CN112803908B - 蓝牙接收机中的大动态快速自动增益控制方法及其模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓝牙接收机中的大动态快速自动增益控制方法及其模块，提出双探测点AGC，不仅在ADC模块输出处设置一个电平探测点，而且在滤波模块之前也设置一个电平探测点，通过对两个探测点的检测，优先调整时延较短的LGMT模块和PGA模块的增益，其次在必要时才会调整滤波模块的增益。本发明可以快速控制链路增益，有效地实现快速收敛，加快实现信号稳定。

Description

蓝牙接收机中的大动态快速自动增益控制方法及其模块

技术领域

本发明属于蓝牙通信技术领域，尤其涉及一种蓝牙接收机中的大动态快速自动增益控制方法及其模块。

背景技术

蓝牙协议对于uncoded模式，设计的preamble长度只有8个符号长度。而8个符号中还有一部分要用于帧检测、频偏估计等，因此通常要求蓝牙设备的自动增益控制能够在preamble部分的大概前3个符号长度就能够稳定下来。

自动增益控制（AGC）通常有两种类型，即平均功率型AGC和峰值型AGC。平均功率型AGC对接收信号的平均功率进行检测，当平均功率超过或低于某个门限时，AGC进行动作，但平均功率型AGC要求参加功率统计的样点相对较多，不适合对快速收敛要求较高的场合。峰值型AGC对接收信号电平的峰值进行监测，当峰值电平超过或低于某个门限时，AGC进行动作，峰值型AGC可用于对快速收敛要求较高的场合。

另外，射频链路的时延对自动增益控制的快速收敛也有非常重要的影响。例如，当AGC对LNA模块发出增益变化命令后，从ADC的输出能够观察到这种变化通常需要一个或多个码元时间长度，如果输入信号功率较强，仅通过观察ADC输出的变化来逐级调整射频链路各个模块的增益，完全不可能在3个符号长度内完成AGC的收敛。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中蓝牙接收机自动增益控制收敛速度慢的问题，本发明提供一种蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法及其模块。

技术方案：一种蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法，包括以下步骤：

步骤一：设LGMT模块、滤波模块及PGA模块的增益分别为G_L、G_F和G_P，G_L、G_F和G_P的初始值均为最大值；定义LGMT模块、滤波模块及PGA模块的调整增益的标识分别为S_L、S_F、S_P，S_L、S_F、S_P初始值均为0；定义第一等待时间T0、第二等待时间T1、第一观察窗口W0及第二观察窗口W1，W0用于在T0后开始存储L₀个第一探测点的上溢信号，W1用于在T1后开始存储L₁个第二探测点的上溢信号，第一探测点位于LGMT模块与滤波模块之间，第二探测点位于射频链路的输出端，且L₁＞L₀；

步骤二：根据S_L、S_F、S_P的值确定T0和T1，将S_L、S_F、S_P均置0，同时执行步骤三和步骤四；

步骤三：在等待T0后向W0存储信号，根据W0的存储信号调整G_L，记调整后的LGMT模块的增益为G_L ^’，若G_L ^’≠G_L，则S_L=1，并继续调整G_F和G_P，记调整后的滤波模块及PGA模块的增益分别为G_F ^’、G_P ^’，跳转至步骤五；若G_L ^’=G_L，将T0置为0，循环执行步骤三；

步骤四：在等待T1后向W1存储信号，根据W1的存储信号调整G_P，若G_P小于第一阈值，则继续调整G_F，记调整后的PGA模块及滤波模块的增益分别为G_P ^’、G_F ^’，若G_F ^’≠G_F，则S_F=1，若G_P ^’≠G_P，则S_P=1，跳转至步骤五；若G_F ^’=G_F且G_P ^’=G_P，将T1置为0，循环执行步骤四；

步骤五：将W0和W1清零，将G_L ^’、G_F ^’和G_P ^’分别赋值给G_L、G_F和G_P，跳转执行步骤二。

进一步地，步骤二中，根据S_L、S_F、S_P的值确定T0和T1的方法是根据各模块的增益是否发生调整，确定第一探测点和第二探测点信号的稳定时间，待稳定时间到达后开始存储信号。

进一步地，步骤二中，确定T0和T1的具体方法包括：

设LGMT模块、滤波模块及PGA模块的时延分别为T_L、T_F、T_P,

若S_L=1，无论S_F、S_P为何值，T0=T_L，T1=T_L+T_F+T_P；

若S_L=0，无论S_F、S_P为何值，T0=0；

若S_L=0，S_F=1，无论S_P为何值，T1=T_F+T_P；

若S_L=0，S_F=0，S_P=1，则T1=T_P；

若S_L=0，S_F=0，S_P=0，则T1=0。

进一步地，步骤三中，根据W0的存储信号调整G_L的方法为：设定第二阈值N₀，若W0的存储信号的数值和超过N₀，则减小G_L的值，第一探测点的上溢信号超过第一探测点门限值时，W0的存储信号的数值记为1，否则记为0，W0的存储信号的数值和即为W0内所有存储信号的和；若G_L ^’≠G_L，则S_L=1，并继续减小G_F和G_P的值。

进一步地，步骤三中，减小G_L的值的方法为：

为LGMT模块增益的最小值，

为人为设定的LGMT模块增益调整幅度。

进一步地，步骤三中，若G_L ^’≠G_L，则S_L=1，继续减小G_F和G_P的方法为：

将G_F调整为最小值；

将G_P调整为：

为PGA模块增益的最小值，

与

为人为设定的调整幅度，且

＞

。

进一步地，步骤四中，根据W1的存储信号调整G_P的方法为：

设定第三阈值M₀，若W1的存储信号的数值和超过M₀，且S_L=0，则减小G_P的值，第二探测点的上溢信号超过第二探测点门限值时，W1的存储信号的数值记为1，否则记为0，W1的存储信号的数值和即为W1内所有存储信号的和，

其中，减小G_P的值的方法为：

为PGA模块增益的最小值，

为人为设定的PGA模块增益调整幅度。

进一步地，步骤四中，还设定第四阈值M₁，M₁＜M₀，若W1的存储信号的数值和超过M₀，则

=a；若W1的存储信号的数值和超过M₁但未超过M₀，则

=b，b＜a。

进一步地，步骤四中，若G_P小于第一阈值，则继续调整G_F，具体方法为：

所述第一阈值为

+

，

为PGA模块增益的最小值，

为人为设定的PGA模块增益调整幅度；

为滤波模块增益调整幅度，

；

为滤波模块增益的最小值。

一种蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制模块，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行该计算机程序时可实现上述的蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法的步骤。

有益效果：本发明提供一种蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法及其模块，相比较现有技术，提出双探测点AGC，不仅在ADC模块输出处设置一个电平探测点，而且在滤波模块之前也设置一个电平探测点，优先调整时延较短的LGMT模块和PGA模块的增益，其次在必要时才会调整滤波模块的增益，从而有效地实现快速收敛，加快实现信号稳定。实验证明，即使接收功率接近上限的条件下，AGC也能在3个符号长度左右收敛下来，使接收信号放大射频链路不再饱和，满足蓝牙接收机的需求。

附图说明

图1为射频链路与自动增益控制模块之间的连接关系图；

图2为自动增益控制模块的收敛曲线；

图3为自动增益控制模块的收敛曲线的局部细节图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制（AGC）模块，用于控制蓝牙射频链路的增益，如图1所示为AGC与蓝牙射频链路各模块之间的连接关系。蓝牙射频链路依次包括LNA模块、Gm+Mixer+TIA模块、低中频滤波模块、PGA模块及ADC模块，为方便描述，后续将LNA模块、Gm+Mixer+TIA模块统称为LGMT模块。LNA模块的增益范围为6~24dB，GMT模块的增益范围为6~24dB，滤波模块的增益范围为0~18dB，PGA模块的增益范围为0~36dB，因此射频链路的整体增益范围为12~102dB，增益的动态范围为90dB，增益的调整阶梯为6dB，满足蓝牙接收机的增益变化需求。

因蓝牙接收机的通信方式要求AGC快速收敛，因此本实施例采用峰值型AGC。在本射频链路中选取第一探测点和第二探测点进行信号检测，第一探测点在LGMT模块与低中频滤波模块之间，第二探测点在ADC处及链路的输出端。AGC接收第一探测点与第二探测点的信号，并根据两处探测点的检测信号，调整链路各模块的增益，使其快速收敛。

AGC包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行该计算机程序时可实现下述蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法的步骤。

本实施例AGC的基本参数设置以如下为例：ADC工作时钟为16MHz，即过抽样因子为16；T_L=3，T_F=24，T_P=5，T_L、T_F、T_P的单位都是样点数；L₀=8，N₀=2；L₁=16，M₀=3，M₁=1；

=6，

=12，

=6。

蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法，包括以下步骤：

步骤一：设LGMT模块、滤波模块及PGA模块的增益分别为G_L、G_F和G_P，G_L、G_F和G_P的初始值均为最大值；定义LGMT模块、滤波模块及PGA模块的调整增益的标识分别为S_L、S_F、S_P，S_L、S_F、S_P初始值均为0；定义第一等待时间T0、第二等待时间T1、第一观察窗口W0及第二观察窗口W1，W0用于在T0后开始存储L₀个第一探测点的上溢信号，W1用于在T1后开始存储L₁个第二探测点的上溢信号，第一探测点位于LGMT模块与滤波模块之间，第二探测点位于射频链路的输出端，且L₁取16，L₀取8，单位都是样点数；

步骤二：首先根据S_L、S_F、S_P的值确定T0和T1，若S_L、S_F、S_P为非零值，则将非零值置零，同时执行步骤三和步骤四，优先调整LGMT模块和PGA模块的增益，其次必要时才会调整滤波模块的增益；

根据S_L、S_F、S_P的值确定T0和T1的方法是根据各模块的增益是否发生调整，确定第一探测点和第二探测点信号的稳定时间，待稳定时间到达后开始存储信号。由于设置了第一探测点，且LGMT的增益建立时间很短（通常在百纳秒级），因此AGC如果对LGMT模块发出增益变化指令后，将统一等待时间T_L后继续观察，以判断是否需要进一步改变该模块的增益。如果滤波模块的增益发生变化，AGC观察到此变化，需要等待较长时间（通常在微秒级），它包括滤波时延(设置为T_F)和PGA的时延(设置为T_P)。PGA模块位于ADC模块之前，且增益建立时间较短（通常在百纳秒级），因此AGC只需等待较短时间T_P就可以观察到PGA模块增益变化引起的结果。因此：

设LGMT模块、滤波模块及PGA模块的时延分别为T_L、T_F、T_P,

若S_L=1，无论S_F、S_P为何值，T0=T_L，T1=T_L+T_F+T_P；

若S_L=0，无论S_F、S_P为何值，T0=0；

若S_L=0，S_F=1，无论S_P为何值，T1=T_F+T_P；

若S_L=0，S_F=0，则S_P=1，T1=T_P；

若S_L=0，S_F=0，则S_P=0，T1=0。

步骤三：ADC在信号进行抽样时，通常是采用过抽样方式，即在一个码元周期内取样若干个样值，例如16个。此时，ADC时钟的工作速率是码元的若干倍。由于采用峰值型算法，因此向W0窗口中存储的是第一探测点连续监测的上溢信号，即电平是否超过第一探测点门限的情况；向W1窗口中存储的是第二探测点连续监测的ADC上溢信号，即ADC输出是否超过第二探测点门限的情况。两个窗口的存储信号都是超过门限输入1，否则输入0，窗口的数值和即为窗口内所有存储信号的和。

在等待T0后向W0存储信号，设定第二阈值N₀=2，若W0的存储信号的数值和超过2（即窗口中出现1的次数超过2次），则减小G_L的值。第一探测点门限值在本实施例中取0.32mV，即使后面的滤波模块和PGA模块的总增益降到6dB，该信号到达ADC模块时，其电平值仍然可能超过ADC模块的量程范围；记调整后的LGMT模块的增益为G_L ^’，

为LGMT模块增益的最小值，

为人为设定的LGMT模块增益调整幅度，取

=6dB。之所以分两个档位调节G_L，是为了根据G_L的大小做合适的调节，对于超出阈值不太多的直接赋予最小值，对于超出阈值较多的减小固定值，既可以有效减小G_L的值，又不会超出G_L的取值范围。该调整方法不唯一，也可以采取其他调整方式，目的就是为了将第一探测点的信号调小，控制在第一探测点门限值以内。

若G_L ^’≠G_L，则S_L=1，并继续调整G_F和G_P，记调整后的滤波模块及PGA模块的增益分别为G_F ^’、G_P ^’，将G_F调整为最小值；将G_P调整为：

为PGA模块增益的最小值，

与

为人为设定的调整幅度，且

＞

，取

=12dB，

=6dB，即第一次调整幅度大些，该调整方法不唯一，也可以多设几个档位，越往后调整幅度越小，使调整结果既精确又快速。因第一探测点的信号超出门限值，已经给出了指示，后续的模块也必须调小，所以在LGMT模块增益发生调整时，就可以先行对滤波模块及PGA模块进行调整，无需等到检测第二探测点再调整，以此进一步加快调整速度。

调整G_F和G_P后跳转至步骤五；

若G_L ^’=G_L，将T0置为0，循环执行步骤三，不停检测W0窗口的信号并调整增益直至W0窗口的数值和不超过2；

步骤四：在等待T1后向W1存储信号，设定第三阈值M₀=3，若W1的存储信号的数值和超过3，且S_L=0，则减小G_P的值，记减小后的PGA模块的增益为G_P ^’。以8位ADC为例，第二探测点门限值在本实施例中取127。

还可以设定第四阈值M₁=1，若W1的存储信号的数值和超过3，则

=12dB；若W1的存储信号的数值和超过M₁但未超过M₀，则

=6dB，即检测到的信号越大，调整幅度越大，以进一步加快调整速度。第四阈值并不是必要设置的，但相比较仅有第三阈值而言，

有不同档位可取，能够进一步加快调整速度。

减小G_P的值的方法为：

为PGA模块增益的最小值，

为人为设定的PGA模块增益调整幅度。

若G_P小于第一阈值

+

，则继续调整G_F，只有在G_P调整到最小值时才进一步调整G_F，主要因为滤波模块的时延较大，非必要情况时即仅调整G_L、G_P就可以收敛时，无需再调整G_F，也是为了加快调整速度。设调整后的滤波模块的增益为G_F ^’，具体方法为：

为PGA模块增益的最小值，

为人为设定的PGA模块增益调整幅度；

为滤波模块增益调整幅度，

；

为滤波模块增益的最小值。

若G_F ^’≠G_F，则S_F=1，若G_P ^’≠G_P，则S_P=1，跳转至步骤五；

若G_F ^’=G_F且G_P ^’=G_P，将T1置为0，循环执行步骤四，不停检测W1窗口的信号并调整增益直至W1窗口的数值和不超过1；

步骤五：将W0和W1清零，将G_L ^’、G_F ^’和G_P ^’分别赋值给G_L、G_F和G_P，跳转执行步骤二进行下一轮增益的调整。

如图2所示，在接收功率为-6dB的条件下，按照以上方法执行后AGC的收敛曲线，图3为局部细节图。从图中可以看出，即使接收功率接近上限的条件下，AGC也能在3个符号（16*3=48个样点）左右收敛下来，使接收信号射频放大链路不再饱和。

Claims (8)

1.一种蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法，其特征在于，蓝牙射频链路包括依次连接的LNA模块、Gm+Mixer+TIA模块、滤波模块、PGA模块及ADC模块，将LNA模块、Gm+Mixer+TIA模块称为LGMT模块，在射频链路中选取第一探测点和第二探测点进行信号检测，

该方法包括以下步骤：

步骤一：设LGMT模块、滤波模块及PGA模块的增益分别为G_L、G_F和G_P，G_L、G_F和G_P的初始值均为最大值；定义LGMT模块、滤波模块及PGA模块的调整增益的标识分别为S_L、S_F、S_P，S_L、S_F、S_P初始值均为0；定义第一等待时间T0、第二等待时间T1、第一观察窗口W0及第二观察窗口W1，W0用于在T0后开始存储L₀个第一探测点的上溢信号，W1用于在T1后开始存储L₁个第二探测点的上溢信号，第一探测点位于LGMT模块与低中频滤波模块之间，第二探测点位于射频链路的输出端，且L₁＞L₀；

步骤二：根据S_L、S_F、S_P的值确定T0和T1，将S_L、S_F、S_P均置0，同时执行步骤三和步骤四；

步骤三：在等待T0后向W0存储信号，根据W0的存储信号调整G_L，调整G_L的方法为：设定第二阈值N0，若W0的存储信号的数值和超过N0，则减小GL的值，第一探测点的上溢信号超过第一探测点门限值时，W0的存储信号的数值记为1，否则记为0，W0的存储信号的数值和即为W0内所有存储信号的和；

记调整后的LGMT模块的增益为G_L ^’，若G_L ^’≠G_L，则S_L=1，并继续调整G_F和G_P，记调整后的滤波模块及PGA模块的增益分别为G_F ^’、G_P ^’，跳转至步骤五；若G_L ^’=G_L，将T0置为0，循环执行步骤三；

步骤四：在等待T1后向W1存储信号，根据W1的存储信号调整G_P，调整G_P的方法为：设定第三阈值M0，若W1的存储信号的数值和超过M0，且SL=0，则减小GP的值，第二探测点的上溢信号超过第二探测点门限值时，W1的存储信号的数值记为1，否则记为0，W1的存储信号的数值和即为W1内所有存储信号的和；

若G_P小于第一阈值，则继续调整G_F，调整G_F的具体方法为：

所述第一阈值为

+

，

为PGA模块增益的最小值，

为人为设定的PGA模块增益调整幅度；

为滤波模块增益调整幅度，

；

为滤波模块增益的最小值；

记调整后的PGA模块及滤波模块的增益分别为G_P ^’、G_F ^’，若G_F ^’≠G_F，则S_F=1，若G_P ^’≠G_P，则S_P=1，跳转至步骤五；若G_F ^’=G_F且G_P ^’=G_P，将T1置为0，循环执行步骤四；

步骤五：将W0和W1清零，将G_L ^’、G_F ^’和G_P ^’分别赋值给G_L、G_F和G_P，跳转执行步骤二。

2.根据权利要求1所述的蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法，其特征在于，步骤二中，根据S_L、S_F、S_P的值确定T0和T1的方法是根据各模块的增益是否发生调整，确定第一探测点和第二探测点信号的稳定时间，待稳定时间到达后开始存储信号。

3.根据权利要求2所述的蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法，其特征在于，步骤二中，确定T0和T1的具体方法包括：

设LGMT模块、滤波模块及PGA模块的时延分别为T_L、T_F、T_P,

若S_L=1，无论S_F、S_P为何值，T0=T_L，T1=T_L+T_F+T_P；

若S_L=0，无论S_F、S_P为何值，T0=0；

若S_L=0，S_F=1，无论S_P为何值，T1=T_F+T_P；

若S_L=0，S_F=0，S_P=1，则T1=T_P；

若S_L=0，S_F=0，S_P=0，则T1=0。

4.根据权利要求1至3任一所述的蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法，其特征在于，步骤三中，减小G_L的值的方法为：

为LGMT模块增益的最小值，

为人为设定的LGMT模块增益调整幅度。

5.根据权利要求1至3任一所述的蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法，其特征在于，步骤三中，若G_L ^’≠G_L，则S_L=1，继续减小G_F和G_P的方法为：

将G_F调整为最小值；

将G_P调整为：

为PGA模块增益的最小值，

与

为人为设定的调整幅度，且

＞

。

6.根据权利要求1至3任一所述的蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法，其特征在于，步骤四中，减小G_P的值的方法为：

为PGA模块增益的最小值，

为人为设定的PGA模块增益调整幅度。

7.根据权利要求1至3任一所述的蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法，其特征在于，步骤四中，还设定第四阈值M₁，M₁＜M₀，若W1的存储信号的数值和超过M₀，则

=a；若W1的存储信号的数值和超过M₁但未超过M₀，则

=b，b＜a。

8.一种蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制模块，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行该计算机程序时可实现权利要求1-7任一所述的蓝牙接收机的大动态快速自动增益控制方法的步骤。

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