CN114039617B - 一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法 - Google Patents

一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法。(1)将实测的信号强度划分区间，设定每个区间对应的增益值以及对应的步进长度；(2)采用中间的区间对应的增益值对接收信号进行初始增益调整；(3)将IQ两路幅度信息进行幅值估算，得到幅值信息；(4)将幅值信息进行滤波；(5)转换为db单位信号强度；(6)将db单位信号强度进行滑动平均，得到增益调整后信号的平均信号强度；(7)如果平均信号强度在设定的阈值范围内，调整完成，否则进入(8)；(8)再次增益调整；(9)重复(3)‑(8)，直至符合设定要求。本发明方法可以快速地实现增益调整，具有速度快，低资源，精度高，易于实现等特点。

Description

一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，涉及一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法。
背景技术
在无线通信信号传输过程中，由于信号发射功率强度，传输距离，噪声干扰等的影响，会使得接收信号幅度出现饱和或者过小的情况，从而影响解调的性能。为了解决这一问题，需要在射频接收机前端设置增益自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)装置，使得无论在空中信号幅度较强还是较弱的情况下，在有效数据进入接收机前，把接收信号强度调整并维持在一个稳定的区间，以此改善接收机的灵敏度。
专利号为201210410792.0的发明专利公开了公开了一种自动增益控制装置、自动增益控制(AGC)增益设定方法和无线通信接收器，应用于无线通信系统。自动增益控制装置包括：一第一符号讯号(Ii)、一第二符号讯号(Qi)、一功率侦测器、一具有辅助统计的自动增益控制运算单元、一减法器、一平均单元、一加法器、一乘法器、一累加器，以及一低噪声放大器与可变增益放大器控制映像单元。通过对成对的N位模拟数字转换器经由无符号至符号信号转换器的输出的第一符号讯号(Ii)与第二符号讯号(Qi)的功率统计及振幅统计，便可决定额外的增益调整讯号，一起来控制低噪声放大器的开关的状态，以及可变增益放大器的增益。
申请号为202110553299.3的发明专利申请公开了一种频谱感知器的控制方法，包括如下步骤：步骤A：获取输入信号；步骤B：判断输入信号功率是否在满量程以内，如果是，转步骤C，否则转步骤I；步骤C：计算输入信号幅度绝对值；步骤D：查表得到幅度绝对值对应功率；步骤E：判断功率是否大于或等于设定功率容限，如果是，转步骤F；如果否，转步骤H；步骤F：完成增益控制，返回步骤A；步骤H：判断衰减值是否为最小，如果是，转步骤F；如果否，转步骤I；步骤I：将衰减值从最小值开始控制衰减，逐渐步进增加衰减值；步骤J：等待增益控制完成；返回步骤B。该方法通过数字处理器完成增益的控制，通过检测输入信号幅度与满量程之间的关系，动态调整射频增益值。
自动增益控制主要包括两方面：RSSI值计算和增益调整。传统的控制方式采用单向的逐级调整的实现方式，不但无法在日益复杂的无线环境中无法实现灵活且快速的控制效果，而且造成大量的资源使用和时间消耗。不能满足速度快，低资源，精度高，易于实现的要求。
发明内容
本发明的目的就是提供一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法，具有速度快，低资源，精度高，易于实现等优点。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
步骤(1)根据应用场景实测的信号强度进行区间划分，将实测的信号强度划分成连续的N个区间，区间号n＝1,2,…,N，设定每个区间对应的增益值，区间号越小，增益值越小，区间号为1到
Figure BDA0003332202610000021
的区域为上步进区域，
Figure BDA0003332202610000022
到N的区域为下步进区域，
Figure BDA0003332202610000023
表示向上取整。
设定每个区间对应的步进长度：如果区间号对应区间属于下步进区域，则该区间号对应的步进长度
Figure BDA0003332202610000024
如果区间号对应区间属于上步进区域，则步进长度
Figure BDA0003332202610000025
表示向下取整。
步骤(2)采用区间号为
Figure BDA0003332202610000026
的区间对应的增益值对接收信号进行初始增益调整。
步骤(3)将增益调整后的IQ两路幅度信息进行幅值估算，得到幅值信息：
首先计算IQ两路的绝对值|I|和|Q|，然后判断两者的大小，如果|I|大于|Q|，则
Figure BDA0003332202610000027
的近似值为
Figure BDA0003332202610000028
否则其近似值为
Figure BDA0003332202610000029
该近似值作为幅值信息。
步骤(4)将幅值信息进行滤波，得到滤波后幅值信号：通过低通滤波器进行信号处理，低通滤波器传输函数
Figure BDA00033322026100000210
a和b为设置的滤波系数。
步骤(5)将滤波后幅值信号转换为db单位信号强度；
步骤(6)将db单位信号强度进行滑动平均，得到增益调整后信号的平均信号强度
Figure BDA00033322026100000211
作为是否进行再次增益调整的依据；
步骤(7)设定两个判断阈值，且thr1＜thr2，如果
Figure BDA00033322026100000212
表示检测到的信号符合设定要求，不再继续进行调整，增益调整结束；否则执行(8)；
步骤(8)如果
Figure BDA00033322026100000213
采用区间号为m′的区间对应的增益值进行再次增益调整，m′＝m+lm；如果
Figure BDA00033322026100000214
采用区间号为m″的区间对应的增益值进行再次增益调整，m″＝m-lm；
步骤(9)重复步骤(3)-(8)，每轮增益调整中的再次增益调整的区间号，作为下一轮增益调整时的初始调整区间号，直至检测到的信号符合设定要求。如果再次增益调整的区间号为1或N，采用区间号为
Figure BDA0003332202610000031
的区间对应的增益值进行下一轮次增益调整。
本发明通过对IQ两路幅度信息进行幅值估算，可以避免平方以及开方运算，在确保数据精度的情况下极大地减少了硬件资源的消耗。在处理信号时使用滤波器和平均计算来减少信号干扰，增加信号的可靠性和稳定性，同时可以达到节省硬件资源的目的。本发明提出的快速逼近的方法来控制增益字的调整，克服了传统的单向逐级调整的实现方式的弊端，可以灵活快速地实现增益调整，具有速度快，灵活性强，低资源，精度高，易于实现等特点。
具体实施方式
一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法，具体是：
步骤(1)根据应用场景实测的信号强度进行区间划分，将实测的信号强度划分成连续的N个区间，区间号n＝1,2,…,N，设定每个区间对应的增益值，区间号越小，增益值越小，区间号为1到
Figure BDA0003332202610000032
的区域为上步进区域，
Figure BDA0003332202610000033
到N的区域为下步进区域，
Figure BDA0003332202610000034
表示向上取整；
设定每个区间对应的步进长度：如果区间号对应区间属于下步进区域，则该区间号对应的步进长度
Figure BDA0003332202610000035
如果区间号对应区间属于上步进区域，则步进长度
Figure BDA0003332202610000036
表示向下取整。
步骤(2)采用区间号为
Figure BDA0003332202610000037
的区间对应的增益值对接收信号进行初始增益调整。
步骤(3)将增益调整后的IQ两路幅度信息进行幅值估算，得到幅值信息：
通过ADC模块转换获取IQ两路数字信号幅度信息后，为了得到输入信号强度值RSSI，数学上需要对I/Q信号进行均方根运算，这样并不利于硬件实现。本发明采用了近似方案：首先计算IQ两路的绝对值|I|和|Q|，然后判断两者的大小，如果|I|大于|Q|，则
Figure BDA0003332202610000038
的近似值为
Figure BDA0003332202610000039
否则其近似值为
Figure BDA00033322026100000310
该近似值作为幅值信息。表1对该近似方法的计算精度进行了对比。从表1中可以看出，估算结果的误差在1db以内，可以认为该估算方法可以有效的进行db域转换。并且可以避免平方以及开方运算，极大地节省了硬件资源的消耗。
Figure BDA0003332202610000041
表1
步骤(4)将幅值信息进行滤波，得到滤波后幅值信号：
为了尽量提取直流信号，减少噪声干扰，通过低通滤波器进行信号处理。同时为了达到易于实现和节省硬件资源的目的，该低通滤波器传输函数
Figure BDA0003332202610000042
a和b为设置的滤波系数。
步骤(5)将滤波后幅值信号转换为db单位信号强度。
步骤(6)为了进一步提高计算出的信号强度值的有效性和稳定性，将db单位信号强度进行滑动平均，得到增益调整后信号的平均信号强度
Figure BDA0003332202610000043
获得更加稳定的信号强度信息，作为进一步增益调整的依据。平均窗口大小可配置，以适应模拟电路的变动带来的稳定时间变化。
步骤(7)设定两个判断阈值，且thr1＜thr2，thr1为设定的信号强度阈值下限，thr2为设定的信号强度阈值上限；如果
Figure BDA0003332202610000044
表示检测到的信号符合设定要求，不再继续进行调整，增益调整结束；否则执行(8)。
步骤(8)理论上一段有效信号在经过增益调整之后会保持数据稳定，而噪声信号可能会导致增益的再次调整。
如果
Figure BDA0003332202610000045
表示信号小于要求幅值，需要增大增益值配置，采用区间号为m′的区间对应的增益值进行再次增益调整，m′＝m+lm；
如果
Figure BDA0003332202610000046
表示信号已经饱和，需要减小配置增益值，采用区间号为m″的区间对应的增益值进行再次增益调整，m″＝m-lm。
步骤(9)重复步骤(3)-(8)，每轮增益调整中的再次增益调整的区间号，作为下一轮增益调整时的初始调整区间号，直至检测到的信号符合设定要求。
如果再次增益调整的区间号为1或N(区间对应的步进长度为0)，采用区间号为
Figure BDA0003332202610000051
的区间对应的增益值进行下一轮次增益调整。
具体如下例所示，假设信号区间划分成8档，则对应配置的增益区间号为1到8。区间1-4为上步进区域，区间5-8为下步进区域。区间1和8对应的步进长度为0，区间2、3和6、7对应的步进长度为1，区间4和5对应的步进长度为2。
利用平均输出信号强度与thr1(设定的信号强度阈值下限)和(thr2设定的信号强度阈值上限)来判断当前信号幅度是否合适，如果计算的平均输出信号强度在区间之内，则表示信号幅度符合设定要求。等待下一次判决。否则进行增益调整。
如果信号是通过使用区间号n为1或8的对应的增益值产生，区间1或N对应的步进长度为0，则出现不再调整的情况，为了避免产生这种问题，利用区间号为4的区间对应的增益值进行增益调整；
如果当前平均信号强度处于区间号n不是1或8的区间划定的信号强度范围，如果
Figure BDA0003332202610000053
利用区间号为n+ln的区间对应的增益值进行增益调整；如果
Figure BDA0003332202610000052
利用区间号为n-ln的区间对应的增益值进行增益调整。
得到平均信号强度信息后，根据所选择的调整策略决定增益调整的时间段。该部分需要结合滑动平均的窗口大小，ADC的响应时间，以及所划分的区间数等来决定。根据实验情况可以现在以下几种不同的时间段。
以蓝牙BR/EDR传输为例，根据传输协议，access code长度为68/72，其中preamble包含4个符号，可用于dc校准以及自动增益控制，并不参与同步处理。trailer也包含4个符号，用于扩展dc校准，不携带有用数据。EDR传输中的guard time的长度在4.75us到5.25us之间。
根据分析，AGC可介入的校准点可以有：preamble、trailer、guard time。根据调整时长计算公式Y*T*W，以24Mhz工作频率，8个信号区间，10个校准延迟周期为例，本发明提出的AGC方法的最长调整时间约为2.08us，均在上述三段信号的时间范围内，因此可以在一个帧传输中对接收信号进行多次AGC校准，确保在空中信号较不稳定的极端环境下，本发明提出的AGC方法仍能对改善接收机性能起关键作用。除蓝牙以外，本发明同样适用于其它无线通信领域。

Claims (4)

1.一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法，其特征在于，具体是：
步骤(1)根据应用场景实测的信号强度进行区间划分，将实测的信号强度划分成连续的N个区间，区间号n＝1,2,…,N，设定每个区间对应的增益值，区间号越小，增益值越小，区间号为1到
Figure FDA0003332202600000011
的区域为上步进区域，
Figure FDA0003332202600000012
到N的区域为下步进区域，
Figure FDA0003332202600000013
表示向上取整；
设定每个区间对应的步进长度：如果区间号对应区间属于下步进区域，则该区间号对应的步进长度
Figure FDA0003332202600000014
如果区间号对应区间属于上步进区域，则步进长度
Figure FDA0003332202600000015
Figure FDA0003332202600000016
表示向下取整；
步骤(2)采用区间号为
Figure FDA0003332202600000017
的区间对应的增益值对接收信号进行初始增益调整；
步骤(3)将增益调整后的IQ两路幅度信息进行幅值估算，得到幅值信息；
步骤(4)将幅值信息进行滤波，得到滤波后幅值信号；
步骤(5)将滤波后幅值信号转换为db单位信号强度；
步骤(6)将db单位信号强度进行滑动平均，得到增益调整后信号的平均信号强度
Figure FDA0003332202600000018
作为是否进行再次增益调整的依据；
步骤(7)设定两个判断阈值，且thr1＜thr2，如果
Figure FDA0003332202600000019
表示检测到的信号符合设定要求，不再继续进行调整，增益调整结束；否则执行(8)；
步骤(8)如果
Figure FDA00033322026000000110
采用区间号为m′的区间对应的增益值进行再次增益调整，m′＝m+lm；如果
Figure FDA00033322026000000111
采用区间号为m″的区间对应的增益值进行再次增益调整，m″＝m-lm；
步骤(9)重复步骤(3)-(8)，每轮增益调整中的再次增益调整的区间号，作为下一轮增益调整时的初始调整区间号，直至检测到的信号符合设定要求。
2.如权利要求1所述的一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法，其特征在于，步骤(3)具体是：首先计算IQ两路的绝对值|I|和|Q|，然后判断两者的大小，如果|I|大于|Q|，则
Figure FDA0003332202600000021
的近似值为
Figure FDA0003332202600000022
否则其近似值为
Figure FDA0003332202600000023
该近似值作为幅值信息。
3.如权利要求1所述的一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法，其特征在于，步骤(4)中，通过低通滤波器进行信号处理，低通滤波器传输函数
Figure FDA0003332202600000024
a和b为设置的滤波系数。
4.如权利要求1所述的一种无线通信射频接收机自动增益控制的方法，其特征在于，步骤(9)中，如果再次增益调整的区间号为1或N，采用区间号为
Figure FDA0003332202600000025
的区间对应的增益值进行下一轮次增益调整。
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