不再赘述。

(42)初始化的三个计数器开始工作，统计当前帧内的所有有效数据中幅度值小于P_min，幅度值大于P_max，和位于(P_min，P_max)范围内的数目n_min、n_max和n，当这一帧数据结束后，停止统计。

(43)计算三者的比例：和

(44)首先判断r值的大小。当r>α，说明当前阈值最佳，通知AGC模块保持目标阈值不变，接收下一帧继续使用该阈值。不同的协议标准，其帧格式不尽相同，所以α也相应的取不同的值。但一般α应取0.5～0.75。

(45)当r<α时，判断r_max与r_min的大小。当r_max>r_min,说明当前目标阈值设置偏大，将目标阈值减小△P,P_new＝P_old-△P；若r_max<r_min，说明当前目标阈值设置偏小，将目标阈值增大△P，P_new＝P_old+△P。其中△P为VGA调节最小步长，增大和减小目标阈值时，将目标阈值的最大值和最小值同时进行增大、减小的操作，即，操作P_new＝P_old-△P相当于P_{new_min}＝P_{old_min}-△P和P_{new_max}＝P_{old_max}-△P，操作P_new＝P_old+△P相当于P_{new_min}＝P_{old_min}+△P和P_{new_max}＝P_{old_max}+△P。将调整后的目标阈值输出给AGC模块。

在步骤四中，当相关性精检测通过后，本发明认为找出了帧的起始位置，开始进行随后的频率同步、信道估计等操作，此时为了保证有效数据前后的一致性，VGA模块停止工作。与此同时开始统计随后的有效数据中处于AGC阈值范围内的数据比例，并在这一帧结束的时候将统计信息反馈给AGC，AGC会根据统计结果在当前阈值的基础上进行调整，使之更符合当前的信道环境。

至此，本申请中的方法流程结束。上述步骤一～四的处理构成一个循环，可以不停地利用帧内有效数据确定当前信道环境下的有效数据与当前目标阈值范围的关系，从而适应性地调整目标阈值，以更好地适应当前信道环境；同时，利用AGC调节控制过程中产生的信号能量信息进行能量粗检测，在发现信号能量达到一定程度后才进行帧检测，从而避免由于噪声而造成的误同步。

下面是本方法的一个应用实例，该实例是基于IEEE 802.11a的WLAN接收机。

根据IEEE 802.11a协议的规定，其帧格式中的起始是重复10次的训练序列，用来进行增益控制和帧检测。该训练序列拥有良好的自相关特性，在进行相关性精检测的过程中就要利用其出现的尖峰进行判定。

首先图4是经射频下变频的基带信号波形，作为本次实例的基带信号数据。将该基带信号送入AGC模块，初始阈值P_aim设为1024，计算VGA反馈射频功放；另一方面计算信号的平均信息能量，进行能量粗检测。图5是噪声与训练序列的平均信息能量图，其中实线为根据公式所算出的平均能量，虚线为根据公式计算出的阈值，其中规定SNR_min＝5，计算出的阈值为1314.8。从图中可以看出，在s＝262的位置，幅度值超过了阈值。此时本发明将对应的基带信号送入帧检测模块，做相关性精检测。图6是训练序列的相关性结果图，本发明利用公式求得每点的相关性结果，从图中本发明可以看到，会出现多次尖峰值。根据协议的规定，本发明知道短训练序列重复了10次，所以本发明统计尖峰值，当出现10/2＝5次的时候，本发明认为相关性检测通过。此后，AGC停止工作，将通过帧检测的数据送入接下去的频偏估计等模块。同时，开始统计有效数据的幅度值情况：n_min＝438，n_max＝429，n＝94。并在该帧结束后，算出三者的比例：r_max＝0.446，r_min＝0.456，r＝0.098。如图7所示。根据图中的结果，r_max＝0.446，r_min＝0.456，r较小且r_max<r_min，说明该帧有效数据整体偏小，所以当对下一帧数据进行接收时，在原来阈值的基础上增加△P，P_new＝P_old+△P＝1024+64＝1088。

在该实例中，首先利用AGC过程中产生的能量信息进行能量粗同步，通过之后再进行相关性精同步，既可以减少实际硬件的资源消耗，又可以避免噪声产生的误同步，提高同步可靠性。若是在该实例中直接利用滑动窗延时相关进行帧检测，阈值在噪声处就会判定通过，产生误同步。其次在AGC停止工作后，帧检测统计有效信号幅度值并将最后结果反馈给AGC。使得AGC可以根据当前信道环境自适应的调节阈值，就像该实例中最后根据反馈结果将阈值提高了一个等级，那么下一帧的有效数据就会更加符合接收的最佳效果，提高了系统鲁棒性。

本申请还提供了一种自动增益控制和帧检测装置，可以用于实施上述方法。该装置具体包括：RF接收模块、AGC模块、能量粗检测模块、帧检测模块和统计模块。

其中，RF接收模块，用于接收频带信号并将其下变频成基带信号，根据AGC模块输入的增益对基带信号进行增益调整，并输出给AGC模块和帧检测模块。AGC模块，用于计算RF接收模块输出的基带信号的能量信息，并输出给能量粗检测模块；还用于根据初始化设置或统计模块的输出确定当前目标阈值，并根据目标阈值和基带信号的能量信息确定调整的增益，并提供给RF接收模块。能量粗检测模块，用于判断AGC模块输出的能量信息是否大于设定的粗检测阈值，若不是，则关闭帧检测模块的输入；若是，则打开帧检测模块的输入。帧检测模块，用于根据输入的基带信号进行帧检测，并在帧检测通过后，通知AGC模块停止工作，并通知统计模块开始工作。统计模块，用于在接收到帧检测模块检测通过的通知后，统计当前帧内有效数据在目标阈值范围内和范围外的数据量比例，根据该统计的结果调整所述目标阈值，并输出给AGC模块。

由上述本申请的具体实现可见，本申请中将AGC与帧检测组成闭环反馈系统，能够提高系统的有效性与可靠性。更详细地，本申请具有以下创新点和有益效果

(1)基于AGC能量信息辅助的帧检测：

在传统的设计方案中，AGC与帧检测是并行处理的，并无先后之分。同时在AGC模块计算过程中会产生信号的能量参数，而帧检测则是利用信号的能量信息和相关性信息进行阈值判定，能量信息是为了对相关性参数进行归一化。

但这样的传统方案在某种特定的情况下会对噪声产生误同步，当信道条件很好，接收噪声会比较小且比较平稳，此时噪声的相关性会大大提高，容易产生误同步；同时，在两个模块都分别求出了信号的能量信息，这样在实际的硬件实现中会造成硬件资源的浪费和程序的复杂度。

本发明在这样的前提下，考虑首先利用AGC模块产生的信号能量信息进行能量粗检测，直到通过了粗检测才将数据送入帧检测模块中进行相关性精检测。通过二次检测，一方面将AGC产生的能量信息参数重复利用，减少了所耗费的硬件资源；另一方面通过分开的二次检测以及先后顺序的设定，能够有效减小由于噪声产生的误同步。

(2)基于帧检测统计信息反馈的AGC阈值自适应调整：

自动增益控制AGC模块的阈值一般为经验值或者根据实际的硬件寄存器位宽规定好，这样就可以满足一般场景下的应用需求。但为了保持有效数据前后的一致性，AGC的调节工作在帧检测成功之后就停止了。由于WLAN无线信道环境的复杂多变性，就会出现虽然训练序列被调整到了阈值范围内，但后续的有效数据并不是完全处于该范围内这种情况。而对于接收机来说，后续数据的重要性远大于训练序列，所以这种情况是不被允许的。

本发明在这样的前提下，在帧检测中加入统计的思想。当帧检测成功通过后，一方面AGC停止工作，另一方面将通过帧检测的有效数据送入接下去的频偏估计等模块。同时，帧检测也会统计有效数据的幅度值情况，在这一帧结束之后，将统计结果值送入AGC。使得AGC可以根据当前信道环境当前阈值下有效数据的幅度值统计情况，在当前阈值的基础上进行调整，使得在接下去的接收过程，设定的阈值能够更加符合有效数据，提高系统鲁棒性，提高接收机的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种无线局域网中的自动增益控制和帧检测方法，其特征在于，包括：

a、接收频带信号并将其下变频成基带信号，根据目标阈值和所述基带信号的能量信息确定基带信号调整的增益，按照所述增益进行基带信号的增益调整；

b、判断所述基带信号的能量信息是否大于设定的粗检测阈值，若不是，则不进行帧检测，并返回步骤a；若是，则根据所述基带信号进行帧检测，并在帧检测通过后，当前帧内基带信号的增益保持不变，统计当前帧内有效数据在所述目标阈值范围内和范围外的数据量比例，根据该统计的结果调整所述目标阈值，返回步骤a；所述粗检测阈值为用于区分实际信号和噪声的信号能量；

其中，所述统计当前帧内有效数据在所述目标阈值范围内和范围外的数据量比例包括：

统计有效数据中幅度值小于所述目标阈值的最小值的数据个数n_min，统计有效数据中幅度值大于所述目标阈值的最大值的数据个数n_max，统计有效数据中幅度值在所述目标阈值范围内的数据个数n；

当大于或等于设定的调整阈值，则保持当前的目标阈值不变；

当时，将当前的目标阈值减小△P；

当时，将当前的目标调整阈值增大△P。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标阈值的初始值为预先设定的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，0.5<所述调整阈值<0.75。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据协议规定的最低接收信噪比SINR_min和目标阈值确定所述粗检测阈值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述粗检测阈值大于或等于P_min为所述目标阈值的最小值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基带信号的能量信息为平均能量。

7.一种无线局域网中的自动增益控制和帧检测装置，其特征在于，包括：RF接收模块、AGC模块、能量粗检测模块、帧检测模块和统计模块；

所述RF接收模块，用于接收频带信号并将其下变频成基带信号，根据所述AGC模块输入的增益对基带信号进行增益调整，并输出给所述AGC模块和帧检测模块；

所述AGC模块，用于计算RF接收模块输出的基带信号的能量信息，并输出给所述能量粗检测模块；还用于根据初始化设置或所述统计模块的输出确定当前目标阈值，并根据目标阈值和所述基带信号的能量信息确定基带信号调整的增益，并提供给所述RF接收模块；

所述能量粗检测模块，用于判断所述AGC模块输出的能量信息是否大于设定的第一阈值，若不是，则关闭帧检测模块的输入；若是，则打开所述帧检测模块的输入；

所述帧检测模块，用于根据输入的基带信号进行帧检测，并在帧检测通过后，通知所述AGC模块停止工作，并通知所述统计模块开始工作；

所述统计模块，用于在接收到所述帧检测模块检测通过的通知后，统计当前帧内有效数据在所述目标阈值范围内和范围外的数据量比例，根据该统计的结果调整所述目标阈值，并输出给所述AGC模块；

其中，所述统计模块中统计当前帧内有效数据在所述目标阈值范围内和范围外的数据量比例包括：

统计有效数据中幅度值小于所述目标阈值的最小值的数据个数n_min，统计有效数据中幅度值大于所述目标阈值的最大值的数据个数n_max，统计有效数据中幅度值在所述目标阈值范围内的数据个数n；

当大于或等于设定的调整阈值，则保持当前的目标阈值不变；

当时，将当前的目标阈值减小△P；

当时，将当前的目标调整阈值增大△P。