CN104768216A - 一种lte终端接收机自动增益控制实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE终端接收机自动增益控制实现方法：FPGA控制模拟衰减器和数字衰减器来调整输入信号功率到目标范围内，CPU配置调整步进值以及各功率门限；打开AGC功能，FPGA在统计一帧基带数据功率后给AGC控制模块，AGC控制模块根据当前统计的功率值判断在哪段功率范围内，从而在一帧的开始进行模拟衰减器或是数字衰减器的操作，每次调整一个步进值，通过多次调整达到最终目标功率。

Description

一种LTE终端接收机自动增益控制实现方法

技术领域

本发明涉及到通信技术领域，确切地说，涉及一种LTE终端接收机自动增益控制实现方法，该方法能让进入接收机的信号的数字域功率保持在一个指定的范围内，此指定范围大小需要根据实际应用场景以及系统需求来具体确定。

背景技术

LTE是3G的长期演进，即目前所说的4 G，在LTE终端接收机中，由于接收机距辐射源的距离可以有很大的变化，电波在空间传播有明显的衰落现象，以及其他一些干扰因素，使得作用在接收机输入端的信号强度有很大变化和起伏，但是接收机的终端设备只能处理幅度变化不大的信号，信号过强过弱或忽大忽小都会使终端设备失效。因此，接收机中非常强调自动增益控制，来保证接收机输出信号幅度的平稳性。

传统的AGC方法是由可变增益放大器和外部检波器，或数字AGC方式来达到自动增益控制的目的，这种方法存在以下缺点：第一，需要额外的外部电路和集成芯片完成增加了成本；第二，增益控制时机随机会容易破坏帧结构；第三，灵活性差，增益步进值不能灵活调整；第四，由于一次完成功率调整，对于功率变化较大的情况，容易出现信号突然较大的跳变，导致SINR跳变较大，终端连接释放。而本文中所提到的方法具有如下优点：第一，不需额外的外部电路；第二，使用对模拟增益衰减器，数字衰减器的控制，保证在大信号输入情况下，ADC前端不会出现溢出提高了接收机动态范围，较小信号时用数字衰减器增加数字功率达到目标值，不会影响信号的SINR，保证了接收机的灵敏度；第三，对模拟衰减器和数字衰减器的每次调整时机都为一帧无线帧的开始，保证不会破坏帧结构；第四，很灵活，可以根据实际情况完成对增益步进的调整；第五，功率控制由多次调整完成，每次调整步进比较小，对于功率变化较大的情况，能够有效保证信号平稳的达到最终目的值，提高了系统稳定性。

发明内容

本发明针对LTE终端接收机系统提出了一种新的AGC控制方法，用来保证终端连接的稳定性和可靠性。本发明是用FPGA来实现AGC功能的，增益的控制由两部分组成，模拟衰减器和数字衰减器，模拟衰减器采用模拟DCA，数字衰减器采用FPGA内乘法器完成，对于较大的输入信号会控制模拟DCA进行模拟域衰减达到目标基带功率，提高了接收机的动态范围，对于较小的输入功率会控制数字衰减器模块提高基带功率达到目的值，数字衰减器只负责对数字域功率提升，不会造成有效Bit位的损失，所以不会影响信号的SINR，保证了接收机的灵敏度要求，模拟衰减器和数字衰减器的每次调整都是通过一个步进值一步一步的调整达到最终目标功率，并且每次调整都是在一个无线帧的开始进行操作的，不会破环帧结构和带来信号突变而影响系统稳定性，调整步进值，各功率门限值都可以根据实际应用进行设置，很灵活方便，可以根据需要应用到多种场景。

本发明的技术方案为一种LTE终端接收机自动增益控制FPGA实现方法，在开启自动增益前需要根据系统需求确定一些关键参数，第一，根据系统需求确定模拟数控衰减器最大可控值，系统中模拟衰减器总大小为A，其中要划分出一步分B用来做为接收机链路增益定标，保证每个终端接收机链路增益都是一致的，所以用于自动增益控制的模拟衰减器最大只有A-B；第二，根据实际需求确定自动增益控制步进值StepValue，增益控制步进值选择太大，会造成信号的突变较大，造成系统的不稳定性，增益控制步进值选择太小，需要调整的次数会很多，时间就会变长影响实时性；第三，Pmin，Pl，Pr的选择，小于Pmin表示超出了调整范围，模拟衰减器的值设置为最小，数字衰减器的值设置为最大，使整个链路增益最大；大于Pmin小于Pl表示此段范围功率较小，模拟衰减器值为初始值，增大数字衰减器的值，增大数字域功率达到目标功率；大于Pl小于Pr表明功率在目标范围内，不需调整；大于Pr表示此段范围内功率较大，数字衰减器为初始值0，增大模拟衰减器的值减小功率到目标功率，这几个参数确定后，就可以开启AGC的功能了。

在本发明的技术方案中，具体实现步骤如下：

步骤 1：根据终端接收机系统指标要求确定调整步进值StepValue，Pmin，Pl，Pr。

步骤2：初始情况下自动增益开关关闭，并且模拟衰减器值设置为最小值，数字衰减器值设置为0，模拟衰减器值越小链路增益越大，数字衰减器值越大链路增益越大。

步骤3：CPU配置调整步进值StepValue，Pmin，Pl，Pr给FPGA。

步骤4：根据确定好的调整步进值StepValue，CPU配置已经计算好的数字增益查找表到FPGA的Rom中，数字增益查找表的获取方法是：

第一，数字增益衰减器是由FPGA中乘法器来完成的，根据乘法器的截位情况，可以确定0db增益时的值为pbase。第二，以pbase为基准计算出数字增益查找表中其它数字增益值，计算公式(10^((N*StepValue)/20))*pbase，其中N*StepValue表示数字增益衰减器调整范围，N为整数，从0开始。

步骤5：CPU打开自动增益控制开关，开启自动增益控制功能。

步骤6：FPGA统计10ms内基带功率，在统计完成后给出检测使能标志以及统计功率，在统计10ms基带功率时需要在前后留有少许间隔，这个可以根据系统实际情况选择，在本发明中前后各留有50个采样点，约前后各400ns的时间，这个主要是为了给AGC模块调整数字衰减器或模拟衰减器，上报链路增益留的操作时间。

步骤7：FPGA内功率判断及增益调整模块根据给出的统计功率值以及检测

使能标志，进行相应的增益调整：

如果当前功率小于Pmin表示超出了调整范围，FPGA控制模拟衰减器到初始值以及数字增益为最大值，使整个接收链路增益达到最大，并上报接收机增益给基带单元用于RSRP的计算，数字增益的获得是通过给出查找表地址获取的；如果当前功率大于Pmin而小于Pl，表明在调整能力范围内并且功率较小只需增加数字增益就能达到目标要求，首先判断是否存在模拟增益操作值，若存在模拟增益，每次减少模拟衰减值StepValue一直到模拟衰减值到初始值，再进行数字增益调整，每次增加StepValue直到调整后的功率满足目标要求才停止，若不存在模拟增益可以跳过此步直接进行数字增益调整当前功率到目标要求，每次调整后需上报接收机增益用于基带单元计算RSPR，每次增益调整都是在无线帧开始进行操作；如果当前功率大于Pl小于Pr，表明当前功率满足目标要求，数字和模拟衰减器都不用操作，直接上报接收机链路增益；若当前功率大于Pr，表明在调整范围内并且功率较大需要增加模拟衰减器的值，首先判断是否存在数字增益，若存在数字增益，每次减小数字增益值StepValue一直到数字增益值为初始值0，再进行模拟增益调整，每次增加模拟衰减器衰减值StepValue直到调整后的功率满足目标要求才停止，若不存在数字增益侧可以跳过此步直接进行模拟增益调整当前功率到目标要求，每次调整后需要上报接收机增益用于基带单元计算RSPR，每次增益调整都是在无线帧开始进行操作；如果模拟衰减器已经衰减到最大值当前功率任然不满足目标要求，就要通过CPRI控制字上报告警给基带处理模块告知当前输入功率太大。

步骤8：其它接收通道都是按照1~7并行处理的，每个接收通道都有自己

单独的模拟衰减器，数字衰减器，AGC控制单元。

所述步骤1中，根据所要求的调整动态范围，最大信号输入功率，模拟

衰减器最大可控值，目标功率范围，确定调整步进值StepValue，Pmin，Pl，Pr；

步骤2中，在系统完全起来前自动增益控制功能是处于关闭状态，在关闭状态下，模拟衰减器的值为初始值，只有链路增益定标值部分存在，用于自动增益控制部分的值为0，模拟衰减器值越大，表明模拟增益越小，而数字衰减器值为0，表示没有增益，数字衰减器的值越大，表明数字增益越大；

步骤4~5中，数字衰减器的实现是由FPGA内乘法器完成的，乘法器输入端有两个端口，一端是输入信号，另一端为增益控制端，增益控制端它的数值不是直接对应db的，所以需要一个查找表来完成这个对应，根据调整步进值和数字衰减器范围事先计算出此查找表，查招表在开启自动增益之前通过CPU写入到FPGA的ROM中，需要使用时根据查找表来找到相应db值，此步完成后就可以开启自动增益控制开关；

步骤6中，需要统计出经过DDC模块后的10ms信号平均功率，统计前后留有一定时间间隙，保证后续AGC控制模块完成增益控制和增益上报相关操作，此模块中主要产生检测使能标志和当前统计功率值；

步骤7中，通过获得的当前功率判断属于哪一个范围， 小于Pmin，FPGA控制模拟衰减器为最小值，模拟增益最大，数字衰减器最大值，数字增益最大，大于Pmin小于Pl，让模拟衰减器值最小，数字衰减器值每次增加StepVlue达到目标功率，大于Pl小于Pr，已经满足目标功率，模拟和数字衰减器都不动作，大于Pr，让数字衰减器值最小，模拟衰减器值每次增加StepValue达到目标功率，若模拟衰减值已达最达仍然不满足目标功率，则需是上报告警给基带单元，并让数字衰减值最小为0，模拟衰减值最大。

所述步骤1和步骤7中，选取增益调整步进值，各功率判断门限并根据步进值和功率判断门限选择进行调整模拟衰减器还是数字衰减器以及在每帧的开始进行操作。

上述方法能够灵活，方便的让输入信号功率调整到要求的范围内，具体

来说本发明具有如下优点：

1.      通过FPGA控制模拟衰减器和数字衰减器，模拟衰减器减小模拟增益，保证ADC入口不会存在溢出，增加了接收机的动态范围，数字衰减器增加数字增益，不会影响数字域内有效Bit位的损失，保证了接收灵敏度。

2.      采用FPGA来进行操作实时性更高。

3.      采用多次调整达到目标功率的方法，并且每次调整操作都是在一帧的开始，减小了对接收信号的损害，保证了系统的稳定性，每次调整的步进值可以根据实际需求进行动态调整，使用起来更加灵活方便。

4.      每次调整后都上报接收机链路增益值，方便基带单元计算出RSRP。

附图说明

图1是本发明实施例的多通道接收机自动增益控制FPGA实现整体框图。

图2是本发明实施例的多通道接收机自动增益控制FPGA实现流程框图。

英译汉

1、 LTE (Long Term Evolution)                                长期演进技术

2、 AGC(Automatic Gain Control)                              自动增益控制

3、 DCA(Digital Control Attenuation)                           数控衰减器

4、 SINR(Signal to Interference Noise Ratio)                     信号干扰噪声比

5、 DDC(Digital Down Converter)                              数字下变频

6、 LNA(Low Noise Amplifier)                                低噪声放大。

具体实施方式   

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

图1是实施例的多通道接收机自动增益控制FPGA整体系统框图，主要有

如下部分构成：LNA，模拟数控衰减器，射频小信号，ADC，DDC，数字衰减器，功率统计模块，AGC控制模块；从天线口接收的信号经过LNA低噪声放大后，经过模拟数控衰减器，射频小信号进行搬频滤波处理到中频信号，这里的模拟数控衰减器有两个作用，第一：完成接收机链路增益定标，保证所有接收机链路增益一致；第二：完成自动增益控制功能模拟增益部分的调整，保证在大功率下ADC前端不会存在溢出，并调整大功率到目标功率，提高了接收机的动态范围；中频模拟信号经过ADC后由模拟信号转化成数字信号，经搬频处理到零频，经过DDC进行抽取降速率，再经过数字衰减器，这里的数字衰减器模块主要是用来增加数字增益，调整小信号功率到目标要求功率，数字域内减小数字增益会造成数字信号有效Bit位的损失，有效Bit位损失多了就会严重影响SINR，从而影响接收端的业务性能，所以此处的数字衰减器只会增加数字增益，增加数字增益不会造成数字域内有效Bit位的损失，不会影响SINR，保证了接收机的灵敏度要求和业务性能，数字衰减器的实现是由FPGA内乘法器来实现的，乘法器一端为实际输入信号，另一端为衰减因子Factor，衰减因子Factor的获得，首先要在Matlab中通过计算把db值转化成相应的数字域值，数字域查找表值通过CPU事先写入到一个ROM中，在需要获取衰减因子时通过地址进行获取，AGC控制模块，在AGC控制模块中进行功率的监控和调整，根据当前的功率按照要求进行相应的控制，是控制模拟衰减器还是控制数字衰减器，经过多次调整达到目标功率值，每次增益调整都是在一帧的开始完成，调整后的数据经CPRI接口传送数据到基带单元。

图2是实施例的多通道接收机自动增益控制FPGA流程框图，多个接收通

道都是并行处理的，每个通道都有各自的模拟衰减器，数字衰减器，数字衰减查找表，AGC控制模块，实施例具体流程如下：

步骤1：根据系统要求确定调整步进值StepValue，Pmin，Pl，Pr。

步骤2：初始情况下自动增益开关关闭，并且模拟衰减器值设置为最小值，

数字衰减器值设置为0，模拟衰减器值越小链路增益越大，数字衰减器值越大链路增益越大。

步骤3：CPU配置调整步进值StepValue，Pmin，Pl，Pr给FPGA。

步骤4：根据确定好的调整步进值StepValue，CPU配置已经计算好的数字

增益查找表到FPGA的Rom中。

步骤5：CPU打开自动增益控制开关，开启自动增益控制功能。

步骤6：FPGA统计10ms内基带功率，在统计完成后给出检测使能标志以

及统计功率，在统计10ms基带功率时需要在前后留有少许间隔，这个可以根据系统实际情况选择，在本发明中前后各留有50个采样点，约前后各400ns的时间，这个主要是为了给AGC模块调整数字衰减器或模拟衰减器，上报链路增益留的操作时间。

步骤7：FPGA内功率判断及增益调整模块根据给出的统计功率值以及检测

使能标志，进行相应的增益调整，如果当前功率小于Pmin表示超出了调整范围，FPGA控制模拟衰减器到初始值以及数字增益为最大值，使整个接收链路增益达到最大，并上报接收机增益给基带单元用于RSRP的计算，数字增益的获得是通过给出查找表地址获取的；如果当前功率大于Pmin而小于Pl，表明在调整能力范围内并且功率较小只需增加数字增益就能达到目标要求，首先判断是否存在模拟增益操作值，若存在模拟增益，每次减少模拟衰减值StepValue一直到模拟衰减值到初始值，再进行数字增益调整，每次增加StepValue直到调整后的功率满足目标要求才停止，若不存在模拟增益可以跳过此步直接进行数字增益调整当前功率到目标要求，每次调整后需上报接收机增益用于基带单元计算RSPR，每次增益调整都是在无线帧开始进行操作；如果当前功率大于Pl小于Pr，表明当前功率满足目标要求，数字和模拟衰减器都不用操作，直接上报接收机链路增益；若当前功率大于Pr，表明在调整范围内并且功率较大需要增加模拟衰减器的值，首先判断是否存在数字增益，若存在数字增益，每次减小数字增益值StepValue一直到数字增益值为初始值0，再进行模拟增益调整，每次增加模拟衰减器衰减值StepValue直到调整后的功率满足目标要求才停止，若不存在数字增益侧可以跳过此步直接进行模拟增益调整当前功率到目标要求，每次调整后需要上报接收机增益用于基带单元计算RSPR，每次增益调整都是在无线帧开始进行操作；如果模拟衰减器已经衰减到最大值当前功率任然不满足目标要求，就要通过CPRI控制字上报告警给基带处理模块告知当前输入功率太大。

步骤8：其它接收通道都是按照1~7并行处理的，每个接收通道都有自己

单独的模拟衰减器，数字衰减器，AGC控制单元。

上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种LTE终端接收机自动增益控制实现方法，其特征在于：在终端接收机中FPGA通过控制模拟和数字衰减器使进入天线口信号的功率调整到一个目标范围内，具体包括以下步骤：

步骤1：根据终端接收机系统指标要求确定调整步进值StepValue，Pmin，Pl，Pr；

步骤2：初始情况下自动增益开关关闭，并且模拟衰减器值设置为最小值，数字衰减器值设置为0，模拟衰减器值越小链路增益越大，数字衰减器值越大链路增益越大；

步骤3：CPU配置调整步进值StepValue，Pmin，Pl，Pr给FPGA；

步骤4：根据确定好的调整步进值StepValue，CPU配置已经计算好的数字增益查找表到FPGA的Rom中；

步骤5：CPU打开自动增益控制开关，开启自动增益控制功能；

步骤6： FPGA统计10ms内基带功率，在统计完成后给出检测使能标志以及统计功率；

步骤7：FPGA内功率判断及增益调整模块根据给出的统计功率值以及检测

使能标志，进行相应的增益调整；

步骤8：其它接收通道均按照步骤1~7并行处理。

2.如权利要求书1所述的一种LTE终端接收机自动增益控制FPGA实现方法，其特征在于：所述步骤1中，根据所要求的调整动态范围，最大信号输入功率，模拟衰减器最大可控值，目标功率范围，确定调整步进值StepValue，Pmin，Pl，Pr。

3.如权利要求书1所述的一种LTE终端接收机自动增益控制FPGA实现方法，其特征在于：所述步骤2中，在终端接收机设备完全起来前自动增益控制功能是处于关闭状态，在关闭状态下，模拟衰减器的值为初始值，只有链路增益定标值部分存在，用于自动增益控制部分的值为0，模拟衰减器值越大，表明模拟增益越小，而数字衰减器值为0，表示没有增益，数字衰减器的值越大，表明数字增益越大。

4.如权利要求书1所述的一种LTE终端接收机自动增益控制FPGA实现方法，其特征在于：所述步骤4~5中，数字衰减器的实现是由FPGA内乘法器完成的，乘法器输入端有两个端口，一端是输入信号，另一端为增益控制端，增益控制端它的数值不是直接对应db的，所以需要一个查找表来完成这个对应，根据调整步进值和数字衰减器范围事先计算出此查找表，查找表在开启自动增益之前通过CPU写入到FPGA的ROM中，需要使用时根据查找表来找到相应db值，此步完成后就可以开启自动增益控制开关。

5.如权利要求书1所述的一种LTE终端接收机自动增益控制FPGA实现方法，其特征在于：所述步骤6中，需要统计出经过DDC模块后的10ms信号平均功率，统计前后留有时间间隙，保证后续AGC控制模块完成增益控制和增益上报相关操作，此模块中产生检测使能标志和当前统计功率值。

6.如权利要求书1所述的一种LTE终端接收机自动增益控制FPGA实现方法，其特征在于：所述步骤7中，通过获得的当前功率判断属于哪一个范围， 小于Pmin，FPGA控制模拟衰减器为最小值，模拟增益最大，数字衰减器最大值，数字增益最大，大于Pmin小于Pl，让模拟衰减器值最小，数字衰减器值每次增加StepVlue达到目标功率，大于Pl小于Pr，已经满足目标功率，模拟和数字衰减器都不动作，大于Pr，让数字衰减器值最小，模拟衰减器值每次增加StepValue达到目标功率，若模拟衰减值已达最达仍然不满足目标功率，则需是上报告警给基带单元，并让数字衰减值最小为0，模拟衰减值最大。

7.如权利要求书1所述的一种LTE终端接收机自动增益控制FPGA实现方法，其特征在于：所述步骤7中，具体增益调整过程如下：

  如果当前功率小于Pmin表示超出了调整范围，FPGA控制模拟衰减器到初始值以及数字增益为最大值，使整个接收链路增益达到最大，并上报接收机增益给基带单元用于RSRP的计算，数字增益的获得是通过给出查找表地址获取的；

如果当前功率大于Pmin而小于Pl，表明在调整能力范围内并且功率较小只需增加数字增益就能达到目标要求，首先判断是否存在模拟增益操作值，若存在模拟增益，每次减少模拟衰减值StepValue一直到模拟衰减值到初始值，再进行数字增益调整，每次增加StepValue直到调整后的功率满足目标要求才停止，若不存在模拟增益可以跳过此步直接进行数字增益调整当前功率到目标要求，每次调整后需上报接收机增益用于基带单元计算RSPR，每次增益调整都是在无线帧开始进行操作；

如果当前功率大于Pl小于Pr，表明当前功率满足目标要求，数字和模拟衰减器都不用操作，直接上报接收机链路增益；

若当前功率大于Pr，表明在调整范围内并且功率较大需要增加模拟衰减器的值，首先判断是否存在数字增益，若存在数字增益，每次减小数字增益值StepValue一直到数字增益值为初始值0，再进行模拟增益调整，每次增加模拟衰减器衰减值StepValue直到调整后的功率满足目标要求才停止，若不存在数字增益侧可以跳过此步直接进行模拟增益调整当前功率到目标要求，每次调整后需要上报接收机增益用于基带单元计算RSPR，每次增益调整都是在无线帧开始进行操作；如果模拟衰减器已经衰减到最大值当前功率任然不满足目标要求，就要通过CPRI控制字上报告警给基带处理模块告知当前输入功率太大。

8.如权利要求书1所述的样子红LET终端接收机自动增益控制FPGA实现方法，其特征在于：所述步骤1和步骤7中，选取增益调整步进值，各功率判断门限并根据步进值和功率判断门限选择进行调整模拟衰减器还是数字衰减器以及在每帧的开始进行操作。

9.如权利要求书4所述的一种LTE终端接收机自动增益控制FPGA实现方法，其特征在于：所述查找表的获取方法是：

第一，数字增益衰减器是由FPGA中乘法器来完成的，根据乘法器的截位情况，确定0db增益时的值为pbase；

第二，以pbase为基准计算出数字增益查找表中其它数字增益值计算公式为(10^((N*StepValue)/20))*pbase，其中N*StepValue表示数字增益衰减器调整范围，N为整数，从0开始。