CN105357749A - 一种用于数字通信的新型自动增益控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，根据输入信号的动态均方根值判断当前信号功率是稳定状态还是变化状态，并给出增益补偿信号；依此计算出增益的补偿值；根据输入信号的均方根值及增益补偿值计算出理论增益值；根据信号功率状态选择当前增益：对于稳定状态，令输出增益保持前一时刻增益值不变，对于变化状态，将输出增益调整为理论增益值；最后进行增益校正，保证实际输出增益不小于增益的理论最小值。本发明用于解决某新型通信系统数字压缩算法对输入的需求，能够在充分利用ADC数字量化位数的同时避免过饱和现象、能够保持输入信号的峰均比、能够同时适用于LTE的TM2和TM3信号。

Description

一种用于数字通信的新型自动增益控制方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种用于数字通信的新型自动增益控制方法。

背景技术

在某种新型通信系统中，由于设备距离、设备数量、设备本身信号质量等一系列原因，系统接收到的信号功率变化范围很大。当信号输入系统转换为数字信号，即经过ADC之后，功率小的信号所占用的数字量化位数很低。然而，该新型通信系统中使用了李仝昀等人在专利《有线通信链路上的RF信号发送》(GB1206751.8)中发明的压缩算法，压缩算法需要充分利用量化位数来提高动态范围，即要求算法的输入信号在ADC位数的二进制数的表示范围内且足够大；同时要求算法输入信号应保持系统输入信号的原始特性(如峰均比)不变。因此系统在ADC模块与算法模块之间需要一个新型的自动增益控制(AutomaticGainControl，AGC)单元完成上述功能。具体地说，需要该AGC使输出信号足够大、同时避免输出信号超出ADC位数的二进制数的表示范围即过饱和现象、并且保持输入信号的峰均比不变。

同时，该新型通信系统为LTE系统，因此需要该AGC能够处理LTE，主要是TM2和TM3信号。现有的AGC控制方法不能满足该新型通信系统的需求。首先，传统的AGC是一个反馈系统，输出信号经过一个平均滤波器得到输出信号的平均功率；将输出信号的平均功率与AGC的目标功率进行比较，得到误差信号；再根据当前增益值与误差信号对下一时刻的增益值进行调整，最终使输出功率逐渐收敛至目标功率。传统AGC控制方法会出现输出信号功率大于目标功率的现象，使用在本系统中会出现过饱和，输出信号将产生失真；传统AGC控制方法将输出功率向目标功率调整，使得输出信号功率经常处于发生变化的状态，不利于保持信号的峰均比。

其次，现有的针对LTE系统的自动增益控制技术，如黄维等人在专利《一种LTE终端接收机自动增益控制实现方法》(申请号CN201510214549)、以及唐凯等人在专利《一种TD-LTE自动增益控制方法及设备》(申请号CN201210490955)、以及张国松等人在专利《LTE系统的自动增益控制方法及设备》(申请号CN201110166143)中发明的AGC技术及系统，都是以传统的AGC控制方法为基础，无法避免过饱和现象，不利于保持信号的峰均比，因此不能满足本新型通信系统的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，解决了充分利用ADC量化位数的同时避免过饱和现象的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，包括以下步骤：

(1)根据输入信号在一段时间内的动态均方根值和前一时刻的动态均方根值判断当前输入信号是功率稳定状态还是处于功率变化状态，同时给出增益补偿信号cpst；所述一段时间的长度为T_D；

(2)根据步骤(1)中输出的增益补偿信号cpst计算当前增益的补偿值cv；

(3)根据步骤(2)中得到的当前增益的补偿值cv计算当前理论增益值gain_cal；

(4)根据步骤(1)中输出的增益补偿信号cpst和步骤(3)中得到的当前理论增益值gain_cal，计算当前系统的实际增益值gain_act；

${\mathrm{gain}}_{act}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{gain}}_{cal},& cpst=\±1\\ {\mathrm{gain}}_{act}^{-1},& cpst=0\end{array}\right.$

其中，为上一时刻的实际增益值；

(5)通过公式gain＝max(gain_act,gain_min)进行增益校正，得到校正之后的增益值gain，即为AGC输出的增益，从而完成自动增益的控制；其中，gain_min为理论最小增益值。

所述步骤(1)具体为：

若则当前输入信号处于功率增大状态，cpst＝-1；

若则当前输入信号处于功率衰减状态，cpst＝1；

若则当前输入信号是功率稳定状态，cpst＝0；

其中，

Upper：功率判断阈值上限；Lower：功率判断阈值下限。

所述步骤(2)计算当前增益的补偿值cv具体为：

$cv=\left\{\begin{array}{cc}init+cpst\×p,& cpst=1\\ init,& cpst=0\\ init+cpst\×m,& cpst=-1\end{array}\right.$

其中，init为初始补偿因子；p为正向补偿系数；m为反向补偿系数。

所述步骤(3)计算当前理论增益值gain_cal具体为：

${\mathrm{gain}}_{cal}=\frac{dcdp}{{\mathrm{RMS}}_{T_D}}\×cv$

其中，dcdp为增益决定因子。

增益决定因子dcdp通过如下方式计算得到：

其中k为ADC的位数；i为对量化位数利用率的容忍量；PAR为无衰减LTE信号的峰均比，其中PAR_TM2为TM2信号的峰均比，PAR_TM3为TM3信号的峰均比。

理论最小增益值gain_min通过如下方式计算得到：

PEAK为无衰减LTE信号的峰值，其中PEAK_TM2为TM2信号的峰值，PEAK_TM3为TM3信号的峰值。

功率判断阈值上限Upper取值为0.9；功率判断阈值下限Lower取值为1.1。

初始补偿因子init的取值为1.0；正向补偿系数p的取值为1.1；反向补偿系数m的取值为0.3。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明中gain_cal与增益决定因子dcdp的计算方法和取值，保证了能够在充分利用ADC量化位数的同时避免过饱和现象；

(2)本发明通过与Upper和Lower的比较，连同Upper和Lower的取值，保证了本发明能够准确判断输入信号处于功率稳定状态还是功率变化状态；

(3)对输入信号功率情况的准确判断，连同基于cpst的gain_act的取值方法，保证了本发明对于稳定输入功率的信号输出恒定的增益，因而保证了增益控制前后信号的峰均比不变；

(4)Lower，Upper，init，p，m，dcdp，gain_min的取值权衡了LTE的TM2和TM3信号特征，因而本发明能够同时适用于LTE的TM2和TM3信号；

(5)cpst，cv的设计以及init，p，m的设置以及gain_min的设计补充保证了在充分利用ADC量化位数的同时避免过饱和现象；

(6)阶跃式的gain_act的变化方式保证了本发明能够迅速调整增益。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明对输入信号为LTE的TM2信号时方法效果仿真图；其中，图2(a)是AGC的输入信号，图2(b)是AGC的输出信号，图2(c)是AGC输出的增益，图2(d)是AGC输出是否出现过饱和现象的监控图；

图3为本发明对输入信号为LTE的TM3信号时方法效果仿真图，其中，图3(a)是AGC的输入信号，图3(b)是AGC的输出信号，图3(c)是AGC输出的增益，图3(d)是AGC输出是否出现过饱和现象的监控图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供了一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，包括以下步骤：

(1)根据输入信号在一段时间内的动态均方根值和前一时刻的动态均方根值判断当前输入信号是功率稳定状态还是处于功率变化状态，同时给出增益补偿信号cpst；所述一段时间的长度为T_D；

若则当前输入信号处于功率增大状态，cpst＝-1；

若则当前输入信号处于功率衰减状态，cpst＝1；

若则当前输入信号是功率稳定状态，cpst＝0；

其中，

Upper：功率判断阈值上限，取值为1.1；Lower：功率判断阈值下限，取值为0.9，T_D取值为100。

T_D的取值根据如下原则确定：绘制的曲线与信号的RMS曲线进行对比，当T_D取值较小时(如50)，不能准确表征信号的平均值；而T_D取较大值时(如200)，并不能比100更准确地描述信号的平均值，却加大了系统的延迟，因此T_D取值为100；

Upper和Lower的取值根据如下方法确定：首先，Upper和Lower代表信号功率瞬时变化的幅度，因此应具有相对于1的对称性；当Upper较大(Lower较小)时，较小幅度的功率变化会被判定为稳定功率而无法检测到；当Upper较小(Lower较大)时，稳定功率信号中功率波动的部分则会被检测为功率变化，经多次实验取得Upper＝1.1，Lower＝0.9为合适的取值。

(2)根据步骤(1)中输出的增益补偿信号cpst计算当前增益的补偿值cv；

计算当前增益的补偿值cv具体为： $cv=\left\{\begin{array}{cc}init+cpst\×p,& cpst=1\\ init,& cpst=0\\ init+cpst\×m,& cpst=-1\end{array}\right.,$ 其中，init为初始补偿因子，取值为1.0；p为正向补偿系数，取值为1.1；m为反向补偿系数，取值为0.3。

init，p，m的取值根据如下原则确定：从整体上看，本方法判断出信号功率发生变化的时刻，并在较小的延迟内计算出信号功率发生变化后系统应具有的增益，而增益应保证信号的峰值经放大后仍在有效区间内，即增益与信号峰值成反比。而本系统可保证信号峰均比不变，即增益与信号均值应成反比；当信号功率未发生变化或信号均值计算准确的情况下，不需对增益进行补偿，init＝1；当信号功率从小变大时(cpst＝1)，受到之前信号的影响，小于当前信号的实际RMS，计算所得的增益将大于理论增益值，需要降低增益，即对增益进行反向补偿；反之，当信号功率从大变小时(cpst＝-1)，应对增益进行正向补偿；补偿的幅度与信号功率的变化幅度以及原始信号在变化时刻的震荡幅度有关，经实验，p＝1.1，m＝0.3为合适的取值。

(3)根据步骤(2)中得到的当前增益的补偿值cv计算当前理论增益值gain_cal；

计算当前理论增益值gain_cal具体为：其中，dcdp为增益决定因子。

增益决定因子dcdp通过如下方式计算得到：

其中k为ADC的位数；i为对量化位数利用率的容忍量；PAR为无衰减LTE信号的峰均比。

在不考虑增益补偿(即cv＝1)的情况下：

由于目标是当前信号经过增益后的值能够充分利用量化位数，同时避免过饱和现象。设ADC的位数为k，当前信号的峰值为peak，则有：

peak×gain_cal<2^k-1-1

为表达充分利用量化位数，预留i位的余量(i≥1)，即要求peak×gain_cal>2^k-i-1-1

即2^k-i-1-1<peak×gain_cal<2^k-1-1

而本发明可保持信号峰均比，同时可近似为当前信号的均值，即

其中PAR为LTE信号的峰均比。

因此

即 $\frac{2^{k-i-1}-1}{PAR\&times;{\mathrm{RMS}}_{T_D}}<{\mathrm{gain}}_{cal}<\frac{2^{k-1}-1}{PAR\&times;{\mathrm{RMS}}_{T_D}}$

即 $\frac{2^{k-i-1}-1}{PAR}<dcdp<\frac{2^{k-1}-1}{PAR}$

对TM2与TM3信号分别考虑，有

$\frac{2^{k-i-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM2}}<dcdp<\frac{2^{k-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM2}},\frac{2^{k-i-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM3}}<dcdp<\frac{2^{k-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM3}},$ 其中PAR_TM2为TM2信号的峰均比，PAR_TM3为TM3信号的峰均比。

即 $\max (\frac{2^{k-i-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM2}},\frac{2^{k-i-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM3}})<dcdp<\min (\frac{2^{k-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM2}},\frac{2^{k-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM3}})$

其中PAR_TM2＝3.017，PAR_TM3＝3.771，因此必有

$\min (\frac{2^{k-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM2}},\frac{2^{k-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM3}})>\max (\frac{2^{k-i-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM2}},\frac{2^{k-i-1}-1}{{\mathrm{PAR}}_{TM3}})$

考虑到以代替LTE信号均值的误差，为避免过饱和现象，gain_cal应取所在范围内的最小值，相应地dcdp也应取最小值，因此

对于16位的ADC，对量化位数留1位余量，可得dcdp＝5431。

(4)根据步骤(1)中输出的增益补偿信号cpst和步骤(3)中得到的当前理论增益值gain_cal，计算当前系统的实际增益值gain_act；

${\mathrm{gain}}_{act}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{gain}}_{cal},& cpst=\&PlusMinus;1\\ {\mathrm{gain}}_{act}^{-1},& cpst=0\end{array}\right.$

其中，为上一时刻的实际增益值；

(5)通过公式gain＝max(gain_act,gain_min)进行增益校正，得到校正之后的增益值gain，即为AGC输出的增益，从而完成自动增益的控制；其中，gain_min为理论最小增益值。

理论最小增益值gain_min通过如下方式计算得到：

其中PEAK_TM2为无衰减LTETM2信号的峰值，PEAK_TM3为无衰减LTETM3信号的峰值。

当输入信号为未经过衰减的LTE信号时，系统的增益为最小增益，因此，对于TM2信号：

PEAK_TM2×gain_min<2^k-1-1

对于TM3信号：

PEAK_TM3×gain_min<2^k-1-1

取二者之中的较小值，因此有对于16位的ADC，有gain_min＝5。

本发明方法在设计时已考虑到了后续的应用，因此基于本方法的模型可以在Simulink环境下使用所提供的可HDL编码的模块直接搭建而成，并通过Matlab自带的功能转换成VerilogHDL代码，经测试并简单修改之后烧录到FPGA中，对ADC之后的数字信号进行自动增益控制，为某新型通信系统的算法模块提供符合需求的输入信号。

在上述参数设置下，分别将LTE的TM2与TM3信号分段取不同的功率作为输入进行仿真，仿真结果如图2和图3所示。图2(a)选用三段LTETM2信号共14337×3＝43011个采样作为AGC的输入信号。第一段是原始功率的TM2信号，第二段将第一段信号(的电平值)衰减了20dB，第三段将第一段信号衰减了10dB，纵坐标的范围是[-2500,2500]；图2(b)是AGC的输出信号，纵坐标的范围是[-32767,32767]；图2(c)是AGC的输出增益，纵坐标的范围是[0,1500]；图2(d)是监控整个模拟过程是否产生了过饱和现象，0表示未产生，1表示在当前时刻产生。图2(b)的结果表明，本方法能够使AGC的输出信号足够大。虽然在图2(b)上看，输出信号还有继续增大的空间，可通过提高dcdp(或p)的值实现，但是结合TM3信号的情况即图3(b)来看，更大的dcdp(或p)值将导致TM3信号输出过饱和，因此这里也证明了dcdp(和p)的取值是合适的。

图2(c)表明，本方法输出的增益是阶跃性的变化，与传统的AGC的逐步变化相比延迟更小，此外，图2(c)表明本方法可迅速判断输入信号功率发生变化的时刻，并对稳定功率的信号给出恒定的增益，因而信号的峰均比不变。结合图2(b)各阶段信号的输出值可见，本方法对增益的计算是准确的。在图2(d)中，产生了极小的一段过饱和现象，这是由AGC固有的延迟产生的，在本方法中虽然可通过减小dcdp(或m)实现，然而减小dcdp(或m)将导致整个第三段信号的增益降低，总体上看对性能的损失更大，因为即使保证了图2(d)中过饱和时刻的输出值回到了数字ADC能表示的范围内，该值仍无法表示实际输出信号的情况，并导致其后的信号对ADC位数占用率降低。

图3与图2的不同之处在于，图3(a)使用的是TM3信号作为输入(后两段衰减方式是相同的)，并且图3(a)的纵坐标范围是[-6500,6500]，图3(c)的纵坐标范围是[0,550]，除此之外与TM2均相同。图2和图3共同证明了本方法能够同时适用于LTE的TM2和TM3信号。此外，图2所指出的本方法对输入信号为TM2时的性能的优势在输入信号为TM3的图3中依然存在。

Claims (8)

1.一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据输入信号在一段时间内的动态均方根值和前一时刻的动态均方根值判断当前输入信号是功率稳定状态还是处于功率变化状态，同时给出增益补偿信号cpst；所述一段时间的长度为T_D；

(2)根据步骤(1)中输出的增益补偿信号cpst计算当前增益的补偿值cv；

(3)根据步骤(2)中得到的当前增益的补偿值cv计算当前理论增益值gain_cal；

(4)根据步骤(1)中输出的增益补偿信号cpst和步骤(3)中得到的当前理论增益值gain_cal，计算当前系统的实际增益值gain_act；

${\mathrm{gain}}_{act}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{gain}}_{cal},& cpst=\&PlusMinus;1\\ {\mathrm{gain}}_{act}^{-1},& cpst=0\end{array}\right.$

其中，为上一时刻的实际增益值；

(5)通过公式gain＝max(gain_act,gain_min)进行增益校正，得到校正之后的增益值gain，即为AGC输出的增益，从而完成自动增益的控制；其中，gain_min为理论最小增益值。

2.根据权利要求1所述的一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：

若则当前输入信号处于功率增大状态，cpst＝-1；

若则当前输入信号处于功率衰减状态，cpst＝1；

若则当前输入信号是功率稳定状态，cpst＝0；

其中，

Upper：功率判断阈值上限；Lower：功率判断阈值下限。

3.根据权利要求1所述的一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，其特征在于：所述步骤(2)计算当前增益的补偿值cv具体为：

$cv=\left\{\begin{array}{cc}init+cpst\&times;p,& cpst=1\\ init,& cpst=0\\ init+cpst\&times;m,& cpst=-1\end{array}\right.$

其中，init为初始补偿因子；p为正向补偿系数；m为反向补偿系数。

4.根据权利要求1所述的一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，其特征在于：所述步骤(3)计算当前理论增益值gain_cal具体为：

${\mathrm{gain}}_{cal}=\frac{dcdp}{{\mathrm{RMS}}_{T_D}}\&times;cv$

其中，dcdp为增益决定因子。

5.根据权利要求4所述的一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，其特征在于：增益决定因子dcdp通过如下方式计算得到：

其中k为ADC的位数；i为对量化位数利用率的容忍量；PAR为无衰减LTE信号的峰均比，其中PAR_TM2为TM2信号的峰均比，PAR_TM3为TM3信号的峰均比。

6.根据权利要求1所述的一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，其特征在于：理论最小增益值gain_min通过如下方式计算得到：

PEAK为无衰减LTE信号的峰值，其中PEAK_TM2为TM2信号的峰值，PEAK_TM3为TM3信号的峰值。

7.根据权利要求2所述的一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，其特征在于：功率判断阈值上限Upper取值为0.9；功率判断阈值下限Lower取值为1.1。

8.根据权利要求3所述的一种用于数字通信的新型自动增益控制方法，其特征在于：初始补偿因子init的取值为1.0；正向补偿系数p的取值为1.1；反向补偿系数m的取值为0.3。