CN107018563B - 针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法，包含：计算当前数据帧平均功率与参考功率差值，根据差值对功率增益系数进行阶梯式修正调整；将调整后的功率增益系数转化为幅度增益值，并根据上一帧数据的增益系数进行乘积计算，得到最终信号输出。本发明方法简单，易于实现，计算功率差值，对步进功率增益系数采用类抛物线式非线性方法进行阶梯式修正；将功率系数转化为增益值并通过上一帧数据的信号增益系数进行乘积计算，有效解决浮点向转换定点的量化误差问题并改善信号的听辨效果，易于实现、可靠性高，具有较强的实际应用价值。

Description

针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法

技术领域

本发明属于数字式自动增益控制技术领域，特别是针对宽带系统信道化以后窄带信号的增益控制问题，提供一种针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法。

背景技术

随着信号处理技术的快速发展，宽带信号处理系统已广泛用于通信信号侦察、电子信息对抗、无线电监测、遥测与导航等诸多领域。在实际宽带系统中，为满足前端A/D处理动态范围的要求，常利用模拟自动增益或数字自动增益电路调整信号幅度。模拟自动增益控制通常由可变增益的放大器或可变衰减器组成，根据最佳的动态范围完成增益控制，但该方法受到硬件限制难以实现灵活、复杂的增益控制。数字增益控制的原理和模拟相似，但不同在于数字采用了通用数字集成电路设计，灵活性高、易于实现相对复杂增益控制方法。但在一些场合，如宽带短波信号处理系统，由于窄带、时变、衰落(时间、频率选择性)的电离层信道，导致通带内信号密集且同一时刻不同信号之间、不同时刻同一信号的能量差最大可达数十dB。即便高性能的数字AGC电路难以完成每个频点和每个时刻的信号幅度调整。

根据软件无线电思想，宽带信道化是一种常用的处理方法，其思想是在频域将宽带系统信道化成许多个窄带信号，再对每个信道化后的窄带信号进行运算、解调等处理。信道化后的每个窄带范围内一般只存在单个或有限个信号，此时，同一时刻不同信号之间能量差别较小，而同一信号在不同时刻的能量可能仍有较大衰落。信号能量随时间的变化会对信号的听辩和解调产生影响。前者体现在音量的起伏，后者体现在定点解调时浮点数向定点数转换时的量化误差。

发明内容

针对现有宽带信号处理系统信道化后窄带信号能量随时间起伏对听辨和基于定点格式数据解调的影响问题，本发明提供一种针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法，有效改善浮点转换定点的量化误差。

按照本发明所提供的设计方案，一种针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法，包含如下步骤：

步骤1、计算当前数据帧平均功率与参考功率差值，根据差值对功率增益系数进行阶梯式修正调整；

步骤2、将调整后的功率增益系数转化为幅度增益值，并根据上一帧数据的增益系数进行乘积计算，得到最终信号输出。

上述的，所述的步骤1包含如下内容：

步骤11、假设当前接收信号数据的帧长度为N，对N点样本进行基2-FFT运算，得到当前接收信号的频域数据；

步骤12、利用频域数据计算信号能量，并通过上一帧数据的增益系数G，得到信号平均功率；

步骤13、将信号平均功率转化为分贝值，并与参考功率做差得到两者功率差值；

步骤14、根据差值对功率增益系数进行阶梯式修正调整。

优选的，所述的步骤2包含内容如下：将幅度调整后的功率增益系数换算为幅度增益系数，对幅度增益系数进行M阶等分并乘以上一帧数据的增益系数G，将每阶幅度增益系数与对应段数据相乘，得到平滑信号输出。

优选的，所述的步骤11中对N点样本进行基2-FFT运算，包含如下内容：通过计算公式完成时域至频域的转换，公式如下：

其中，X(k)是当前接收信号的频域数据；N为数据点数，取值为2的整次幂。

优选的，所述的步骤12中信号平均功率计算公式如下：

优选的，所述的步骤13中功率差值计算内容如下：通过借助公式：

Avap＝20×log(10^Avap)

，将平均功率转换为分贝值，将转换后的平均功率与参考功率作差Δ＝X_ref-Avap，得到功率差值，X_ref为参考功率。

优选的，所述的步骤14中阶梯式修正调整采用类抛物线式非线性方法进行实现。

优选的，阶梯式修正调整，包含如下内容为：设定多个阶梯式的判断范围，判断功率差值大小所属的判断范围，对功率增益系数进行阶梯式修正。

上述的，所述的参考功率根据系统自身动态范围决定，并通过标准信号校准确定具体数值。

上述的，所述的步骤2中的幅度增益系数换算公式为：

，其中，i为阶次，从1～M取值；G_s为幅度调整后的功率增益系数，G是前一帧数据计算出的增益系数，G_i是第i阶增益值；将该数据帧分割为M段，每段和对应段的增益G_i相乘，计算式为：

y_i(n)＝x_i(n)×G_i，

其中，x_i(n)为第i段数据，y_i(n)为第i段平滑信号输出数据。

本发明的有益效果：

本发明方法简单，首先计算出当前数据帧的平均功率与功率基准之间的差值，根据该差值对步进功率增益系数采用类抛物线式的非线性方法进行调整；将功率系数转化为增益值，并采用“阶梯式”修正方法对信号增益系数进行调整，以实现信号的自动增益控制，有效解决浮点向转换定点的量化误差问题并改善信号的听辨效果，易于实现、可靠性高，具有较强的实际应用价值。

附图说明：

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的算法实现流程图；

图3为仿真实验中通过固定增益控制MGC和本发明的数字自动增益控制两者处理后的信号时域波形对比图。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例一，参见图1所示，一种针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法，包含如下步骤：

步骤1、计算当前数据帧平均功率与参考功率差值，根据差值对功率增益系数进行阶梯式修正调整；

步骤2、将调整后的功率增益系数转化为幅度增益值，并根据上一帧数据的增益系数进行乘积计算，得到最终信号输出。

本发明通过首先计算出当前数据帧的平均功率与功率基准之间的差值，根据该差值对步进功率增益系数采用类抛物线式的非线性方法进行调整；将功率系数转化为增益值，并采用“阶梯式”修正方法对信号增益系数进行调整，以实现信号的自动增益控制，有效解决浮点向转换定点的量化误差问题并改善信号的听辨效果，易于实现、可靠性高，具有较强的实际应用价值。

实施例二，参见图1～3所示，一种针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法，包含如下内容：

一)计算当前数据帧平均功率与参考功率差值，根据差值对功率增益系数进行阶梯式修正调整，包含如下内容：

1)假设当前接收信号数据的帧长度为N，对N点样本进行基2-FFT运算，得到当前接收信号的频域数据；对N点样本进行基2-FFT运算，包含如下内容：通过计算公式完成时域至频域的转换，公式如下：

其中，X(k)是当前接收信号的频域数据；N为数据点数，取值为2的整次幂。

2)利用频域数据计算信号能量，并通过上一帧数据的增益系数G，得到信号平均功率，其中，信号平均功率计算公式如下：

3)将信号平均功率转化为分贝值，并与参考功率做差得到两者功率差值，功率差值计算内容如下：通过借助公式：

Avap＝20×log(10^Avap)

，将平均功率转换为分贝值，将转换后的平均功率与参考功率作差Δ＝X_ref-Avap，得到功率差值，X_ref为参考功率。

4)根据差值对功率增益系数进行阶梯式修正调整，采用类抛物线式非线性方法进行实现，具体实现过程为：设定多个阶梯式的判断范围，判断功率差值大小所属的判断范围，对功率增益系数进行阶梯式修正。根据信号的强弱来预先设定功率差值的阶梯性判断条件，即确定功率差值大小的判断范围，进一步通过对增益系数进行阶梯式修正，若信号当前功率小于参考功率，则较大幅度调整；当两者接近时则较小幅度调整，并采用较大幅度系数对大于参考功率的信号进行衰减，有效防止信号饱和影响；其中，当信号当前功率与参考功率的功率差值越接近零点则系数越小，反之，若该功率差值越远离零点则对应系数就越大。若功率差值大于或小于系统灵敏度范围，则分别取值为灵敏度的上下界对应的数值。初始折线斜率基准G_coeff根据接收信号特征设置。如图2所示，根据当前信号强弱，设定为[0,40,30,16,2]，增益系数根据功率差值大小的判断范围依次对应可设定为[40,8·G_coeff，4·G_coeff，G_coeff]，这些固定数值根据信号强弱等参数进行预先设定。

二)将调整后的功率增益系数转化为幅度增益值，并根据上一帧数据的增益系数进行乘积计算，得到最终信号输出。

将幅度调整后的功率增益系数换算为幅度增益系数，对幅度增益系数进行M阶等分并乘以上一帧数据的增益系数G，将每阶幅度增益系数与对应段数据相乘，得到平滑信号输出。幅度增益系数换算公式为：

，其中，i为阶次，从1～M取值；G_s为幅度调整后的功率增益系数，G是前一帧数据计算出的增益系数，G_i是第i阶增益值；将该数据帧分割为M段，每段和对应段的增益G_i相乘，计算式为：

y_i(n)＝x_i(n)×G_i，

其中，x_i(n)为第i段数据，y_i(n)为第i段平滑信号输出数据。

所述的参考功率根据系统自身动态范围决定，并通过标准信号校准确定具体数值。

图3给出了窄带信号分别进行MGC和本发明的数字自动增益控制AGC调整后的时域波形对比图，图3-1为突发信号两者的时域波形对比：a)为通过MGC调整后的时域波形图，b)为通过本发明调整后的时域波形图；图3-2为连续信号两者的时域波形对比：a)为通过MGC调整后的时域波形图，b)为通过本发明调整后的时域波形图。从图3-1和图3-2对比可以看出，相比MGC处理后信号时域包络的大幅度起伏，本发明数字AGC处理后的输出时域幅度包络基本保持恒定，有效改善浮点转换定点的量化误差，具有较强的抗干扰能力，实现灵活。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法，其特征在于，包含如下内容：

步骤1、计算当前数据帧平均功率与参考功率差值，根据差值对功率增益系数进行阶梯式修正调整；

步骤2、将调整后的功率增益系数转化为幅度增益系数，并根据上一帧数据的增益系数进行乘积计算，得到最终信号输出；

所述的步骤1包含如下内容：

步骤11、假设当前接收信号数据的帧长度为N，对N点样本进行基2-FFT运算，得到当前接收信号的频域数据；

步骤12、利用频域数据计算信号能量，并通过上一帧数据的增益系数G，得到信号平均功率；

步骤13、将信号平均功率转化为分贝值，并与参考功率做差得到两者功率差值；

步骤14、根据差值对功率增益系数进行阶梯式修正调整；

所述的步骤11中对N点样本进行基2-FFT运算，包含如下内容：通过计算公式完成时域至频域的转换，公式如下：

其中，X(k)是当前接收信号的频域数据；N取值为2的整次幂；

所述的步骤12中信号平均功率计算公式如下：

所述的步骤14中的阶梯式修正调整采用类抛物线式非线性方法进行实现；阶梯式修正调整包含如下内容为：设定多个阶梯式的判断范围，判断功率差值大小所属的判断范围，对功率增益系数进行阶梯式修正；

所述的步骤2包含内容如下：将幅度调整后的功率增益系数换算为幅度增益系数，对幅度增益系数进行M阶等分并乘以上一帧数据的增益系数G，将每阶幅度增益系数与对应段数据相乘，得到平滑信号输出；所述的步骤2中的幅度增益系数换算公式为：，其中，i为阶次，从1～M取值；G_s为幅度调整后的功率增益系数，G是前一帧数据计算出的增益系数，G_i是第i阶增益值；将该数据帧分割为M段，每段和对应段的增益G_i相乘，计算式为：

y_i(n)＝x_i(n)·G_i，

其中，x_i(n)为第i段数据，y_i(n)为第i段平滑信号输出数据。

2.根据权利要求1所述的针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法，其特征在于，所述的步骤13中功率差值计算内容如下：通过借助公式：

Avap＝20·log(10^Avap)

，将平均功率转换为分贝值，将转换后的平均功率与参考功率作差Δ＝X_ref-Avap，得到功率差值，X_ref为参考功率。

3.根据权利要求1～2任一项所述的针对宽带系统信道化后窄带信号的数字自动增益控制方法，其特征在于，所述的参考功率根据系统自身动态范围决定，并通过标准信号校准确定具体数值。