CN109981066A - 自动增益控制装置与自动增益控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自动增益控制装置，其中包含一振幅侦测电路、一失真侦测电路、一增益决定电路与一放大电路。该放大电路是用以将一增益施加于一输入信号，以产生一输出信号。该振幅侦测电路是用以侦测该输入信号的一平均振幅。该失真侦测电路是用以侦测该输出信号的一失真程度。该增益决定电路根据该平均振幅与该失真程度调整该放大电路采用的该增益。
Description
技术领域
本发明与信号接收系统相关，并且尤其与信号接收系统中的自动增益控制技术相关。
背景技术
随着电子相关技术的进步，各种类型的通信设备愈来愈普及。许多通信设备的接收端都设有自动增益控制电路，负责适性地将一放大增益施加于其输入信号；经过适当放大后的信号有助于后续电路正确解码。
典型的自动增益控制是根据输入信号的平均振幅来决定增益的大小。图1呈现一自动增益控制电路的内部电路示意图。振幅侦测电路110是用以计算输入信号SI的振幅绝对值的平均值(以下称平均振幅A)。增益决定电路120会根据平均振幅A与一参考振幅R的差异来决定增益G，并由放大电路130将增益G施加于输入信号SI，以产生输出信号SO。更具体地说，参考振幅R代表对于输出信号SO的振幅的期望值。平均振幅A与参考振幅R的差异愈小，表示愈不需要利用放大电路130提供的增益来放大输入信号SI。因此，增益G会正比于平均振幅A与参考振幅R间的差异。
上述参考振幅R通常是一个固定的默认值，由参考振幅设定电路140根据输入信号SI的特性来设定；针对同一类型的信号便是采用相同的参考振幅R。这种做法的缺点在于，针对同一类型的信号采用固定的参考振幅R未必理想。举例来说，输入信号SI可能会与相邻信道干扰(adjacent channel interference)或因电力不稳定造成的突波干扰(impulseinterference)迭加，也有可能被传送端为了测试目的而设定为具有忽大忽小的波形，因而在某些时间点变得具有较高的振幅。
图2呈现输入信号SI的振幅绝对值与时间的一个相对关系范例。在这个范例中，平均振幅A大约等于0.4伏特。以虚线圆框标出的三个位置21、22、23则出现了与平均值相差甚大的振幅(以下称异常振幅)。假设振幅侦测电路110计算出平均振幅A等于0.4伏特，而参考振幅设定电路140提供的参考振幅R等于0.7伏特，增益G便可能被设定为1.75。图3呈现输出信号SO的振幅绝对值与时间的一个相对关系范例。在这个情况下，上述三处异常振幅在通过放大电路130后便会被放大到超过±1.2伏特(如图3中的位置21’、22’、23’所示)。若后续电路(例如模拟-数字转换电路)的输入信号动态范围是±1.2伏特，超过±1.2伏特的信号内容通常会被后续电路舍弃，造成失真的问题。因振幅饱和而导致的失真有一个很大的坏处，即使后续采用过滤电路在频域移除了相邻信道干扰与突波干扰的影响，原来的信号信息已无法被重建。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种新的自动增益控制装置与自动增益控制方法。
根据本发明的一实施例为一种自动增益控制装置，其中包含一振幅侦测电路、一失真侦测电路、一增益决定电路与一放大电路。该放大电路是用以将一增益施加于一输入信号，以产生一输出信号。该振幅侦测电路是用以侦测该输入信号的一平均振幅。该失真侦测电路是用以侦测该输出信号的一失真程度。该增益决定电路根据该平均振幅与该失真程度调整该放大电路采用的该增益。
根据本发明的另一实施例为一种自动增益控制方法。首先，一增益被施加于一输入信号，以产生一输出信号。其次，该输入信号的平均振幅以及该输出信号的失真程度被侦测。随后，根据该平均振幅与该失真程度，施加于该输入信号的该增益被调整。
关于本发明的优点与精神可以藉由以下发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1呈现典型自动增益控制电路的一种实施例。
图2呈现一自动增益控制电路的输入信号的振幅绝对值与时间的相对关系范例。
图3呈现一自动增益控制电路的输出信号的振幅绝对值与时间的相对关系范例。
图4为根据本发明的一实施例中的自动增益控制装置的功能方块图。
图5A与图5B呈现本发明的实施例中的失真侦测电路的细部电路。
图6A与图6C呈现本发明的实施例中的增益决定电路的细部电路；图6B呈现本发明的实施例中的调整电路的细部电路。
图7为根据本发明的一实施例中的自动增益控制方法的流程图。
须说明的是，本发明的图式包含呈现多种彼此关联的功能性模块的功能方块图。该等图式并非细部电路图，且其中的连接线仅用以表示信号流。功能性元件及/或程序间的多种互动关系不一定要透过直接的电性连结始能达成。此外，个别元件的功能不一定要如图式中绘示的方式分配，且分布式的区块不一定要以分布式的电子元件实现。
符号说明
110：振幅侦测电路 120：增益决定电路
130：放大电路 140：参考振幅设定电路
21～23、21’～23’：异常振幅 400：自动增益控制装置
405：参考振幅设定电路 410：振幅侦测电路
420：增益决定电路 430：失真侦测电路
440：放大电路 420A：调整电路
420A1：缓存器 420A2：比较器
420A3：运算电路 420B：差异计算电路
420C：增益产生电路 420D：差异计算电路
420E：原始增益产生电路 420F：调整电路
430A：比较电路 430B：计数电路
430C：相邻信道干扰滤波器 430D：相邻信道干扰侦测电路
SI：输入信号 SO：输出信号
SF：过滤后信号 SC：频率信号
A：平均振幅 R：参考振幅
R’：调整后参考振幅 G：增益
G0：原始增益 L：失真程度
TH：失真程度门槛值 T：振幅门槛
D：振幅差异 d：预设运算值
EN：使能信号 S71～S75：流程步骤
具体实施方式
根据本发明的一实施例为一种自动增益控制装置，其功能方块图是绘示于图4。自动增益控制装置400包含一参考振幅设定电路405、一振幅侦测电路410、一增益决定电路420、一失真侦测电路430与一放大电路440。实务上，自动增益控制装置400可以被整合在各种需要对信号施以自动增益控制的通信接收器中，亦可独立存在。以下分述各电路的运作方式。
参考振幅设定电路405会根据输入信号SI的特性(例如隶属于何种电视系统标准)来设定提供给增益决定电路420的默认参考振幅R。实务上，该特性的相关信息可能是透过输入信号SI中的某些封包档头来传递，但不以此为限。
振幅侦测电路410负责侦测输入信号SI的振幅绝对值的平均值(以下称平均振幅A)。
失真侦测电路430负责侦测输出信号SO的一失真程度L。图5A呈现失真侦测电路430的一种细部电路范例。比较电路430A是用以比较输出信号SO的振幅绝对值与一振幅门槛T。每当输出信号SO的振幅绝对值高于该振幅门槛T，比较电路430A便令其输出信号具有高准位电压，反之则为低准位电压。每当侦测到比较电路430A的输出信号出现一个电压升缘，计数电路430B便提高其计数结果，并将于一段预设时间长度后产生的该计数结果输出，做为失真程度L。须说明的是，该预设时间长度可参考输入信号SI被取样的频率或是经由电路设计者根据实务经验决定。于此实施例中，计数电路430B接收一频率信号SC，并以频率信号SC的周期来计算该默认时间长度。举例而言，计数电路430B可以在每次频率信号SC出现升缘时输出最新的计数结果，并重新开始计数。另一方面，振幅门槛T则是与后续电路的输入信号动态范围相关。假设将接收输出信号SO的后续电路能处理的电压范围是±1伏特，则输出信号SO中振幅绝对值超过1伏特的信号内容将会因振幅超过后续电路的输入信号动态范围而失真。在这个情况下，该振幅门槛T便可相对应地被设定为1伏特。频率信号SC亦可设置在比较电路430A，致使比较电路在频率信号SC的周期输出比较结果。
图5B呈现失真侦测电路430的另一种细部电路范例。相邻信道干扰滤波器430C是用以滤除输出信号SO中的相邻信道干扰，以产生一过滤后信号SF。相邻信道干扰侦测电路430D则是用以侦测输出信号SO与过滤后信号SF的一能量差异，做为失真程度L。实务上，相邻信道干扰侦测电路430D可利用功率侦测电路，分别侦测输出信号SO和过滤后信号SF的功率(以下分别用符号PD、PF表示)，例如在频谱上取得数字取样结果SD与过滤后信号SF的累加功率或功率频谱密度(power spectral density,PSD)。该能量差异可以是功率PD、PF的差值，也可以是以功率PD除以功率PF而产生的一比值。由该能量差异可以看出输出信号SO中是否存在相邻信道干扰。相邻信道干扰愈强，该能量差异就愈大。另一方面，相邻信道干扰愈强，输入信号SO中出现异常振幅的机率通常就会愈大。因此，该能量差异能被视为失真程度L。
如图4所示，增益决定电路420在产生提供给放大电路440的增益G时，会考虑参考振幅设定电路405提供的默认参考振幅R、振幅侦测电路410提供的平均振幅A，以及失真侦测电路430提供的失真程度L。一开始，增益决定电路420可暂不考虑失真程度L，先根据平均振幅A与默认参考振幅R的差异来决定一初始增益Gi。随后，失真侦测电路430便可侦测到放大电路440将初始增益Gi施加于输入信号SI所产生的输出信号SO的失真程度L。一失真程度门槛值TH可被预先设定(例如根据后续解码器在一个封包中能容忍的错误位数量)并提供给增益决定电路420。如果失真程度L超过失真程度门槛值TH，表示根据平均振幅A产生的初始增益Gi会让输入信号SI中有太多异常振幅被放大到失真的程度。因此，若失真程度L超过失真程度门槛值TH，增益决定电路420会调低增益G，亦即提供一个低于初始增益Gi的新增益G给放大电路440。易言之，在平均振幅A相同的情况下，当失真程度L未超过失真程度门槛值TH，增益决定电路420会产生一第一增益，而当失真程度L超过失真程度门槛值TH，增益决定电路420会产生低于该第一增益的一第二增益。藉由将失真程度L纳入考虑，增益决定电路420可减少前述异常振幅被过度放大所造成的信号失真问题。
实务上，增益决定电路420可持续动态调整增益G。举例来说，若采用新增益G经过一段时间之后，失真侦测电路430不再侦测到输出信号SO中有任何失真信号，增益决定电路420可将增益G改回初始增益Gi。
图6A呈现增益决定电路420的一种细部电路范例。若失真程度L高于失真程度门槛值TH，调整电路420A便根据失真程度L与预设参考振幅R产生一调整后参考振幅R’，实施方式如后详述。差异计算电路420B是用以计算平均振幅A与调整后参考振幅R’间的一振幅差异D。实务上，振幅差异D可以是自调整后参考振幅R’减去平均振幅A而产生的相减结果，也可以是以平均振幅A除以调整后参考振幅R’而产生的一比值。增益产生电路420C根据振幅差异D来产生增益G。实务上，增益产生电路420C可包含一查找表，并以振幅差异D做为索引值，自该查找表中找出相对应的增益G。或者，增益产生电路420C可包含加减法器等运算电路，以振幅差异D做为一预设计算式的输入值，计算出增益G。
调整电路420A有几种可行的实践范例如下所述。一例中，调整电路420A可将失真程度L分为数个级距，建立一个查找表，并且以失真程度L与默认参考振幅R做为索引值，自该查找表中找出相对应的调整后参考振幅R’。或者，调整电路420A可包含加减法器等运算电路，以失真程度L与预设参考振幅R做为一预设计算式的输入值，计算出调整后参考振幅R’。另一例中，调整电路420A采用渐进式的方式来调整参考振幅R，若此周期的失真程度L超过失真程度门槛值TH，调整电路420A可令下一次的调整后参考振幅R’低于这一次的调整后参考振幅R’，藉此缩小振幅差异D。如图6B所示，调整电路420A包含一缓存器420A1、一比较器420A2以及一运算电路420A3。比较器420A2是用来比较失真程度L与失真程度门槛值TH，若失真程度L大于该失真程度门槛值TH则使比较器输出为1，作为运算电路420A3的使能信号EN。缓存器420A1暂存此周期采用的调整后参考振幅R’作为运算电路420A3的一输入，运算电路420A3的另一输入端接收一预设运算值d，当运算电路420A3收到为1的使能信号EN，便将调整后参考振幅R’与此运算值d进行运算，以得到下一周期将采用的调整后参考振幅R’，并出输出至差异计算电路420B。新的调整后参考振幅R’也会被存入缓存器420A1。因差异计算电路420B所算得的振幅差异D将因此减小，增益产生电路420C将会产生一个较小的增益G。须说明的是，增益决定电路420可迭代式地多次调整增益G，直到失真程度L下降到前述失真程度门槛值TH以下。实务上，运算电路420A3可采用减法电路，则运算值d为一差值，新的调整后参考振幅R’则是调整后参考振幅R’减去此差值d的结果；或者，运算电路A3可采用比例电路，则运算值d为一比例，新的调整后参考振幅R’则是调整后参考振幅R’乘上此比例d的结果。
图6C呈现增益决定电路420的另一种细部电路范例。差异计算电路420D是用以计算平均振幅A与默认参考振幅R间的一振幅差异D。原始增益产生电路420E是用以根据振幅差异D产生一原始增益G0。若失真程度L高于失真程度门槛值TH，调整电路420F便会根据失真程度L与原始增益G0产生一个低于原始增益G0的增益G。举例而言，若失真程度L超过失真程度门槛值TH，调整电路420F可令增益G的大小等于原始增益G0的百分之九十。
于实际应用中，增益决定电路420可利用多种控制和处理平台实现，包含固定式的和可程序化的逻辑电路，例如可程序化逻辑门阵列、针对特定应用的集成电路、微控制器、微处理器、数字信号处理器。此外，增益决定电路420亦可被设计为透过执行一存储器(未绘示)中所储存的处理器指令，来完成多种任务。本领域的技术人员可理解，另有多种电路组态和元件可在不背离本发明精神的情况下实现增益决定电路420的概念。
根据本发明的另一实施例为一种自动增益控制方法，其流程图是绘示于图7。首先，步骤S71为将一增益施加于一输入信号，以产生一输出信号。随后，步骤S72为侦测该输出信号的一失真程度。可另外同步进行的步骤S73为侦测该输入信号的一平均振幅。接着，步骤S74为根据该平均振幅与该失真程度产生一调整后增益。接着，步骤S75是将该调整后增益施加于该输入信号。
本领域的技术人员可理解，先前在介绍自动增益控制装置400时描述的各种操作变化亦可应用至图7中的自动增益控制方法，其细节不再赘述。
藉由以上具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明的权利要求书的范畴内。
Claims (12)
1.一种自动增益控制装置，包含：
一放大电路，用以将一增益施加于一输入信号，以产生一输出信号；
一振幅侦测电路，用以侦测该输入信号的一平均振幅；
一失真侦测电路，用以侦测该输出信号的一失真程度；以及
一增益决定电路，根据该平均振幅与该失真程度产生一调整后增益，供该放大电路使用。
2.如权利要求1所述的自动增益控制装置，其特征在于，该失真侦测电路包含：
一比较电路，用以比较该输出信号的一振幅绝对值与一振幅门槛；以及一计数电路，每当该输出信号的该振幅绝对值高于该振幅门槛，该计数电路便增加一计数结果，并将于一段预设时间长度内产生的该计数结果输出，做为该失真程度。
3.如权利要求1所述的自动增益控制装置，其特征在于，该增益决定电路包含：
一调整电路，用以根据该失真程度与一参考振幅产生一调整后参考振幅；
一差异计算电路，用以计算该平均振幅与该调整后参考振幅间的一振幅差异；以及
一增益产生电路，用以根据该振幅差异产生该调整后增益。
4.如权利要求1所述的自动增益控制装置，其特征在于，该增益决定电路包含：
一差异计算电路，用以计算该平均振幅与一参考振幅间的一振幅差异；
一原始增益产生电路，用以根据该振幅差异产生一原始增益；以及
一调整电路，用以根据该失真程度与该原始增益产生该调整后增益。
5.如权利要求1所述的自动增益控制装置，其特征在于，该失真侦测电路包含：
一相邻信道干扰滤波器，用以滤除该输出信号中的一相邻信道干扰，以产生一过滤后信号；以及
一相邻信道干扰侦测电路，用以侦测该输出信号与该过滤后信号的一能量差异，做为该失真程度。
6.如权利要求5所述的自动增益控制装置，其特征在于，该增益决定电路包含：
一调整电路，用以根据该失真程度与一参考振幅产生一调整后参考振幅；
一差异计算电路，用以计算该平均振幅与该调整后参考振幅间的一振幅差异；以及
一增益产生电路，用以根据该振幅差异产生该调整后增益。
7.一种自动增益控制方法，包含：
(a)将一增益施加于一输入信号，以产生一输出信号；
(b)侦测该输入信号的一平均振幅；
(c)侦测该输出信号的一失真程度；
(d)根据该平均振幅与该失真程度产生一调整后增益；以及
(e)将该调整后增益施加于该输入信号。
8.如权利要求7所述的自动增益控制方法，其特征在于，步骤(c)包含：
比较该输出信号的振幅绝对值与一振幅门槛；以及
每当该输出信号的振幅绝对值高于该振幅门槛，提高一计数结果；以及
将于一段预设时间长度内产生的该计数结果输出，做为该失真程度。
9.如权利要求7所述的自动增益控制方法，其特征在于，步骤(d)包含：
根据该失真程度与一参考振幅一调整后参考振幅；
计算该平均振幅与该调整后参考振幅间的一振幅差异；以及
根据该振幅差异产生该调整后增益。
10.如权利要求7所述的自动增益控制方法，其特征在于，步骤(d)包含：
计算该平均振幅与一参考振幅间的一振幅差异；
根据该振幅差异产生一原始增益；以及根据该失真程度与该原始增益，产生该调整后增益。
11.如权利要求7所述的自动增益控制方法，其特征在于，步骤(c)包含：
滤除该输出信号中的一相邻信道干扰，以产生一过滤后信号；以及
侦测该处理后信号与该过滤后信号的一能量差异，做为该失真程度。
12.如权利要求11所述的自动增益控制方法，其特征在于，步骤(d)包含：
根据该失真程度与一参考振幅一调整后参考振幅；
计算该平均振幅与该调整后参考振幅间的一振幅差异；以及
根据该振幅差异产生该调整后增益。
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