CN1140967C

CN1140967C - 一种数字基带自动增益控制方法及其实现装置

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Publication number: CN1140967C
Application number: CNB001094246A
Authority: CN
Inventors: 李泽宪
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2004-03-03
Anticipated expiration: 2020-06-23
Also published as: CN1330456A

Abstract

本发明公开了一种数字基带自动增益控制方法，其特征在于它由以下几个步骤具体完成：(1)接收到的信号数字化；(2)计算接收信号的能量；(3)对接收到的信号能量做处理，并进行信号能量和信号幅度的转换；(4)根据信道情况和接收信号幅度生成动态自动增益控制量化表；(5)用量化表采用映射的方式一次完成自动增益控制的量化并输出。上述方法中还可包括一隔离数字信号中直流分量的步骤。该方法调节精度高，反应时间短，分辨率也可根据信道模型实时调节。

Description

一种数字基带自动增益控制方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及通信中的信号处理技术，尤指对所有高速信号采集中信号处理的一种动态可调分辨率高精度的数字基带自动增益控制方法及其实现装置。

背景技术

在模拟的窄带调频接收机中，通常是利用调频解调器来获取瞬间波形的相位信息。现在的调频接收机通常是在限幅器后加一鉴频器，其中，限幅器的作用是使得输入信号的能量保持一个定值，从而保证鉴频器输入端的信号具有最大的信噪比。然而，这样的模拟信号处理技术通常包括精细的滤波电路，而这些电路通常是由一些分立的电子元器件构成的，因而整个系统反应速度慢、精度差，而且已有结果表明采用线性数字解调技术的系统性能会优于模拟解调技术。

因此，在现有的信号接收系统中，大多都采用数字接收机。一般的数字接收机包括一个可变增益的放大器，其增益的变化是靠外部信号来控制的，这种利用一个控制信号来调整接收信号处理增益的过程就称为自动增益控制(Automatic Gain Control，简称为AGC)。AGC功能在数字接收机的实际应用中是必不可少的，因为接收机接收到的信号变化范围大，由于较高的抽样速率和模数变换器分辨率的限制，接收机必须具有AGC的功能才能克服慢衰和快衰引起的信号衰落。由此可见，在系统中采用AGC的目的就是在射频输入信号的功率发生变化时，保持输出信号大致为恒定值。典型的AGC系统包括幅度检测器、反馈路径上的积分器或滤波器、一个或多个增益可控的射频放大器或中频放大器。

结合图2可以看出，在数字接收机中，AGC的处理过程：首先是将信号经过模数变换器转换为数字信号，再将此信号输出到模块21中进行信号功率的测量计算，然后把测量得到的信号功率和预先设定的期望信号功率值在模块22中进行比较，所得到的误差信号经模块23经过门限检测后便可得到放大器的控制信号。实际上是利用测量的信号功率和期望的信号功率的差值作为可变增益放大器的控制信号，来调整信号强度。在上述AGC的处理过程中，在生成误差信号时，所输入的信号要与预先设定的参考信号比较；在经过门限检测时信号也会与设定门限值进行比较，而该参考信号值及门限值是预先设定选取的，不会因设备所运行环境的不同而随之改变，如此将会影响调节的精度。

综上所述可以看出，在当前已有的AGC技术中，模拟AGC由于系统反应慢、精度差而不利于信号处理。通常的数字AGC虽然与模拟AGC有质的区别，但由于在数字AGC中通常采用的是阶梯式调节以适应硬件实现的要求，同样也会产生系统反应慢，精度差的问题，比如在量化时，由于硬件的限制，量化表只能逐级调节产生，其步长每次只能调整一定的幅度，如此会造成整个系统反应迟缓，而且由于经过步骤多也使调节精度受到影响。另外，现有的数字AGC在处理时虽然能够实时可调，但它在信道模型改变时不能马上做出反应，有一定的延时，实时性不强。再有就是，现有的数字AGC在运行时很可能由于环境的影响而使整个处理结果精度不高，因为其中一些门限值的设定选取会受到运行环境的限制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就在于提出一种数字基带自动增益控制方法，使其不仅具有数字AGC的所有优点，且调节精度更高，误码率更低，反应时间短。

本发明的另一目的在于提供一种实现数字基带自动增益控制的装置，使其调节精度更高，误码率更低，反应时间短，可根据信道模型实时调节分辨率。

为达到上述目的，本发明提供了一种数字基带自动增益控制方法，该方法由以下的步骤来实现：

(1)将接收到的经过基带脉冲整形滤波器处理的基带模拟信号通过模/数变换处理转换为数字信号并输出；

(2)将步骤1)输出的数字信号同时传送给AGC量化模块和接收信号强度指示(RSSI)模块，由RSSI模块计算接收到的基带数字信号的能量，并将计算出的信号能量作为RSSI模块的输出信号输送给一滤波器；

(3)滤波器对接收到的信号能量作一个加权运算；同时，把接收到的信号能量估值转换为信号幅度估值，并把接收信号的最大幅度发送到动态AGC量化表模块；

(4)将滤波器的输出信号与已有的动态AGC量化表中最大幅度进行对比，如果接收信号的最大幅度大于已有量化表的最大幅度，则增加已有量化表的最大幅度；如果小于已有量化表的幅度，则减小已有量化表的最大幅度；并将调整后的量化表作为动态生成的AGC量化表输出；其中，动态AGC量化表的生成过程由AGC分辨率控制信号模块输出的控制信号和滤波器输出的信号共同确定；

(5)将步骤1)输出的数字信号根据步骤4)输出的AGC量化表采用映射方式直接得到最终的输出信号。

上述方法中：步骤2)中所述将步骤1)输出的数字信号传给AGC量化模块和RSSI模块之前进一步包括：先用AGC隔直滤波器将步骤1)输出的数字信号中的直流分量去除。

其中，所述动态AGC量化表模块的分辨率由所采用的信道模型来确定。

所述AGC分辨率控制信号模块输出的控制信号的检测点是在数字基带，整个AGC的量化过程也是在数字基带进行。

步骤2)中所述的信号能量的计算方法根据所采用的调制方式的不同而发生相应的变化。所述的信号能量计算在4相移相键控调制系统中，RSSI模块的输出信号生成的方式是同相分量的平方(I²)加上正交分量的平方(Q²)。

步骤5)中所述的最终输出信号的比特数目根据硬件实现的复杂度以及对精度的要求共同确定。

本发明还提供了一种实现数字基带自动增益控制的装置，至少包括一模数变换模块，该装置还进一步包括一AGC隔直滤波模块、一接收信号强度指示模块、一滤波模块、一动态AGC量化表模块、一AGC量化模块以及一AGC分辨率控制信号模块。

一基带模拟信号经模数变换模块转换为数字信号后输出到AGC隔直滤波模块，经过AGC隔直滤波模块隔离直流分量的处理，将输出信号同时送至接收信号强度指示模块和AGC量化模块，接收信号强度指示模块计算该数字信号的能量，并作为输出信号输出到滤波模块，滤波模块对信号作一个加权运算，同时将信号的能量估值转化为幅度估值，并把信号的最大幅度发送给动态AGC量化表模块，动态AGC量化表模块根据信号幅度值动态地生成最新的动态AGC量化表，AGC量化模块将动态AGC量化表模块送来的信号和AGC隔直滤波模块送来的信号采用映射方式直接得出最终的输出信号。

其中，所述的模数变换模块可为一模数变换器，其采用的比特数大于AGC的输出比特数，且比特数的选取由硬件实现的复杂度所决定。所述的模数变换器采用至少12比特。

所述的AGC隔直滤波模块可为一AGC隔直滤波器，是一用来隔离掉信号中直流分量的数字滤波器。所述的滤波模块可为一滤波器。

本发明所提供的一种数字基带自动增益控制方法及装置，可以在输入信号变化较大的情况下，保持输出信号的幅度尽量达到满量程，这样可使数字接收机具有最佳的信噪比，从而降低了量化噪声和误码率，提高信号的分辨率，也提高了可靠性；在系统实际运行中，可能会采用不同的信道模型，那么其输入信号的幅度也就不同，本发明可以很快的根据输入信号幅度的不同，按照不同的信号分辨率来调节，缩短了反应时间，使其实时性更强，反应更快；该方法中，由于量化表的生成过程不涉及信号的高速采样，完全可以按照输入信号的频率进行处理，因而量化表的精度可以做的非常高，从而改善了调节精度，进一步改善了系统的性能。

附图说明

图1为接收系统模型示意图。

图2为一种现有AGC技术的处理框图。

图3为高精度动态可调分辨率数字基带AGC的实现框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图1给出了数字自动增益控制在接收机中所处的位置。如图1所示，接收机天线11首先接收到高频无线信号，通过混频处理12将高频接收信号转换成基带信号，为了克服码间干扰，让接收到的基带信号经过接收基带脉冲整形滤波器13的处理，降低码间干扰。其输出信号输入到数字的自动增益控制电路14，完成接收信号的自动增益控制功能，数字化自动增益控制电路的输出信号输入到多径(RAKE)接收机15中加以合并处理，得到的输出信号送入信道译码器16，从而还原为原始的信源信号，再经过信源译码器17的译码处理得到原始的语音或数据信号18。其中，RAKE接收机可用来克服信道中多径衰落的影响。

由图1可以看出，接收到的射频信号首先经过混频的处理过程，将高频信号转换到中频、基带信号，基带信号经过与发端相匹配的脉冲整形滤波器的整形处理，才进入自动增益控制模块。

那么，结合图3可以看到本发明所提供的高精度动态可调分辨率数字基带AGC具体的实现方式是这样的：

1、首先将接收到的经过基带脉冲整形滤波器处理的基带信号31输入到模数变换器32进行模数变换处理，将接收到的模拟信号转换为数字信号。为了保证有比较大的动态范围，采用12比特甚至更多比特的模数变换器(A/D)变换器32。在基带解调时，只要满足有效比特为4比特时就可以保证搜索的结果，这中间主要是因为信号的大小变动会造成的动态范围冗余，因而在选取A/D变换的具体精度时应尽量采用较多的比特数，当然也要考虑硬件实现的复杂度。

2、为了减小在后面解调和滤波的运算量，并且保留充足的有效比特，在解调之前加一AGC隔直滤波器34。AGC隔直滤波器的是一个用来隔离直流的数字滤波器，主要是用来把模数变换后的数字信号33中的直流分量去掉。因为在实际的环境中，信号传输的过程中会存在部分直流分量，隔直滤波器的主要作用就是隔离掉信号中的直流分量，从而降低噪声的影响，因为直流分量中带有噪声。

3、经过AGC滤波器滤波后的数字信号35同时输送到两个模块，即：图3中的AGC量化模块312和接收信号强度指示(RSSI：Received Signal StrengthIndicator)模块36。接收信号强度指示模块36主要用来计算接收到的基带数字信号的功率(即信号能量)，其信号功率的计算方法会根据所采用的调制方式的不同而发生相应的变化，譬如系统采用4相移相键控(QPSK)调制方式，则RSSI模块输出信号的生成方式是同相分量I的平方加上正交分量Q的平方，二者的和即：I²+Q²，以此作为RSSI模块的输出信号37。

4、接收信号强度指示器36的输出信号37输入到一个滤波器38，滤波器38的主要作用是对接收到的信号能量作一个加权运算，使用该滤波器的主要原因是前后采样点之间信号的相关性。在滤波器的具体处理过程实际上是按照下面的公式(1)进行计算的：

S(n)＝aS(n-1)+(1-a)S(n) (1)在公式(1)中，S(n)表示当前采样信号的强度，S(n-1)表示前一时刻的采样信号的强度，a表示加权因子。由公式(1)可以清楚地看出，当前信号的能量估值与前面信号的能量估值紧密相关，所以说经过如此的处理后相当于增加了信号强度的统计时间，而且，做此加权运算可以根据前后信号的相关性滤除突发的不稳定因素，保证信号的稳定性，提高了信号能量估值的可靠性。

在滤波器38中的处理过程除了上述的加权操作外，还包括一个信号能量和信号幅度的转化过程，因为在接收信号强度指示器36中测量的量是信号的能量，而不是信号的幅度，而在量化时需要量化的量是接收信号的幅度，因此在该滤波器38中，还要把接收信号的能量估值转换为信号的幅度估值，并且把接收信号的最大幅度发送到AGC动态量化表模块311，其中幅度值等于能量值开平方。

5、滤波器38的输出信号39输入到动态AGC量化表模块311。AGC量化表模块的分辨率由所采用的信道模型来确定，因为这样可以降低量化噪声和降低误码率。滤波器38的输出信号39与已有量化表的最大幅度进行对比，如果接收信号的最大幅度大于已有量化表的最大幅度，则增加已有量化表的最大幅度，增加的幅度可以调节；如果小于已有量化表的幅度，则减小已有量化表的最大幅度，改变的量值也可以调节，调节幅度和改变量值可预先设定；因此整个AGC动态量化表的生成过程是根据AGC分辨率控制信号310和滤波器输出的信号来共同确定的。由于在量化表的生成过程中全部是按照输入信号的频率处理，并不涉及信号的高速采样，因而量化表的精度可以做的非常高。

6、由动态AGC量化表生成模块的输出信号312即生成的量化表送入AGC量化模块313，同时经过AGC隔直滤波器34处理后的数据信号35也输入到AGC量化模块313，根据输入的数据信号的幅度，用量化表采用映射方式直接得到最终的输出信号，从而避免了对信号作乘除运算。最终的输出信号的比特数目并不一定为4比特，可以根据硬件的要求以及对精度的要求来共同确定。

AGC控制信号的检测点是在数字基带，整个AGC的量化过程也是在基带进行。

上述方法解决了现有数字AGC的问题，使得数字AGC调节精度更高，反应时间更短，实时性更强。

再请参见图3所示，实现上述数字基带自动增益控制方法的装置至少包括：模数变换、AGC隔直滤波、接收信号强度指示、滤波、动态AGC量化表、AGC量化以及AGC分辨率控制信号等模块。

该装置的具体处理过程是这样的：一基带模拟信号经模数变换模块转换为数字信号后输出到AGC隔直滤波模块，由AGC隔直滤波模块做隔离直流分量处理后，同时送至接收信号强度指示模块和AGC量化模块，接收信号强度指示模块用于计算该数字信号的能量，并将能量值输出到滤波模块，滤波模块对信号作一个加权运算，同时将信号的能量估值转化为幅度估值，以便量化时使用，最后把信号的最大幅度发送给动态AGC量化表模块，动态AGC量化表模块根据信号幅度值动态地生成最新的动态AGC量化表，AGC量化模块将动态AGC量化表模块送来的信号和AGC隔直滤波模块送来的信号采用映射方式直接得出最终的输出信号。另外，AGC分辨率控制信号模块主要是在系统建立时，测试周围的环境状况，经过处理后得到控制信号的情况。该控制信号是存放在FPGA的寄存器之中，作为参数以备动态AGC量化表使用。

该装置的具体实现可以采用多种方式：其一，装置中的模数变换模块直接用模数变换器完成，AGC隔直滤波模块采用一AGC隔直滤波器，而其它模块全部由一可编程逻辑器件(FPGA)来实现。其二，装置中的模数变换、AGC隔直滤波以及滤波模块直接由模数变换器、AGC隔直滤波器和滤波器实现，而其它模块由FPGA实现。第三种方式就是该装置完全由一个FPGA来实现其全部功能。上述三种方式对信号的处理过程都是一致的，只是在处理时间快慢以及实现的方便程度上有所不同，可以根据用户需要采用不同的方式。

综上所述，本发明不仅适用于数字蜂窝无线通信系统等各种数字无线通信接收机的数字解调，其概念和方法同时适用于一切有线和无线通信中高速信号采集中的信号处理。上述实例仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定本发明的保护范围。

Claims

1、一种数字基带自动增益控制方法，其特征在于该方法的实现由以下几个步骤组成：

(2)将步骤1)输出的数字信号同时传送给自动增益控制AGC量化模块和接收信号强度指示RSSI模块，由RSSI模块计算接收到的基带数字信号的能量，并将计算出的信号能量作为RSSI模块的输出信号输送给一滤波器；

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中所述将步骤1)输出的数字信号传给AGC量化模块和RSSI模块之前进一步包括：先用AGC隔直滤波器将步骤1)输出的数字信号中的直流分量去除。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述AGC分辨率控制信号模块输出的控制信号的检测点是在数字基带，整个AGC的量化过程也是在数字基带进行。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中所述的信号能量的计算方法根据所采用的调制方式的不同而发生相应的变化。

5、根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：所述的信号能量计算在4相移相键控调制系统中，RSSI模块的输出信号生成的方式是同相分量的平方I²加上正交分量的平方Q²。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的动态AGC量化表模块的分辨率由所采用的信道模型来确定。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)中所述的最终输出信号的比特数目根据硬件实现的复杂度以及对精度的要求共同确定。

8、一种实现数字基带自动增益控制的装置，至少包括一模数变换模块，其特征在于：还进一步包括一AGC隔直滤波模块、一接收信号强度指示模块、一滤波模块、一动态AGC量化表模块、一AGC量化模块以及一AGC分辨率控制信号模块；

一基带模拟信号经模数变换模块转换为数字信号后输出到AGC隔直滤波模块，经过AGC隔直滤波模块隔离直流分量的处理，将输出信号同时送至接收信号强度指示模块和AGC量化模块，接收信号强度指示模块计算该数字信号的能量，并作为输出信号输出到滤波模块，滤波模块对信号作一个加权运算，同时将信号的能量估值转化为幅度估值，并把信号的最大幅度发送给动态AGC量化表模块，动态AGC量化表模块根据信号幅度值动态地生成最新的动态AGC量化表，AGC量化模块将动态AGC量化表模块送来的信号和AGC隔直滤波模块送来的信号采用映射方式直接得出最终的输出信号；

其中，动态AGC量化表地生成过程是根据AGC分辨率控制信号模块的输出信号和滤波模块的输出信号共同确定的。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的模数变换模块为一模数变换器，其采用的比特数大于AGC的输出比特数，且比特数的选取由硬件实现的复杂度所决定。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述的模数变换器采用至少12比特。

11、根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的AGC隔直滤波模块为一AGC隔直滤波器，是一用来隔离掉信号中直流分量的数字滤波器。

12、根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的滤波模块为一滤波器。