CN1124696C - 带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，为解决数字中频系统的处理量而设计。其中频解调单元除包括中频解调、下抽样和成型滤波外，还包括移位控制器、信号功率检测器、自动增益控制参数生成器及量化表。自动增益控制参数生成器通过采集数字基带的功率，分别输出模拟中频AGC、数字中频移位处理AGC及数字基带查表控制AGC信号，实现增益分配。中频解调单元输出的数字基带信号由查询量化表后输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线中频接收机，更确切地说是涉及一种带有联合基带数字中频自动增益控制(AGC)的无线中频接收机，特别是涉及在数字中频情况下自动增益控制在整个无线中频接收机系统中的规划。
背景技术
附图1示出无线中频接收机的原理性结构，主要包括射频放大和下变频单元、中频解调单元和基带信号处理单元，与接收天线连接的射频放大和下变频单元输出中频信号，中频解调单元输出基带信号。早期的无线中频接收机全部采用模拟方法实现，随着通信业的数字化、小型化及智能化的发展潮流，无线中频接收机也从模拟接收机发展到数字接收机。
第一代的数字接收机仅仅在基带信号处理单元部分采用数字技术处理，称作模拟中频数字接收机，可以满足大部分数据信号处理的要求，但是基带和中频模拟器件如基带滤波器的精度和体积都无法满足小型化、数字化、智能化的要求。目前的最新技术是对中频解调部分也采用数字技术处理，称作数字中频接收机。由于中频信号的速率高，运算量大就成了数字中频处理的一大难题，特别是在无线通信范围内，信号大范围的波动给信号的处理带来了更大的处理量。而运算量是由数字中频解调和数字滤波器的乘法运算量的多少来决定的，其乘法运算量主要体现在乘法次数与乘数因子的位数上。现有技术对减少运算量的做法是在中频采样后再采用下抽样技术来降低信号的速率，即减少乘法的次数，以利于后续信号的进一步处理。因此现有技术中频解调部分的数字技术处理主要包括中频采样(A/D变换)和下抽样技术。
附图2所示，是在射频放大和下变频单元部分，即在顺序连接的放大器21、混频器22、带通滤波器23及模拟可调增益放大器24间通过采用射频功率检测器25来控制中频AGC的动态范围，即通过模拟AGC来降低A/D采样时的信号变化范围，对信号进行精确控制。在该技术方案中，要求模拟可调增益放大器24输出的模拟信号幅度不能超过A/D变换输入电平的范围，否则将引起量化的过载失真；还要求模拟可调增益放大器24输出的模拟信号应尽可能地接近A/D变换的最大输入电平，才能保证后续处理的精度。因此，采用模拟AGC的数字中频接收机固然解决了模拟中频接收机的诸多缺点，但并未彻底解决其中的矛盾，包括：模拟AGC的控制步长、精度不够准确，实现精确控制比较困难；模拟AGC在比较大的动态范围内线性度不高，这是因为模拟AGC对宽带信号的匹配性能难以保证，和模拟AGC在宽带内的幅度、相位、群延迟等性能都比较差。
附图3示出数字中频接收机的另一种常见的自动增益控制方案，是在中频解调单元部分，即在顺序连接的模拟可调增益放大器31、A/D变换器32、中频解调器33及下抽样器34间通过采用中频功率检测器35来控制模拟可调增益放大器31(AGC)的放大量，是在基带解调后根据数字基带信号的强弱来控制AGC的放大量。在该解决方案中是采用大动态范围的A/D变换器来满足信号动态范围的需求，从A/D变换保留较大余量的角度出发来降低对器件的依赖程度和利于数字信号的进一步处理，目前比较流行的A/D变换器一般是8～16比特，可实现比模拟系统更加精确、灵活的控制，但仍因数字中频的速率较高，比特位数目的增加造成处理量的快速增加。
发明内容
本发明的目的是设计一种带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，以简单、实用为发明宗旨，大幅度降低数字中频系统的运算量(或称处理量)，即降低其实现的复杂度，降低对器件的依赖性，同时达到精确控制。
本发明的目的是这样实现的：一种带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，包括中频解调单元和基带信号处理单元；所述的中频解调单元接收模拟中频信号，输出数字基带信号，包括顺序连接的模拟可调增益放大器、A/D变换器、中频解调器、下抽样器和成型滤波器，其特征在于：还包括有移位控制器、信号功率检测器、自动增益控制参数生成器和量化表：所述的移位控制器连接在所述的A/D变换器之后与中频解调器之前，所述的信号功率检测器和自动增益控制参数生成器顺序连接；所述的自动增益控制参数生成器向所述的模拟可调增益放大器输出模拟中频AGC信号，用于保证A/D变换器输入信号处在较佳量化范围；所述的自动增益控制参数生成器向所述的移位控制器输出数字中频移位处理AGC信号，用于实现增益的粗调；所述的自动增益控制参数生成器向所述的量化表输出数字基带查表控制AGC信号，根据一定时间内接收信号的统计分布生成并修改量化表；所述的模拟可调增益放大器接收所述的模拟中频信号，所述的信号功率检测器是测量成型滤波器输出的数字基带的功率采集信号的能量，所述的中频解调单元输出的数字基带信号由成型滤波器输出的数字基带的功率采集信号查询量化表后输出。
还包括有直流滤波器，设置在下抽样器与成型滤波器间；所述的信号功率检测器与所述的自动增益控制参数生成器间还设置有滤波器。
所述的直流滤波器是隔离直流的数字滤波器。
所述的自动增益控制参数生成器向所述的模拟可调增益放大器输出模拟中频自动增益控制信号，是连接在所述的模拟可调增益放大器的增益控制端上，控制所述的模拟可调增益放大器的放大量。
所述的移位控制器是移位运算器，所述的数字中频移位处理AGC信号是通过控制移位处理取其中的有效比特位进行运算。
所述的根据接收信号的分布范围生成并修改量化表是对接收信号进行统计，计算出接收信号的分布均方差。
所述的A/D变换器为N比特大动态范围的A/D变换器，所述中频解调器的输入最少需要有M个有效比特数据，所述的移位控制器取其中的m比特位进行移位运算，则N＞M，M＜m＜N，且m接近M，M、N、m为正整数。
普通的数字中频接收机用下抽样技术来降低运算量，其解决方案的着眼点是减少乘法的次数，而本发明的一种带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，是在利用传统技术方案优势的基础上，结合自动增益控制(AGC)技术，通过调整A/D变换前的信号幅度大小，保证A/D变换后的信号质量；通过移位算法降低处理数据的位数，从而降低了数字信号的运算量(减少乘数因子的位数)；同时对接收信号分布进行统计处理，生成量化表，再通过查表来决定数字基带量化输出，克服了传统技术不考虑信号分布情况统一量化的缺点，改善了系统的质量。本发明的带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，除了具有数字中频接收机的所有优点外，最直接的作用是大大减少了数字中频系统的计算量。
本发明的一种带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，通过恰当地分配自动增益控制在无线中频接收机整个中频解调部分的位置及恰当地利用各部分的特点，达到改善数字中频系统设计复杂度、运算处理量和对器件依赖程度等各方面的协调统一。本发明通过对AGC的合理分配实现模拟AGC的粗略调整，使电路结构最简单、对器件的依赖性最小；数字中频采用数字AGC标定(Scaling)的最简单的方法来迅速降低运算数据的比特数目(乘数因子的位数)，降低数字中频系统的处理量，在数据基带信号输出时，最后进行AGC的精确控制。
附图说明
图1是普通无线中频接收机原理性结构框图；
图2是模拟中频数字接收机自动增益控制方案的原理性结构框图；
图3是采用基带控制的数字中频接收机自动增益控制方案的原理性结构框图；
图4是本发明带有联合基带数字中频自动增益控制的无线接收机的结构框图；
图5是图4所示无线中频接收机完成AGC综合控制的控制流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步本发明的技术。
图1至图3的说明前已述及不再赘述。
参见图4，图中示出带有联合基带数字中频自动增益控制的无线接收机的结构，由天线单元41、射频放大和下变频单元42、中频解调单元43和基带信号处理单元44组成。射频放大和下变频单元42输出模拟中频信号，中频解调单元43输出数字基带信号。而由中频解调单元43和基带信号处理单元44则组成本发明的带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机。
中频解调单元43包括有模拟可调增益放大器4301、A/D变换器4302、移位控制器4303、中频解调器4304、下抽样器4305、直流滤波器4306、成型滤波器4307、信号功率检测器4308、滤波器4309、自动增益控制参数生成器4310和量化表4311。模拟中频信号输入至模拟可调增益放大器4301，由量化表4311输出数字基带信号。
中频解调单元43中的中频解调器4304、下抽样器4305和成型滤波器4307是数字中频处理的必要环节，与传统的处理方法相同。
本发明将自动增益控制分成三个部分，即信号功率检测、滤波和自动增益参数生成，并以数字基带信号的功率采集信号来进行综合控制，从而完成功率测量及组成自动增益控制三部分的各部分的增益分配。
信号功率检测器4308接收成型滤波器4307输出的数字基带的功率采集信号，用于测量数字基带信号的能量，若中频解调器4304采用QPSK(四相移相键控)信号解调，则数字基带的功率采集信号的能量信号是正交两路信号能量之和，由I2+Q2算法生成(其中I为同相支路数据，Q为正交支路数据)，将数字基带信号能量的检测选择在中频解调器4304与成型滤波器4307之后，是因为此时的基带数据信号具有最低的传输速率，有利于后续信号的处理。
自动增益控制参数生成器4310对模拟可调增益放大器4301、移位控制器4303和量化表4311三部分分别生成自动增益控制参数，包括模拟中频AGC信号、数字中频移位处理AGC信号和数字基带查表控制AGC信号。
其中的模拟中频AGC信号是控制模拟可调增益放大器4301的放大量，从而可扩大无线中频接收机接收信号的动态范围，使A/D变换器4302的输入信号处于量化的较佳范围，可降低对A/D变换器的依赖，以满足中频解调的需要及降低对中频解调AGC的要求。实施时，假设A/D变换后只要有M个有效数据比特就可正确解调，同时照顾到动态范围的需要，可采用N比特的A/D变换器，此时N＞M。
数字中频移位处理AGC信号用于对移位控制器4303的移位运算进行控制，以实现增益的粗调，如6dB的粗调。由于本发明的A/D变换器4302采用的是大动态范围的A/D变换，若对A/D变换器4302的输出直接作中频解调，其处理量将是非常可观的，本发明通过在A/D变换器4302与中频解调器4304间增加移位控制器4303，并通过控制移位处理，取其中的有效比特位进行运算，而使控制简单且可明显降低后续数据处理的运算量。实施时，如取其中的m比特位进行运算，则M＜m＜N，且m尽量接近M。
数字基带查表控制AGC信号，是由自动增益控制参数生成器4310通过对接收信号分布进行统计，计算出接收信号分布的均方差(SIGMA)，以保证大部分接收信号，如99.9％，处于再次量化的范围内，并根据接收信号分布范围生成量化表4311。在无线技术领域中，无线信号一般用高斯信道模型来描述，在AGC输出的n比特数据信号服从N(0，SIGMA)时，SIGMA2即为接收信号的平均能量。接收信号在n个比特中的概率满足一定公式，所以SIGMA值的选择直接决定量化表的形成，从而决定量化分辨率。在实验多用户系统中，信道为衰落信道，并有多用户的信道干扰及发射端的波形因子的影响，SIGMA的最佳值应由Monte-carllo simulation来仿真和验证。如AWGN信道，采用4比特量化时，SIGMA的值为2.9；如Rayleigh衰落信道，Doppler频率120Hz，SIGMA的值为2.6。
最终输出的数字基带信号是由数字基带的功率采集信号对量化表4311查表确定的。
直流滤波器4307是一个隔离直流的数字滤波器，用于提高处理系统的适用范围，在直流耦合电路中有助于提高信号质量，实际应用时可根据需要进行取舍。在实际的处理技术中，滤波器一般包含在特定的技术之中，如A/D变换之前必须有抗混迭滤波器，下抽样之前必须有抗混迭数字滤波器，混频之后需要有滤除镜频的滤波器，所有这些都是在相应的技术处理中必须考虑的，因而不再作特别说明。
参见图5，图中流程示出对数字中频无线中频接收机的自动增益控制，即自动增益控制参数生成器4310的操作流程。步骤51，由自动增益控制参数生成器4310根据信号功率检测器4308所检测的基带信号能量，确定接收信号的电平；步骤52，判断模拟可调增益放大器4301输出即A/D变换器4302的输入是否处于最佳状态(较佳量化范围状态，由接收信号的质量要求和A/D变换后的量化信噪比决定)；若A/D变换器4302的输入未处于最佳状态，则执行步骤53，控制模拟中频AGC信号加上或减去一个步长；若A/D变换器4302的输入已处于最佳状态，则执行步骤54，生成数字中频移位处理AGC信号，确定移位控制器4303移位的位数；步骤55，根据最近t时间内接收信号的分布情况，生成数字基带查表控制AGC信号，生成并修改量化表4311。
本发明的带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，通过对接收信号进行模拟中频、数字中频和数字基带AGC信号的联合处理，大大减少了高速数字信号的运算量，达到处理速度与处理质量的统一。
若A/D变换器4302采用12比特量化，如果对12比特直接进行乘法运算，12比特乘以12比特，需要24比特的移位器作11次移位运算、24比特的加法器作11次相加运算和24比特的寄存器。而若A/D变换器4302采用6比特量化，则采用6比特乘以6比特的6比特乘法，需要12比特的移位器作5次移位运算、12比特的加法器作5次相加运算和12比特的寄存器。所以，采用12比特乘法器相对于6比特乘法器要占用多得多的硬件资源。
因此通过降低乘法位数即乘数因子的位数，可使乘法器和加法器的复杂度直线下降，运算的次数也大为减少。
Claims (7)
1.一种带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，包括中频解调单元和基带信号处理单元；所述的中频解调单元接收模拟中频信号，输出数字基带信号，包括顺序连接的模拟可调增益放大器、A/D变换器、中频解调器、下抽样器和成型滤波器，其特征在于：还包括有移位控制器、信号功率检测器、自动增益控制参数生成器和量化表：所述的移位控制器连接在所述的A/D变换器之后与中频解调器之前，所述的信号功率检测器和自动增益控制参数生成器顺序连接；所述的自动增益控制参数生成器向所述的模拟可调增益放大器输出模拟中频自动增益控制信号，用于保证A/D变换器输入信号处在较佳量化范围；所述的自动增益控制参数生成器向所述的移位控制器输出数字中频移位处理自动增益控制信号，用于实现增益的粗调；所述的自动增益控制参数生成器向所述的量化表输出数字基带查表控制自动增益控制信号，根据一定时间内接收信号的统计分布生成并修改量化表；所述的模拟可调增益放大器接收所述的模拟中频信号，所述的信号功率检测器是测量成型滤波器输出的数字基带的功率采集信号的能量，所述的中频解调单元输出的数字基带信号由成型滤波器输出的数字基带的功率采集信号查询量化表后输出。
2.根据权利要求1所述的带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，其特征在于：还包括有直流滤波器，设置在下抽样器与成型滤波器间；所述的信号功率检测器与所述的自动增益控制参数生成器间还设置有滤波器。
3.根据权利要求2所述的带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，其特征在于：所述的直流滤波器是隔离直流的数字滤波器。
4.根据权利要求1或2或3所述的带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，其特征在于：所述的自动增益控制参数生成器向所述的模拟可调增益放大器输出模拟中频自动增益控制信号，是连接在所述的模拟可调增益放大器的增益控制端上，控制所述的模拟可调增益放大器的放大量。
5.根据权利要求1或2或3所述的带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，其特征在于：所述的移位控制器是移位运算器，所述的数字中频移位处理自动增益控制信号是通过控制移位处理取其中的有效比特位进行运算。
6.根据权利要求1或2所述的带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，其特征在于：所述的根据接收信号的分布范围生成并修改量化表是对接收信号进行统计，计算出接收信号的分布均方差。
7.根据权利要求1或2或3所述的带有联合基带数字中频自动增益控制的无线中频接收机，其特征在于：所述的A/D变换器为N比特大动态范围的A/D变换器，所述中频解调器的输入最少需要有M个有效比特数据，所述的移位控制器取其中的m比特位进行移位运算，则N＞M，M＜m＜N，且m接近M，M、N、m为正整数。
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