CN1114520A - 自动增益控制装置、通信系统和自动增益控制方法 - Google Patents

自动增益控制装置、通信系统和自动增益控制方法 Download PDF

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Abstract

一种扩频信号接收机的自动增益控制设备，该设备能迅速地跟随距离变化、中值变化和由于瑞利衰落引起的瞬时变化。可变增益放大器(22)的输出被正交检测，检测的输出被A/D变换，它的数字输出通过数字电平校正器(33)加到去扩频处理器(34)，而且去扩频输出经受瞬时包络检测器(37)的瞬时包络检测。该包络检测的信号被加到一个符号定时发生器(38)，该发生器使用一个峰值信号作为触发脉冲提取数据符号定时分量，和通过从符号定时计算希望的信号进入的时间窗口。在时间窗口内瞬时包络检测器(37)的输出由电平检测器进行时间积分，而且其输出移位数字电平校正器(33)的电平，因此使该输出不变。电平检测器(43)的输出由电平检测器(44)在几个符号长度上平均，它的输出控制可变增益放大器(22)的增益，因此，使其输出不变。

Description

自动增益控制装置、通信系统和自动增益控制方法
本发明涉及用于移动通信系统的接收机的一种增益控制装置，具体涉及利用扩频执行多址联接的CDMA(码分多址联接)系统进行移动通信的接收机的自动增益控制装置和方法。
陆地移动通信的传播特性用三个因数来代表：与一个基站与一个移动站之间距离变化有关的变化(距离变量)；约在几十米间隔上的适中变化(中值变量)；以及在几十米间隔内的快速变化(瞬时变量)。在距离变化中所涉及的接收信号的变化在这些变化中是最大的。例如，在远离基站的网孔的边缘接收的信号将衰减大于70dB。因此，大于70dB的动态范围是移动通信接收机的要求。
对此，因接收的信号电平在移动通信系统中波动大于70dB，而且其它用户通过相邻频带中的其它信道进行电话交谈，故需要放大接收的信号到一定电平，在除去相邻信道不需要的信号之后，该电平足以进行检测。模拟信号传输系统或仅使用相移信息例如π/4相移QPSK调制的系统，这种系统被用于在下一期间引入的数字系统，通过使用限带后的限幅器放大器放大信号大于70dB调整接收机输入信号的电平变化。
但是，当执行线性调制或当由幅度分量传递信息时，要求线性接收。因为常规的限幅放大器将恶化幅度信息，在这种情况下执行线性放大的自动增益控制放大器是需要的。近来，数字信号处理已变成主要潮流，由于数字信号处理的发展，其中在处理前接收的信号被A/D变换。但是，在移动通信中，当接收电平下降时，A/D变换的量化误差增加，因为由于衰落引起接收电平的变化是非常大的，约60dB。为了处理这个问题，自动增益控制电路是必不可少的，该电路对接收电平的变化进行补偿。
图2示出常规的反馈型自动增益控制电路的方框图。常规的反馈型自动增益控制电路包括：一个可变增益控制放大器11，它的增益随着偏置电压变化；一个瞬时包络电平检测器12，该检测器12检测输出信号的包络电平。来自该检测器12的瞬时包络电平作为偏置电压提供到可变增益控制放大器11。这样，可变增益控制放大器11的增益根据瞬时包络电平的变化而波动，因此使用闭环保持可变增益控制放大器11的输出信号电平恒定。
在反馈型自动增益控制电路中，具有最多几十dB量级的输入动态范围对于瞬时包络电平检测器12来说将是足够了，因为可变增益控制放大器11的输出信号从这里输入。但是，使用闭环的校正对于电平的收敛占用相当长的时间。这就使得它难以跟踪信号电平中的瞬时变化，而且出现的问题是，对于闭环控制来说，跟随瞬时变化例如脉冲信号的上升沿是困难的。
另一方面，反馈型自动增益控制电路具有开环结构，而且到可变增益控制放大器的输入信号还输入到瞬时包络电平检测器。结果，它的瞬时上升特性好于反馈型自动增益控制电路的上升特性。但是，前馈型电路具有的一个问题是，它要求较宽动态范围的瞬时包络电平检测器，因为到瞬时包络检测器的输入信号的电平波动大于70dB。
在使用每信道单载波的FDMA中，单个用户使用不同的频率实现通信。如果在邻近的网孔中出现用户使用相同载波，这将产生同信道干扰。在利用TDMA的数字移动通信系统中，该系统在时间轴上复用各个用户的信息，虽然多个用户可使用相同的载波，如果使用相同载波的用户出现在另一个网孔中，将产生信道干扰。因为信道干扰将降低通信质量，相同频率的载波仅可用在以相当大的距离分离开的网孔中。
在CDMA系统中，单个的用户用扩频码识别，多个用户使用相同频率的载波通信。此外，相同的频率可用在相邻的网孔中。因此，与FDMA或TDMA相比较，在较短的距离可再使用相同的频率。因此，在CDMA系统中，根据每个频带用户数目的容量可以增加。但在CDMA系统中，达到完全的正交是不可能的，以致指配给单个用户的扩频码之间的相关不能变为零。这样，用户的去扩频信号将包括由于相关引起的来自其它用户的干扰。
为了消除来自其它用户的干扰，在A/D变换之后使用数字信号处理实现去扩频和干扰的抵消。在这种情况下，除非由A/D变换得到的数字信号的高精密的量化被足够地保证，否则去扩频和干扰抵消精度将被降级。由于这个理由，要求该接收部分吸收由于瑞利衰落引起的瞬时变化。
为了把CDMA系统应用到移动通信，要求传输功率控制使来自该网孔内的其它用户的干扰减至最小。通过在基站测量反向希望信号的电平，可以实现跟踪由于瑞利衰落引起的瞬时变化的高精密的传输功率控制，即通过以固定的时间间隔插入传输功率控制比特到前向帧中和通过控制移动站的传输功率。在这种情况下，希望信号的接收电平将根据相应于在一帧时间间隔内一些比特的量而改变。因此，该基站必须跟随一些比特的接收信号的变化。
为此，本发明的目的是提供一种扩频信号接收机的自动增益控制装置，该装置不仅能迅速地跟踪距离的变化和中值变化，而且能跟踪瑞利衰落中包括的瞬时变化。
为了达到这个目的，由权利要求1限定的本发明包括：
可变增益控制放大装置，用于放大接收的扩频信号；
正交检测装置，用于正交检测由所述可变增益控制放大装置放大的信号；
去扩频装置，用于去扩频由所述正交检测装置正交检测的信号；
用于获得由所述去扩频装置去扩频的调制信号的同相分量和正交分量的装置；
A/D变换装置，用于变换正交检测装置的输出信号为被提供到去扩频装置的数字信号；
数字电平校正装置，用于数字地变换数字信号的同相分量的电平和正交分量的电平；
瞬时包络检测装置，用于获得已调制信号幅度的平方分量；
符号定时发生装置，用于从瞬时包络检测装置的输出信号中检测符号的定时；
第一希望信号电平检测装置，用于使用从符号定时发生装置输出的符号定时信号作为基准信号，在传播延迟时间的范围内通过累加瞬时包络检测装置的输出信号，获得希望信号的信号电平；和
第二希望信号电平检测装置，用于在一些符号间隔内通过累加从第一希望信号电平检测装置输出的希望的信号电平获得希望信号的信号电平。
由权利要求2限定的本发明是针对权利要求1所述的自动增益控制装置，其中
数字电平校正装置通过使用第一希望信号电平检测装置的输出校正第一希望信号电平检测装置的输出信号电平，以便得到一个恒定值；和
可变增益控制放大装置实现放大以便通过使用第二希望信号电平检测装置的输出使第二希望信号电平检测装置的输出信号电平不变。
由权利要求3限定的本发明是针对权利要求2所述的自动增益控制装置，其中：
一个包络检测器，用于检测可变增益控制放大装置输出信号的包络电平；和
用于校正可变增益放大装置工作点的装置，当包络检测器的输出信号超过预定电平时，通过使用包络检测器的输出信号降低包络检测器的输出信号。
由权利要求4限定的本发明包括可变增益控制放大装置，用于放大由所述接收装置接收的扩频信号；
正交检测装置，用于正交检测由所述可变增益控制放大装置放大的信号；
去扩频装置，用于去扩频由所述正交检测装置正交检测的信号；
用于获得由所述去扩频装置去扩频的调制信号的同相分量和正交分量的装置；
A/D变换装置，用于变换正交检测装置的输出信号为被加到该去扩频装置的数字信号；
数字电平校正装置，用于数字地变换该数字信号的同相分量电平和正交分量电平；
瞬时包络检测装置，用于获得已调制信号的幅度的平方分量；
符号定时发生装置，用于从瞬时包络检测装置的输出信号中检测符号的定时；
第一希望信号电平检测装置，用于使用从符号定时发生装置输出的符号定时信号作为基准信号，在传播延迟时间的范围内通过累加瞬时包络检测装置的输出信号获得希望信号的信号电平；和
第二希望信号电平检测装置，用于在一些符号间隔内通过累加从第一希望信号电平检测装置输出的希望的信号电平获得希望信号的信号电平。
由权利要求5限定的本发明是指权利要求4所述的通信系统，其中：
数字电平校正装置通过使用第一希望信号电平检测装置的输出校正第一希望信号电平检测装置的输出信号电平以便得到一个恒定值；和
可变增益控制放大装置实现放大，以便通过使用第二希望信号电平检测装置的输出使第二希望信号电平检测装置的输出信号电平不变。
由权利要求6限定的本发明是针对权利要求5中提出的通信系统，其中：
包络检测器，用于检测可变增益控制放大装置的输出信号的包络电平；和
用于校正可变增益放大装置工作点的装置，当包络检测器的输出信号超过预定电平时，通过使用包络检测器的输出信号降低包络检测器的输出信号。
由权利要求7限定的本发明包括对所述可变增益控制放大装置放大的信号进行正交检测；
去扩频装置，用于去扩频由所述正交检测装置正交检测的信号；
用于获得由所述去扩频装置去扩频的已调制信号的同相分量和正交分量的步骤；
A/D变换步骤，用于变换正交检测装置的输出信号为被加到去扩频装置的数字信号；
数字电平校正步骤，用于数字地变换该数字信号的同相分量电平和正交分量电平；
瞬时包络检测步骤，用于获得已调制信号的幅度的平方分量；
从瞬时包络检测步骤的输出信号中检测符号定时的符号定时发生步骤；
使用符号定时作为基准，在传播延迟时间的范围内通过累加瞬时包络检测步骤的输出信号获得希望信号的信号电平的第一希望信号电平检测步骤；和
在一些符号间隔内，通过累加在第一希望信号电平检测步骤输出的希望信号电平获得希望信号的信号电平的第二希望信号电平检测步骤。
权利要求8限定的本发明是针对权利要求7的自动增益控制的方法，其中：
数字电平校正步骤通过使用第一希望信号电平检测步骤的输出校正第一希望信号电平检测步骤的输出信号电平以便得到一个恒定值；和
可变增益控制放大步骤执行放大，通过使用第二希望信号电平检测步骤的输出使第二希望信号电平检测步骤的输出信号电平不变。
权利要求9限定的本发明是针对权利要求8的自动增益控制方法，其中：
包络检测步骤检测可变增益控制放大步骤输出信号的包络电平；和
校正可变增益放大装置工作点的步骤，这样，当包络检测器的输出信号超过预定电平时，通过使用包络检测步骤的输出信号降低包络检测步骤的输出信号。
根据本发明，响应第二希望信号电平检测器44的输出，控制可变增益控制放大器22的增益。图3中的线51表示希望信号电平的距离变化和中值变化。本发明补偿这些变化。图3中的曲线52表示在希望信号电平的瑞利衰落中包含的瞬时变化。数字电平校正器33由第一希望信号电平检测器43的检测输出控制，以便数字电平校正器的输出保持不变。因为这个控制是数字地执行的，可实现跟随瞬时变化的电平校正。
而且，根据本发明，当加上一个过长的输入时，响应包络检测器46的输出，控制可变增益控制放大器22的增益。因此，不能使A/D变换器31和32饱和。因此，在一个宽的动态范围内按照瞬时的变化控制该增益。甚至在瑞利衰落的情况下也能得到A/D变换之后的信号的足够的量化精度。此外，在接收侧在按照瞬时变化的传输功率控制下，加到A/D变换器的输入电平能保持不变。
图1示出根据本发明的自动增益控制装置的硬件的方框图；
图2示出常规反馈型自动增益控制电路的方框图；
图3是说明希望信号电平的距离变化、中值变化和瞬时变化的图。
现在参见附图详细描述本发明的实施例。
图1示出根据本发明的自动增益控制装置的硬件的方框图。从输入端21接收的扩频信号被变换为中频信号，并由可变增益控制放大器22放大。放大的输出经受正交检测器23的正交检测。具体地，例如，放大器22的输出利用乘法器26和27分别用本地振荡器24的输出和将本地振荡器24输出相移90度的相移器25的输出相乘，因此实现了正交检测并输出两个信道I和Q的基带信号。经受正交检测的基带扩频信号通过低通滤波器28和29，以便它们的较高次谐波被消除，然后它们被提供到A/D变换器31和32。
来自A/D变换器31和32的I和Q信号由数字电平校正器33进行电平变换。该数字电平校正器33校正该信号电平以补偿瞬时变化，它们的间隔是大约几个符号长。实现这种校正的一种方法如下：首先，输出信号电平被预存储在一个存储器中，以具有增益控制信号的各个输入信号电平作为参数，然后查询ROM表校正这些电平。另一个方法通过用增益控制信号信息乘输入信号电平校正这些电平。使用一个比特移位的方法也可考虑，但是这个方法无效，因为用这个方法不能实现高精确的电平校正。
使用与接收的扩频码同步的扩频码复制器以在去扩频处理器34中的匹配滤波器(或滑动相关器)35和36去扩频电平变换信号，该去扩频信号被提供到瞬时包络检测器37。瞬时包络检测器37从去扩频信号中得到IF已调信号的瞬时包络电平信号，并进一步计算I2＋Q2的包络分量。
使用包络分量的峰值信号作为触发信号，符号定时发生器38从包络分量中提取数据符号定时分量。符号定时发生器38包括一个峰值位置检测器39，一个DPLL41和一个定时发生器42。峰值位置检测器39检测由瞬时包络检测器37检测的包络分量的峰值位置。在峰值位置被检测时，根据延迟的分布在几个时间片间隔内信号功率出现在由匹配滤波器去扩频的信号内。
一般，该分布变为最大时间片的目标。信号功率在峰值位置的前后的几个时间片上是瑞克的组合。因为峰值位置的时间在接收机中随移动站的运动而移位，跟踪是需要的。如果当前峰值位置在观察几个时间片间隔期间移位到相邻时间片位置，例如，在最大峰值位置的前后几个时间片上信号功率是瑞克的组合。数字锁相环(DPLL)41使用检测的峰值信号作为驱动信号来驱动。然后，数据符号定时自定时发生器42产生。定时发生器42从符号定时计算希望信号输入所通过的时间窗口。
第一希望信号电平检测器43在时间窗口宽度上即在传播延迟时间上积分瞬时包络检测器37输出的瞬时包络。由一个累加器实现时间积分。在时间窗间隔过去之后，累加器被复位。第二希望信号电平检测器44在几个符号间隔上平均所检测的希望信号的电平。
数字电平校正器33由第一希望信号电平检测器43检测的电平控制。这样，因为输入数字信号是由第一希望信号的检测电平进行电平变换，由于瞬时变化的电平被吸收，而且输出数字信号的电平恒定。
由第二希望的信号电平检测器44检测的电平被提供到控制电压调节器45。可变增益控制放大器22的增益由电压控制调节器45的输出控制，以便可变增益控制放大器22的输出电平恒定。可变增益控制放大器22的输出是由包络检测器46包络检测的。当包络检测器46的输出超过预定电平时，控制电压调节器45稍控制，以便可变增益控制放大器22的工作点被校正。这样，可变增益控制放大器22的增益由第二希望信号电平检测器44的检测输出控制，这是在包络检测器46的输出是低于预定电平的情况。其于包络检测器46输出的可变增益控制放大器22工作点的校正防止到A/D变换器31和32的输入信号饱和。
图3的线51表示希望信号电平中的距离变化和中值变化。根据本发明，这些变化被补偿。图3的曲线52表示伴随希望信号电平的瑞利衰落的瞬时变化。根据本发明，第一希望信号电平检测器43的输出控制数字电平校正器33，以便保持数字电平校正器33的输出电平恒定。因为数字电平校正器33数字地进行控制，响应瞬时变化能达到电平控制。
而且，根据本发明，当过大的输入被加入时，使用包络检测器46的输出控制可变增益控制放大器22的增益。结果，防止A/D变换器31和32饱和。这就使它有可能根据在宽动态范围内的瞬时变化控制增益，并在A/D变换之后保持信号的高量化精度。输入到在接收侧A/D变换器的输入电平也能相对于按照瞬时变化的传输功率控制保持不变。

Claims (9)

1.一种用于扩频信号接收机的自动增益控制装置，该接收机有可变增益控制放大装置，用于放大接收的扩频信号；正交检测装置，用于正交检测由所述可变增益控制放大装置放大的信号；和去扩频装置，用于去扩频由所述正交检测装置正交检测的信号，其特征在于，所述自动增益控制装置包括：
用于获得由所述去扩频装置去扩频的调制信号的同相分量和正交分量的装置；
A/D变换装置，用于变换所述正交检测装置的输出信号为被提供到所述去扩频装置的数字信号；
数字电平校正装置，用于数字地变换数字信号的同相分量的电平和正交分量的电平；
瞬时包络检测装置，用于获得所述已调制信号幅度的平方分量；
符号定时发生装置，用于从瞬时包络检测装置的输出信号中检测符号的定时；
第一希望信号电平检测装置，使用从所述符号定时发生装置输出的符号定时信号作为基准信号，在传播延迟时间的范围内通过累加所述瞬时包络检测装置的输出信号获得希望信号的信号电平；和
第二希望信号电平检测装置，用于在一些符号间隔内通过累加从所述第一希望信号电平检测装置输出的希望信号电平获得希望信号的信号电平。
2.根据权利要求1的自动增益控制装置，其特征在于：
所述数字电平校正装置使用第一希望信号电平检测装置的输出，校正所述第一希望信号电平检测装置的输出信号电平以得到一个恒定值；和
所述可变增益控制放大装置实现放大，使用所述第二希望信号电平检测装置的输出使所述第二希望信号电平检测装置的输出信号电平不变。
3.根据权利要求2的自动增益控制装置，其特征在于，进一步包括：
一个包络检测器，用于检测所述可变增益控制放大装置的输出信号的包络电平；和
用于校正所述可变增益放大装置工作点的装置，以便当所述包络检测器的输出信号超过预定电平时，使用所述包络检测器的输出信号降低所述包络检测器的输出信号。
4.一种扩频通信设备，该设备具有接收扩频信号的接收装置；用于放大由所述接收装置接收的扩频信号的可变增益控制放大装置；用于正交检测由所述可变增益控制放大装置放大的信号的正交检测装置和用于去扩频由所述正交检测装置正交检测信号的去扩频装置，其特征在于，所述通信设备包括：
用于获得由所述去扩频装置去扩频的已调制信号的同相分量和正交分量的装置；
A/D变换装置，用于变换所述正交检测装置的输出信号为被加到所述去扩频装置的数字信号；
数字电平校正装置，用于数字地变换所述数字信号的同相分量电平和正交分量的电平；
瞬时包络检测装置，用于获得所述已调制信号的幅度的平方分量；
符号定时发生装置，用于从所述瞬时包络检测装置的输出信号中检测符号的定时；
第一希望信号电平检测装置，使用从所述符号定时发生装置输出的符号定时信号作为基准信号，在传播延迟时间的范围内通过累加瞬时包络检测装置的输出信号获得希望信号的信号电平；和
第二希望信号电平检测装置，用于在一些符号间隔内通过累加从所述第一希望信号电平检测装置输出的希望信号电平获得希望信号的信号电平。
5.根据权利要求4的通信设备，其特征在于：
所述数字电平校正装置使用所述第一希望信号电平检测装置的输出校正所述第一希望信号电平检测装置的输出信号电平以得到一个恒定值；和
所述可变增益控制放大装置实现放大，使用所述第二希望信号电平检测装置的输出使所述第二希望信号电平检测装置的输出信号电平恒定。
6.根据权利要求5的通信设备，其特征在于，进一步包括：
一个包络检测器，用于检测所述可变增益控制放大装置的输出信号的包络电平；和
用于校正所述可变增益放大装置工作点的装置，当所述包络检测器的输出信号超过预定电平时，使用所述包络检测器的输出信号降低所述包络检测器的输出信号。
7.一种自动增益控制方法，该方法适用于扩频信号接收机的自动增益控制装置，所述接收机具有可变增益控制放大装置，用于放大接收的扩频信号；正交检测装置，用于正交检测由所述可变增益控制放大装置放大的信号；和去扩频装置，用于去扩频由所述正交检测装置正交检测的信号，其特征在于，所述方法包括：
用于获得由所述去扩频装置去扩频的调制信号的同相分量和正交分量的步骤；
A/D变换步骤，用于变换所述正交检测装置的输出信号为被加到所述去扩频装置的数字信号；
数字电平校正步骤，用于数字地变换所述数字信号的同相分量的电平和正交分量的电平；
瞬时包络检测步骤，用于获得所述已调制信号的幅度的平方分量；
符号定时发生步骤，用于从所述瞬时包络检测步骤的输出信号中检测符号的定时；
第一希望信号电平检测步骤，使用符号定时作为基准，在传播延迟时间的范围内通过累加所述瞬时包络检测步骤的输出信号获得希望信号的信号电平；和
第二希望信号电平检测步骤，用于在一些符号间隔内通过累加在所述第一希望信号电平检测步骤输出的希望信号电平获得希望信号的信号电平。
8.根据权利要求7的自动增益控制方法，其特征在于：
所述数字电平校正步骤使用所述第一希望信号电平检测步骤的输出校正所述第一希望信号电平检测步骤的输出信号电平以得到一个恒定值；和
所述可变增益控制放大步骤实现放大，通过使用所述第二希望信号电平检测步骤的输出使所述第二希望信号电平检测步骤输出的信号电平不变。
9.根据权利要求8的自动增益控制方法，其特征在于，进一步包括：
一个包络检测步骤，用于检测所述可变增益控制放大步骤输出信号的包络电平；和
一个校正可变增益放大装置工作点的步骤，这样，当所述包络检测的输出信号超过预定电平时，使用所述包络检测步骤的输出信号降低所述包络检测步骤的输出信号。
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