CN105429716B - 一种适用于多通道的快速功率检测与自动增益系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于多通道的快速功率检测与自动增益系统及方法，包括N个天线、N路射频衰减器、检波分路、信号处理分路、帧定时模块以及AGC模块，每路射频衰减器的输入端分别接收N个天线接收到的空间无线信号，经过每路射频衰减器后的信号分成两路，一路经过检波分路后进入AGC模块，另一路进入信号处理分路；AGC策略制定模块根据单个天线的功率结合预存的射频链路预算表，生成射频衰减控制信号和中频衰减控制信号，射频衰减控制信号用于控制N路射频衰减器，中频衰减控制信号控制N路中频衰减器。本发明能够实现多个通道下时分用户的快速功率检测与自动增益控制，从而防止接收AD饱和，达到信号最佳接收的目的。

Description

一种适用于多通道的快速功率检测与自动增益系统及方法

技术领域

本发明涉及一种智能天线领域中无线信号能量快速检测与自动增益控制方案，可以有效实现智能天线系统中接收信号能量快速检测与自动增益控制。

背景技术

在智能天线系统中，系统使用多个射频通道接收射频信号，在基带合成接收到的多通道信号。在用户多址方式上，智能天线系统通常使用时分多址方式分配用户时隙，由于不同用户与智能天线系统距离的差别很大，造成到达智能天线系统时功率差异很大，也就意味着智能天线系统在不同用户时隙之间的接收功率存在大幅度的跳变，如何实现多个通道下不同用户时隙的快速功率检测与自动增益控制是智能天线系统一个必须解决的重要问题。

目前智能天线系统中大都基于用户时隙进行系统业务分配，一般的无线帧时隙结构如图2所示，在时分帧结构设计时会在每个用户时隙预留前导区域发射固定的恒定功率信号用于接收信号能量检测和自动增益控制，但是为了尽可能降低开销，时隙前导部分通常时间很短，有时只有1微秒左右。在物理层处理时，每个时隙下的业务分配无法准确得知，两个用户时隙之间可能出现很大幅度的功率跳变，此时需要一种快速无线信号检测装置与自动增益控制方案，以便在时隙前导的很短时间内检测无线信号能量，对接收无线信号快速实施AGC。

现有的AGC方法是通过检测数据AD(即图2中AD1～ADN)信号能量估算天线口处信号功率，这种AGC方法一般是通过记忆一个用户的上一时隙的AGC值，在上一时隙的基础上通过检测天线口信号功率调节增益值。这种方法虽然能够实现多个通道下不同用户时隙的快速功率检测与自动增益控制，但是还存在缺点：需要明确得知用户的时隙分配，但在一些场合下用户的时隙分配对物理层是不可知的，这个时候该AGC方法就无法使用。

例如专利号为CN201410477428-一种基于FPGA的超短波电台数字AGC控制系统和方法，它通过检波器检测出的中频场强指示信号IF_RSSI为模拟信号，由A/D转换器将此模拟信号转换成数字信号，并送入FPGA。FPGA采用滑动窗滤波的算法进行信号处理，获得中频信号的平均值，FPGA根据该中频场强指示信号IF_RSSI进行判断，通过RFAGC、IFAGC1和IFAGC2信号线来控制数控衰减器I、数控衰减器II，通过SPI接口控制可变增益放大器，实现中频信号的输出恒定。

该现有技术的缺点如下：

(1)只适用于单个射频通道的AGC控制，无法实现智能天线中多个射频通道的能量检测与功率估计；

(2)信号检测与控制速度慢。由于检测AD速度只有1.25Mbps，无法实现快速功率检测与自动增益控制。尤其是要求功率检测和控制时间在1us以内应用场合。

(3)未实现同步检测与控制。AGC控制如果不能和用户时隙对齐，则可能破坏用户时隙数据，造成传输误码。

发明内容

为了解决背景技术所存在的技术问题，本发明提供一种适用于多通道的快速功率检测与自动增益系统及方法，本发明能够实现多个通道下时分用户的快速功率检测与自动增益控制，从而防止接收AD饱和，达到信号最佳接收的目的。

本发明的技术解决方案：

一种适用于多通道的快速功率检测与自动增益系统，其特殊之处在于：包括N个天线、N路射频衰减器、检波分路、信号处理分路、帧定时模块以及AGC模块，

所述检波分路包括依次连接的合路器、检波器和检波AD电路，所述信号处理分路包括依次连接的混频器与放大器、N路中频衰减器和N路AD；

每路射频衰减器的输入端分别接收N个天线接收到的空间无线信号，经过每路射频衰减器后的信号分成两路，一路经过检波分路后进入AGC模块，另一路进入信号处理分路；

所述帧定时模块向AGC模块提供时隙头指示信号，所述AGC模块预存有射频链路预算表和检波器的器件特性曲线；

所述AGC模块包括时隙头检测模块、电压检测模块、采集计数与平均电压计算模块、功率查询模块、单天线功率计算模块以及AGC策略实施模块，

所述时隙头检测模块用于检测帧定时模块提供的时隙头指示信号，并触发电压检测模块开始电压采集；

所述电压检测模块在时隙头检测模块的触发下，进行电压检测；

所述采集计数与平均电压计算模块用于记录电压的采集次数，并根据电压检测模块采集的电压计算电压平均值；

所述功率查询模块用于根据电压平均值在预存的检波器的器件特性曲线中查询对应的功率值P，即为天线的总功率；

所述单天线功率计算模块根据天线的总功率计算单个天线上的功率；

所述AGC策略制定模块根据单个天线的功率结合预存的射频链路预算表，生成射频衰减控制信号和中频衰减控制信号，射频衰减控制信号用于控制N路射频衰减器，中频衰减控制信号控制N路中频衰减器。

单个天线的功率Pi按照下面公式计算

Pi＝(P-10log(N)+6)dbm

其中P为总接收功率，N为天线个数。

上述电压检测模块包括采集模块和电压跳变沿检测模块，当时隙类型为接入时隙时，电压跳变沿检测模块做电压跳变检测，检测到跳变边沿后，采集模块进行电压采集；当时隙类型为用户时隙时，跳过电压跳变沿检测模块，采集模块直接进行电压采集。

一种适用于多通道的快速功率检测与自动增益方法，其特殊之处在于：

包括以下步骤：

1】接受N路空间无线信号；

2】经过射频衰减器分成两路；

3】检测：

其中一路信号依次经过混频器与放大器、N路中频衰减器和N路AD，进行信号处理，另外一路经过合路后进行检波和信号功率检测；

4】自动增益控制：

4.1】一路经过合路器、检波器，后通过检波AD，测量总的电压信号；

4.2】在检测到帧定时模块提供的时隙头指示信号时，触发下开始电压采集，同时记录电压的采集次数；

4.3】根据采集的电压和记录的采集次数计算电压平均值；

4.4】根据电压平均值，在预存的检波器的器件特性曲线中查询对应的功率值P，即为天线的总功率；

4.5】根据总功率计算得到每根天线的功率，后结合预存的射频链路预算表，生成射频衰减控制信号和中频衰减控制信号，射频衰减控制信号用于控制N路射频衰减器，中频衰减控制信号控制N路中频衰减器，

单个天线的功率Pi按照下面公式计算

Pi＝(P-10log(N)+6)dbm

其中P为总接收功率，N为天线个数。

当时隙头指示信号为接入时隙头指示信号，步骤4.2】为：首先做电压跳变检测，检测到跳变边沿后，在进行电压采集；

当时隙类型为用户时隙时，步骤4.2】为：跳过电压跳变检测，直接进行电压采集。

电压信号时，计数16次。

本发明所具有的优点：

1.支持多通道系统。本发明适用于多通道的智能天线系统，可以实现多通道下的快速功率检测与自动增益控制；

2.检测和控制速度快。可以实现微秒级别的检测和控制，在速度方面优于目前的AGC控制方案；

3.方案简单、易于实现。只需要在现有智能天线系统中加入一个合路器、一个检波器和一个AD即可实现。

附图说明

图1为AGC结构框图；

图2为为智能天线系统中一个典型的帧结构；

图3为本发明的多通道的快速功率检测与自动增益系统结构图；

图4为检波器的一个典型的功率电压特性曲线。

具体实施方式

本发明提出一种无线信号能量快速检测与自动增益控制方案。其中无线能量检测装置由放大与合路系统，检波系统，AGC及逻辑控制四个部分组成。

如附图3所示，天线接收空间无线信号，经射频衰减器后每个通道射频信号分为两路，一路进合路器完成多通道信号合成后送往检波器，由检波器完成从信号能量到电压的转换。另外一路进入正常的信号处理通道，经变频、放大、滤波等处理后送往数据AD(AD1-ADN)，FPGA通过数据AD完成数据采集，经过变频滤波以及接收天线赋形(BEAMFORMING)，送往定时同步模块完成同步，随后对同步后的数据完成解调与译码工作。

转换后的电压送往检波AD进行模数转换，由于快速AGC的反应时间控制在1us以内，对检波AD反应时间要求很高，一般要求AD转换速率不低于50MHz。

FPGA内部通过帧定时模块生成各个时隙的时隙头指示信号，作为FPGA内部各个模块的定时基准信号。由于时分系统中用户业务都是按照时隙分配的，为了不破坏数据，AGC控制只能放在时隙前导处进行。因此AGC模块需使用时隙头指示信号进行触发和数据采集。

AGC模块包含的数据处理流程如图1所示。它包括电压采集模块、计数器与平均电压计算模块、功率查询模块和AGC策略实施模块，电压采集模块在帧定时模块提供的时隙头指示信号触发下开始电压采集。当时隙类型为接入时隙时，采集的电压首先要做电压跳变检测，检测到跳变边沿后才进行后续操作，在时隙类型为用户时隙时跳过电压跳变检测模块。计数器用于记录电压的采集次数；平均电压计算模块用于根据电压采集模块采集的电压和计数器记录的采集次数计算电压平均值，功率查询模块用于根据电压平均值在预存的检波器的器件特性曲线中查询对应的功率值P，即为天线的总功率；根据公式Pi＝(P-10log(N)+6)dbm得到单个天线上的功率，AGC策略制定模块根据单个天线的功率结合预存的射频链路预算表，生成射频衰减控制信号和中频衰减控制信号，射频衰减控制信号用于控制N路射频衰减器，中频衰减控制信号控制N路中频衰减器。接收时隙一般分为接入时隙和用户时隙两种。在接入时隙下，用户信号到达时间不可准确预知，只能在一定范围内存在；在用户时隙下，用户信号到达时间和用户时隙头指示准确对齐。根据接收时隙类型不同，AGC的控制策略也有差异。

在用户时隙下，首先对射频通道进行一个预置增益，预置增益保证射频增益为最大，FPGA对检波AD的数据进行采集后，做多点平均，如用50MHzAD采样下采样平均点数为16点。采样和平均结束后，根据检波器的器件特性曲线，可由当前电压值反查得到功率值P，一个典型的特性曲线如图4所示。由于得到功率为多天线合路功率，要得到单个天线功率还要进行单个天线功率折算，由于智能天线各个天线要保证视距接收，并且用户信号近似平行入射，实际上各个天线间功率差异不大，对于N个天线而言，其中N＞1，单个天线功率大致为(P-10log(N))dbm，为了防止天线间功率不平衡，实际计算时会预留6db余量，即单个天线功率大致为(P-10log(N)+6)dbm。

功率计算完成后，根据功率和射频电路预算实施AGC控制策略，根据不同功率设置对应AGC值。在本系统中，射频衰减器衰减值为30db，只有1个档位，中频衰减器可变增益为30db，步进为6db，分为5个档位，因此根据功率对应的阈值(阈值可以根据射频链路预算给出)，实现增益快速控制目的。控制表格如表1所示。

表1控制表

输入功率范围	射频增益	中频增益
			小于THR0	30	30
THR0-THR1	30	24
			THR1-THR2	30	18
THR3-THR4	30	12
			THR4-THR5	30	6
THR5-THR6	30	0
			THR6-THR7	0	24
THR7-THR8	0	18
			THR8-THR9	0	12
THR9-THR10	0	6
			大于THR10	0	0

在接入时隙下，为了防止小信号无法接入首先预置射频增益为最大，FPGA对检波AD的数据进行连续采集，由于用户接入时会在接收功率上有变化，反应在检波AD上会有电压跳变，因此对检波AD数据做跳变边沿检测。检测到跳变边沿后连续采样16点数据做平均，根据当前电压值反查得到功率值P，后续采用和用户时隙相同的处理策略进行功率计算，查表后执行AGC策略。

Claims (5)

1.一种适用于多通道的快速功率检测与自动增益系统，其特征在于：包括N个天线、N路射频衰减器、检波分路、信号处理分路、帧定时模块以及AGC模块，

所述检波分路包括依次连接的合路器、检波器和检波AD电路，所述信号处理分路包括依次连接的混频器与放大器、N路中频衰减器和N路AD；

每路射频衰减器的输入端分别接收N个天线接收到的空间无线信号，经过每路射频衰减器后的信号分成两路，一路经过检波分路后进入AGC模块，另一路进入信号处理分路；

所述帧定时模块向AGC模块提供时隙头指示信号，所述AGC模块预存有射频链路预算表和检波器的器件特性曲线；

所述AGC模块包括时隙头检测模块、电压检测模块、采集计数与平均电压计算模块、功率查询模块、单天线功率计算模块以及AGC策略实施模块，

所述时隙头检测模块用于检测帧定时模块提供的时隙头指示信号，并触发电压检测模块开始电压采集；

所述电压检测模块在时隙头检测模块的触发下，进行电压检测；

所述采集计数与平均电压计算模块用于记录电压的采集次数，并根据电压检测模块采集的电压计算电压平均值；

所述功率查询模块用于根据电压平均值在预存的检波器的器件特性曲线中查询对应的功率值P，即为天线的总功率；

所述单天线功率计算模块根据天线的总功率计算单个天线上的功率；

所述AGC策略制定模块根据单个天线的功率结合预存的射频链路预算表，生成射频衰减控制信号和中频衰减控制信号，射频衰减控制信号用于控制N路射频衰减器，中频衰减控制信号控制N路中频衰减器；

单个天线的功率Pi按照下面公式计算

Pi＝(P-10log(N)+6)dbm

其中P为总接收功率，N为天线个数。

2.根据权利要求1所述的适用于多通道的快速功率检测与自动增益系统，其特征在于：所述电压检测模块包括采集模块和电压跳变沿检测模块，当时隙类型为接入时隙时，电压跳变沿检测模块做电压跳变检测，检测到跳变边沿后，采集模块进行电压采集；当时隙类型为用户时隙时，跳过电压跳变沿检测模块，采集模块直接进行电压采集。

3.一种适用于多通道的快速功率检测与自动增益方法，其特征在于：

1】接受N路空间无线信号；

2】经过射频衰减器分成两路；

3】检测：

其中一路信号依次经过混频器与放大器、N路中频衰减器和N路AD，进行信号处理，另外一路经过合路后进行检波和信号功率检测；

4】自动增益控制：

4.1】一路经过合路器、检波器，后通过检波AD，测量总的电压信号；

4.2】在检测到帧定时模块提供的时隙头指示信号时，触发下开始电压采集，同时记录电压的采集次数；

4.3】根据采集的电压和记录的采集次数计算电压平均值；

4.4】根据电压平均值，在预存的检波器的器件特性曲线中查询对应的功率值P，即为天线的总功率；

4.5】根据总功率计算得到每根天线的功率，后结合预存的射频链路预算表，生成射频衰减控制信号和中频衰减控制信号，射频衰减控制信号用于控制N路射频衰减器，中频衰减控制信号控制N路中频衰减器；

单个天线的功率Pi按照下面公式计算

Pi＝(P-10log(N)+6)dbm

其中P为总接收功率，N为天线个数。

4.根据权利要求3所述的适用于多通道的快速功率检测与自动增益方法，其特征在于：

当时隙头指示信号为接入时隙头指示信号，步骤4.2】为：首先做电压跳变检测，检测到跳变边沿后，在进行电压采集；

当时隙类型为用户时隙时，步骤4.2】为：跳过电压跳变检测，直接进行电压采集。

5.根据权利要求4所述的适用于多通道的快速功率检测与自动增益方法，其特征在于：电压信号时，计数16次。