CN107948110B - Lte系统中一种基于同步的自动增益控制实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了LTE系统中一种基于同步的自动增益控制实现方法，其特征在于：利用LTE系统对接收到的数据进行时频同步的同步信息，从帧的起始位置开始，以帧为单位对信号进行增益调整，所述调整过程包括增益粗调整和增益细调整。本发明利用了系统本身就需要的下行同步单元，在粗调整时，不需要额外的计算单元，而且只需检测主同步信号即可，AGC的增益调整不需要检测SSS、PBCH等，相对于现有的AGC增益调整方法而言比较简单。

Description

LTE系统中一种基于同步的自动增益控制实现方法

技术领域

本发明涉及LTE系统中自动增益控制的实现方法，属于LTE系统数据传输控制技术领域。

背景技术

在无线信道中，存在着各种衰落现象，所以，在无线通信中，接收端接收到的信号功率将会在一个很大范围内波动。如果要在如此宽的信号功率范围内正常工作，接收机必须要有合理的增益控制，使得信号电平保持在一个特定且合理的范围内，从而避免引入大量的量化噪声和限幅引起的剪切噪声。如果接收信号过小，接收机将检测不到信号，如果信号过大，将会损坏接收机的元器件。除此之外，在LTE系统中，由于无线信道的复杂性，以及信号本身的特性，导致接收信号的电平变化范围很大，一般的ADC(数模转换器)是无法覆盖这么大的动态范围的，所以AGC是必不可少的。因此，通常对接收机有这样的要求：当接收信号比较小时，调整接收机增益，增大信号功率；当接收信号比较大时，调整接收机增益，减小信号功率。

针对无线通信系统中这样的问题，目前自动增益控制技术基本都采用数字自动增益控制。其具体实现主要包括峰值检测器、平方根控制器和平均绝对误差控制器。峰值检测器收敛速度比较快，但是调整过程中存在较为严重的削波现象；平方根控制器稳定性较好，但是实现过程中需要大量复杂的乘法运算；平均绝对误差控制器结构简单，实现起来比较容易，但是收敛性和稳定性比较差。

在LTE系统中，采用时频复用方式，信号幅度取决于实际分配的时频资源，因此LTE信号在时域上变化剧烈，尤其在OFDM符号边界处以及在帧边界处，信号电平存在严重跳变。如果只用传统的AGC方法，即以单个采样点为单位进行AGC调节，增益随信号幅度剧烈变化，尤其在OFDM符号边界和帧边界处，会导致信号很不稳定，破坏一帧中数据的稳定性，导致解调错误。根据LTE系统存在的这些问题，设计一种适合于LTE系统的AGC显得十分重要。

现有的关于AGC的发明专利申请，如申请日为2014-6-4，公布号为CN 103841633A的中国发明专利申请，提到了TD-LTE系统中，在PSS检测阶段、SSS(辅同步信号)检测阶段、PBCH(物理广播信道)读取阶段以及下行业务信道接收阶段等，对平均功率进行计算，利用此平均功率值更新增益控制值。但它需要一定的计算量，而且还牵涉到SSS检测和PBCH检测等，比较复杂。

发明内容

本发明针对LTE系统特殊的帧结构，提出了一种利用LTE系统符号同步信息，以帧为单位进行自动增益控制的方法，有效的完成了LTE系统中的增益控制，使信号电平保持在一个合理的范围内，稳定性较高。

本发明采用的技术方案是：

LTE系统中一种基于同步的自动增益控制实现方法，利用LTE系统对接收到的数据进行时频同步的同步信息，从帧的起始位置开始，以帧为单位对信号进行增益调整，所述调整过程包括增益粗调整和增益细调整，

所述增益粗调整过程为：基于最大可输入信号功率P_max和AGC的调整阈值计算初始增益G_init，AGC的调整阈值包括高功率阈值P_thmax和低功率阈值P_thmin；

所述增益细调整过程为：基于初始增益G_init进行，对每个子帧中每个OFDM符号计算功率，取出其中的最大值记为当前最大平均功率

每个子帧中有7个OFDM符号，P_j表示第j个OFDM符号的平均功率；然后计算当前最大平均功率

P_{subframemax(s,k)}表示第s帧中的第k个子帧中所有OFDM符号的功率的最大值，最后利用下式对AGC增益进行细调整：

G_k+1＝G_k+β(P_th-P_currentmax)

其中，G_k+1表示AGC第k+1次的增益，G_k表示AGC第k次的增益，G₀＝G_init，β为设定的增益调整步长，

其中：P_thmax表示高功率阈值，P_thmin表示低功率阈值。

优选的，初始增益G_init通过下式计算：

式中，P_i表示第i次统计得到的信号平均功率：

P_i＝|H_i|²

H_i表示信道参数。

优选的，最大可输入信号功率P_max的确定方法为：根据ADC的位数，计算信号满幅输入时的信号功率，即为最大可输入信号功率P_max。

具体的：

高功率阈值P_thmax按如下公式设置：

其中P_thmax表示高功率阈值，P_max表示ADC的最大可输入信号功率，δ表示信号峰均比；

低功率阈值P_thmin按如下公式设置：

P_thmin＝0.3P_max

其中P_thmin表示低功率阈值，P_max表示ADC的最大可输入信号功率。

优选的，符号同步的方法为：

首先通过下式计算接收数据r_p,q(n+d)与本地产生的主同步信号s_u(n)的相关值P_u(d)：

式中，P为用于平均的PSS符号个数，Q为接收天线数量，r_p,q(n+d)表示第p个PSS符号第q个接收天线接收到的信号的第(n+d)个数据；L为接收数据的长度，s_u(n)为本地已知根指数为u所对应的PSS序列，取值为25,29,34；

最后计算

该式表示：当P_u(d)值最大时，d记为估计出的同步位置

优选的，符号同步的方法为：

首先通过下式计算接收数据r_p,q(n+d)与本地产生的主同步信号s_u(n)的相关值P_u(d)：

式中，P为用于平均的PSS符号个数，Q为接收天线数量，r_p,q(n+d)表示第p个PSS符号第q个接收天线接收到的信号的第(n+d)个数据；L为接收数据的长度，s_u(n)为本地已知根指数为u所对应的PSS序列，取值为25,29,34；

最后计算

该式表示：当P_u(d)值最大时，d记为估计出的同步位置

其中，P_t为设定的门限值。

更优的，符号同步完成后进行频偏估计和补偿。

更优的，所述频偏估计是将小数频偏估计和整数频偏估计分开进行，先估计小数频偏，补偿小数频偏后再进行整数频偏估计和补偿。

本发明的有益效果

本发明与背景技术有着很大的不同，本发明利用了系统本身就需要的下行同步单元，在粗调整时，不需要额外的计算单元，而且只需检测主同步信号即可，AGC的增益调整不需要检测SSS、PBCH等，相对于现有的AGC增益调整方法而言比较简单。

附图说明

图1为本发明的AGC系统框图

图2为LTE系统帧结构

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1：结合图1，LTE系统中一种基于同步的自动增益控制实现方法：利用LTE系统对接收到的数据进行时频同步的同步信息，从帧的起始位置开始，以帧为单位对信号进行增益调整，所述调整过程包括增益粗调整和增益细调整。

所述增益粗调整过程为：基于最大可输入信号功率P_max和AGC的调整阈值计算初始增益G_init，AGC的调整阈值包括高功率阈值P_thmax和低功率阈值P_thmin；

所述增益细调整过程为：将增益粗调整得到的值作为增益细调整的初始增益，增益细调整将在这个初始增益的基础上进行。在LTE系统中，对于常规CP(循环前缀)，一个子帧中有7个OFDM符号，一帧中有10个子帧，如图2所示。利用同步信息，对每个子帧中的每个OFDM符号计算功率，求出其中的最大值：

其中，P_subframemax表示一个子帧中所有OFDM符号的功率的最大值，P_j表示第j个OFDM符号的功率。然后对连续S帧中的数据进行统计平均：

其中，P_currentmax表示当前平均功率，P_{subframemax(s,k)}表示第s帧中的第k个子帧中所有OFDM符号的功率的最大值。然后利用如下公式对AGC增益调整：

G_k+1＝G_k+β(P_th-P_currentmax)

其中P_th定义如下：

其中，G_k+1表示AGC第k+1次的增益，G_k表示AGC第k次的增益，β表示增益调整步长,P_thmax表示高功率阈值，P_thmin表示低功率阈值。

根据阈值和当前最大平均功率的比较结果，对AGC的增益进行调整。当当前平均功率高于高功率阈值P_thmax或者低于低功率阈值P_thmin时，需要对AGC的增益进行细调整，从帧的起始位置开始，以帧为单位进行调整，而不能从帧的中间位置开始增益调整。这样保证了一帧内数据的稳定性。最终使得信号功率基本稳定在高/低功率阈值之间。

实施例2：基于实施例1所述的方法，获得AGC的调整阈值之后，就可以利用PSS的相关峰值计算初始增益，也就是可以进行增益粗调整了。首先用本地主同步信号与接收信号卷积，并进行归一化，得到信道系数。

P＝|H|²

其中，H表示信道系数。PSS每5ms出现一次，统计n次，得到n个不同的功率值，对这n个值取平均，并令其等于高功率阈值。需要注意的是，增益粗调整的周期要远大于增益细调整，所以n的取值要足够大。

其中，

P_i＝|H_i|²

G_init表示初始增益，P_i表示第i次统计得到的信号平均功率，从而得到AGC初始增益为：

实施例3：如实施例1所述的方法，最大可输入信号功率P_max的确定方法为：根据ADC的位数，计算信号满幅输入时的信号功率，即为最大可输入信号功率P_max。

实施例4：如实施例1所述的方法：

高功率阈值P_thmax按如下公式设置：

其中P_thmax表示高功率阈值，P_max表示ADC的最大可输入信号功率，δ表示信号峰均比；在实际实现过程中，需要根据具体情况在这个值的基础上进行微调。

低功率阈值P_thmin按如下公式设置：

P_thmin＝0.3P_max

其中P_thmin表示低功率阈值，P_max表示ADC的最大可输入信号功率。在实际实现的过程中，低功率阈值的设置和系统所处的环境有很大关系，如果环境中的噪声等干扰比较大，低功率阈值需要适当的提高。

本实施例给出了高功率阈值P_thmax和低功率阈值P_thmin的一种参数确定方法，避免了阈值设定过程中，由于设计人员人为判断失误造成的误差。

实施例5：如实施例1所述的方法，符号同步的方法为：

首先通过下式计算接收数据r_p,q(n+d)与本地产生的主同步信号s_u(n)的相关值P_u(d)：

式中，P为用于平均的PSS符号个数，Q为接收天线数量，r_p,q(n+d)表示第p个PSS符号第q个接收天线接收到的信号的第(n+d)个数据；L为接收数据的长度，s_u(n)为本地已知根指数为u所对应的PSS序列，u取值为25,29,34；

最后计算

该式表示：当P_u(d)值最大时，d记为估计出的同步位置

实施例6：如实施例1所述的方法，符号同步的方法为：在LTE系统中有三种PSS，根据PSS序列的产生公式，先在本地产生这3种PSS，分别与接收信号序列进行相关运算，根据LTE系统PSS序列良好的自相关和互相关特性，最大相关峰所对应的PSS就是发送端的PSS。具体实施时，将接收数据与本地产生的主同步信号计算相关值：

首先通过下式计算接收数据r_p,q(n+d)与本地产生的主同步信号s_u(n)的相关值P_u(d)：

式中，P为用于平均的PSS符号个数，Q为接收天线数量，r_p,q(n+d)表示第p个PSS符号第q个接收天线接收到的信号的第(n+d)个数据；L为接收数据的长度，s_u(n)为本地已知根指数为u所对应的PSS序列，取值为25,29,34；

在实际操作中，设定一个峰值门限P_t，当P_u(d)>P_t时，才认为存在相关峰值，并将该定时位置d记录在一个集合中{d|P_u(d)>P_t}。所以，实际上相关峰值确定同步位置的公式是：

其中，

表示估计出的同步位置。这样就完成了符号同步。

实施例7：如实施例5或6所述的方法，在LTE系统中，难免会存在频偏，本发明最重要的部分就是在同步的基础上进行信号检测以及AGC跟踪。申请人在同步基础上增加频偏补偿以使同步更为精确。

实施例8：如实施例7所述的方法，如果频偏过大，将会导致同步误差过大，从而影响AGC的性能。常用的频偏估计方法是将小数频偏估计和整数频偏估计分开进行，鉴于小数频偏会产生ICI，对LTE系统而言，ICI会对系统性能产生非常严重的影响，因此需要先估计小数频偏，补偿后再进行整数频偏估计和补偿。此设计相较于其它同类频偏估计算法，可以很好提高频偏补偿的精确性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.LTE系统中一种基于同步的自动增益控制实现方法，其特征在于：利用LTE系统对接收到的数据进行时频同步的同步信息，从帧的起始位置开始，以帧为单位对信号进行增益调整，所述调整过程包括增益粗调整和增益细调整，

所述增益粗调整过程为：基于最大可输入信号功率P_max和自动增益控制AGC的调整阈值计算初始增益G_init，

P_i表示第i次统计得到的信号平均功率，n表示进行统计的总次数；P_i＝|H_i|²，H_i表示信道参数；

AGC的调整阈值包括高功率阈值P_thmax和低功率阈值P_thmin；

所述增益细调整过程为：基于初始增益G_init进行，对每个子帧中每个OFDM符号计算功率，取出其中的最大值记为当前最大功率

每个子帧中有7个OFDM符号，P_j’表示第j个OFDM符号的平均功率；然后计算当前最大平均功率

P_{subframemax(s，k)}表示第s帧中的第k个子帧中所有OFDM符号的功率的最大值，S表示帧总数；最后利用下式对AGC增益进行细调整：

G_k+1＝G_k+β(P_th-P_currentmax)，

其中，G_k+1表示AGC第k+1次的增益，G_k表示AGC第k次的增益，G₀＝G_init，β为设定的增益调整步长，

其中：P_thmax表示高功率阈值，P_thmin表示低功率阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于最大可输入信号功率P_max的确定方法为：根据数模转换器ADC的位数，计算信号满幅输入时的信号功率，即为最大可输入信号功率P_max。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于

高功率阈值P_thmax按如下公式设置：

其中P_thmax表示高功率阈值，P_max表示ADC的最大可输入信号功率，δ表示信号峰均比；

低功率阈值P_thmin按如下公式设置：

P_thmin＝0.3P_max，

其中P_thmin表示低功率阈值，P_max表示ADC的最大可输入信号功率。

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