CN112640300A - 自动增益控制 - Google Patents

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贾尼·斯塔尔伯格
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Abstract

一种操作无线电接收器设备2的方法，其包括：接收具有多个对应频率的多个信号；将相应增益应用于所述多个信号中的每一个；并存储应用于每个信号的所述增益及其对应的频率。所述方法随后包括：接收具有另一频率的另一信号；以及将另一增益应用于所述另一信号。根据所述另一频率与所述多个对应频率中的至少一个之间的差，使用所存储的增益中的至少一个来确定所述另一增益。

Description

自动增益控制
本发明涉及无线电接收器设备中的自动增益控制系统。
近年来，基于蜂窝的无线电通信系统的范围和技术能力得到了极大的扩展。多年来，已经开发了许多不同的基于蜂窝的网络，包含全球移动通信系统(Global System forMobile Communications，GSM)、通用分组无线电业务(General Packet Radio Services，GPRS)、GSM演进增强数据速率(Enhanced Data rates for GSM Evolution，EDGE)和通用移动电信系统(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)，其中GSM、GPRS和EDGE通常被称作第二代(或“2G”)网络，并且UMTS被称作第三代(或“3G”)网络。
近来，第三代合作伙伴计划(3GPP)指定的第四代(或“4G”)网络标准-长期演进(LTE)网络因其相比早期2G和3G网络具有相对较高的上下行速度和更大的网络容量而获得普及。更准确地说，LTE是演进分组系统(Evolved Packet System，EPS)的接入部分，EPS是纯粹基于互联网协议(Internet Protocol，IP)的通信技术，其中IP协议承载实时服务(例如语音)和数据服务两者。
然而，尽管“经典”LTE连接在电信行业中变得越来越普遍，但为了促进所谓的“物联网”(Internet of Things，IoT)(IoT是物理设备(有时称为“智能设备”)网络互连的通用名称)，正在对通信标准进行进一步的开发，为过去可能尚未连接到任何网络的物理对象提供与其它物理和/或虚拟对象进行通信的能力。这类智能设备包含：车辆；建筑；家用电器，照明和供暖(例如用于家庭自动化)；和医疗设备。这些智能设备通常为具有嵌入的电子设备、软件、传感器、执行器和网络连接性的现实世界对象，因此允许它们收集、共享和作用于数据。这些设备可与用户设备(例如与用户的智能电话接口连接)和/或与其它智能设备通信，因此提供“机器到机器”(或“机器类型”)通信。但是，LTE标准的发展使其直接连接到蜂窝网络更为可行。
为此目的，3GPP在LTE标准的第13版中指定了两个版本的LTE。其中第一个版本称为“窄带IoT”(NB-IoT)，有时被称为“LTE Cat NB1”，第二个版本称为“增强型机器类通信”(eMTC)，有时被称为“LTE Cat M1”。可以预见的是，在不久的将来，使用IoT的这些标准中的至少一个的设备数量将急剧增加。
从通信角度来看，LTE标准(包含NB-IoT和eMTC)使用正交频分多址(orthogonalfrequency division multiple access，OFDMA)作为分配网络资源的基础。这允许在由基站提供的给定小区中接入网络的用户设备(user equipment，UE)之间共享可用带宽，所述基站在LTE中被称作“增强型node B”、“eNodeB”或简称为“eNB”。OFDMA是正交频分复用(orthogonal division multiplexing，OFDM)的多用户变体，OFDM是其中总带宽分为多个非重叠子带，每个子带都有自己的子载波频率的复用方案。在OFDM中，与其它频分复用(frequency division multiplexing，FDM)方案不同，这些子载波中的每个子载波彼此正交，使得理想地消除在子带之间的串扰并且不需要载波间保护带。
在物理层，在LTE连接的下行链路中，每个数据帧为10ms长并由十个子帧构成，每个子帧的持续时间为1ms。每个子帧含有两个等长的时隙，即两个0.5ms的时隙。每个时隙(并通过扩展，每个子帧和每个帧)通常将含有一定数量的“资源块”(其中每个子帧的资源块为时隙的两倍，且每个帧的资源块为子帧的十倍)。资源块在时域中的长度为0.5ms且在频域中的宽度为十二个子载波。一般来说，每个时隙有七个OFDM符号，且因此每个子帧有十四个OFDM符号。这些资源块可以可视化为“资源要素”的网格，其中每个资源要素为1/14ms长和一个子载波宽，使得每个资源块有八十四个资源要素(即，七乘以十二)且每个子帧有一百六十八个资源要素。
每个时隙(以及进而，每个子帧和每个帧)中存在的资源块的确切数量取决于无线电通信系统的带宽配置。举例来说，在LTE eMTC版本13中，LTE无线电信道可以具有1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz或20MHz的带宽，其中所述信道被划分成1.4MHz宽度的窄带。
根据3GPP设定的标准，许多网络采用跳频来减轻特定频带内的干扰的影响，在特定频带中，通常按照UE预先已知的模式周期性地改变传输窄带。在极端情况下，窄带可能与每个子帧一样频繁地改变。
UE所检测到的LTE信号被放大以允许接收器的电路执行准确的解调。放大后的信号被传递到模数转换器(analogue-to-digital converter，ADC)并传递到基带处理器上，以进行解调和进一步处理。选择应用于信号的放大量(增益)以优化ADC和/或UE的其它电路的操作范围。
然而，由UE接收的信号的强度可以取决于许多因素而变化，例如到基站的距离和基站的功率输出、信号被传输的频率以及接收器的周围环境。如上文所提及，当某一操作范围内含有输入信号时，ADC通常会最优地操作。输入到ADC的功率过低的信号可能会产生低质量的ADC输出，所述低质量的ADC输出无法充分利用ADC的分辨率，而功率过高的信号可能会使ADC饱和。这两者都可能导致解调误差。
为了缓解此问题，利用自动增益控制(automatic gain control，AGC)，其中，根据输入信号的强度改变应用于输入信号的放大水平，以产生ADC的最优输入。这通常通过实施来自基带模块的反馈环路来执行。当ADC信号的平均功率过高时，基带指示放大器级的增益减小，且反之亦然。但是，此反馈环路无法立即对不断变化的增益要求做出反应(即，在新信号到达之后，在向其应用最优增益之前，存在调整周期)。
此外，LTE系统中的跳频意味着接收信号的窄带可以频繁地改变。尽管窄带在频率上接近(每个窄带为1.4MHz宽)，但不同窄带中的信号频率差异很大，以致它们仍可能会经历明显的差分吸收和/或不同的多径衰落效应，从而导致其接收信号强度中的显著变化。跳频LTE信号的增益要求因此可以与每个子帧一样频繁地显著改变(随着信号跳到不同的窄带)。在此类情境下，使用常规AGC反馈环路来调整增益中的固有延迟可导致在接收窗口的相当大的一部分中将次优增益应用于输入信号。因此，替代方法将是有益的。
当从第一方面查看时，本发明提供一种操作无线电接收器设备的方法，其包括：
接收具有多个对应频率的多个信号；
将相应增益应用于所述多个信号中的每一个；以及
存储应用于每个信号的所述增益及其对应的频率；
其中，所述方法随后包括：
接收具有另一频率的另一信号；以及
将另一增益应用于所述另一信号；
其中，根据所述另一频率与所述多个对应频率中的至少一个之间的差，使用所存储的增益中的至少一个来确定所述另一增益。
本领域的技术人员将看到，根据本发明的至少实施例，可以使用多个先前存储的增益中的最合适的增益。使用所存储的增益中的至少一个来选择另一增益，降低了将不适当的增益应用于另一信号的可能性，从而降低了解调误差和数据丢失的风险，并且因此提高了收发器的可靠性。
可将包括用于另一信号的最优增益的初始估计的另一增益立即应用于另一信号，而不必等待反馈来通知增益的选择。因此，当接收到被应用了不适当的增益的另一信号时，在常规的AGC中不存在这种类型的初始调整周期，这是常规的AGC系统在系统适应新的增益要求时可能出现的。另外，使用所存储的增益中的至少一个来确定另一增益使得与常规的AGC反馈环路一起使用时，能够更快地获取另一信号的最优增益，因为所确定的增益可能更接近于开始的最优值。
在一些实施例中，将相应增益应用于多个信号中的每一个可以包括使用自动增益控制(例如，使用AGC反馈环路)来优化相应的增益。在此类实施例中，多个所存储的增益包括多个所存储的优化增益(即，在优化增益时更新所存储的增益)。优化相应增益可以包括在多个信号中的每一个信号都被放大之后(例如，通过测量放大后的信号的平均幅度)，确定所述多个信号中的每一个信号的强度的测量。接着可以将这些测量与目标进行比较，并调整增益以实现强度的目标测量。
在一些实施例中，可以将另一增益设置成等于具有多个对应频率中与另一增益最接近的对应频率的所存储的增益(即，使另一频率与对应频率之间的频率间隔最小化)。优选地，另一增益被设置成等于具有基本上等于另一频率的对应频率的所存储的增益(例如，其中对应的频率在与另一频率相同的频带内)。由于具有基本相同频率的两个信号在信号强度上经历类似的(如果不是相同的)频率相关效应(例如，多径效应和/或频率相关的衰减)，应用于具有类似于另一信号的频率的先前接收到的信号的最优增益可能类似于或甚至等于另一信号的最优增益。
然而，申请人已经认识到，使得另一增益仅基于另一信号与先前接收到的信号之间的频率差可能不一定产生对另一信号的最优增益的合理估计，尤其是在接收到另一信号之前很长时间就已接收到先前接收到的信号的情况下。在此类情境下，一个或多个环境条件可能会在接收到的两个信号之间发生变化，从而导致增益要求发生变化。在此情况下，即使用于具有与另一频率相同频率的信号的增益也可能不包括对另一信号的最优增益的良好估计。
因此，在一些实施例中，方法可以进一步包括将每个所存储的增益应用于相应信号时的相应时间存储在存储器中。在一些此类实施例中，方法可以包括根据接收到另一信号时的时间与相应所存储的时间之间的比较来确定另一增益。
举例来说，可以忽略在阈值之前每次应用的所有所存储的增益，且接着将另一增益设置成等于剩余的所存储的增益中的一个，所述剩余的所存储的增益具有最接近于另一频率或仅等于最近所应用的所存储的增益的对应的频率。这防止使用由于信号强度的长期变化(例如，由于收发器相对于基站移动或环境条件的显著变化)而不再合适的所存储的增益。
在一些实施例中，可以忽略具有与另一频率相差大于阈值的对应频率的所有所存储的增益，并且将所述另一增益设置成等于最近所应用的剩余的增益。这可防止使用由于显著的频率相关的衰减(例如，特定于一小段频带的干扰)而不适用的增益。
在一些实施例中，可以基于每个先前应用的增益(及其对应的频率和时间)与另一信号在频率和时间两者的差而将距离度量分配给所述每个先前应用的增益(及其对应的频率和时间)。此距离度量可以包括差的加权组合。接着可以将另一增益设置成等于已经分配有最小距离度量的增益。通过在距离度量计算中调整频率和时间间隔的权重，可以优先考虑一个，同时仍将两者都考虑在内。考虑到时间和频率间隔两者可使得能够确定更优的另一增益。可以基于收发器的应用来确定应用于频率和时间间隔的权重。举例来说，相对于基站(例如，在车辆中)可能经历大量运动的收发器可以被配置成优先考虑最小化时间间隔而不是频率间隔，因为随着收发器的移动以及到基站的距离的变化，任何频率的增益值可能很快变得不适用，从而覆盖任何细微的频率相关变化。相反，很可能在较长时间周期保持静止的收发器(例如静态传感器)可能会优先考虑最小化频率间隔，因为在此类应用中，增益要求中的时间依赖性变化可能较小。
当然可以设想，可以使用距离度量和阈值的组合(这可以看作是频率和/或时间中较大距离的“零加权”)。
尽管在以上实施例中，将另一增益确定为等于最能满足各种标准(例如最小频率或时间间隔)的先前应用的增益，但这并不总是必要的。举例来说，在上述实施例中的任一个中，尽管可以从一个或多个所存储的增益导出另一增益，但所述另一增益会根据所存储的增益与另一增益之间的频率间隔和/或时间间隔而经受优化。
在一些实施例中，可以将另一增益设置成在两个或更多个所存储的增益之间插入的值。举例来说，第一所存储的增益可以具有比另一频率高100kHz的对应频率，且第二所存储的增益可以具有比另一频率低100kHz的对应频率。在此实例中，可以将另一增益设置成第一和第二所存储的增益的平均值。
信号的“频率”应理解为不限于一个特定的频率(即特定的Hz值)，而是可以指代信号所处的频带(即频率的范围)。在此类情况下，另一频率与多个频率之间的差可以包括另一频带(另一信号所处的频带)与多个频带之间的多个频带。多个信号(以及另一信号)可以包括根据LTE标准并且优选地根据eMTC标准传输的信号。多个频率(以及另一频率)可以包括根据LTE标准定义的多个窄带。
本发明扩展到一种无线电收发器设备，其包括：
天线；
放大器模块；以及
存储器；
其中所述设备被配置成：
接收具有多个对应频率的多个信号；
使用所述放大器将相应增益应用于所述多个信号中的每一个；以及
将每个增益及其对应的频率存储在所述存储器中；
其中，所述设备被配置成随后接收具有另一频率的另一信号，并使用所述放大器将另一增益应用于所述另一信号；
其中，根据所述另一频率与所述多个对应的频率之间的差，使用所存储的增益中的至少一个来确定所述另一增益。
优选地，无线电收发器设备包括根据LTE标准操作的eMTC无线电收发器设备。
放大器模块可以包括可调增益低噪声放大器。
设备可以进一步包括数字信号处理器，其被布置成使用自动增益控制来优化相应增益。
设备可以被配置成根据上文所陈述的方法特征中的任一个进行操作。
现将参考附图描述本公开的一个或多个非限制性实例，在附图中：
图1是根据本发明实施例的eMTC无线电接收器设备的框图；
图2是说明LTE信号内的跳频的时序图；以及
图3是说明图1所示的eMTC无线电设备的操作的时序图。
图1展示eMTC无线电接收器设备2。接收器2被实现为片上系统(system-on-chip，SoC)，并且包括：模拟RF前端电路部分4；数字电路部分6；以及基带电路部分8。下面依次描述这些电路部分4、6、8中的每一个的结构和操作。
模拟RF前端电路部分4被布置成经由天线端子12连接到天线10，以用于接收通过空中接收的LTE eMTC无线电信号。模拟电路部分4包括：可变增益前置放大器14；混频器16；本地振荡器18；同相放大器20；正交放大器22；两个带通滤波器24、26；同相ADC 28，以及正交ADC 30。
当经由天线10接收到输入的LTE无线电信号32时，首先将其输入到可变增益前置放大器14，所述可变增益前置放大器将信号32放大到适合下游电路处理的电平。通常，可变增益前置放大器14是低噪声放大器(low-noise amplifier，LNA)，其本身是本领域中已知的一种放大器，特别适合于放大受关注信号同时抑制不想要的噪声。
所得的放大后的信号34被输入到混频器16，所述混频器还被布置成接收由本地振荡器18生成的信号36作为另一输入。由本地振荡器18生成的信号36被设置成所关注的频率(即，与接收器2当前被调谐到的信道相关联的载波频率)。这将放大后的信号34下混频到基带，并且生成同相信号38和正交信号40。
同相信号38和正交信号40分别通过同相放大器20和正交放大器22，以提供这些信号38、40中的每一个的进一步放大。所得的放大后的同相信号42和放大后的正交信号44分别通过相应的带通滤波器24、26，其中带通滤波器24、26被调谐以抑制特定频率范围之外的信号。这产生滤波后的同相信号46和滤波后的正交信号48。
滤波后的同相和正交信号46、48被分别输入到同相ADC 28和正交ADC 30。这些ADC28、30将模拟滤波后的信号46、48转换为数字同相信号50和数字正交信号52。接着将所得的数字信号50、52输入到数字电路部分6。
数字电路部分6包含连接到存储器56的处理器54。处理器被布置成对数字信号50、52进行数字处理以便对其进行解码，即，以在接收到的子帧内检索数据。一旦处理器54对接收到的eMTC子帧进行解码，所得数据58就被传递到下游基带电路8，所述下游基带电路将数据用于期望的应用。
输入的LTE无线电信号32的强度可能由于多种原因而发生显著变化，其中包含到基站的距离变化或局部环境影响(例如，干扰或介入对象的信号衰减)。因此，数字电路部分6被进一步配置成将自动增益控制(automated gain control，AGC)提供到接收器2。这由使用来自ADC 28、30的数字信号50、52估计滤波后的同相和正交信号46、48的幅度的数字电路部分提供。数字电路部分6使用此估计为可变增益前置放大器14提供控制信号60，以最大程度地利用ADC 28、30的动态范围(同时避免使ADC 28、30饱和)以用于任何输入信号32的强度。
举例来说，如果输入信号32较弱，使得滤波后的同相和正交信号46、48的估计幅度低于ADC 28、30的最大输入幅度，则数字电路部分6提供增加由可变增益前置放大器14提供的增益的控制信号60。这增加了滤波后的同相和正交信号46、48的幅度，从而增加ADC 28、30动态范围的利用，且因此增加其输出50、52的分辨率。相反，如果输入信号32较强，使得滤波后的同相和正交信号46、48的估计幅度大到足以使ADC 28、30饱和，则数字电路部分6提供减小由可变增益前置放大器14提供的增益的控制信号60。这降低了在模数转换期间数据丢失的可能性。
现在将进一步参考图2来描述根据本发明实施例的接收器2的操作。
接收器2接收到的LTE eMTC无线电信号在八个1.4MHz窄带200-207(构成10MHzLTE无线电信道)中的一个内传输。按照接收机2预先知道的伪随机模式，周期性地改变传输信号的窄带200-207。这被称作跳频。
这种跳频行为在图2中展示，图2为展示随时间变化的活动窄带的时序图。在初始时间102，在第七窄带207中传输LTE无线电信号32。在第一子帧的末尾，在时间104，信号32跳到第二窄带202。在时间106，信号32跳回到第七窄带207。在时间108，信号32跳到第三窄带203，且接着在时间110，信号32跳回到第二窄带202。
接收器2接收到的信号32的强度随时间变化(例如，由于接收器相对于基站的运动或环境条件的变化)，还随其被传输的不断变化的窄带200-207而变化(例如，由于变化的多径效应或频率相关的衰减)。因而，为了实现最优操作，当传输窄带200-207改变时，前置放大器14需要应用不同的增益。由数字电路部分6提供给前置放大器14的常规自动增益控制使用来自ADC 28、30的反馈进行操作，且因此以固有的延迟为特征。因而，当活动窄带200-207改变时，它不能立即对不断变化的增益要求做出反应。如上文所解释，这可能导致次优的操作或甚至丢失数据。
数字电路部分6被配置成通过在信号32跳到不同的窄带200-207时立即应用估计的增益来减缓此延迟，这将在下面参考图3更详细地解释。
每次信号32从一个窄带200-207跳到另一个窄带(即在时间102、104、106和108)时，由前置放大器14应用于信号的增益连同当前时间以及应用增益的窄带一起记录在存储器56中。接着应用针对信号32跳频到的窄带选择的新增益。
如上文所提及，如图3所示，在初始时间102，收发器2在第七窄带207上接收信号。数字电路部分6从存储器56读取增益g7，所述增益已在时间t7被预先应用到第七窄带207上的信号，并指示前置放大器14将此增益应用于输入信号32。在时间102与时间104之间，解调信号32并且提取数据。在此期间，数字电路部分6根据来自ADC 28、30的反馈，对前置放大器14应用的增益进行优化。
在时间104，数字电路部分6在存储器56中存储第七窄带207的增益g7的优化值(即，存储在存储器中的g7的值被更新)。数字电路部分6还更新时间t7，使其等于应用优化增益g7时的时间104。信号32跳到第二窄带202，并且数字电路部分6从存储器56检索增益g2，所述增益已在时间t2被预先应用到第二窄带202上的信号。此增益由前置放大器14立即应用于信号32。
在时间106，信号32跳到第六窄带206。然而，在此之前，接收器尚未在第六窄带206中接收到信号32，且因此，在存储器56中还没有存储待应用的增益值。然而，代替继续使用在第二窄带202中应用于信号32的增益g2，数字信号处理器6从存储器56读取(先前更新的)增益g7并将其应用于信号32。
尽管用于第七窄带207的增益g7对于第六窄带206中的信号32可能不是最优的，但是它可能比用于第二窄带202的增益g2更接近，因为第六和第七窄带206、207之间的频率差比第六和第二窄带206、202之间的频率差小得多。因此，增益g7充当数字信号处理器6可以在时间106为第六窄带206产生最优增益的最佳估计。
替代地，数字信号处理器6可内插在两个(或更多个)先前所存储的增益之间以确定待应用于第六窄带206中的信号32的增益的估计。举例来说，第六窄带206的增益可以计算为g7和g2的加权平均值(例如0.8×g7+0.2×g2)-例如，根据最近存储g7和g2的方式来计算权重。
如上文所描述，通过来自ADC 28、30的反馈，随时间对应用于第六窄带的增益g6进行优化。在时间108，信号32跳到另一窄带，并且用于第六窄带的优化增益g6连同时间t6一起存储在存储器56中。

Claims (17)

1.一种操作无线电接收器设备的方法，其包括：
接收具有多个对应频率的多个信号；
将相应增益应用于所述多个信号中的每一个；以及
存储应用于每个信号的所述增益及其对应的频率；
其中，所述方法随后包括：
接收具有另一频率的另一信号；以及
将另一增益应用于所述另一信号；
其中，根据所述另一频率与所述多个对应频率中的至少一个之间的差，使用所存储的增益中的至少一个来确定所述另一增益。
2.根据权利要求1所述的操作无线电接收器设备的方法，其中，将相应增益应用于所述多个信号中的每一个包括使用自动增益控制来优化所述相应增益。
3.根据权利要求1或2所述的操作无线电接收器设备的方法，其包括将所述另一增益设置成所存储的增益，所述所存储的增益具有所述多个对应频率中与所述另一频率最接近的对应频率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的操作无线电接收器设备的方法，其进一步包括将每个所存储的增益应用于相应信号时的相应时间存储在存储器中。
5.根据权利要求5所述的操作无线电接收器设备的方法，其进一步包括根据接收到所述另一信号时的时间与所述相应所存储的时间之间的比较来确定所述另一增益。
6.根据前述权利要求中任一项所述的操作无线电接收器设备的方法，其包括忽略具有与所述另一频率相差大于阈值的对应频率的所有所存储的增益。
7.根据前述权利要求中任一项所述的操作无线电接收器设备的方法，其包括基于每个先前应用的增益与所述另一信号在频率和时间两者的差而将距离度量分配给所述每个先前应用的增益。
8.根据权利要求7所述的操作无线电接收器设备的方法，其中，所述距离度量包括所述差的加权组合。
9.根据权利要求7或8所述的操作无线电接收器设备的方法，其包括将所述另一增益设置成等于已分配有最小距离度量的所述增益。
10.根据前述权利要求中任一项所述的操作无线电接收器设备的方法，其包括从根据所述所存储的增益与所述另一增益之间的频率间隔和/或时间间隔进行优化的一个或多个所存储的增益导出所述另一增益。
11.根据前述权利要求中任一项所述的操作无线电接收器设备的方法，其包括将所述另一增益设置成在两个或更多个所存储的增益之间插入的值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的操作无线电接收器设备的方法，其中所述多个信号包括根据LTE标准传输的信号。
13.根据权利要求12所述的操作无线电接收器设备的方法，其中所述多个频率包括根据LTE标准定义的多个窄带。
14.一种无线电收发器设备，其包括：
天线；
放大器模块；以及
存储器；
其中所述设备被配置成：
接收具有多个对应频率的多个信号；
使用所述放大器将相应增益应用于所述多个信号中的每一个；以及
将每个增益及其对应的频率存储在所述存储器中；
其中，所述设备被配置成随后接收具有另一频率的另一信号，并使用所述放大器将另一增益应用于所述另一信号；
其中，根据所述另一频率与所述多个对应的频率之间的差，使用所存储的增益中的至少一个来确定所述另一增益。
15.根据权利要求14所述的无线电收发器设备，其根据LTE标准进行操作。
16.根据权利要求14或15所述的无线电收发器设备，其中所述放大器模块包括可调增益低噪声放大器。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的无线电收发器设备，其进一步包括数字信号处理器，所述数字信号处理器被布置成使用自动增益控制来优化所述相应增益。
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