CN110855305A - 一种中频数字自动增益控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中频数字自动增益控制方法及系统,该控制方法包括:步骤1:对接收机接收端接收到的原始信号X(n)进行采样处理,获得窄带信号;步骤2:计算一个周期L内窄带信号的幅度的平均值M;步骤3:将平均值M与给定的电平值R进行除法运算,获得误差值E;步骤4:用当前增益值A(n‑1)与误差值E进行乘法运算后,进行开方运算,结果作为新增益值A(n);步骤5:用新增益值A(n)与接收机接收端接收到的原始信号X(n)相乘得到该系统处理后的信号y(n)。本发明提供的方法首先统计信号在一段时间内窄带信号的幅度值,并将其与给定的电平值比较后,产生控制误差值,再形成新增益值作为控制信号,最后通过与当前信号进行相乘得到最终的信号,实现了对信号的增益调整,达到移位的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种中频数字自动增益控制方法及系统。
背景技术
自动增益控制(英文名称:automatic gain control;AGC),使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制系统。
无线电监测接收机输入端的信号强度存在较大的变化,为保证接收机的解调灵敏度,一般会加入一级模拟AGC,控制射频前端放大器增益,保证信号电平在AD的接收范围内,接收机基带部分对AD采集的信号进行降采样后,从中提取窄带信号,根据香农定里,带宽的减小导致信号能量的累积,从而实现弱信号的解调。在降采样的过程中,为保证信号不溢出,带宽每减小四倍,信号位宽应该增加一位,这会导致信号的位宽不断变大,所以在信号比较弱时,可能出现信号位宽很大,但实际有效位宽较小的情况,事实上信号的有效位宽在16bit时,就可以保证有96dB的动态范围。所以在进入解调模块前,如果不对信号位宽进行调整,不仅会增加FPGA资源开销,同时在传输高位宽的信号时,接口的传输带宽要求变高,造成浪费。
传统数字AGC以对数型为主,如图1所示,需要在FPGA内部存储一个对数表,以替代对数运算,对数表的长度和量化位数会直接影响运算精度,影响了AGC的调整效果。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题,本发明在此的目的在于提供一种能够自动调整信号位宽的中频数字自动增益控制方法。
为实现本发明的目的,在此所提供的中频数字自动增益控制方法包括以下步骤:
步骤1:对接收机接收端接收到的原始信号X(n)进行采样处理,获得窄带信号;
步骤2:计算一个周期L内窄带信号的幅度的平均值M;
步骤3:将平均值M与给定的电平值R进行除法运算,获得误差值E;
步骤4:用当前增益值A(n-1)与误差值E进行乘法运算后,进行开方运算,结果作为新增益值A(n);
步骤5:用新增益值A(n)与接收机接收端接收到的原始信号X(n)相乘得到该系统处理后的信号y(n)。
进一步的,在进行所述步骤3之前,判断所述平均值M的范围,并根据判断结果所述步骤3具体执行以下步骤之一:
A:M>A1,误差值E满足式(1)关系,
B:A2>M>A1,误差值E满足式(2)关系,
C:M<A2,误差值E满足式(3)关系,
E=2^(11+bitnum) (3)
式(1)~式(2)中的A1和A2为判决门限,bitnum表示量化位宽。
在此将平均值M与判决门限值进行比较,防止了新增益值A(n)出现溢出的情况。由于M作为除数,当原始信号X(n)较弱时,M值同样比较小,则R/M会出现一个非常大的值,有可能造成A(n)的溢出,导致输出信号y(n)无法满足要求。在除数M上设定判决门限,防止了因除法输出结果过大导致A(n)溢出,相当于对A(n)进行了限幅操作。A(n)值越大,调节速度越快,故加入限幅后,降低了调节速度。使用A1和A2两级门限,防止了误差值E出现跳变,提高了稳定性。
具体的,所述步骤3中的除法运算为cordic算法;所述步骤1中的采样处理为降采样。
本发明在此的另一个目的在于提供一种实用本发明提供的中频数字自动增益控制方法的中频数字自动增益控制系统,该系统包括能量统计模块,电平比较模块,环路滤波模块和增益乘法器,
所述能量统计模块:用于计算一个周期L内窄带信号幅度的平均值M;
所述电平比较模块:用于将平均值M与给定的电平值R进行除法运算,获得误差值E;
所述环路滤波模块:用于当前增益值A(n-1)与误差值E进行乘法运算后,进行开方运算,结果作为新增益值A(n);
所述增益乘法器:用于将新增益值A(n)与接收机接收端接收到的原始信号X(n)相乘得到该系统处理后的信号y(n)。
本发明的有益效果是:本发明提供的方法首先统计信号在一段时间内窄带信号的幅度值,并将其与给定的电平值比较后,产生控制误差值,再形成新增益值作为控制信号,最后通过与当前信号进行相乘得到最终的信号,实现了对信号的增益调整,达到移位的效果。
此外,本发明通过线性运算取代了对数运算,降低了运算复杂度,使自动增益控制(AGC)的调整效果不再受对数码表的限制,动态范围大。通过本发明提供的控制方法实现了自动调整信号位宽,减少了解调模块的硬件开销,提高了接口传输带宽的利用率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中:
图1为传统对数型AGC方案示意图;
图2为本发明提供的中频数字自动增益控制方法的流程图;
图3为中频数字自动增益控制的系统图;
图4为本发明提供的中频数字自动增益控制方法及系统在matlab中仿真的效果图(AM信号);
图5为本发明提供的中频数字自动增益控制方法及系统在matlab中仿真的效果图(FM信号);
图6为本发明提供的中频数字自动增益控制系统在FPGA综合后的资源占用情况示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的范例;相反,提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外,所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中,提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而,本领域技术人员将意识到,可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多,或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下,不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体,不一定必须与物理上独立的实体相对应。即,可以采用软件形式来实现这些功能实体,或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体,或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明,不是必须包括所有的内容和操作/步骤,也不是必须按所描述的顺序执行。例如,有的操作/步骤还可以分解,而有的操作/步骤可以合并或部分合并,因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
图2示意性示出了本发明所提供的中频数字自动增益控制方法的流程图,该方法的执行主体可以是具有计算功能的设备,如电脑等。
参照图2所示,本发明所提供的中频数字自动增益控制方法包括以下步骤:
步骤1:对接收机接收端接收到的原始信号X(n)进行采样处理,获得窄带信号;
步骤2:计算一个周期L内窄带信号的幅度的平均值M;
步骤3:将平均值M与给定的电平值R进行除法运算,获得误差值E;
步骤4:用当前增益值A(n-1)与误差值E进行乘法运算后,进行开方运算,结果作为新增益值A(n);
步骤5:用新增益值A(n)与接收机接收端接收到的原始信号X(n)相乘得到该系统处理后的信号y(n)。
在此,在进行以上步骤3之前,先判断平均值M的范围,并根据判断结果步骤3中的误差值E通过以下方式确定:
A:M>A1,误差值E满足式(1)关系,
B:A2>M>A1,误差值E满足式(2)关系,
C:M<A2,误差值E满足式(3)关系,
E=2^(11+bitnum) (3)
式(1)~式(2)中的A1和A2为判决门限,bitnum表示量化位宽,取决于平均值M的信号强弱,即取决于以下比例值:被除数有效位宽/除数有效位宽,被除数为电平值R,除数为信号幅度的平均值M。根据设定的y(n)的稳态位宽,可以计算出R值和R的有效位宽。根据接收机接收端的模数转换器的量化位宽,以及信号采样级数,可以估算出M的动态范围和有效位宽;A1和A2的根据实际需求设置。
其中步骤3中的除法运算在此采用cordic算法,此时bitnum表示cordic算法中码表的量化位宽。
在此,对接收机接收端接收到的原始信号X(n)进行采样处理时可以采用任何一种采样方法,最好采用降采样,降采样是降低特定信号的采样率的过程,通常用于降低数据传输速率或者数据大小。
本发明提供的控制方法可以通过任何一种系统实现,参照图3所示,在此采用一种中频数字自动增益控制系统,该系统包括能量统计模块,电平比较模块,环路滤波模块和增益乘法器,能量统计模块、电平比较模块、环路滤波模块和增益乘法器四部分形成闭环反馈系统,各功能模块的作用为:
能量统计模块:用于计算一个周期L内窄带信号幅度的平均值M;
电平比较模块:用于将平均值M与给定的电平值R进行除法运算,获得误差值E;
环路滤波模块:用于当前增益值A(n-1)与误差值E进行乘法运算后,进行开方运算,结果作为新增益值A(n);
增益乘法器:用于将新增益值A(n)与接收机接收端接收到的原始信号X(n)相乘得到该系统处理后的信号y(n)。
该系统的工作原理是:首先通过能量统计模块对接收机接收端接收到的原始信号X(n)进行采样处理后获得的窄带信号进行处理,计算出一段时间L内信号幅度的平均值M。然后将信号幅度的平均值M与电平值R通过电平比较模块的进行除法运算,R值决定AGC稳定后的信号位宽。
一种可选的实施例中,为保证运算精度,电平比较模块为除法器,其所使用的除法运算为cordic除法算法实现,除法运算的结果定义为误差值E,为保证误差值E不溢出,进行除法器除法运算前,需要先判断M的范围,对除法器的分母进行调整,具体调整方式如下:
A:M>A1,误差值E满足式(1)关系,
B:A2>M>A1,误差值E满足式(2)关系,
C:M<A2,误差值E满足式(3)关系,
E=2^(11+bitnum) (3)
式(1)~式(2)中的A1和A2为判决门限,bitnum表示量化位宽,取决于平均值M的信号强弱,即取决于以下比例值:被除数有效位宽/除数有效位宽,被除数为电平值R,除数为信号幅度的平均值M。根据设定的y(n)的稳态位宽,可以计算出R值和R的有效位宽。根据接收机接收端的模数转换器的量化位宽,以及信号采样级数,可以估算出M的动态范围和有效位宽;A1和A2的根据实际需求设置。
误差值E进入环路滤波模块,当前增益值A(n-1)与误差信号E进行乘法运算后,进行开方运算,作为新的增益值A(n)。
本发明提供的控制系统中的环路滤波模块可以采用任何一种,在此采用固定滤波器系数0.5,实现效果对应一阶环路滤波器。经环路滤波器输出控制信号形成新的增益值A(n)与与接收机接收端接收到的原始信号X(n)经过增益乘法器相乘得到处理得到该系统处理后的输出信号y(n)。
本发明控制系统中的能量统计模块、电平比较模块、环路滤波模块和增益乘法器这4功能模块可以以分离独立的形式分布,通过导线实现各功能模块之间的连接,也可以将这4功能模块集成在芯片中形成集成芯片,如集成在FPGA芯片中,构成FPGA模块。
当构成FPGA模块时,FPGA模块中还集成有滤波器,对输入FPGA模块的信号X(n)进行滤波处理,再进行AGC处理。
本发明提供的控制方法及系统产生的信号y(n)的位宽基本稳定在一个常值,实现了对原始信号X(n)增益的调整,达到移位的效果。调整原理是:若原始X(n)为弱信号,则计算出的A(n)会是一个比较大的值,y(n)相比X(n)的位宽变大;若X(n)为较强的信号,则计算出的A(n)会是一个较小的值,y(n)相比X(n)的位宽变小。X(n)、A(n)和y(n)构成一个负反馈系统,经过上述调整,y(n)的位宽基本稳定在一个常值。
为测试发明提供的控制方法及系统的实际效果,对中频板输入AM/FM调制信号,经中频板FPGA进行滤波、AGC系统处理,和解调后,将解调输出的声音数据,灌入音频分析仪进行信纳比测试,仿真效果分别如图4和图5所示,测试结果如下表所示。
本发明提供的自动增益控制系统的对输入的信号进行处理,经环路滤波器处理后输出控制信号输入乘法器,实现了对降采样后的窄带信号,信号位宽的自动调整,达到移位的效果;无需对信号进行对数运算,解决了传统对数运算中信号长度和量化位数对运算精度的影响,保证了自动增益控制的调整效果。
此外,本发明提供的自动增益控制系统还减少了解调模块的硬件开销,提高了接口传输带宽的利用率,其FPGA综合后的资源占用情况如图6所示。
本发明所记载的窄带信号是指信号的频带范围Δf远小于其中心频率fc,且fc远离零频率的窄带随机信号或窄带噪声,即相对带宽Δf/fc<<1,一般满足Δf/fc<0.1时,认为信号为窄带信号。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例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,所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中,该计算机程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用,均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限,RAM以多种形式可得,诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换,只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围,均涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种中频数字自动增益控制方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1:对接收机接收端接收到的原始信号X(n)进行采样处理,获得窄带信号;
步骤2:计算一个周期L内窄带信号的幅度的平均值M;
步骤3:将平均值M与给定的电平值R进行除法运算,获得误差值E;
步骤4:用当前增益值A(n-1)与误差值E进行乘法运算后,进行开方运算,结果作为新增益值A(n);
步骤5:用新增益值A(n)与接收机接收端接收到的原始信号X(n)相乘得到该系统处理后的信号y(n)。
3.根据权利要求1或2所述的中频数字自动增益控制方法,其特征在于:所述步骤3中的除法运算为cordic算法。
4.根据权利要求1或2所述的中频数字自动增益控制方法,其特征在于:所述步骤1中的采样处理为降采样。
5.一种中频数字自动增益控制系统,其特征在于:该系统包括能量统计模块,电平比较模块,环路滤波模块和增益乘法器,
所述能量统计模块:用于计算一个周期L内窄带信号幅度的平均值M;
所述电平比较模块:用于将平均值M与给定的电平值R进行除法运算,获得误差值E;
所述环路滤波模块:用于当前增益值A(n-1)与误差值E进行乘法运算后,进行开方运算,结果作为新增益值A(n);
所述增益乘法器:用于将新增益值A(n)与接收机接收端接收到的原始信号X(n)相乘得到该系统处理后的信号y(n)。
6.根据权利要求5所述的中频数字自动增益控制系统,其特征在于:所述能量统计模块,所述电平比较模块,所述环路滤波模块和所述增益乘法器集成于FPGA中。
7.根据权利要求5或6所述的中频数字自动增益控制系统,其特征在于:所述电平比较模块为除法器。
8.根据权利要求7所述的中频数字自动增益控制系统,其特征在于:所述除法器采用cordic算法。
9.根据权利要求5或6所述的中频数字自动增益控制系统,其特征在于:所述环路滤波模块采用环路滤波器。
10.根据权利要求9所述的中频数字自动增益控制系统,其特征在于:所述环路滤波器采用固定滤波器系数0.5的一阶环路滤波器。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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