CN108768425A - 一种自动增益控制agc的动态调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动增益控制AGC的动态调整方法，能够解决ADC的输入信号功率过大，超过了其转换范围，会导致采样信号限幅；如果信号功率过小，则会导致后续数字信号精度损失的技术问题。本文采用指数平滑滤波算法进行突发信号的能量检测，并在不同的时间窗内分别采用AGC快调整和慢调整算法，保证了接收电平的快速收敛和常态平稳，有利于后级的数字解调。采用该方法进行AGC的动态调整，调节速度快，稳态误差小，动态范围大，可以有效的提高地面站的接收灵敏度，进而增大了无人机的飞行半径。

Description

一种自动增益控制AGC的动态调整方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及了一种自动增益控制AGC的动态调整方法。

背景技术

TDD通信技术可以灵活的设置上行和下行转换时刻，故常用于实现不对称的上行和下行业务带宽，同时上下行链路工作在同一频段，可大大节省频谱资源。在军用无人机与地面通信的应用场景中，常常采用经加密处理的工作频段，频谱资源非常紧张，同时地面站上行链路发送较少的遥控指令，下行链路接收大量的图像和状态信息，因此采用TDD技术实现空地远程无线通信较为适合。

当无人机与地面站之间采用TDD技术进行通信时，移动通信中的信道是一种时变信道，无线电信号通过移动信道时会受到各个方面的衰减损失，主要包括自由空间的路径损耗、阴影衰落和多径衰落，这导致地面站的接收电平会发生实时变化。如果ADC(AnalogDigital Converter，模拟数字转换器)的输入信号功率过大，超过了其转换范围，会导致采样信号限幅；如果信号功率过小，则会导致后续数字信号精度的损失。因此为保证可靠接收到来自无人机的图像和状态信息，必须在接收机的前端进行模拟AGC(Auto GainControll，自动增益控制)调整，将接收电平调节至合适的范围，以利于后级进行数字解调。本文中，后端的数字电路综合运用能量检测算法和AGC调整算法，快速调整前端射频调谐器的可调增益放大器的增益，并将调谐器的输出信号平均功率维持在一个恒定范围值中，保证ADC的输入信号不会超过ADC的正常工作范围，提高了解调的灵敏度，增大了无人机的飞行半径。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术不足，提供一种自动增益控制AGC的动态调整方法，能够解决ADC(Analog Digital Converter，模拟数字转换器)的输入信号功率过大，超过了其转换范围，会导致采样信号限幅；如果信号功率过小，则会导致后续数字信号精度损失的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种自动增益控制AGC的动态调整方法，包括以下步骤：

S1.地面设备开启接收开关；

S2.AGC开始进行能量估算；

S3.在成功捕获下行链路数据帧头之前进行AGC快调整；

S4.当满足特定条件时进行AGC慢调整，所述特定条件包括：

4)捕获到下行链路的帧头并输出指示标志；

5)所述能量估算的能量落在AGC锁定范围内；

6)AGC保护时间窗口结束；

S5.等待发射时隙起始标志，当检测到所述发射时隙起始标志后跳转至接收时隙等

待状态；

S6.等待接收时隙起始标志，当检测到所述接收时隙起始标志后跳转至所述步骤

S2。

进一步的，所述步骤S5.等待发射时隙起始标志，当检测到所述发射时隙起始标志后跳转至接收时隙等待状态包括：

关闭接收开关，同时将AGC衰减值调整为最大。

进一步的，所述步骤S1.地面设备开启接收开关包括：

上电复位：完成系统的初始化参数配置，TDD开关按照设计的帧结构进行切换，在对应的信号接收窗口内AGC开始准备工作。

进一步的，所述步骤S2.AGC开始进行能量估算包括：能量检测采用指数平滑法。

进一步的，所述步骤S3.在成功捕获下行链路数据帧头之前进行AGC快调整包括：所述AGC快调整的的调整间隔为160个样本点。

进一步的，所述步骤S4.当满足特定条件时进行AGC慢调整包括：所述AGC慢调整的的调整间隔为320个样本点。

本发明的有益效果在于：现有技术中的AGC算法主要分为射频前端模拟控制和ADC前端数字控制两类。前者提取接收机收到的模拟信号作为控制参数工作，该方法虽然调整速度快，但是调整精度低且不容易收敛，调试难度较大；后者提取ADC后端的数字信号作为控制参数，并经过一定的算法处理得到实际控制信号。本文采用指数平滑滤波算法进行突发信号的能量检测，并在不同的时间窗内分别采用AGC快调整和慢调整算法，保证了接收电平的快速收敛和常态平稳，有利于后级的数字解调。采用该方法进行AGC的动态调整，调节速度快，稳态误差小，动态范围大，可以有效的提高地面站的接收灵敏度，进而增大了无人机的飞行半径，具有较强的工程应用价值。

附图说明

图1为根据一个实施例的无人机至地面下行链路的通信帧结构图。

图2为根据一个实施例的AGC动态调整的工作原理图。

图3为根据一个实施例的AGC动态调整的流程图。

图4为根据一个实施例的AGC幅度调整分布图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，其中AGC保护字段用于接收端快速调整接收电平，在下行帧头第一个符号到来之前基本稳定；下行帧头字段用于接收端帧头捕获和定时同步；导频字段用于信道估计，以对抗多径引起的深衰落；数据帧用于传输无人机的图像和状态信息；导频和数据帧构成一个子帧，共有N个子帧；为对抗多径采用的均衡算法需要用到数据帧前后两个导频，故在下行链路帧结构的末尾放置一个末导频；无人机与地面距离的实时变化导致其传输延时也实时可变，因此需要在下行链路的帧尾设计保护时间，该时间必须大于2倍的单向传输延时。

如图2所示，接收开关按照超帧结构规律的切换，接收开关为高电平时，设备处于接收状态，反之处于发射状态，t1、t2、t3标识时刻点，T1、T2、T3标识时间段。在t1时刻，接收开关切换为开启状态，AGC开始进行能量估算，T1时间段为接收开关开启时刻与接收到下行数据帧的起始时刻的时间差，随着机载端机对地距离的变化，该时间段动态发生改变。若帧头捕获成功，在t2时刻输出帧头指示标志。在T1和T2时间段内AGC调整速度较快，目的是尽快让接收信号达到较为理想的电平，为后续信号解调做好准备。T3时间段内AGC调整速度相对较慢，目的是保证信号电平稳定。在t3时刻，关闭接收开关，同时将AGC将衰减值调整为最大，最大限度减小接收信道对发射信道的影响。在持续T4时间段后，开始准备接收下一帧数据，依此类推。若在AGC动态调整的过程中，未能接收到帧头指示标志，则在T3时间段内AGC保持快速调整状态，继续等待直至下一帧数据到来，重新进行新一轮的调整。整个AGC的能量检测和增益调整流程如图3所示。

流程1——上电复位：完成系统的初始化参数配置，由于地面站的TDD发射和接收时隙固定，TDD开关开始按照设计的帧结构进行切换，在对应的信号接收窗口内AGC开始准备工作。

流程2——能量检测：能量检测采用指数平滑法，该方法对不同时刻的数据作了不等权的处理，近期数据比远期数据具有更大的权重。

指数平滑法，是通过对整个时间序列分别给予不同的权数，而进行加权平均的一种方法。对于时间上有序的一组观测数据x1,x2,...,x_t-1，可以用对连续n个时期的观测值计算出的平均数作为下一时期，即t时期的预测值，即

这种预测方法称为移动算术平均法，用t+1代替t，可得

因此

上式中F_t表示t时期的预测值，实际上，它是代表x_t-1,x_t-2,...x_t-n这个序列的平均值，就近似意义上讲，这个序列中的任何一个数都可以用平均值来表示，若用F_t代替式中x_t-n，即可得到

其中1/n称为平滑系数，取值范围为(0，1)，x_t为t期实际值，F_t+1,F_t分别为t+1期、t期预测值。该式可以理解为，下一时刻的预测值等于本时刻预测值再加上一个误差修正项，(x_t-F_t)表示在t期的预测误差，这就是一次指数平滑法。

指数平滑算法的基本表达式两边同时乘以n，可得

若F_t表示预测的第t个ADC采样样本幅值，F_t+1表示预测的第t+1个ADC采样样本幅值，x_t表示实际的第t个ADC采样样本幅值，则nF_t+1表示预测的以第t+1个样本为基准过去n个采样样本的总能量(表示为P_t+1)，nF_t表示预测的以第t个样本为基准过去n个采样样本的总能量(表示为P_t)，最终得到表达式

综合考虑AGC的稳态误差和收敛时间，本系统中n取128，即取128个样本点的平均能量作为参考。

流程3——AGC快调整：当接收开关开启后一小段时间，由于AGC调整算法固有的滞后性，此时地面站的接收电平会发生剧烈波动，如果在下行帧头到来时电平仍未稳定，会严重影响帧头捕获的帧头标志输出，但是另一方面，考虑到系统的帧效率，AGC保护调整的时间窗不会太长，这就要求在这段时间窗口内AGC必须进行快速调整，本系统设计调整的间隔为160个样本点。在该时间窗口内，下面三个条件满足任意一个立即调整至AGC慢调整流程，否则继续进行快调整。

1)捕获到下行链路的帧头并输出指示标志(考虑到指示平滑算法的滞后性，帧头标志可能提前输出)；

2)通过指数平滑算法检测到的能量落在AGC锁定范围内：将指数平滑算法得到的能量检测值与图4所示的模拟AGC幅度调整分布图进行比较，如果该值落在P_min～P_max区间，保持当前AGC增益不变，不进行AGC调整(基于理想能量最大和最小能量通常取上下浮动0.5dB)；否则进行AGC调整，重新设定前端射频调谐器的增益。例如当前检测到的能量值为P，且P大于P_max，则需要减小前端增益，调整量为10*log(P_max/P)。

3)AGC保护时间窗口结束。

流程4——AGC慢调整：当AGC快调整结束后，接收电平波动不大，但是考虑到距

离变化和多径衰落诸多因素的影响，必须对其进行AGC慢调整，以实时跟踪接收电平的变化，为后级数字解调创造有利条件。本系统设计调整的间隔为320个样本点，采用的AGC调整算法与快调整相同，当接收时隙结束时跳转至发射时隙检测状态。

流程5——发射时隙等待：在该状态下，等待TDD开关发射时隙起始标志的到来，当检测到该标志有效后跳转至接收时隙等待状态；

流程6——接收时隙等待：在该状态下，等待TDD开关接收时隙起始标志的到来，当检测到该标志有效后跳转至AGC快调整状态，重复流程2。

至此，通过综合运用能量检测算法和AGC调整算法，完成了对地面站的接收电平的自动增益控制。需要说明的是，本领域技术人员应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种自动增益控制AGC的动态调整方法，包括以下步骤：

S1.地面设备开启接收开关；

S2.AGC开始进行能量估算；

S3.在成功捕获下行链路数据帧头之前进行AGC快调整；

S4.当满足特定条件时进行AGC慢调整，所述特定条件包括：

捕获到下行链路的帧头并输出指示标志；

所述能量估算的能量落在AGC锁定范围内；

AGC保护时间窗口结束；

S5.等待发射时隙起始标志，当检测到所述发射时隙起始标志后跳转至接收时隙等待状态；

S6.等待接收时隙起始标志，当检测到所述接收时隙起始标志后跳转至所述步骤S2。

2.根据权利要求1所述的自动增益控制AGC的动态调整方法，其中，所述步骤S5.等待发射时隙起始标志，当检测到所述发射时隙起始标志后跳转至接收时隙等待状态包括：

关闭接收开关，同时将AGC衰减值调整为最大。

3.根据权利要求1所述的自动增益控制AGC的动态调整方法，所述步骤S1.地面设备开启接收开关包括：

上电复位：完成系统的初始化参数配置，TDD开关按照设计的帧结构进行切换，在对应的信号接收窗口内AGC开始准备工作。

4.根据权利要求1所述的自动增益控制AGC的动态调整方法，所述步骤S2.AGC开始进行能量估算包括：能量检测采用指数平滑法。

5.根据权利要求1所述的自动增益控制AGC的动态调整方法，所述步骤S3.在成功捕获下行链路数据帧头之前进行AGC快调整包括：所述AGC快调整的的调整间隔为160个样本点。

6.根据权利要求1所述的自动增益控制AGC的动态调整方法，所述步骤S4.当满足特定条件时进行AGC慢调整包括：所述AGC慢调整的的调整间隔为320个样本点。