CN110324054A

CN110324054A - 一种数字通信接收机的自动增益控制方法

Info

Publication number: CN110324054A
Application number: CN201910538851.4A
Authority: CN
Inventors: 车小林; 赵贵勇; 舒海军; 衣晓峰
Original assignee: Shanghai Huahong Integrated Circuit Co Ltd; Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Integrated Circuit Co Ltd; Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2019-10-11

Abstract

本发明涉及电子通信领域，公开了一种数字通信接收机的自动增益控制方法，联合利用接收机ADC输出信号的饱和度、幅度和信号功率进行增益调整。首先，将射频或模拟前端的通路增益设置为最大值，当ADC输出信号功率大于一个预先设定的门限时，根据ADC输出信号饱和度相应地降低射频或模拟前端的通路增益；其次，根据ADC输出信号的幅度和功率，调整数字增益及射频或模拟前端的通路增益，使ADC输出信号功率在期望范围内；最后，跟踪ADC输出信号的幅度和功率，直到收到数字基带接收机的增益锁定指示信号，此时维持射频或模拟前端的通路增益不变。仿真表明，本发明的自动增益控制方法收敛速度快，可适用于复杂的有线或无线通信场景。

Description

一种数字通信接收机的自动增益控制方法

技术领域

本发明涉及电子通信领域，特别涉及一种数字通信接收机的自动增益控制方法。

背景技术

通信技术是最近几十年来发展最快的技术领域之一，从模拟通信发展到现代数字通信，极大地改善了人们在生活和工作中进行信息传输和交流的便利性。蜂窝通信、无线局域网、蓝牙等通信技术，适应于不同的应用场景而不断地向前演进和发展，已成为手机、移动终端等的标准配置。这些无线通信系统中，发射机和接收机之间的距离是不固定的，可能会缓慢变化的，导致接收机接收信号的功率发生变化，要求数字通信系统的接收机可以适应较大动态范围的接收信号功率变化。

数字通信接收机的自动增益控制(AGC)模块，根据ADC的输出信号，调整射频或模拟前端的通路增益，使得在不同的接收信号功率下，ADC的输入信号功率基本恒定，这样可以有效地利用ADC的动态特性，保证数字基带接收机的可靠工作。AGC是数字通信接收机的关键模块之一，其工作可靠与否会影响通信系统信息传输的可靠性。无线局域网和蓝牙通信系统是突发通信系统，每个物理层数据包包含前导部分和数据信息部分，AGC需要在前导信号期间快速收敛，将射频前端的通路增益快速地调整到合适的增益上，从而保证数据信息的可靠接收和解调。

传统的自动增益控制方法，根据ADC输出信号的功率计算射频通路增益，反馈到射频前端。当接收信号功率较大时，ADC的输出信号会严重饱和；当接收信号功率过小时，信噪比较低，ADC输出信号的功率估计误差会比较大。这些情况下，仅根据ADC输出信号的功率计算射频通路增益，需要多次调整，增益收敛的速度较慢，难以适用于对ADC增益调整要求短时、快速的通信系统中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种数字通信接收机的自动增益控制方法，联合考虑接收机ADC输出信号的饱和度、幅度和信号功率进行增益调整，提高AGC增益控制速度，并适应不同的通信场景。

为了解决上述问题，本发明的自动增益控制方法包括如下四个步骤：

步骤1：将射频或模拟前端的通路增益设置为最大值，估计ADC输出信号的功率；在一个预先设定的时间窗口内，计算同相支路ADC输出信号的平方与正交支路ADC输出信号的平方之和，在该时间窗口内累加该平方和，并计算该平方和的平均值；同相支路和正交支路信号平方和的平均值，即为ADC输出信号的平均功率。

设同相支路ADC在采样时刻n的输出信号为adc_data_ich(n)，正交支路ADC在采样时刻n的输出信号为adc_data_qch(n)，计算ADC输出信号功率的观测窗口的大小为N，则在时刻n的ADC输出信号的功率估计为：

设q(n)＝adc_data_ich(n-k)²+adc_data_qch(n-k)²，则

上式(2)更便于数字电路实现ADC输出信号功率估计的计算。

如果ADC输出信号的功率大于一个预先设定的门限reg_agc_pwr_thd，即P(n)≥reg_agc_pwr_thd，说明接收机接收到有效信号，进入步骤2；否则，根据上式(2)，持续估计和更新ADC输出信号的功率估计值，等待有效信号的到来。

步骤2：估计ADC输出信号的饱和度；在一个预先设定的时间窗内，统计同相支路ADC输出信号和正交支路ADC输出信号的绝对值大于一个预先设定的门限的采样点的个数，即为饱和点的数量。

设reg_agc_satu_thd为一个预先设定的门限值，ADC输出信号的饱和检测如下式所述：

adc_satu(n)＝adc_i_satu(n)+adc_q_satu(n) (5)

adc_i_satu(n)＝1说明同相支路ADC的输出信号在时刻n发生饱和，adc_q_satu(n)＝1说明正交支路ADC的输出信号在时刻n发生饱和。设饱和度的观测窗口大小为M，则在该观测窗口内，饱和点的数量为：

基于(6)式可以估计在大小为M的时间窗内，ADC输出信号的饱和采样点的数量。如果S(n)大于一个预先设定的值reg_agc_satu_num，则发生饱和，并根据S(n)的大小，相应地降低射频或模拟前端的通路增益，可以将S(n)的数值划分多个范围，每个范围为一档射频或模拟前端的通路增益的降低值，范围的划分可根据实际的通信系统来划定；如果S(n)低于预先设定的值reg_agc_satu_num，则没有发生饱和，进入步骤3。

步骤3：根据ADC输出信号的幅度和功率，调整射频或模拟前端的通路增益。

当射频或模拟前端的通路增益大于一个预先设定的门限reg_agc_gain_thd时，接收信号的功率较小、信噪比较低，此时根据ADC输出信号的幅度，调整数字增益，数字增益乘以ADC的输出信号之后，送给数字基带接收机进行信号解调；ADC输出信号的幅度为一个观测窗内ADC输出信号的绝对值的最大值。可以将ADC输出信号的幅度划分为多个范围，每个范围对应一个数字增益值；可以通过查表，根据当前ADC输出信号的幅度属于哪一个范围，确定数字增益的数值。

当射频或模拟前端的通路增益小于预先设定的门限reg_agc_gain_thd时，根据ADC输出信号的功率，调整射频或模拟前端的通路增益。ADC输出信号功率的估计可以参考步骤1，设此时ADC输出信号的功率估计为P(n)，将其转换为dB，则

P_db(n)＝10*lg[P(n)] (7)

设ADC输出信号的目标功率为reg_agc_pwr_target，则AGC增益的调整值计算如下：

gain_adjust(n)＝reg_agc_pwr_target-P_db(n) (8)

AGC增益调整如下：

agc_gain(n)＝agc_gain(n-1)+gain_adjust(n) (9)

根据上述调整过程，射频或模拟前端增益调整之后，等待一段射频通路的稳定时间，然后进入步骤4。

步骤4：跟踪ADC输出信号的幅度和功率，持续观测滑动时间窗内ADC输出信号的饱和点数量和该时间窗内ADC输出信号的平均功率，按照如下几种情况分别处理：

(1)如果饱和点数量大于一个预先设定的门限，则发生饱和，进入步骤2；

(2)如果信号的平均功率与期望功率之差的绝对值大于一个预先设定的门限，则进入步骤3；

(3)如果跟踪过程中，数字基带接收机指示自动增益控制模块锁定射频或模拟前端的增益，则维持射频或模拟前端的通路增益保持不变；

(4)如果数字基带接收机指示自动增益模块复位，则进入步骤1。

从以上描述可以看出，本发明的自动增益控制方法联合考虑接收机ADC输出信号的饱和度、幅度和信号功率进行增益调整。首先，根据ADC输出信号的饱和度，调整AGC增益，使得ADC输出信号不饱和；然后，根据AGC的增益、ADC输出信号幅度和ADC输出信号功率进一步调整AGC增益，其中考虑了输入信号功率较大和输入信号功率较小等情况，使得ADC输出信号的功率接近期望功率值；最后，跟踪ADC输出信号的幅或功率变化，直到收到数字基带接收机的增益锁定指示信号。因此，本发明的自动增益控制方法可以较快地将射频前端增益调整到合适的值。

附图说明

图1所示为自动增益控制的总体结构图；

图2所示为ADC输出信号功率估计结构图；

图3所示为ADC输出信号饱和度估计结构图。

图4所示为ADC输出信号幅度估计结构图；

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的说明。图1为自动增益控制的总体结构图。AGC的输入包括ADC的输出信号和数字基带的增益锁定指示信号，ADC的输出信号为射频通路增益，该增益输出到射频前端，控制射频前端各模块的增益。AGC由四个子模块构成：饱和检测、幅度估计、功率估计和增益控制等；饱和检测、幅度估计和功率估计等三个子模块将各自的计算结果输出到增益控制子模块；增益控制子模块根据这三个子模块的计算结果，通过如下四个步骤完成自动增益的控制：

步骤1：增益控制子模块将射频或模拟前端的通路增益设置为最大值，功率估计子模块估计ADC输出信号的功率，增益控制子模块根据功率计算子模块的输出判断是否接收到有效信号。如果功率估计子模块的输出功率P(n)≥reg_agc_pwr_thd，reg_agc_pwr_thd是一个预先设定的门限，说明接收机接收到有效信号，进入步骤2；否则，功率估计子模块持续估计和更新ADC输出信号的功率估计值，等待有效信号的到来。

功率估计子模块的结构如图2所示，功率计算的观测窗口的长度为16，同相支路ADC输出信号的平方与正交支路ADC输出信号的平方求和的结果输入到一个FIFO，该FIFO的深度为16；FIFO的输入和输出的差值右移四位，实现除法运算，除数为16；移位之后的结果输入给一个累加器，累加器的输出即为功率估计的结果。

步骤2：估计ADC输出信号的饱和度；在一个预先设定的时间窗内，时间窗口的长度为8，统计同相支路ADC输出信号和正交支路ADC输出信号的绝对值大于一个预先设定的门限的采样点的个数，即为饱和点的数量，用S(n)表示。如果S(n)大于一个预先设定的值reg_agc_satu_num，则发生饱和，根据S(n)的大小，相应地降低射频或模拟前端的通路增益，调整完之后进入步骤3；如果S(n)低于预先设定的值reg_agc_satu_num，则没有发生饱和，直接进入步骤3。

饱和度的估计如图3所示。首先，在每个时刻，对同相支路ADC和正交支路ADC的输出信号分别进行饱和检测，当其绝对值大于一个门限reg_agc_satu_thd时，则饱和检测的结果为1，否则为0；将同相支路ADC和正交支路ADC的饱和检测的结果求和，求和的结果输入给一个深度为8的FIFO；求该FIFO的输入和输出之差，求得的结果送入一个累加器；累加器的输出即饱和度估计的结果S(n)。

根据S(n)的大小降低射频或模拟前端的通路增益时，将S(n)数值划分多个范围，每个范围为一档射频或模拟前端的通路增益的降低值，具体如表1所示：

S(n)范围	增益下降值(dB)
		12<S(n)≤16	48
8<S(n)≤12	26
		4<S(n)≤8	24
2<S(n)≤4	12
		0<S(n)≤2	6

表1

当射频或模拟前端的通路增益大于一个预先设定的门限reg_agc_gain_thd时，接收信号的功率较小、信噪比较低，此时保持射频前端增益不变，根据ADC输出信号的幅度，调整数字增益，数字增益乘以ADC的输出信号之后，送给数字基带接收机进行信号解调；ADC输出信号的幅度为一个观测窗内ADC输出信号的绝对值的最大值。可以将ADC输出信号的幅度划分为多个范围，每个范围对应一个数字增益值；通过查表，根据当前ADC输出信号的幅度属于哪一个范围，确定数字增益的数值。

图4为ADC输出信号幅度估计的结构图。比较同相支路ADC输出信号的绝对值和正交支路ADC输出信号的绝对值，得到二者之间的最大值；所得到的最大值输入给一个深度为32的FIFO；FIFO存储的32个数据送入最大值比较器，求得FIFO中所存储的32个数据的最大值，该最大值即为当前时刻ADC输出信号的幅度估计adc_mag(n)；可以通过查询表2，获得数字增益的数值。

adc_mag(n)范围	数字增益值
		adc_mag(n)<60	1.0
60≤adc_mag(n)<70	0.9
		70≤adc_mag(n)<80	0.8
80≤adc_mag(n)<90	0.7
		90≤adc_mag(n)<100	0.6
100≤adc_mag(n)<110	0.5
		110≤adc_mag(n)	0.4

表2

当射频或模拟前端的通路增益小于该预先设定的门限reg_agc_gain_thd时，根据ADC输出信号的功率，调整射频或模拟前端的通路增益。ADC输出信号功率的估计参考图2，观测窗口的大小为16；将ADC输出信号的功率估计为P(n)，将其转换为dB，即

P_db(n)＝10*lg[P(n)] (10)

此外，设ADC输出信号的目标功率为reg_agc_pwr_target＝0，则AGC增益的调整值计算如下：

gain_adjust(n)＝reg_agc_pwr_target-P_db(n)＝-P_db(n) (11)

AGC增益调整如下：

agc_gain(n)＝agc_gain(n-1)+gain_adjust(n)＝agc_gain(n-1)-P_db(n) (12)

根据上述调整过程，调整射频或模拟前端的增益之后，等待一段射频通路的稳定时间之后，进入步骤4。

(1)如果饱和点数量大于一个预先设定的门限，该门限可以使用寄存器配置，则发生饱和，进入步骤2；

(2)如果信号的平均功率与期望功率之差的绝对值大于一个预先设定的门限，该门限可以使用寄存器配置，进入步骤4；

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种数字通信接收机的自动增益控制方法，其特征在于联合利用接收机ADC输出信号的饱和度、幅度和信号功率进行增益调整，主要包括四个步骤：

步骤1、将射频或模拟前端的通路增益设置为最大值，估计ADC输出信号的功率，如果它大于一个预先设定的门限，进入步骤2；

步骤2、估计ADC输出信号的饱和度，如果发生饱和，根据饱和度相应地降低射频或模拟前端的通路增益，如果没有饱和，进入步骤3；

步骤3、根据ADC输出信号的幅度和功率，调整数字增益及射频或模拟前端的通路增益，使ADC输出信号功率在期望范围内；

步骤4、跟踪ADC输出信号的幅度和功率，如果发生饱和，进入步骤2，如果信号功率与期望功率之差的绝对值大于一个预先设定的门限，进入步骤3；另外，可根据数字基带接收机的指示锁定数字增益及射频或模拟前端的通路增益。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1：将射频或模拟前端的通路增益设置为最大值，估计ADC输出信号的功率；在一个预先设定的时间窗口内，计算同相支路ADC输出信号的平方与正交支路ADC输出信号的平方之和，在该时间窗口内累加该平方和，并计算该平方和的平均值；同相支路和正交支路信号平方和的平均值，即为ADC输出信号的平均功率；如果ADC输出信号的功率大于一个预先设定的门限，进入步骤2，否则持续估计和更新ADC输出信号的功率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2：估计ADC输出信号的饱和度；在一个预先设定的时间窗内，统计同相支路ADC输出信号和正交支路ADC输出信号的绝对值大于一个预先设定的门限的采样点的个数，即饱和点的数量；如果饱和点数量大于0或一个预先设定的值，则发生饱和，并根据饱和点的数量，相应地降低射频或模拟前端的通路增益；如果饱和点的数量为0或低于预先设定的门限，则没有发生饱和，进入步骤3。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3：根据ADC输出信号的幅度和功率，调整射频或模拟前端的通路增益；当射频或模拟前端的通路增益大于一个预先设定的门限时，根据ADC输出信号的幅度，调整数字增益，数字增益控制数字基带输入信号的幅度大小；否则，射频或模拟前端的通路增益小于该预先设定的门限，根据ADC输出信号的功率与期望功率之差，调整射频或模拟前端的通路增益；射频或模拟前端增益调整之后，等待一段时间，然后进入步骤4。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4：跟踪ADC输出信号的幅度和功率，持续观测滑动时间窗内ADC输出信号的饱和点数量和该时间窗内ADC输出信号的平均功率；如果饱和点数量大于一个预先设定的门限，则发生饱和，进入步骤2；如果信号的平均功率与期望功率之差的绝对值大于一个预先设定的门限，进入步骤4；如果跟踪过程中，数字基带接收机指示自动增益控制模块锁定射频或模拟前端的增益，则维持射频或模拟前端的通路增益保持不变；如果数字基带接收机指示自动增益模块复位，则进入步骤1。