CN106612533A - 通信接收端及其自动增益控制方法 - Google Patents

Abstract

一种通信接收端及其自动增益控制方法。该通信接收端用来接收一输入信号，包含：一信号放大器，用来以一第一预设增益值或一第二预设增益值调整该输入信号以产生一第一调整信号；一模拟数字转换器，耦接该信号放大器，用来对该第一调整信号进行模拟至数字转换；以及一控制单元，耦接该模拟数字转换器，用来依据该模拟数字转换器的输出判断该模拟数字转换器是否饱和。该第一预设增益值与该通信接收端所处理的一第一输入信号强度及该模拟数字转换器的一量化噪声有关，而该第二预设增益值与该通信接收端所处理的一第二输入信号强度及该模拟数字转换器的一全功率有关，该第一输入信号强度小于该第二输入信号强度。

Description

通信接收端及其自动增益控制方法

技术领域

本发明涉及通信系统，尤其涉及无线通信系统的通信接收端及其自动增益控制方法。

背景技术

请参阅图1，其是现有信号接收端的功能方块图。由于接收端所接收到的信号强度是一个未知数，所以，接收端需要迅速地完成信号放大器110的增益值(gain)调整，如此才不会影响到信号的接收。而增益控制单元140调整增益值的速度将决定小区搜寻(cell search)的成功率，待小区搜寻完成后，后级电路150才可对已转换成数字格式的输入信号进行后续处理。在现有的增益调整过程中，功率估算单元130计算输入信号强度，而后增益控制单元140将所得信号强度与参考强度做比较以得到增益差值，再将差值回馈到信号放大器110。当模拟数字转换器(Analog to DigitalConverter,ADC)120发生饱和时，表示信号放大器110的增益值过大，然又无其他信息可得知适当增益值，所以是利用递减方式以收敛出该适当增益值(此机制可称为「闭回路控制机制」)；又在分时双工(Time-DivisionDuplexing,TDD)LTE(TDD-LTE)系统里(LTE为长期演进技术(LongTerm Evaluation)的简称)，上行(Up-Link,UL)与下行(Down-Link,DL)的组态在未同步前是未知的，上行与下行的信号强度差异极大，容易造成信号经信号放大器110后因增益过大造成模拟数字转换器(Analog to DigitalConverter,ADC)120信号饱和，或因增益不足造成信号过小使得ADC 120无法精准地反应出信号的内容；也或者在分频双工(Frequency-DivisionDuplexing,FDD)LTE(FDD-LTE)系统里，有可能在下行的子帧(subframe)中使用不同数量的资源区块(Resource Block,RB)，造成接收信号在子帧间强度变化不一。这都使采用闭回路控制机制的传统增益控制器需来来回回调整数次才能稳定，也因无法迅速反应造成小区搜寻成功机率大幅降低。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明众多目的之一在于提供一种通信接收端及其自动增益控制方法，以提高小区搜寻的成功机率。

本发明众多目的之一在于提供一种通信接收端及其自动增益控制方法，以减少小区搜寻所需的时间。

本发明公开一种通信接收端，用来接收一输入信号，包含：一信号放大器，用来以一第一预设增益值或一第二预设增益值调整该输入信号以产生一第一调整信号；一模拟数字转换器，耦接该信号放大器，用来对该第一调整信号进行模拟至数字转换；以及一控制单元，耦接该模拟数字转换器，用来依据该模拟数字转换器的输出判断该模拟数字转换器是否饱和；其中，该第一预设增益值与该通信接收端所处理的一第一输入信号强度及该模拟数字转换器的一量化噪声有关，而该第二预设增益值与该通信接收端所处理的一第二输入信号强度及该模拟数字转换器的一全功率有关，该第一输入信号强度小于该第二输入信号强度。

本发明公开一种应用于一通信接收端的一增益控制电路的增益控制方法，该增益控制方法包括有：在一第一阶段期间，利用一非闭回路机制对该增益控制电路进行增益控制；以及在位于该第一阶段期间后的一第二阶段期间，利用一闭回路机制对该增益控制电路进行增益控制。

本发明的通信接收端及其自动增益控制方法利用LTE的传输信号中规律出现的参考信号来作为小区搜寻的参考基准，并且依据LTE通信系统的规范中用户端(User Equipment,UE)所允许的最大及最小输入信号强度，并依据所使用的ADC的特性，来决定自动增益控制中所使用的高、低增益值。相较于现有技术，本发明提出更稳定的自动增益控制机制。

有关本发明的特征、实作与技术效果，兹配合附图作实施例详细说明如下。

附图说明

图1为现有信号接收端的功能方块图；

图2为FDD-LTE通信系统的帧架构及主同步信号与辅助同步信号的分配图；

图3为TDD-LTE通信系统的帧架构及主同步信号与辅助同步信号的分配图；

图4为本发明一实施例的LTE通信系统的信号接收端的功能方块图；

图5为对应图4的自动增益控制的流程图；

图6为本发明另一实施例的LTE通信系统的信号接收端的功能方块图；

图7为对应图6的自动增益控制的流程图；以及

图8为本发明自动增益控制的高增益值H及低增益值L与ADC的动态区间的关系图。

附图标记说明：

110、210、215 信号放大器

120、220、225 模拟数字转换器

130、230、235 功率估算单元

140、240 增益控制单元

150 后级电路

201 控制单元

S410～S490 步骤

具体实施方式

以下说明内容的技术用语是参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释是以本说明书的说明或定义为准。

本发明的公开内容包含通信接收端及其自动增益控制方法，由于本发明的通信接收端所包含的部分元件单独而言可能为已知元件，因此在不影响该装置发明的充分公开及可实施性的前提下，以下说明对于已知元件的细节将予以省略。此外，本发明的自动增益控制方法可以是软件及/或固件的形式，并且可通过本发明的通信接收端或其等效装置来执行，在不影响该方法发明的充分公开及可实施性的前提下，以下方法发明的说明将着重于步骤内容而非硬件。

从时域来看，LTE通信系统帧架构(frame structure)的一个帧为10ms，一个帧包含10个各为1ms的子帧，一个子帧可以再细分为2个时隙(slot)。依据系统定义的循环前缀(Cyclic Prefix,CP)长度的不同，每一个时隙有不同的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交分频多工)符号(symbol)个数。依据LTE通信系统的规格，如果是正常循环前缀(normal CP)，一个时隙有7个OFDM符号，而如果是延长循环前缀(extendCP)，则有6个OFDM符号在一个时隙内。

LTE通信系统在下行使用正交分频多址接入(Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access,OFDMA)技术，并有多个系统频宽可供选择，例如1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHz，信道频宽是由当地的系统业者所决定。以20MHz为例，共分为2048个子载波(sub-carrier)，其中靠近频率中心点的1200个为载有数据的子载波，而12个连续的子载波为一个数据区块(Resource Block,RB)，故20MHz的频宽在频域上对应100个数据区块的宽度。基站通过将这100个数据区块分配给不同的用户端，以达到多工的目地。其中，一个数据区块的时间长度为一个时隙，亦即一个数据区块包含一个时隙内12个连续子载波所载的数据。

此外，在FDD-LTE通信系统中，上行与下行各自在不同的射频频率同时传送与接收，而在TDD-LTE通信系统中，上行与下行是在相同的射频频率，所以无法同时传送与接收，亦即是传送与接收是在不同的子帧。因此在TDD-LTE通信系统中，用户端必须时常在上行与下行之间做切换(亦即连续两个子帧分别对应上行与下行)，而上行与下行所需的射频发射功率不同，所以在LTE通信系统中必须对自动增益有更精确的控制，以确保信号传送及接收无误。

图2为FDD-LTE通信系统的帧架构及主同步信号(PrimarySynchronization Signal,PSS)与辅助同步信号(Secondary SynchronizationSignal,SSS)的分配图。图中在时域上仅绘示连续信号的其中1个帧，以及在频域上仅绘示多个子载波的其中6个区段(每一区段包含12个子载波)；事实上，信号在时域及频域上有更多延伸。主同步信号及辅助同步信号呈现周期性，亦即每5个子帧出现一次。将第0个子帧的第1个子载波区段放大来看(此例为正常循环前缀，即1个时隙包含7个OFDM符号)，主同步信号及辅助同步信号分别位于第1个时隙的第6及第5个OFDM符号上，在其之前，有呈现周期性的参考信号(reference signal)。对正常循环前缀来说，参考信号出现在1个时隙的第0及第4个OFDM符号上，而对延长循环前缀来说，参考信号出现在1个时隙的第0及第3个OFDM符号上；也就是说，事实上参考信号每3～4个OFDM符号即出现一次。

类似地，主同步信号、辅助同步信号以及参考信号在TDD-LTE通信系统中也同样呈现周期性。如图3所示，主同步信号及辅助同步信号同样每5个子帧出现一次，将对应第1个子载波区段的第0个及第1个子帧放大来看，主同步信号与辅助同步信号相隔2个OFDM符号。图3所绘示的同样为正常循环前缀，因此参考信号出现在1个时隙的第0及第4个OFDM符号上，而对延长循环前缀来说，参考信号出现在1个时隙的第0及第3个OFDM符号上。

用户端可以依据参考信号此一规律性，来设定一计数周期T，在此计数周期内估算接收信号的强度Ps，并且将此信号强度Ps与预设的参考强度Pr做比较来调整增益，以及依据信号强度Ps的变化量来决定是否重新调整增益。因此，用户端得以在接收主同步信号及辅助同步信号前，完成信号放大器的增益值设定，以确保同步信号可以被正确地接收。除了上述的主同步信号、辅助同步信号以及参考信号之外，不论是FDD-LTE通信系统或是TDD-LTE通信系统，下行信道在物理层还包含诸如物理控制信道(Physical Control Channel,PDCCH)及物理数据信道(Physical Data ShareChannel,PDSCH)等信号。然而，PDCCH信号所占的OFDM符号数不固定，而PDSCH信号中的数据区块个数为任意值，因此在LTE通信系统中进行自动增益控制时，还必须克服PDCCH信号及PDSCH信号的上述不确定性，以及TDD-LTE通信系统在上行与下行组态之间切换所造成的接收信号强度大幅改变的情况。

图4为本发明一实施例的LTE通信系统的信号接收端的功能方块图，图5为其相对应的自动增益控制的流程图。LTE通信系统的信号接收端包含控制单元201、信号放大器210、ADC 220、功率估算单元230、增益控制单元240以及后级电路150。一开始先重新启动整个系统，例如控制单元201清除一些暂存数据及重置计数器等动作，并且将功率估算单元230的信号强度Ps归零(步骤S410)。接着控制单元201控制信号放大器以高增益值H接收输入信号以及令计数器开始计数，并且功率估算单元230估算输入信号的信号强度Ps(步骤S420)。在计时器的计数值C到达计数周期T之前，控制单元201持续监控输入信号是否会造成ADC饱和(若有信号截波(signal clipping)发生即代表ADC饱和)(步骤S430及步骤440)，当此两步骤都判断为否，信号放大器210持续以高增益值H接收输入信号并且功率估算单元230持续估测输入信号的信号强度Ps(步骤S420)；如果在上述的过程中皆未发生ADC饱和且计时器的计数值C已到达计数周期T(步骤S440判断为是)，则增益控制单元240依据测得的信号强度Ps与预设的参考强度Pr做比较来设定信号放大器210增益值，因此信号放大器210可将输入信号调整至更适合ADC 220取样的状态(步骤S470)。然而上述的过程中若一旦发生ADC饱和(步骤S430判断为是)则控制单元201立即采用低增益值L接收输入信号，详细而言，控制单元201立即重置计数周期T及信号强度Ps(步骤S450)、控制信号放大器210改以低增益值L接收输入信号并令计数器重新计数，并且功率估算单元230重新估算输入信号的信号强度Ps(步骤S455)。同样的，在计数周期T的内信号放大器210持续以低增益值L接收输入信号并且功率估算单元230持续估测输入信号的信号强度Ps。当计时器的计数值C到达计数周期T(步骤S460判断为是)，则增益控制单元240同样依据测得的信号强度Ps与预设的参考强度Pr做比较来设定增益值(步骤S470)。换言之，步骤S410至步骤S470是采用「非闭回路机制」进行自动增益控制。步骤S470结束代表增益值已调整完毕，系统可以依据此理想的增益值接收输入信号。然而如果之后输入信号的强度发生变化(例如在TDD-LTE通信系统中，从上行状态切换到下行状态，反的亦然)，则必须重新决定增益值，以免旧的增益值造成ADC饱和。因此当增益值设定完成后，控制单元201还必须通过功率估算单元230的运算，持续监控信号强度Ps(步骤S480)，而且当连续两次测得的信号强度Ps的变化量超过预设的临界值时(步骤S490判断为是)，则控制单元201重新进行自动增益控制(回到步骤S410)。在一实施例中，在步骤480是采用「闭回路机制」进行自动增益控制。

当用户端支持两组接收电路，如图6所示，本发明的LTE通信系统的信号接收端还包含功率放大器215、ADC 225及功率估算单元235，其相对应的自动增益控制流程如图7所示。系统重新启动(步骤S410)后，控制单元201控制信号放大器210及215同时接收输入信号，但其中之一使用高增益值H，另一使用低增益值L，而同时功率估算单元230及235开始进行信号强度Ps的估算(步骤S420及S455)。也就是说高增益模式与低增益模式的信号强度估算可以同时进行，以下假设信号放大器215、ADC 225及功率估算单元235为高增益模式，信号放大器210、ADC 220及功率估算单元230为低增益模式。接下来在计数值到达计数周期之前(即步骤S440判断为否)，控制单元201依据ADC 225的输出监控ADC 225是否饱和(步骤S435)。等高增益模式与低增益模式的信号强度估算都结束后(步骤S440判断为是)，依据ADC 225是否饱和来设定增益值(步骤S475)。更明确地说，如果ADC 225没有饱和，则在步骤S475中控制单元201将功率估算单元235所测得的信号强度Ps输出给增益控制单元240做判断；否则，则将功率估算单元230所测得的信号强度Ps输出给增益控制单元240，换言的，步骤S410至步骤S475是采用「非闭回路机制」进行自动增益控制。最后同样以步骤S480及步骤S490持续监控信号强度Ps。由此可知，当用户端支持两个接收电路时，自动增益控制的收敛过程可加快一倍。在一实施例中，在步骤480及步骤S490是采用「闭回路机制」进行自动增益控制。

上述的高增益值H与低增益值L的设定与ADC以及LTE通信系统的特性有关。在LTE通信系统的规范里，用户端允许的最大输入信号强度(maximum input signal power)P_max为-25dBm，而允许的最小输入信号强度(或称为小区搜寻的最低灵敏度)P_min的定义为同步信号平均接收功率(SCH_RP)-127dBm，因同步信号载有62个子载波，换算为信号强度，可得P_min＝-127+10×log₁₀(62)＝-109dBm。ADC的全功率(full scalelevel)P等于

P＝10×log₁₀(1/50)+30＝13.01dBm （1)

其中数值50代表一般阻抗匹配的电阻值，数值30为转换为dBm的倍数。假设ADC的有效比特数为B比特，则此ADC的量化噪声(quantizationnoise)功率为

Q＝P-(6.02×B+1.76)dBm (2)

以下请参考图8以更加了解本发明如何依据ADC的动态区间(dynamicrange)、最大输入信号强度P_max以及小区搜寻的最低灵敏度P_min来决定高增益值H以及低增益值L。

1.设定低增益值L的关键在于，当输入信号的强度为P_max时，经过信号放大器放大后的强度不可大于信号饱和电平S。此信号饱和电平S代表ADC操作时不饱和的容许值，与全功率P应至少相差ADC的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)，即信号饱和电平S＝P-FAPR，则低增益值L可决定为L＝S-P_max；

2.设定高增益值H的关键在于，当输入信号的强度为P_min时，经过信号放大器放大后的强度应落于信号强度估算的容许误差值内。假设信号强度估算容许误差为ΔxdB，为避免因量化噪声所造成的信号强度估算误差，则最小输入信号经前端的增益放大后需比量化噪声功率高ΔQ

即有效信号电平E＝Q+ΔQ。因此可决定高增益值H的下限为H≥E-P_min。同时，为保证在高增益与低增益的切换点依然满足容许误差Δx的要求，意即在高增益模式下发生接收信号饱和而立即切换至低增益模式时，高增益值H须满足S-H+L≥E。综合以上条件可得到高增益值H的范围如下：E-P_min≤H≤S-E+L；

3.为了得到稳定的接收功率估算，需选择适当的计数周期T。如图2及图3所示，不论是FDD-LTE通信系统或是TDD-LTE通信系统，每个子帧中共有4个OFDM符号传送参考信号，分别落在第0、4、7、11的OFDM符号上(此为正常循环前缀的情况，对延长循环前缀而言，参考信号落在第0、3、6、9的OFDM符号上)。计时器的计时区间应至少包含一个参考符号，以避免因数据区块未传送数据时造成的接收功率估算的严重误差；也就是说，对正常循环前缀而言，计数周期T应该大于等于4个OFDM符号，对延长循环前缀而言，计数周期T应该大于等于3个OFDM符号。依据图4的流程，最多只需要2个计数周期T即可确定增益值，而对TDD-LTE通信系统来说(如图3所示)，自1个帧的起始点至同步信号到达之前，共有13个OFDM符号(大于3个计数周期T)，所以系统在这3次的增益值调整机会中必可达到稳定；而如果依据图5的流程(用户端支持两个接收电路)，理想状况下只需要1个计数周期T即可确定增益值；

4.计时器的计数值C在正常计数下可表示为C＝mod(C+1，T)；

5.参考强度Pr必须考量在一个子帧中数据区块传送的密度，相较于计数周期内的数据区块完全不传送数据而只有参考信号的情况，参考强度Pr须保留足够空间以避免信号饱和，因此参考强度Pr可表示成：

其中N_sym是在1个计数周期T内OFDM符号的个数，N_RS是1个OFDM符号内子载波区段的个数，12代表1个子载波区段所包含的子载波个数，2代表1个子载波区段内参考信号所占有的子载波个数；

6.信号强度Ps的估算可以是射频电路提供的接收信号强度指标(Received Signal Strength Indicator；RSSI)，或是在数字端的表示为

x(t)系数字输入信号，T是计数周期。

以有效位数为12比特的ADC为例，高增益值H及低增益值L可以由以下的步骤计算得到：

1.定义ADC的动态区间，P＝13.01dBm，Q＝－60.99dBm；

2.设PAPR为12dB，则S＝13.01-12＝1.01dBm，L＝13-12-(-25)＝26dB；

3.设信号强度允许的误差量为1dB，ΔQ＝5.86dB，E＝-60.99+5.86＝-55.13dBm，H的范围53.87≤H≤82.14，选择H＝60dB；

4.换算高低增益的切换点在13.01-12-60＝-58.99dBm。

由于本技术领域技术人员可通过图4及图6的装置发明的公开内容来了解图5及图7的方法发明的实施细节与变化，因此，为避免赘文，在不影响该方法发明的公开要求及可实施性的前提下，重复的说明在此予以省略。请注意，前揭附图中，元件的形状、尺寸、比例以及步骤的顺序等仅为示意，是供本技术领域技术人员了解本发明之用，非用以限制本发明。

虽然本发明的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域技术人员可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种通信接收端，用来接收一输入信号，其特征在于，包含：

一第一信号放大器，用来以一第一预设增益值或一第二预设增益值调整该输入信号以产生一第一调整信号；

一第一模拟数字转换器，耦接该第一信号放大器，用来对该第一调整信号进行模拟至数字转换；以及

一控制单元，耦接该第一模拟数字转换器，用来依据该第一模拟数字转换器的输出判断该第一模拟数字转换器是否饱和；

其中，该第一预设增益值与该通信接收端所处理的一第一输入信号强度及该第一模拟数字转换器的一量化噪声有关，而该第二预设增益值与该通信接收端所处理的一第二输入信号强度及该第一模拟数字转换器的一全功率有关，该第一输入信号强度小于该第二输入信号强度。

2.如权利要求1所述的通信接收端，还包含：

一估算单元，耦接该第一模拟数字转换器，用来在一预设时间内估算该第一调整信号的强度以产生一估算强度；

其中在该预设时间内，该输入信号的多个正交分频多工符号的其中之一包含一参考信号。

3.如权利要求2所述的通信接收端，还包含：

一增益控制单元，耦接该第一信号放大器，用来依据该估算强度及一参考强度产生该第一信号放大器据以调整该输入信号的一增益值；

其中该参考强度是与该参考信号在该输入信号的一子载波区段内所占的子载波个数有关。

4.如权利要求2所述的通信接收端，其中该输入信号是包含长期演进技术通信系统的一正常循环前缀，且该预设时间大于等于4个正交分频多工符号的等效时间。

5.如权利要求2所述的通信接收端，其中该输入信号是包含长期演进技术通信系统的一延长循环前缀，且该预设时间大于等于3个正交分频多工符号的等效时间。

6.一种应用于一通信接收端的一增益控制电路的增益控制方法，其特征在于，该增益控制方法包括有：

在一第一阶段期间，利用一非闭回路机制对该增益控制电路进行增益控制；以及

在位于该第一阶段期间后的一第二阶段期间，利用一闭回路机制对该增益控制电路进行增益控制。

7.如权利要求6所述的增益控制方法，其中，该通信接收端包括有一模拟数字转换器，其中，该非闭回路机制包括有：

依据该模拟数字转换器是否饱和来决定以一第一预设增益值与一第二预设增益值的其一对该增益控制电路进行增益控制；

其中，该第一预设增益值与该通信接收端所处理的一第一输入信号强度及该模拟数字转换器的一量化噪声有关，而该第二预设增益值与该通信接收端所处理的一第二输入信号强度及该模拟数字转换器的一全功率有关，该第一输入信号强度小于该第二输入信号强度。

8.如权利要求7所述的增益控制方法，还包含：

以该第一预设增益值及该第二预设增益值的其中之一调整一输入信号；

在一预设时间内估算调整后的该输入信号的一估算信号强度；

其中，在该预设时间内，该输入信号的多个正交分频多工符号的其中之一包含一参考信号。

9.如权利要求8所述的增益控制方法，还包含：

于该预设时间内，判断调整后的该输入信号是否造成该模拟数字转换器饱和。

10.如权利要求8所述的增益控制方法，还包含：

依据该估算信号强度及一参考强度产生该通信接收端据以调整该输入信号的一调整增益值；

其中该参考强度是与该参考信号在该输入信号的一子载波区段内所占的子载波个数有关。