CN109639250A - 一种数字自动增益控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字自动增益控制方法及系统，其中，该方法的步骤为：首先，将接收机中模数转换器的数字输出信号进行采样和取平均，得到当前接收机数字输出信号的平均值。第二，将该值送入多个比较器，与多个参考值进行比较，每个比较器输出的0或1即为该位比较结果，所有比较器总的比较结果组成一个向量。第三，将该向量作为地址送入增益查找表中，查找表输出增益迭代所需调整的步进。第四，当前增益控制字与查找表输出的步进叠加，得到新的增益控制字，从而实现对可变增益模块的自动增益控制。本发明在保证系统收敛时间相对稳定的前提下节约电路功耗和面积。
Description
技术领域
本发明属于无线通信接收机系统技术领域，尤其涉及一种数字自动增益控制方法及系统。
背景技术
射频接收电路前端将从天线接收到的信号放大并下变频到模拟基带，再由模数转换器(Analog-to-Digital Converter，简称ADC)将模拟基带信号转化为数字基带信号，以便后续数字基带电路对信号进行解调和解码等操作。由于信号传播途径中的多径损耗、噪声和障碍物反射吸收等因素的影响，从天线接收到的信号强度变化十分剧烈，对模数转化器的动态范围要求很高，因此在第一代无线电通信设备中，人们就开始应用自动增益控制(Automatic Gain Control，简称AGC)技术来解决上述问题。通过不断调整接收机的增益，来保持输出端信号的相对稳定。如今AGC电路应用范围越来越广泛，对于输入信号动态范围很大、输出信号幅度的不稳定会导致信号丢失或者性能下降的系统，都可以采用AGC技术来缩小后级电路所需的动态范围。
自动增益控制电路种类繁多，根据控制信号，可以分为模拟AGC、数字AGC。模拟AGC通过模拟反馈电路进行增益控制，如改变晶体管的直流或者交流电流，插入衰减网络等，需要考虑功耗、面积和稳定性等因素，对模拟电路的设计要求很高。为了稳定环路收敛时间，使其不随输入信号强度发生改变，需要构造额外的指数电压产生电路，增加了电路设计的难度和复杂度。数字AGC通过二进制控制字控制反馈电阻、偏置电流和有源网络负反馈等结构的连接，从而实现增益的dB线性变化，也可以通过数字电路的控制实现多级可变增益模块的选通，相对于模拟AGC来说容易实现更低的功耗和更高的线性度。在模拟AGC中，可变增益放大器的增益直接由反馈信号控制，环路中的噪声容易引起增益抖动；而数字AGC用离散的控制码控制，不会为放大器引入噪声。另一方面，模拟AGC受到调整步进和响应时间的限制，环路设计的灵活性更差，难以适应突发的环境；数字AGC除了可变增益放大器以外，其余环路模块都在数字域实现，可以根据实际情况灵活设计控制算法，从而实现更短的稳定时间或降低对硬件的要求。因此，数字AGC越来越多地应用于射频接收机中。
数字自动增益控制的算法可以直接在ASIC上实现，也可以在DSP上实现。AGC将估算的当前信号平均幅度与参考值比较，并利用比较结果进行运算产生增益控制信号，送入各个可变增益模块进行增益调节。
将信号强度检测电路检测到的当前信号平均幅值与目标值之间的差值规定为误差幅值。目前的常见的数字自动增益控制算法主要采用的是对数迭代方式，对数迭代方式是指增益迭代的步进与误差幅值之间是对数关系的，如图1所示。相邻两次增益之间的关系可以用式(1)表示，
lg(G(n+1))＝lg G(n)+k(lgA′-lgA) (1)将式(1)变形，可以写作
lg(G(n+1))＝lgG(n)+k(lgA′-lg(|G(n)x(n)|)) (2)
＝(1-k)lgG(n)-klg(|x(n)/A′|)
其中k是自定义的增益加权因子，用来控制电路的稳态响应，G(n)和G(n+1)分别表示第n次与第(n+1)次增益，A是根据检测到的信号幅值估算的当前输入信号的平均幅度，A’是目标值，也可以称为理想幅值。假设输入信号为阶跃信号x(n)＝cu(n)，则图1所示系统的稳态响应为
lg(G(n))＝-lg(c/A′)[1-(1-k)n]u(n) (3)
从式(3)可以看出，当0＜k＜2时，系统最终可以收敛，增益稳态值为A’/c，时间常数τ正比于1/k，与输入信号幅度相互独立，环路具有相对稳定的时间常数。
上述迭代方式引入了对数运算以获得相对稳定的收敛时间。然而数字域的对数操作比较复杂，将会为了硬件电路的带来更多的面积和功耗。LAI Xiaoqiang和LIShuangtian所著Design and Implementation of Digital Looped Automatic GainControl[J].Network New Media，2013，2(3):40-45采用CORDIC算法简化对数运算，这样做虽然可以得到较为精确的对数运算结果，但是一方面仍然需要设计并调用双曲函数反函数(tanh-1)的查找表，另一方面需要进行迭代操作，延时较长。WANG Chao和YU Zong Ying所著Analysis and design of a fast digital AGC structure[J].Computer andInformation Technology，2008，3:41-43直接利用查找表建立ADC输出与对数运算的映射关系，这种方法简单快捷，却对设计者的要求更为严格，因为在实际工作过程中会发生增益偏差，使得所需增益与计算值不符，单纯用查找表的方式容易产生错误的控制信号。
综上所述，对数迭代方式可以将接收机的输出信号收敛到目标值，且具有相对稳定的收敛时间，但是引入的对数运算会增大电路的功耗和面积。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种数字自动增益控制方法及系统，在保证系统收敛时间相对稳定的前提下节约电路功耗和面积的数字自动增益控制方法。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种数字自动增益控制方法，所述方法包括如下步骤：
(1)预设采样点个数M，对接收机的模数转换器的数字输出信号进行采样，并对M个采样点信号取平均，得到接收机当前数字输出信号的平均值A；
(2)预设数字输出信号的目标值A’；
(3)将步骤(2)得到的目标值A’分别乘以20个常数，得到20个参考值，分别记为A1，A2，A3，…，A20；
(4)将步骤(1)得到的接收机当前数字输出信号平均值A分别与步骤(3)得到的参考值A1，A2，…，A20比较，所有比较结果组成一个一维向量t；
(5)将步骤(4)得到的一维向量t作为地址输送给增益查找表，增益查找表输出增益需要改变的步进值；
(6)将放大器当前增益控制字G(n)与步骤(5)得到的增益需要改变的步进值相加，得到新的放大器增益控制字G(n+1)；
(7)将步骤(6)得到的增益控制字G(n+1)送入可变增益放大器中，控制放大器的增益变化，从而实现对接收机的自动增益控制。
上述数字自动增益控制方法中，在步骤(1)中，若采样点位于I/Q两路上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，I(n)、Q(n)分别为正交两路的第n次信号采样结果，M为采样点个数。
上述数字自动增益控制方法中，在步骤(1)中，若采样点位于I/Q两路上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，I(n)、Q(n)分别为正交两路的第n次信号采样结果，M为采样点个数。
上述数字自动增益控制方法中，在步骤(1)中，若采样点位于I/Q两路上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，I(n)、Q(n)分别为正交两路的第n次信号采样结果。
上述数字自动增益控制方法中，在步骤(1)中，若采样点位于复数通道上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，s(n)为ADC输出复数信号的第n次采样结果，M为采样点个数。
上述数字自动增益控制方法中，在步骤(1)中，若采样点位于复数通道上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，s(n)为ADC输出复数信号的第n次采样结果，M为采样点个数。
上述数字自动增益控制方法中，在步骤(1)中，采样点个数M为2i，其中i＝1，2，3，...。
上述数字自动增益控制方法中，在步骤(4)中，接收机当前数字输出信号平均值A与步骤(3)得到的参考值A1，A2，...，A20中任一参考值比较，如果A大于等于该参考值，则比较结果为1，如果A小于该参考值，则比较结果为0。
上述数字自动增益控制方法中，在步骤(5)中，增益查找表根据系统需要输出针对一个或多个可变增益模块的增益需要改变的步进值，当控制一个可变增益模块的增益时，增益查找表输出一个ΔGappro；当控制接收机中m个可变增益模块的增益时，增益查找表输出m个增益步进值，分别为ΔG1appro、ΔG2appro、...、ΔGmappro，这些增益步进值分别与各模块的当前增益相加，得到各模块新的增益需要改变的步进值。
根据本发明的另一方面，还提供了一种数字自动增益控制系统，其特征在于包括：取均值模块、比较器组、查找表和加法器；其中，所述取均值模块将ADC输出的数字信号进行采样，并对M个采样点信号取平均，得到接收机当前数字输出信号的平均值A；所述比较器组将平均值A分别与20个参考值进行比较，比较结果为0或1，作为20位一维向量t的其中一位；所述查找表将一维向量t根据映射关系得到增益需要改变的步进值；所述加法器将当前增益控制字G(n)与增益需要改变的步进值相加，得到新的增益控制字G(N+1)。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明通过设定20个参考值的方法确定采样数据均值所在的参考区间，并利用事先定义好的查找表直接输出增益迭代步进，将原本的对数运算和乘法运算简化为比较运算和查找表寻址操作，大大简化了运算过程，节约电路功耗和面积。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为现有的基于对数迭代方式的数字自动增益控制方法示意图；
图2为本发明的数字自动增益控制方法示意图；
图3为本发明的均值比较结果与增益迭代步进映射关系图；
图4为本发明在接收机中的应用示例示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施提供了一种数字自动增益控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)预设采样点个数M，对接收机的模数转换器的数字输出信号进行采样，并对M个采样点信号取平均，得到接收机当前数字输出信号的平均值A；
(2)预设数字输出信号的目标值A’；
(3)将步骤(2)得到的目标值A’分别乘以20个常数，得到20个参考值，分别记为A1，A2，A3，…，A20；
(4)将步骤(1)得到的接收机当前数字输出信号平均值A分别与步骤(3)得到的参考值A1，A2，…，A20比较，所有比较结果组成一个一维向量t；
(5)将步骤(4)得到的一维向量t作为地址输送给增益查找表，增益查找表输出增益需要改变的步进值；
(6)将放大器当前增益控制字G(n)与步骤(5)得到的增益需要改变的步进值相加，得到新的放大器增益控制字G(n+1)；
(7)将步骤(6)得到的增益控制字G(n+1)送入可变增益放大器中，控制放大器的增益变化，从而实现对接收机的自动增益控制。
步骤(1)产生平均值A的方法根据系统需要决定，即如果采样点位于I/Q两路上，可以采用类似 等方法决定，其中I(n)、Q(n)分别为正交两路的第n次信号采样结果，M为采样点个数；如果采样点位于复数通道上，可以采用类似等方法决定，其中s(n)为ADC输出复数信号的第n次采样结果，M为采样点个数。步骤(1)产生平均值A的方法根据系统需要决定，由于在后续操作中，平均值A需要与目标值的固定倍数值进行比较，当系统分辨率不高时，可以利用对M个采样点数值进行累加的操作代替取平均操作，相应地，参考值也要扩大M倍。
选取的采样点个数M通常为2i，其中i＝1，2，3，…，从而可以将除法操作转化为移位操作。
步骤(3)产生参考值(A1，A2，…，A20)的个数及参考值与目标值之间的倍数关系依据电路实际能力决定，当可变增益放大器能够调整的最大步进较大时，最大参考值可以设计得较大，以获得较大的增益调节步进；当可变增益放大器能够调节的最小精度较高时，最小参考值可以设计得离目标值更近，以获得更高的收敛精度。
步骤(5)中增益查找表可以根据系统需要输出针对一个或多个可变增益模块的增益步进ΔGappro，当控制一个可变增益模块的增益时，查找表输出一个ΔGappro；当控制接收机中m个可变增益模块的增益时，查找表输出多个增益步进命令，分别为ΔG1appro，ΔG2appro，...，ΔGmappro，这些增益步进值分别与各模块的当前增益相加，得到各模块新的增益控制字。
对ADC的输出数据进行采样后利用取均值模块200估算当前输出信号强度平均值，将平均值A与20个参考值利用比较器201比较大小，比较结果t送入查找表202中，查找表202输出增益需要改变的步进ΔG，送入加法器103将其与当前增益G(n)相加，得到新的增益控制字G(n+1)，如图2所示。
上述方案的原理是：
将式子(1)整理为
20lg(G(n+1))-20lg(G(n))＝20k(lgA′-lgA) (4)
进一步可以整理为，
等式(5)的左侧已经转化为相邻两次dB增益之间的差值，等式右侧变成了平均幅值的与目标幅值的比值的对数域数值。由于数字AGC的设计原则就是要保证增益变化与控制字之间的dB线性关系，而等式左侧已经转化为对数域差值，因此可以直接根据等式右侧产生相应增益迭代数值，叠加到当前增益控制字上。将k值暂定为1，根据式(5)可以得知，如果A＝2A’，那么
ΔG＝20lg(G(n+1))-20lg(G(n))＝-20lg2＝-6dB (6)同理适用于A＝3A’、A＝4A’或A小于A’的情况。因此，可以依据目标值A‘的倍数值，划分多个范围区间，通过将均值A与各区间边界值进行多次比较确定A所在范围，并可以根据各区间边界提前确定增益迭代步进并写入查找表中，从而将比较结果直接映射成增益步进的近似值ΔGappro。比较结果与增益步进近似值之间的映射关系如图3所示。例如，比较结果如果显示1.06A’≤A＜1.12A’，那么增益迭代的步进即为-0.5dB。
其中20lg(1.06)＝0.506dB，20lg(0.94)＝-0.537dB，因此收敛误差小于0.537dB。又由于0.506-0.5＝0.006dB，换算成比值约为1，大于0.94，小于1.06，不再进行增益调整；-0.537+0.5＝-0.037dB，换算成比值约为0.996，大于0.94，小于1.06，也不再进行增益调整。因此不会发生一直调整增益的死循环情况。因此，该方法能够快速锁定目标增益，并保证收敛时间的相对稳定。
如图4所示，为根据本发明提出的方法对接收机中的低噪放进行自动增益控制的一个实施例。本发明实施例的以下讨论本质上仅仅是示例性的，绝不旨在限制本发明或者其应用或使用。在此实施例中，接收机由天线400、低噪声放大器401、混频器402、跨阻放大器403、滤波器404、ADC 405组成，本发明提出的数字自动增益控制方法由取均值模块200、比较器组201、查找表202、加法器103组成。下面结合图4对本发明的实施方式进行详细描述。
接收机从天线400接收到高频信号，低噪放401将信号的强度进行放大，无源混频器402将信号从高频下变频到低频段，跨阻放大器403将下变频后的电流信号转化为电压信号，滤波器404滤除带外干扰信号、保留有用信号，ADC 405将模拟信号转化为数字信号，传送给基带进行后续处理。
为了对接收机的低噪放401进行增益控制，首先取均值模块200将ADC输出的数字信号进行采样和取平均操作，采样点个数M由设计者决定，且M一般是2的整数次幂，以便将后续的除法操作转化为移位操作。一般而言，M取值越大，获得的平均值更能反映当前信号的平均强度，但采样所需时间就越长，本例中M＝512。取平均方法由设计者选定，本例中采用的取平均方法是其中s(n)为ADC输出复数信号的第n次采样结果。
比较器组201将平均值A分别与20个参考值进行比较，单次比较结果为0或1，作为20位向量t的其中一位。如：A与8A’比较，若A≥8A’，则输出1，t[20]＝1；若A＜8A’，则输出0，t[20]＝0。所有比较结果共同构成向量t，本例中t＝20’d127。在比较操作中，参考值的个数及与目标值A’之间的倍数关系可以依据电路能力和实际需要由设计者确定，当可变增益放大器能够调整的最大步进较大时，最大参考值可以设计得较大，以获得较大的增益调节步进；当可变增益放大器能够调节的最小精度较高时，最小参考值可以设计得离目标值更近，以获得更高的收敛精度。
将比较结果t输入查找表202，根据映射关系得到所需的增益迭代步进ΔGappro，如图4所示。本例中，由于t＝20’d127，因此增益需要提高3dB，输出ΔGappro＝+3dB。比较结果与增益迭代步进的映射关系由式(5)推导出，本例中k＝1，因此映射关系如图4中查找表202所示。在具体应用中，k值可以由设计者根据实际需要确定，因此比较结果与增益迭代步进的映射关系不限于图4所示查找表202。此外，查找表202可以针对一个或多个可变增益模块输出增益迭代步进控制字，例如：假设低噪放和跨阻放大器都需要进行增益调节，根据比较器的输出向量t及查找表中预定义的增益分配办法，查找表202将输出低噪放增益步进ΔG1appro和跨阻放大器增益步进ΔG2appro，二者之和为查找表202中的ΔGappro。
加法器103将低噪放的当前增益控制字G(n)与增益迭代步进ΔGappro相加，得到新的增益控制字G(N+1)。本例中，G(n)＝12dB，ΔGappro＝3dB，得到G(n+1)＝15dB。新的增益控制字将被送入低噪放的增益控制端口，对其增益进行调节。从而实现对接收机的自动增益控制。
本实施例通过设定20个参考值的方法确定采样数据均值所在的参考区间，并利用事先定义好的查找表直接输出增益迭代步进，将原本的对数运算和乘法运算简化为比较运算和查找表寻址操作，大大简化了运算过程，节约电路功耗和面积。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种数字自动增益控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)预设采样点个数M，对接收机的模数转换器的数字输出信号进行采样，并对M个采样点信号取平均，得到接收机当前数字输出信号的平均值A；
(2)预设数字输出信号的目标值A’；
(3)将步骤(2)得到的目标值A’分别乘以20个常数，得到20个参考值，分别记为A1，A2，A3，…，A20；
(4)将步骤(1)得到的接收机当前数字输出信号平均值A分别与步骤(3)得到的参考值A1，A2，…，A20比较，所有比较结果组成一个一维向量t；
(5)将步骤(4)得到的一维向量t作为地址输送给增益查找表，增益查找表输出增益需要改变的步进值；
(6)将放大器当前增益控制字G(n)与步骤(5)得到的增益需要改变的步进值相加，得到新的放大器增益控制字G(n+1)；
(7)将步骤(6)得到的增益控制字G(n+1)送入可变增益放大器中，控制放大器的增益变化，从而实现对接收机的自动增益控制。
2.根据权利要求1所述的数字自动增益控制方法，其特征在于：在步骤(1)中，若采样点位于I/Q两路上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，I(n)、Q(n)分别为正交两路的第n次信号采样结果，M为采样点个数。
3.根据权利要求1所述的数字自动增益控制方法，其特征在于：在步骤(1)中，若采样点位于I/Q两路上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，I(n)、Q(n)分别为正交两路的第n次信号采样结果，M为采样点个数。
4.根据权利要求1所述的数字自动增益控制方法，其特征在于：在步骤(1)中，若采样点位于I/Q两路上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，I(n)、Q(n)分别为正交两路的第n次信号采样结果。
5.根据权利要求1所述的数字自动增益控制方法，其特征在于：在步骤(1)中，若采样点位于复数通道上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，s(n)为ADC输出复数信号的第n次采样结果，M为采样点个数。
6.根据权利要求1所述的数字自动增益控制方法，其特征在于：在步骤(1)中，若采样点位于复数通道上，接收机当前数字输出信号的平均值A由以下公式得到：
其中，s(n)为ADC输出复数信号的第n次采样结果，M为采样点个数。
7.根据权利要求1所述的数字自动增益控制方法，其特征在于：在步骤(1)中，采样点个数M为2i，其中i＝1，2，3，…。
8.根据权利要求1所述的数字自动增益控制方法，其特征在于：在步骤(4)中，接收机当前数字输出信号平均值A与步骤(3)得到的参考值A1，A2，…，A20中任一参考值比较，如果A大于等于该参考值，则比较结果为1，如果A小于该参考值，则比较结果为0。
9.根据权利要求1所述的数字自动增益控制方法，其特征在于：在步骤(5)中，增益查找表根据系统需要输出针对一个或多个可变增益模块的增益需要改变的步进值，当控制一个可变增益模块的增益时，增益查找表输出一个△Gappro；当控制接收机中m个可变增益模块的增益时，增益查找表输出m个增益步进值，分别为ΔG1appro、ΔG2appro、…、ΔGmappro，这些增益步进值分别与各模块的当前增益相加，得到各模块新的增益需要改变的步进值。
10.一种数字自动增益控制系统，其特征在于包括：取均值模块(200)、比较器组(201)、查找表(202)和加法器(103)；其中，
所述取均值模块(200)将ADC输出的数字信号进行采样，并对M个采样点信号取平均，得到接收机当前数字输出信号的平均值A；
所述比较器组(201)将平均值A分别与20个参考值进行比较，比较结果为0或1，作为20位一维向量t的其中一位；
所述查找表(202)将一维向量t根据映射关系得到增益需要改变的步进值；
所述加法器(103)将当前增益控制字G(n)与增益需要改变的步进值相加，得到新的增益控制字G(N+1)。
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