CN107565998A - 一种适用于WiFi接收机的自动增益控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于WiFi接收机的自动增益控制系统及方法，结构上采用数字闭环的结构进行增益的调整，基带ADC采集WiFi基带信号，功率估计环节对WiFi信号进行功率的估计，增益调整环节根据功率电平估计环节输出的功率估计的幅值来对可变增益模块做出增益的调整，产生增益控制信号，增益控制信号直接作用于可变增益控制模块，使调整后的信号有效幅值稳定在目标值附近。本发明针对WiFi信号高峰均比和8us时长的短训练序列的情况，提出了功率电平估计和增益调整的方法，通过分析比较常用的自动增益控制技术，采用了改进型数字滤波器来进行功率的估计，避免I、Q失配产生的误差，并提高了其抗干扰能力，相对于现有技术，使增益的调整速度得到有效的提高。

Description

一种适用于WiFi接收机的自动增益控制系统及方法

技术领域

本发明属于接收机自动增益控制技术领域，特别涉及一种适用于WiFi接收机的自动增益控制系统及方法。

背景技术

自21世纪以来，无线通信技术有着长足的发展。无线信号的传输过程中，总是受到各种因素的衰减，使得接收机收到的信号动态范围较大。自动增益控制是为了稳定信号大小而设计的一种环路系统，对接收机的正确解调起到了至关重要的作用。WiFi是一种常见的无线通信的方式，无线信号的传输常常采用数据帧的形式，并且数据帧传输的时间点并没有固定的时刻，这就需要自动增益控制在信号接收时立即做出增益的调整。然而OFDM与QAM调制技术的广泛使用使得WiFi信号具有较高的峰均比，同时IEEE 802.11系列标准要求自动增益控制需要在短训练序列的前5.6us的时间内完成，所以自动增益控制需要有较高的调整速度和稳定性。

WiFi接收机自动增益控制通常采用数字后置式环路的结构，其中包括幅值估计环节和增益调整环节。幅值估计环节通常采用IQ两路的平方和估计方式，当IQ两路信号失配时会产生估计结果的误差，造成增益调整输出偏差较大。同时，增益调整环节的步长设定又需要兼顾环路的调整速度和稳定性，而传统固定式调整步长无法满足WiFi接收机的要求，则需要进行相关的改进。

发明内容

本发明的技术解决问题：

本发明的目的在于解决上述现有WiFi接收机自动增益控制技术中存在的问题，自动增益控制中采用了反馈型数字滤波器和PID增益调节算法，可在训练序列的前5us内完成WiFi基带信号的自动增益控制，有效提高自动增益控制的速度并减少增益控制的误差，符合IEEE802.11系列协议标准的要求。

本发明的技术解决方案：

一种适用于WiFi接收机的自动增益控制系统，结构上采用数字闭环的结构进行增益的调整，包括：

基带ADC，采集WiFi基带信号；

功率估计环节,对WiFi信号进行功率的估计；

增益调整环节，根据功率电平估计环节输出的功率估计的幅值来对可变增益模块做出增益的调整，产生增益控制信号；

可变增益控制模块，增益控制信号直接作用于可变增益控制模块，使调整后的信号有效幅值稳定在目标值附近。

优选的，所述功率电平估计环节采用数字递归型滤波器，直接对一路WiFi基带信号直接进行幅值的预估，在进行功率电平估计滤波前首先进行了绝对值的运算，使得采样的信号都为正值。

优选的，所述增益控制环节采用了数字增量式PID算法，经过分析和化简后的调整过程只与三次ADC的采样值有关，使得PID调整算法易于用硬件描述语言实现。

优选的，所述增益调整的过程采用了有限状态机结构，将整体的控制过程分成三个状态：

初始状态下，系统处于复位状态。

当ADC数据采集到的多个连续电压Volts值持续大于阈值Th_on时，系统将从复位状态切换到增益调整状态。在增益调整状态，将进行增益的调节，并启动定时器，定时的数值为5us；

当定时器时间到达时，系统进入增益保持状态，此状态下增益为固定值；每次时钟触发时，都将检测缓存中的Volts是否连续小于阈值Th_off；当满足切换条件时，则认为一帧数据的传输的结束，系统切换到复位状态。

一种适用于WiFi接收机的自动增益控制方法，包括如下步骤：

1)基带ADC采集的到的WiFi信号保存到FPGA的ADC数据缓存中，缓存数量为10；

2)ADC数据转换模块对采集到的数据进行转化和补偿，得到真实的电压值，以毫伏为单位进行处理；

3)功率电平估计模块根据本次ADC采集的电压数据进行功率的估计，并将输出结果保存到滤波器的缓存寄存器中；

4)状态机切换模块根据缓存中的数值进行状态的识别和切换；

5)每次时钟触发时，缓存寄存器的数据进行移位和更新，并将新数据保存到寄存器的低位；

6)PID增益调节模块根据功率电平估计缓存寄存器的数值进行增益调节值的计算，最后计算得到5位的控制信号；

7)状态判断模块检查此时的状态是否为调整状态，只有在调整状态才会进行增益的调节；

8)再次执行步骤1，重复上述步骤1-7的过程。

优选的，其中采用简化的数字增量式PID算法，先计算出增益调整的增量值，再进行最后增益的计算：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

u(k)为最终的增益输出值，Δu(k)为每次调整的增量值。

WiFi接收机在解调之前常常会对接收到的数据帧进行一些准备的工作，如数据帧头检测、自动增益控制、符号同步等工作。为了完成数据帧的这些准备工作，IEEE 802.11标准要求数据帧的开头插入一段训练序列，且规定了WiFi接收机的自动增益控制需要在数据的短训练序列的周期里完成。自动增益控制往往是一个负反馈的系统，其会将接收到的WiFi信号进行功率电平估计并和目标值进行对比产生误差信号，增益调整环节会根据误差信号进行可控增益模块的增益调节。为了使自动增益控制在数据帧的短训练序列时间里完成，并满足所需要的调整速度和稳定精度，本发明在功率电平估计环节和增益调整环节进行改进和优化。

功率电平估计环节主要功能是对WiFi接收机的接收到的信号进行功率的计算和估计。本发明采用了递归型数字滤波器。其计算过程为：

σ(p)＝α·k·|y(p)|+(1-α)σ(p-1)

其中y(p)是接收信号经过ADC采集后的数值，σ(p)是功率电平估计输出的当前值，σ(p-1)是上一次输出信号的数值。α是常数，代表新的输入结果对输出的影响大小。较大的α使得输出信号随输入信号变化而具有更快的响应，但它的稳定程度也会降低，造成输出信号的波动起伏较大。K为速度调节因子，在一定程度上影响滤波器的响应速度，其值一般取在0.5-1之间。

增益调节模块是根据误差信号的大小进行增益的补偿计算，调整可控增益模块的增益值。本发明在自动增益的增益调整环节采用了PID调整算法。PID控制是一种闭环控制算法，对输出值与目标值的偏差进行比例、积分、微分的运算，产生PID输出值并作用于被控对象，从而完成控制的过程。由于是数字反馈系统，本发明采用的是增量式数字PID控制方法，其最终简化的形式为：

Δu(k)＝A·e_k-B·e_k-1+C·e_k-2

其中Δu(k)为每次PID调节输出的增量，A、B、C为对应的系数。从上式可以得出，自动增益控制每次进行PID算法调节增益时，只需要获取当前时刻的误差e_k，上一次时刻的误差e_k-1和上上次时刻的误差e_k-2，便可以计算出当前输出的增量值Δu(k)。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用了数字滤波器和PID调控算法，通过优化PID参数，使得自动增益控制具有较快的响应速度与较高稳定性。

(2)数字式递归滤波可避免传统平方和估计方法中I、Q失配产生的误差，并可根据参数α来取得数字滤波稳定性与响应速度的平衡，适用性较强。

(3)增益调整环节采用了增量式数字PID算法，其算法实现简单，性能优异，有效提高了增益调整的速度。

附图说明

图1为WiFi零中频接收机结构框图；

图2为WiFi接收机中自动增益控制的基本框架；

图3为WiFi接收机自动增益控制的过程框图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1为WiFi零中频接收机结构框图。WiFi信号的是以OFDM和QAM调制方式为主，这种调制方式决定了WiFi接收机中的信号由I、Q两路组成，且它们的相位相差90度。WiFi的接收信号经过低噪声放大器后直接下变频到基带信号，基带信号经由ADC采集后进行数字基带解调处理。在接收机接收信号的过程中，数字自动增益控制将会对接收信号的增益进行调控，以达到ADC合适的量程范围之内。

图2为自动增益控制的结构框图：由于采用的是数字式的自动增益控制，故需要在可控增益模块后面加上ADC采样环节，本发明中的ADC的采样速率为50MHz，由采样定理可知此采样速率满足WiFi基带信号的最高频率要求。ADC采样环节同时也是基带的ADC，可同时用于基带模拟信号的采集，是WiFi接收机中不可缺少的一部分。功率电平估计和增益调整环节采用硬件描述语言来实现。其中功率电平估计环节是对WiFi基带的训练序列信号进行功率的估计和计算。当功率电平估计完成时，会和目标值进行比较产生误差信号。增益调节环节会根此据误差信号的大小来进行增益的设定。

图3为WiFi接收机自动增益控制的过程框图。其过程如下：

(1)初始阶段，自动增益控制模块处于复位状态，定时器关闭，Count清零。此状态下系统整体的增益处于最高的状态，以便能够检测到功率较小的数据帧信号。同时需要设定一个阈值Th_on，当ADC采集到的信号平均幅值大于Th_on时，表明接收通道有数据帧的到来。为了防止噪声的干扰，可连续采样多个ADC的样本值，当它们平均幅值大于Th_on时，开始进行自动增益的控制。

(2)由于自动增益控制需要在短训序列里完成，其中的时间为8us之内，所以在开始自`动增益控制时，需同时启动定时器，当定时超过8us时，则强制停止自动增益控制，并维持调整后的增益值。

(3)由于初始阶段系统的增益最高，当接收信号到来时，增益输出的幅值将超过ADC的量程。而为了提高自动增益控制的速度，当ADC采集的幅值为最大时，则立即减少15db的增益。

(4)接下来，功率电平估计模块对ADC采集到的信号进行绝对值数字递归滤波，完成幅值估算，并随后与设定目标的进行误差计算。若误差值在预设的范围之内，则不进行增益的调节，此时增益调节完成次数Count增加1，否则增益调节次数Count清0。以Count最终是否超过100作为增益完成的最终标志。

(5)在ADC的量程之内，增益调节模块将根据误差信号进行增量式PID算法调节，并最终计算出增益值反馈给可控增益模块。经过一段时间的等待后，再次进行功率电平估计。

(6)当ADC多个连续采集的数值小于TH_on时，表明数据帧传输的结束，AGC进入复位状态。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于WiFi接收机的自动增益控制系统，其特征在于：结构上采用数字闭环的结构进行增益的调整，包括：

基带ADC，采集WiFi基带信号；

功率估计环节,对WiFi信号进行功率的估计；

增益调整模块，根据功率电平估计环节输出的功率估计的幅值来对可变增益模块做出增益的调整，产生增益控制信号；

可变增益控制模块，增益控制信号直接作用于可变增益控制模块，使调整后的信号有效幅值稳定在目标值附近。

2.根据权利要求1所述的适用于WiFi接收机的自动增益控制系统，其特征在于：所述功率电平估计环节采用数字递归型滤波器，直接对一路WiFi基带信号直接进行幅值的预估，在进行功率电平估计滤波前首先进行了绝对值的运算，使得采样的信号都为正值。

3.根据权利要求2所述的适用于WiFi接收机的自动增益控制系统，其特征在于：所述增益控制环节采用了数字增量式PID算法，经过分析和化简后的调整过程只与三次ADC的采样值有关，使得PID调整算法易于用硬件描述语言实现。

4.根据权利要求2所述的适用于WiFi接收机的自动增益控制系统，其特征在于：所述增益调整的过程采用了有限状态机结构，将整体的控制过程分成三个状态：

初始状态下，系统处于复位状态。

当ADC数据采集到的多个连续电压Volts值持续大于阈值Th_on时，系统将从复位状态切换到增益调整状态。在增益调整状态，将进行增益的调节，并启动定时器，定时的数值为5us；

当定时器时间到达时，系统进入增益保持状态，此状态下增益为固定值；每次时钟触发时，都将检测缓存中的Volts是否连续小于阈值Th_off；当满足切换条件时，则认为一帧数据的传输的结束，系统切换到复位状态。

5.一种适用于WiFi接收机的自动增益控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)基带ADC采集的到的WiFi信号保存到FPGA的ADC数据缓存中，缓存数量为10；

2)ADC数据转换模块对采集到的数据进行转化和补偿，得到真实的电压值，以毫伏为单位进行处理；

3)功率电平估计模块根据本次ADC采集的电压数据进行功率的估计，并将输出结果保存到滤波器的缓存寄存器中；

4)状态机切换模块根据缓存中的数值进行状态的识别和切换；

5)每次时钟触发时，缓存寄存器的数据进行移位和更新，并将新数据保存到寄存器的低位；

6)PID增益调节模块根据功率电平估计缓存寄存器的数值进行增益调节值的计算，最后计算得到5位的控制信号；

7)状态判断模块检查此时的状态是否为调整状态，只有在调整状态才会进行增益的调节；

8)再次执行步骤1，重复上述步骤1-7的过程。

6.根据权利要求5所述的适用于WiFi接收机的自动增益控制方法，其特征在于：其中采用简化的数字增量式PID算法，先计算出增益调整的增量值，再进行最后增益的计算：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

u(k)为最终的增益输出值，Δu(k)为每次调整的增量值。