CN112188607B - 一种基于pid控制器的数字自动增益控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于PID控制器的数字自动增益控制系统及方法，所述系统包括可调增益电路、模数转换器和AGC系统；其中，所述可调增益电路，用于接收射频输入信号，调整所述射频输入信号的强度，输出调整信号；所述模数转换器，用于接收所述调整信号，对所述调整信号进行采样，输出采样信号；所述AGC系统，用于接收所述采样信号，对所述采样信号进行增益处理，并将处理结果反馈给所述可调增益电路。本发明将PID控制算法应用到通信接收机的自动增益控制，简化了AGC算法设计，提高了AGC控制系统的数字化程度，降低了接收机射频和中频电路的设计复杂度，提高了AGC控制系统的普适性。

Description

一种基于PID控制器的数字自动增益控制系统及方法

技术领域

本发明属于数字自动增益控制领域，特别涉及一种基于PID控制器的数字自动增益控制系统及方法。

背景技术

无线通信是利用电磁波信号在自由空间(即空气、真空、外太空)中传播的特性进行信息传递的一种通信方式。然而，由于传播距离、障碍物、信号频率和干扰的影响，到达无线通信系统接收机的电磁波信号会经历不同程度的衰减，可能相差几千、几万倍。如果电磁波信号强度过小或者过大，接收机将无法正常识别和解调信号。因此，无线通信系统的接收机需要具有接收信号强度的自动调整能力，即自动增益控制系统(AGC系统)。AGC系统通常具有一定的增益动态调整范围，根据接收机接收到的信号电压强弱，自适应调整接收机射频或中频通道的增益，使接收信道最终的输出信号强度稳定在期望信号强度附近。根据自动增益控制的实现方式不同，可以将自动增益控制系统划分为模拟AGC系统和数字AGC系统。模拟AGC系统属于比较传统的自动增益控制方式，对接收机射频和中频电路的要求比较高，电路设计复杂。与模拟AGC系统相比，数字AGC系统将更多的增益控制部分利用数字方式实现，降低了接收机射频和中频电路的复杂度和实现难度。但现有的数字AGC系统存在算法复杂的问题。

因此，如何提供一种算法简便的数字自动增益控制系统是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于PID控制器的数字自动增益控制系统及方法及方法。

一种基于PID控制器的数字自动增益控制系统，

包括可调增益电路、模数转换器和AGC系统；其中，

所述可调增益电路，用于接收射频输入信号，调整所述射频输入信号的强度，输出调整信号；

所述模数转换器，用于接收所述调整信号，对所述调整信号进行采样，输出采样信号；

所述AGC系统，用于接收所述采样信号，对所述采样信号进行增益处理，并将处理结果反馈给所述可调增益电路。

进一步地，

所述AGC系统包括数据采集处理模块和增益控制模块。

进一步地，

所述数据采集处理模块包括数据采集模块和数据处理模块；

所述数据采集模块，用于在一个AGC调整窗口内连续采集采样信号，并将采集到的采集信号输送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对所述采集信号进行分析处理，计算获取当前信号的实际电压值，并发送所述实际电压值。

进一步地，

所述增益控制模块包括增益计算模块和增益分配模块；

其中，所述增益计算模块基于PID算法。

进一步地，

所述增益计算模块包括增益偏差计算模块和增益控制量计算模块；

所述增益偏差计算模块，用于接收所述实际电压值和期望电压值，通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量，并将所述电压增益偏差量发送给所述增益控制量计算模块；

所述增益控制量计算模块，用于接收所述电压增益偏差量，将所述电压增益偏差量代入增量式PID算法，计算获得AGC增益控制量，并将所述AGC增益控制量发送给所述增益分配模块。

进一步地，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

将所述实际电压值与所述期望电压值进行比较，获得电压偏差量；

将所述电压偏差量转换为所述电压增益偏差量。

进一步地，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

依据基准参考电压，将所述实际电压值与所述期望电压值转换为对应的实际电压增益和期望电压增益；

根据所述实际电压增益和所述期望电压增益计算获得所述电压增益偏差量。

进一步地，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

计算所述期望电压值与所述实际电压值的比值；

根据所述期望电压与所述实际电压的比值计算获得所述电压增益偏差量。

进一步地，

所述增益分配模块，用于接收所述AGC增益控制量，并根据当前AGC增益控制量进行多级增益优化分配，反馈给所述可调增益电路。

本发明还提供一种基于PID控制器的数字自动增益控制方法，所述方法包括：

可调增益电路接收射频输入信号，调整所述射频输入信号的强度，输出调整信号；

模数转换器接收所述调整信号，对所述调整信号进行采样，输出采样信号；

AGC系统接收所述采样信号，对所述采样信号进行增益处理，并将处理结果反馈给所述可调增益电路。

进一步地，

所述对所述采样信号进行增益处理包括：

数据采集模块在一个AGC调整窗口内连续采集采样信号，并将采集到的采集信号输送给所述数据处理模块；

数据处理模块对所述采集信号进行分析处理，计算获取当前信号的实际电压值，并发送所述实际电压值；

增益偏差计算模块接收所述实际电压值和期望电压值，通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量，并将所述电压增益偏差量发送给所述增益控制量计算模块；

增益控制量计算模块接收所述电压增益偏差量，将所述电压增益偏差量代入增量式PID算法，计算获得AGC增益控制量，并将所述AGC增益控制量发送给所述增益分配模块；

增益分配模块接收所述AGC增益控制量，并根据当前所述AGC增益控制量进行多级增益优化分配，反馈给所述可调增益电路。

进一步地，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

将所述实际电压值与所述期望电压值进行比较，获得电压偏差量；

将所述电压偏差量转换为所述电压增益偏差量。

进一步地，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

依据基准参考电压，将所述实际电压值与所述期望电压值转换为对应的实际电压增益和期望电压增益；

根据所述实际电压增益和所述期望电压增益计算获得所述电压增益偏差量。

进一步地，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

计算所述期望电压值与所述实际电压值的比值；

根据所述期望电压与所述实际电压的比值计算获得所述电压增益偏差量。

本发明将PID控制算法应用到通信接收机的自动增益控制，简化了AGC算法设计，提高了AGC控制系统的数字化程度，降低了接收机射频和中频电路的设计复杂度，提高了AGC控制系统的普适性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1示出了本发明实施例中的基于PID控制器的数字自动增益控制系统示意图；

图2示出了本发明实施例中的基于PID控制器的数字自动增益控制系统的增益偏差计算模块采用第一种方式流程图；

图3示出了本发明实施例中的基于PID控制器的数字自动增益控制系统的增益偏差计算模块采用第二种方式流程图；

图4示出了本发明实施例中的基于PID控制器的数字自动增益控制系统的增益偏差计算模块采用第三种方式流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

接收机射频和中频的增益控制电路，一般由一级或多级固定/可变增益放大器、固定/可变增益衰减器组成，还包含增益控制开关、峰值检波器等。本发明实施例通过提供一种基于PID控制器的数字自动增益控制系统，来弱化了峰值检波器在增益控制中的作用，使得峰值检波器仅起到信号检测指示效果。

图1示出了本发明实施例中的基于PID控制器的数字自动增益控制系统示意图。

在本发明实施例中，如图1所示，本发明实例中的一种基于PID控制器的数字自动增益控制系统包括可调增益电路、模数转换器和AGC系统；其中，

所述可调增益电路，用于接收射频输入信号，调整所述射频输入信号的强度，输出调整信号；

所述模数转换器，用于接收所述调整信号，对所述调整信号进行采样，输出采样信号；

所述AGC系统，用于接收所述采样信号，对所述采样信号进行增益处理，并将处理结果反馈给所述可调增益电路。

其中，可调增益电路的第一输入端接收射频输入信号，可调增益电路输出端与模数转换器输入端连接，模数转换器输出端与AGC系统输入端连接，AGC系统输出端与可调增益电路输入端连接，形成一个闭环AGC系统，具体的，AGC系统包括数据采集模块、数据处理模块、增益偏差计算模块、增益控制量计算模块和增益分配模块，数据采集模块的输入端与模数转换器的输出端连接，数据采集模块的输出端与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与增益偏差计算模块的输入端连接，增益控制量计算模块的输出端与增益分配模块的输入端连接，增益分配模块的输出端与可调增益电路第二输入端连接。

进一步具体的，所述AGC系统包括数据采集处理模块和增益控制模块。

所述数据采集处理模块包括数据采集模块和数据处理模块；

所述数据采集模块，用于在一个AGC调整窗口内连续采集采样信号，并将采集到的采集信号输送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对所述采集信号进行分析处理，计算获取当前信号的实际电压值，并发送所述实际电压值。

所述增益控制模块包括增益计算模块和增益分配模块；其中，所述增益计算模块基于PID算法。

所述增益计算模块包括增益偏差计算模块和增益控制量计算模块；

所述增益偏差计算模块，用于接收所述实际电压值和期望电压值，通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量，并将所述电压增益偏差量发送给所述增益控制量计算模块；

所述增益控制量计算模块，用于接收所述电压增益偏差量，将所述电压增益偏差量代入增量式PID算法，计算获得AGC增益控制量，并将所述AGC增益控制量发送给所述增益分配模块。PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。以减小系统误差，提高系统响应速度和响应效果。

所述增益分配模块，用于接收所述AGC增益控制量，并根据当前AGC增益控制量进行多级增益优化分配，反馈给所述可调增益电路，以降低AGC系统引入的噪声系数。

其中，数据采集模块、数据处理模块、增益偏差计算模块、增益控制量计算模块和增益分配模块是闭环AGC系统的核心部分，主要通过软件实现。

具体的，启动本发明实施例中的基于PID控制器的数字自动增益控制系统，对可调增益电路的AGC增益进行初始化。可调增益电路接收射频输入信号，对射频输入信号的强度进行调节，输出强度调整过的射频信号。模数转换器接收强度调整过的射频信号，对强度调整过的射频信号进行采样。数据采集模块在一个AGC调节窗口内，连续采集模数转换器输出的采样信号的电压值，输出采集数据。数据处理模块分析处理采集数据，获取当前信号的实际电压值。

增益偏差计算模块接收所述实际电压值和期望电压值，通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量，并将所述电压增益偏差量发送给所述增益控制量计算模块；

其中，增益偏差计算模块可以采用以下方式进行计算获得电压增益偏差量：

第一种方式：如图2所示，

将所述实际电压值与所述期望电压值进行比较，获得电压偏差量；

将所述电压偏差量转换为所述电压增益偏差量。

即直接通过“期望电压值/实际电压值”或“实际电压值/期望电压值”的比值计算电压增益偏差量，即AGC增益偏差量.

第二种方式：如图3所示，

依据基准参考电压，将所述实际电压值与所述期望电压值转换为对应的实际电压增益和期望电压增益；

根据所述实际电压增益和所述期望电压增益计算获得所述电压增益偏差量。

即先根据基准参考电压(1μV、1mV、1V等)分别计算“期望电压值”和“实际电压值”的电压增益，再根据期望电压增益和实际电压增益的差值获得AGC增益偏差量。

第三种方式：如图4所示，

计算所述期望电压值与所述实际电压值的比值；

根据所述期望电压与所述实际电压的比值计算获得所述电压增益偏差量。

即先计算期望电压值和实际电压值的电压偏差量，再将该电压偏差量换算为电压增益偏差量。

第四种方式：

可以先将电压换算成对应的功率，计算功率增益偏差量。

增益控制量计算模块将电压增益偏差量代入增量式PID算法，计算获得AGC增益控制量。增益分配模块根据增益电路的调整级数及调整范围，优化分配AGC增益控制量。可调增益电路根据接收电路的增益定标关系，生成增益控制信号，调整接收电路增益。其中，接收电路是指整个射频接收电路，其中包含多级可调增益调节电路。本次调节完毕，开始下一次AGC调节。

综上所述，本发明将PID控制算法应用到通信接收机的自动增益控制，简化了AGC算法设计，提高了AGC控制系统的数字化程度，降低了接收机射频和中频电路的设计复杂度，提高了AGC控制系统的普适性。

本发明还提供一种基于PID控制器的数字自动增益控制方法，所述方法包括：

可调增益电路接收射频输入信号，调整所述射频输入信号的强度，输出调整信号；

模数转换器接收所述调整信号，对所述调整信号进行采样，输出采样信号；

AGC系统接收所述采样信号，对所述采样信号进行增益处理，并将处理结果反馈给所述可调增益电路。

所述对所述采样信号进行增益处理包括：

数据采集模块在一个AGC调整窗口内连续采集采样信号，并将采集到的采集信号输送给所述数据处理模块；

数据处理模块对所述采集信号进行分析处理，计算获取当前信号的实际电压值，并发送所述实际电压值；

增益偏差计算模块接收所述实际电压值和期望电压值，通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量，并将所述电压增益偏差量发送给所述增益控制量计算模块；

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

将所述实际电压值与所述期望电压值进行比较，获得电压偏差量；

将所述电压偏差量转换为所述电压增益偏差量；所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

依据基准参考电压，将所述实际电压值与所述期望电压值转换为对应的实际电压增益和期望电压增益；

根据所述实际电压增益和所述期望电压增益计算获得所述电压增益偏差量；

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

计算所述期望电压值与所述实际电压值的比值；

根据所述期望电压与所述实际电压的比值计算获得所述电压增益偏差量；

增益控制量计算模块接收所述电压增益偏差量，将所述电压增益偏差量代入增量式PID算法，计算获得AGC增益控制量，并将所述AGC增益控制量发送给所述增益分配模块；

增益分配模块接收所述AGC增益控制量，并根据当前所述AGC增益控制量进行多级增益优化分配，反馈给所述可调增益电路。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于PID控制器的数字自动增益控制系统，其特征在于，

所述系统包括可调增益电路、模数转换器和AGC系统，

其中，

所述可调增益电路，用于接收射频输入信号，调整所述射频输入信号的强度，输出调整信号；

所述模数转换器，用于接收所述调整信号，对所述调整信号进行采样，输出采样信号；

所述AGC系统，用于接收所述采样信号，对所述采样信号进行增益处理，并将处理结果反馈给所述可调增益电路；

所述AGC系统包括数据采集处理模块和增益控制模块；

所述数据采集处理模块包括数据采集模块和数据处理模块；

所述数据采集模块，用于在一个AGC调整窗口内连续采集采样信号，并将采集到的采集信号输送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对所述采集信号进行分析处理，计算获取当前信号的实际电压值，并发送所述实际电压值；

所述增益控制模块包括增益计算模块和增益分配模块；

其中，所述增益计算模块基于PID算法；

所述增益计算模块包括增益偏差计算模块和增益控制量计算模块；

所述增益偏差计算模块，用于接收所述实际电压值和期望电压值，通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量，并将所述电压增益偏差量发送给所述增益控制量计算模块；

所述增益控制量计算模块，用于接收所述电压增益偏差量，将所述电压增益偏差量代入增量式PID算法，计算获得AGC增益控制量，并将所述AGC增益控制量发送给所述增益分配模块；

所述增益分配模块，用于接收所述AGC增益控制量，并根据当前AGC增益控制量进行多级增益优化分配，反馈给所述可调增益电路。

2.根据权利要求1所述的基于PID控制器的数字自动增益控制系统，其特征在于，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

将所述实际电压值与所述期望电压值进行比较，获得电压偏差量；

将所述电压偏差量转换为所述电压增益偏差量。

3.根据权利要求1所述的基于PID控制器的数字自动增益控制系统，其特征在于，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

依据基准参考电压，将所述实际电压值与所述期望电压值转换为对应的实际电压增益和期望电压增益；

根据所述实际电压增益和所述期望电压增益计算获得所述电压增益偏差量。

4.根据权利要求1所述的基于PID控制器的数字自动增益控制系统，其特征在于，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

计算所述期望电压值与所述实际电压值的比值；

根据所述期望电压值与所述实际电压值的比值计算获得所述电压增益偏差量。

5.一种基于PID控制器的数字自动增益控制方法，其特征在于，所述方法包括：

可调增益电路接收射频输入信号，调整所述射频输入信号的强度，输出调整信号；

模数转换器接收所述调整信号，对所述调整信号进行采样，输出采样信号；

AGC系统接收所述采样信号，对所述采样信号进行增益处理，并将处理结果反馈给所述可调增益电路；

所述对所述采样信号进行增益处理包括：

数据采集模块在一个AGC调整窗口内连续采集采样信号，并将采集到的采集信号输送给数据处理模块；

数据处理模块对所述采集信号进行分析处理，计算获取当前信号的实际电压值，并发送所述实际电压值；

增益偏差计算模块接收所述实际电压值和期望电压值，通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量，并将所述电压增益偏差量发送给增益控制量计算模块；

增益控制量计算模块接收所述电压增益偏差量，将所述电压增益偏差量代入增量式PID算法，计算获得AGC增益控制量，并将所述AGC增益控制量发送给增益分配模块；

增益分配模块接收所述AGC增益控制量，并根据当前所述AGC增益控制量进行多级增益优化分配，反馈给所述可调增益电路。

6.根据权利要求5所述的基于PID控制器的数字自动增益控制方法，其特征在于，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

将所述实际电压值与所述期望电压值进行比较，获得电压偏差量；

将所述电压偏差量转换为所述电压增益偏差量。

7.根据权利要求5所述的基于PID控制器的数字自动增益控制方法，其特征在于，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

依据基准参考电压，将所述实际电压值与所述期望电压值转换为对应的实际电压增益和期望电压增益；

根据所述实际电压增益和所述期望电压增益计算获得所述电压增益偏差量。

8.根据权利要求5所述的基于PID控制器的数字自动增益控制方法，其特征在于，

所述通过数学变换获取所述期望电压值和所述实际电压值的电压增益偏差量包括：

计算所述期望电压值与所述实际电压值的比值；

根据所述期望电压与所述实际电压的比值计算获得所述电压增益偏差量。