CN114039618B - 应用于数字接收机的自动增益控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于数字接收机的自动增益控制方法，在数字接收机的模/数转换芯片后端，通过在数字信号处理器件(FPGA/DSP)中代码化(或软件化)的实现本发明提及的自动增益控制方法来实现输入信号增益控制。本发明提供一种应用于数字接收机的自动增益控制方法，该方法主要精于算法复杂度简化、适用多类型信号处理及结构实现简单灵活三个方面，可达到或接近当前阶段复杂理论算法获得的增益控制效果，非常适用于在数字调制解调工程样机开发中采用。

Description

应用于数字接收机的自动增益控制方法

技术领域

本发明涉及数字信号接收处理领域。更具体地说，本发明涉及一种用在数字接收机的自动增益控制方法。

背景技术

在数字接收机中，对经信道后的接收信号的处理需要将信号幅度控制在一个合理动态范围，自动增益控制可满足该要求。由于信道未知性，经信道后信号幅度态范围较小或动态范围较大，均不利于接收机中定时恢复、均衡、载波恢复等功能算法的收敛性。自动增益控制装置能将接收信号的统计特性与理想动态范围电平值进行比较，从而动态获得增益值，使得对于后续处理单元，信号均处在一定的动态范围。

无论在无线传输领域还是有线接入领域，自动增益控制装置均扮演者重要作用。其目的均为使经信道后的接收信号处在适当的动态范围，有利于解调实现。其实现方式具备多样性，有模拟方式实现和数字方式实现，有前馈方式实现，也有反馈方式实现。其中数字实现方式较模拟实现方式具备控制精度高、稳定，前馈实现方式简单，反馈实现方式延迟大。

当前自动增益控制(英文Auto Gain Control,简写为AGC)，具体实施算法种类较多，有线性增益实现算法(模值提取，功率均方根统计，滤波实现、增益获得)，对数自动增益实现算法(模值提取，功率均方根统计，滤波实现、增益获得，对数运算)，指数自动增益实现算法(模值提取，功率均方根统计，滤波实现、增益获得，指数运算)或对数与指数结合来实现。

目前，此类自动控制增益实现存在一些瓶颈，主要是该类自动增益控制实现的算法从理论上获得更高精度，算法调整参数较多，算法复杂性增加，不利于于工程人员进行试工程调试，此外，处理信号类型单一，工程开发实现时难度大且耗费硬件资源多。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种应用于数字接收机的自动增益控制方法，在数字接收机的模/数转换ADC芯片后端，根据输入信号的类型，通过在数字信号处理芯片中增加自动增益控制AGC算法，实现在数字接收机中的输入信号自动增益控制。

优选的是，在AGC算法中，对于数字接收机接收的恒包络信号采用一次增益计算，获取增益值后维持不变的方式进行增益控制。

优选的是，在AGC算法中，对于数字接收机接收的突发信号采用逐段数据放大的方式来放大数据实现增益控制。

优选的是，在AGC算法中，增益控制的值是对ADC输入的信号经过模值提取、峰值检测后，通过增益计算得到；

所述模值Amp(n)的提取公式被配置为采用：

Amp(n)＝max{abs(Real_In(n))，abs(Imag_In(n))}+1/2×min{abs(Real_In(n))，abs(Imag_In(n))}；

所述峰值Amp(k)的检测公式被配置为采用：

Amp(k)＝max{Amp(n)，Amp(n-1)，...，Amp(n-K)}；

所述增益Gain(k)的计算公式被配置为采用：

Gain(k)＝Level/Amp(k)；

所述增益输出的公式被配置为采用：

Real_Out(n)＝Gain(k)×Real_In(n)；

Imag_Out(n)＝Gain(k)×Imag_In(n)；

其中，K表示时间窗口，Level为参考电平，n为样本点的个数，Real_In和Imag_In为数字信号处理芯片的两个信号输入端，Real_Out和Imag_Out为数字信号处理芯片的两个信号输出端。

优选的是，在数字接收机配置接收信号为实信号时，实信号从信号输入端Real_In接入，从信号输出端Real_Out输出，而Imag_In接入‘0’信号，Imag_Out为无效信号。

优选的是，在数字接收机配置接收信号为复信号时，复信号分别从输入端Real_In和Imag_In同时接入，从输出端Real_Out和Imag_Out输出。

优选的是，当恒包络信号输入时，数字接收机内部旁路数据存储单元和延迟单元，峰值检测检测N个样本点后，锁定峰值，并计算增益，然后将增益应用到输入信号中，完成信号增益控制后模值提取、峰值检测及增益计算单元不工作。

优选的是，当突发信号输入时，数字接收机内部数据存储单元中存储N个样本数据，峰值检测计算N个样本数据的峰值，并计算出对应的增益；

数据路径上的延迟单元对应为增益计算延迟，将计算增益与N个样本点运算后输出；

下一N个样本点重复上述操作，逐次完成信号增益控制。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明的自动增益控制方法，相对于现有的增益控制算法来说，算法复杂性显著降低，仅有样本空间数一个参数调整，易于工程人员进行试调试。

其二，本发明的自动增益控制方法，在工程应用中硬件实现难度和占用资源显著降低。

其三，本发明的自动增益控制算法适用性高，即可应用于实信号AGC功能实现，又能适用于复信号AGC功能实现；即可适用于恒包络信号AGC功能实现，也适用于突变信号AGC功能实现。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中应用于数字接收机的自动增益控制方法的应用示意图；

图2为本发明应用在数字接收机中自动增益控制配置面板的应用示意图；

图3为本发明应用在数字接收机中及内部功能模块单元的连接示意图；

图4为仿真截取一段调制信号的ADC采样序列示意图；

图5为以图4中的序列为例用于AGC算法的仿真时，本发明与现有方式的增益效果对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发的旨在构建一种易于在工程应用中实现的自动增益控制(AGC)方法。它以较低实现成本获取等同于或接近于它AGC方式实现的效果。

本发明的落脚点在于易于工程开发实现(即需要将算法理论在硬件上实现，形成产品)，实现时需求特点就是要以较低的资源成本及较简单的实现方式获得可接受实现效果。该发明方法包含以下三个方面：

1.算法复杂性降低，易于理解就有便于调试的特点，复杂性降低就意味硬件实现难度小且占用资源少。

2.适用于多类型信号处理。不同类型的信号处理方式不同，但都基于该发明提及的算法。

3.实施结构方面，需要根据信号的特点，选择性的确定是否需要数据存储。若是恒包络信号，由于只需要进行一次增益计算后就不再需要反复计算增益，故不需要数据存储。突发信号由于有限时间段之间的幅度突变较大，需要在每个时间段内都进行增益计算并应用于储存信号并输出，故这里需要数据存储。

图1示出了根据本发明的一种应用于数字接收机的自动增益控制方法的实现形式，在数字接收机的模/数转换(英文Analog/Digital Convert,简写(ADC))ADC芯片后端，通过在数字信号处理芯片中增加自动增益控制AGC算法，实现在数字接收机中的输入信号自动增益控制。该自动增益控制(AGC)方法可广泛应用在各种数字接收机实现中，用在模/数转换芯片(ADC)的后端，在数字信号处理域(FPGA/DSP)中通过少数软件代码而非分立的模拟器件来实现AGC功能。本方案的自动增益控制装置在工程应用中硬件实现难度和占用资源显著降低，即不额外增加硬件，直接利用现有数字接收机中的数字信号处理芯片，配合相应的增益控制算法，实现对数字接收机的输入信号增益控制。

在AGC算法中，对于数字接收机接收的恒包络信号采用一次增益计算，获取增益值后维持不变的方式进行增益控制；对于数字接收机接收的突发信号采用逐段数据放大的方式来放大数据实现增益控制；在AGC算法中，增益控制的值是对ADC输入的信号经过模值提取、峰值检测后，通过增益计算得到；

所述模值Amp(n)的提取公式被配置为采用：

Amp(n)＝max(abs(Real_In(n)，abs(Imag_In(n))))+1/2min(abs(Realin(n)，abs(ImagIn(n))))；

所述峰值Amp(k)的检测公式被配置为采用：

Amp(k)＝max{Amp(n)，Amp(n-1)，...，Amp(n-K)}；

所述增益Gain(k)的计算公式被配置为采用：

Gain(k)＝Level/Amp(k)；

所述增益输出的公式被配置为采用：

Real_Out＝Gain(k)×Real_In

Imag_Out＝Gain(k)×Imag_In；

其中，K表示时间窗口，Level为参考电平，n为样本点的个数，Real_In和Imag_In为数字信号处理芯片的两个信号输入端，Real_Out和Imag_Out为数字信号处理芯片的两个信号输出端。本方案用于解决现技术中自动增益控制实现在工程应用中存在对数或指数或均方根等超越函数，硬件实现难度和资源耗用较多。在实际应用中，本方案的控制增益算法在采用数字式的前馈结构实现，利用峰值检测值与参考电平比值获得增益值，并作用于接收信号使得其幅值稳定在一定的动态范围，算法简单，易于实现。故本发明提出的自动增益控制实现算法易于理解，复杂度显著降低，用于工程人员调试的参数只有样本空间(N)。在硬件实现时难度小且资源耗用少。算法中n表示输入数据标号，k表示增益更新步长(等同于样本空间数N)。

本发明为了解决现有技术中的自动增益控制实现较单一，仅针对实信号AGC功能实现，或针对复信号AGC功能实现；仅针对恒包络信号AGC功能实现，或针对突变信号AGC功能实现的技术问题，对数字信号接收机的输入参数进行配置，各参数的说明如下表所示：

在数字接收机配置接收信号为实信号时，实信号从信号输入端Real_In接入，从信号输出端Real_Out输出，而Imag_In接入‘0’信号，Imag_Out为无效信号。

在数字接收机配置接收信号为复信号时，复信号分别从输入端Real_In和Imag_In同时接入，从输出端Real_Out和Imag_Out输出，

本发明的自动增益控制算法内部逻辑与数字接收机选择的面板配置参数相关联；

(1)恒包络信号数入

当恒包络信号输入时，系统内部旁路数据存储单元和延迟单元，峰值检测检测N个样本点后，锁定峰值，并计算增益，然后将增益应用到输入信号中，完成信号增益控制。此后模值提取、峰值检测及增益计算单元不工作。

(2)突发信号输入

当突发信号输入时，数据存储空间存储N个样本数据，峰值检测单元计算该N个样本数据的峰值，并计算出增益，数据路径上的延迟单元对应为增益计算延迟。在实际应用中，突发信号需要先存储，计算增益后，并将增益应用在储存数据中再输出，将计算增益与N个样本点运算后输出；下一N个样本点重复上述操作，逐次完成信号增益控制。使得本方案可以针对接收信号的特点，灵活的选取一次性的增益获取或逐次的增益获取，有效的实现信号幅值缩放。针对复信号和实信号接入，利用实信号为复信号的一种特例，提供两个输入端，使得该装置的在工程应用中试用性增强。

实施例：

将本发明的增益算法与现有技术进行对比：

现有技术1，在线性AGC算法中，其增益算法方案包括：

模值提取：

增益计算:Gain(k+1)＝Gain(k)+α(Level-Amp(k))；

增益实现：

Real(n)＝Gain(k)×Real(n)；Imag(n)＝Gain(k)×Imag(n)；

参数说明：K：时间窗口，α：设置步长因子，Level:参考电平，n：样本点的个数；

现有技术2，在对数AGC算法中，其增益算法方案包括：

模值提取：

增益计算:

增益实现：

Real(n)＝Gain(k)×Real(n)；Imag(n)＝Gain(k)×Imag(n)；

参数说明：K：时间窗口，α：设置步长因子，Level:参考电平，n：样本点的个数；

现有技术3，在自然对数AGC算法中，其增益算法方案包括：

模值提取：

增益计算:

增益实现：

Real(n)＝Gain(k)×Real(n)；Imag(n)＝Gain(k)×Imag(n)；

参数说明：K：时间窗口，α：设置步长因子，Level:参考电平，n：样本点的个数；

现有技术4，在混合AGC算法中，其增益算法方案包括：

模值提取：

增益计算:

增益实现：

Real(n)＝Gain(k)×Real(n)；Imag(n)＝Gain(k)×Imag(n)；

参数说明：K：时间窗口，α：设置步长因子，Level：参考电平，n：样本点的个数；

对于主要调试参数来说，现有技术1-4中K为时间窗口，在模值计算中用于统计该时间窗口内的信号的均值，参数设置过大，计算均值越可靠，增益更新频率慢，需要较长时间达到最佳增益。α为步长因子，对比参考信号和模值提取信号的差异，来调整增益的变化，参数设置过大，达到最佳增益时间较短，但在调整结束后，信号幅度在参考电平上下有较大的波动幅度，调整精度差；参数设置过小，达到最佳增益时间较长，但在调整结束后，信号幅度在参考电平上下有较小的波动幅度，调整精度高。实现结构：常用于反馈结构，有较大延迟。需要工程设计人员在设计时反复调试参数。

对硬件实现难度与资源耗费来说，现有技术1基于硬件实现时模值提取部分设计难度较大，设计到开根号，平方计算，要求较高的运算速率，耗费资源较多，现有技术2基于硬件实现时模值提取部分设计难度较大，设计到开根号，平方计算，对数函数，指数函数运算，要求较高的运算速率，资源耗费多。现有技术3，基于硬件实现时模值提取部分设计难度较大，设计到开根号，平方计算，自然对数函数，指数函数运算，要求较高的运算速率，资源耗费多。现有技术4，基于硬件实现时模值提取部分设计难度较大，设计到开根号，平方计算，自然对数函数，指数函数运算，要求较高的运算速率，资源耗费多。

本发明的算法中，其增益算法方案包括：

模值提取：

Amp(n)＝max{abs(Real_In(n))，abs(Imag_In(n))}+1/2×min{abs(Real_In(n))，abs(Imag_In(n))}

峰值检测：Amp(k)＝max{Amp(n)，Amp(n-1)，...，Amp(n-K)}；

增益计算：Gain(k)＝Level/Amp(k)；

增益实现：Real_Out(n)＝Gain(k)×Real_In(n)；

Imag_Out(n)＝Gain(k)×Imag_In(n)；

参数说明：K时间窗口，Level:参考电平，n：样本点的个数；

对于主要调试参数来说，本算法中K为时间窗口，在模值计算中用于统计该时间窗口内的信号的峰值，若选取过小，可适当增大即可。实现结构：前馈结构。对于硬件实现难度与资源耗费来说，本算法基于硬件实现时避免了了复杂的数学运算，采用大小比较的方式和一个除法运算即可实现，更为简单。

将现有技术1-4与本发明进行仿真对比，仿真截取一段如图4的调制信号，并将图4序列用于进行AGC算法的仿真，设置参考电平为1000，上述各种AGC算法实现AGC功能效果如图5所示。

综上，本发明的算法相对于现有技术具有以下优势：

(1)适用范围广，可处理多种常见的调制信号，体现在以下：

a)：可适用于实信号，也可适用于复信号

b):可适用于恒包络信号，也可适用于突发信号：

其中，恒包络信号采用一次增益计算，获取增益值后维持不变。而突发信号采用逐段数据放大的方式来放大数据，术语说明为：

实信号：调制解调中1维调制信号。(常见为幅度调制(AM)信号，频率调制(FM)信号，相位调制(PM)信号，脉冲幅度调制(PAM)信号等)。

复信号：调制解调中2维调制信号，本质上为两个相关的实信号，彼此之间存在相位上的关联。(常见QAM信号、CAP信号，QPSK信号等)。

恒包络信号：是指信号在整个时间段内都在包络线内变换，变化幅度较均匀。突发信号：是指信号在整个时间段内的多个局部时间段内存在突变，变化幅度较大。

(2)增益计算算法原理简单易懂，算法调试难度低，工程实施时硬件实现难度和消耗硬件资源少。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种应用于数字接收机的自动增益控制方法，其特征在于，在数字接收机的模/数转换ADC芯片后端，通过在数字信号处理芯片中增加自动增益控制AGC算法，实现在数字接收机中的输入信号自动增益控制；

在AGC算法中，增益控制的值是对ADC输入的信号经过模值提取、峰值检测后，通过增益计算得到；

所述模值

的提取公式被配置为采用：

；

所述峰值

的检测公式被配置为采用：

；

所述增益

的计算公式被配置为采用：

；

所述增益输出的公式被配置为采用：

；

；

其中，k表示时间窗口，Level为参考电平，n为样本点的个数，Real_In和Imag_In为数字信号处理芯片的两个信号输入端，Real_Out和Imag_Out为数字信号处理芯片的两个信号输出端。

2.如权利要求1所述的应用于数字接收机的自动增益控制方法，其特征在于，在AGC算法中，对于数字接收机接收的恒包络信号采用一次增益计算，获取增益值后维持不变的方式进行增益控制。

3.如权利要求1所述的应用于数字接收机的自动增益控制方法，其特征在于，在AGC算法中，对于数字接收机接收的突发信号采用逐段数据放大的方式来放大数据实现增益控制。

4.如权利要求1所述的应用于数字接收机的自动增益控制方法，其特征在于，在数字接收机配置接收信号为实信号时，实信号从信号输入端Real_In接入，从信号输出端Real_Out输出，而Imag_In接入‘0’信号，Imag_Out为无效信号。

5.如权利要求1所述的应用于数字接收机的自动增益控制方法，其特征在于，在数字接收机配置接收信号为复信号时，复信号分别从输入端Real_In和Imag_In同时接入，从输出端Real_Out和Imag_Out输出。

6.如权利要求1所述的应用于数字接收机的自动增益控制方法，其特征在于，当恒包络信号输入时，数字接收机内部旁路数据存储单元和延迟单元，峰值检测检测N个样本点后，锁定峰值，并计算增益，然后将增益应用到输入信号中，完成信号增益控制后模值提取、峰值检测及增益计算单元不工作。

7.如权利要求1所述的应用于数字接收机的自动增益控制方法，其特征在于，当突发信号输入时，数字接收机内部数据存储单元中存储N个样本数据，峰值检测计算N个样本数据的峰值，并计算出对应的增益；

数据路径上的延迟单元对应为增益计算延迟，将计算增益与N个样本点运算后输出；

下一N个样本点重复上述操作，逐次完成信号增益控制。

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