CN114513842A

CN114513842A - 一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法

Info

Publication number: CN114513842A
Application number: CN202210073248.5A
Authority: CN
Inventors: 李南松; 陈润
Original assignee: Shenzhen Nuoruixin Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Nuoruixin Technology Co ltd
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2042-01-21
Also published as: CN114513842B

Abstract

本发明提出一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法，属于UWB通信定位领域。该方法首先根据选取的信号模式确定自动增益控制AGC的参数，在每个调整周期，按照设定的采样频率对包含脉冲的一段信号采样后计算对应模值，并相应更新最大脉冲幅度；通过判定，分别计算没有采样溢出时的增益变化量和有采样溢出时的增益变化修正量，将两者分贝求和得到最终增益调整量，以实现可变增益放大器的自动增益控制。本发明解决了脉冲信号接收机中数字AGC所面临的信号功率检测不准确和反应慢跟踪速度慢的问题。此外，由于本发明降低了运算量，在实际应用中带来功耗低和成本低的好处。

Description

一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法

技术领域

本发明属于UWB通信定位领域，特别涉及一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法。

背景技术

自动增益控制是通信接收机中的基本模块。在通信中，由于信道的影响，信号到达接收机天线时，幅度可能很小也可能很大。为了保证接收机正常工作，需要把信号放大到一个合适的范围内。自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)的功能就是：根据接收信号的功率的大小，确定放大电路的增益值，调整接收信号的大小。AGC可以全部由模拟电路完成，也可以由模拟、数字联合完成。数字AGC的基本模块有可变增益放大器(包括一系列模拟器件，如LNA、混频器、VGA等)、功率检测器、功率比较器、平滑滤波器。

超宽带(Ultra Wide Band,UWB)是一种由脉冲组成的无线信号。IEEE 802.15.4定义的UWB，广泛应用于通信和定位领域。它的主要特征有：

·频域上有效带宽大，通常499.2MHz，最高1354.97MHz。因此ADC(Analog toDigital Converter模拟数字转换器)的采样频率很高，运算量大；

·时域上信号非常集中，占空比低；

·UWB信号的一帧可能非常短，最小几十微秒。

现有AGC技术主要运用于窄带连续信号。用于UWB接收机中，面临的主要问题有：

1.在测量信号功率时，由于信号的非连续性，大部分数据样本不是信号，而是噪声。AGC的目的是把脉冲放大到合适的大小，噪声的功率不应该被计入功率测量。

2.计算量大。由采样定理可知，UWB信号的最小采样频率约1G Hz，计算量大带来成本功耗等一系列问题。

3.收敛慢。UWB信号能用于AGC的可能非常短，而且由于信号不连续，传统AGC不能在规定的时间内完成。

目前已有的改进方案有：

·以脉冲重复频率对信号进行滤波，消除噪声的影响。这种方法的缺点是滤波器稳定输出需要的时间较长，解决了问题1，加重了问题2，3

·测量信噪比，进而修正信号功率。这种方法的缺点是需要额外的电路，过于复杂。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法。本发明具有性能好，速度快，实现简单的特点，特别适用与IEEE802.15.4所定义的UWB信号。

本发明实施例提出一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法，包括：

1)根据选取的信号模式确定自动增益控制AGC的参数，包括：采样率fs、AGC调整周期的长度N、期望模拟数字转换器ADC输出的脉冲幅度A0；其中，所述N满足：ADC每输出N个数据中至少包括一个脉冲；

2)令采样计数器Ns的初始值为0，溢出计数器Nof的初始值为0，最大脉冲幅度Am的初始值为0；

3)在每个调整周期，令ADC按照采样率fs输出I、Q两路采样值，分别记作s_i和s_q；

4)计算s_i和s_q的模记为A；

5)对步骤4)得到的模进行判定：

如果A大于当前Am，则更新Am＝A；否则保持当前Am不变；

6)检查s_i或s_q中的任一值是否等于ADC所能输出的最大值或最小值：若相等，则令Nof加1；否则保持当前Nof不变；

7)令Ns加1；

8)对Ns进行判定：如果Ns<N，则重新返回步骤3)；否则，进入步骤9)；

9)根据当前Am，计算增益变化量记作dB1，所述dB1单位为分贝；

10)根据当前Nof，计算增益变化修正量记作dB2，所述dB2单位为分贝；所述dB2用于补偿由ADC溢出引起的dB1误差；

11)将Am、Nof、Ns的当前值均更新为0；

12)计算最终增益调整量dB＝dB1+dB2，得到最终增益调整倍数为

将所述最终增益调整倍数输出至可变增益放大器，所述可变增益放大器按照所述倍数进行增益放大；

13)当下一个调整周期到来时，重新返回步骤3)。

在本发明的一个具体实施例中，所述信号为UWB信号。

在本发明的一个具体实施例中，所述根据当前Am，计算增益变化量记作dB1，还包括：

根据dB1的计算结果，建立Am与dB1对应表记为表1，根据表1利用Am的值获取对应的dB1。

在本发明的一个具体实施例中，所述根据当前Nof，计算增益变化修正量记作dB2，还包括：

根据dB2的计算结果，建立Nof与dB2对应表记为表2，根据表2利用Nof的值获取对应的dB2。

在本发明的一个具体实施例中，所述采样率fs大于2倍信号带宽，所述AGC调整周期的长度N＝T*fs*δ_L*n，其中，T为码片宽度，δ_L为脉冲间隔，n＝同步前导码中连续0的最大长度+1。

在本发明的一个具体实施例中，所述dB1的计算表达式为：

dB1＝20*a*log₁₀(A0/Am)

其中a为平滑因子，取值范围为0-1。

在本发明的一个具体实施例中，所述dB2的计算表达式为：

dB2＝-1*K*(Nof-N1)

其中，N1＝调整周期N中最多出现的脉冲个数*fs*脉冲宽度；K为大于0的线性因子。

在本发明的一个具体实施例中，所述dB2的计算表达式为：

dB2＝-1*K*(Nof的bit数)

其中，K为大于0的线性因子。

在本发明的一个具体实施例中，所述dB2的计算表达式为：

其中，N1＝整周期N中最多出现的脉冲数*fs*脉冲宽度；b为信道反射因子；

g1＝2*20*log₁₀(A0/Amax)，Amax为ADC所能输出的最大信号的模。

在本发明的一个具体实施例中，所述信道反射因子b的取值为2。

本发明的特点及有益效果在于：

1)本发明解决了脉冲信号接收机中数字AGC所面临的信号功率检测不准确和反应慢跟踪速度慢的问题。此外，由于本发明降低了运算量，在实际应用中带来功耗低和成本低的好处。

2)本发明针对脉冲信号的特点，不再测量信号的功率，而是测量一段信号中的最大幅度。因为只记录了脉冲幅度，不受噪声的影响，所以提升了信号测量的准确性。此种方法仅仅使用“求模”等比较等简单方法，没有任何复杂的计算；本发明方法的另一个特点是反应速度快，因为它选定的信号长度可以非常短，只要保证其中至少有一个脉冲即可，所以它的增益调整周期非常短。

3)为了减小平滑滤波的计算量和存储，本发明采用了不同的平滑公式，不需要存储上一个调整周期的增益值，使得用查表取代平滑滤波器成为可能。

4)本发明通过用ADC饱和样本数量表示“增益过大”的程度，极大地加快了在信号刚刚出现时，AGC的反应速度。前几个脉冲到达接收机时，增益还维持以前没有脉冲时的情况，这会造成ADC出现饱。AGC无法正确感知脉冲幅度，需要多个调整周期才能把增益降低到合适的水平。本发明中，通过ADC饱和样本数量感知到增益太大了，可以迅速降低增益，只需很少几个周期就可以稳定。

5)本发明可用于脉冲信号或小占空比信号接收机中，特别是UWB接收机中的自动增益控制，后者广泛应用于人员、装备的定位系统中，以及各种测距、测角应用。

附图说明

图1是本发明实施例中一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法的整体流程图。

具体实施方式

本发明提出的一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法，下面结合附图及具体实施例详细说明如下：

本发明实施例提出一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法，本实施例中，针对IEEE 802.15.4(a/z)所定义的UWB信号，所述信号包含：同步前导符号(SYNC)、帧开始分隔符(SFD)、物理帧头(PHR)、负载数据等。AGC只使用的部分SYNC信号做自动功率控制。该方法整体流程如图1所示，包括以下步骤：

1)根据选定的UWB信号模式确定AGC相关参数。包括：

采样率fs，本实施例要求大于2倍信号带宽。

AGC调整周期的长度为N。其中，N的含义为：ADC每输出N个数据，AGC计算、输出增益一次。本实施例要求N个数据中至少有一个脉冲，在满足这个条件的前提下，N越小，AGC反应越快。

期望ADC输出的脉冲幅度A0；

在本发明的一个具体实施例中，对于UWB信号，要求N＝T*fs*δ_L*n，其中，T为标准规定的码片宽度，约2ns，δ_L为标准中规定的脉冲间隔，n为同步前导码中连续“0”的最大长度+1。

3)当每个调整周期到来时，令ADC按照采样率fs输出I、Q两路采样值，分别记作s_i和s_q；

4)计算s_i和s_q的模；

本发明一个具体实施例中，模的定义为A＝sqrt(s_i*s_i+s_q*s_q)。此处也可采用一些近似方法求模，例如：A＝0.625*max(s_i,s_q)+0.5*min(s_i,s_q)；

5)对模进行判定：

如果A大于当前保存的Am，则更新Am＝A；否则保持当前Am不变；

6)检查s_i或s_q是否等于ADC所能输出的最大或最小值(本发明一个具体实施例中，5bitADC的最大值为15，最小值为-16)。如果存在任一情况相等，则令Nof加1；否则保持当前Nof不变；

7)令采样计数器Ns加1；

9)根据当前Am计算增益变化量(分贝)，记作dB1。

本发明一个具体实施例中，计算表达为：dB1＝20*a*log₁₀(A0/Am)。其中a为平滑因子，取值范围0～1。a越小越平滑，AGC反应越慢；反之，平滑效果越差，AGC反应越快。本实施例中根据此公式和可变增益放大器的精度制作了Am和dB1的对应的查表记为表1，根据表1可利用当前Am的值获取对应的dB1，用查表代替了计算。

10)根据Nof计算增益变化修正量(分贝)，记作dB2。所述增益变化修正量用于补偿由ADC溢出引起的dB1误差。

需要说明的是，Nof大于1说明此时信号可能远大于Am，此时仅通过Am计算的dB1不足以使AGC迅速减小增益。因此引入dB2，它是一个负数。Nof越大，信号幅度越大，dB2绝对值越大。Nof与dB2的关系不需要精确，可根据信号特征和上述趋势构造多种计算方法。

本发明实施例中，可采用以下方法计算dB2：

方法1：dB2＝-1*K*(Nof-N1)

其中，N1＝调整周期N中最多出现的脉冲个数*fs*脉冲宽度；K为大于0的线性因子，K越大AGC越灵敏。

方法2：dB2＝-1*K*(Nof的bit数)

其中，K为大于0的线性因子，K越大AGC越灵敏。

方法3：

其中，N1＝整周期N中最多出现的脉冲数*fs*脉冲宽度；b为信道反射因子，可以取2，当信道强反射多时，也可以适当调大；g1＝2*20*log₁₀(A0/Amax)。Amax为ADC所能输出的最大信号的模。

计算方法确定后，可根据计算方法构造Nof与dB2的对应表记为表2，根据表2可利用当前Nof的值获取对应的dB2，用查表代替计算以减少计算量。

11)将Am、Nof、Ns的当前值均跟更新为0；

12)计算以分贝为单位的最终增益调整量dB＝dB1+dB2，得到最终增益调整倍数为

把最终增益调整倍数输出给可变增益放大器，可变增益放大器进行相应倍数的增益放大；

13)当下一个调整周期到来时，重新返回步骤3)。

Claims

1.一种脉冲信号接收机中数字自动增益控制实现方法，其特征在于，包括：

4)计算s_i和s_q的模记为A；

5)对步骤4)得到的模进行判定：

如果A大于当前Am，则更新Am＝A；否则保持当前Am不变；

7)令Ns加1；

9)根据当前Am，计算增益变化量记作dB1，所述dB1单位为分贝；

11)将Am、Nof、Ns的当前值均更新为0；

12)计算最终增益调整量dB＝dB1+dB2，得到最终增益调整倍数为

13)当下一个调整周期到来时，重新返回步骤3)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号为UWB信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据当前Am，计算增益变化量记作dB1，还包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据当前Nof，计算增益变化修正量记作dB2，还包括：

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采样率fs大于2倍信号带宽，所述AGC调整周期的长度N＝T*fs*δ_L*n，其中，T为码片宽度，δ_L为脉冲间隔，n＝同步前导码中连续0的最大长度+1。

6.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述dB1的计算表达式为：

dB1＝20*a*log₁₀(A0/Am)

其中a为平滑因子，取值范围为0-1。

7.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述dB2的计算表达式为：

dB2＝-1*K*(Nof-N1)

8.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述dB2的计算表达式为：

dB2＝-1*K*(Nof的bit数)

其中，K为大于0的线性因子。

9.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述dB2的计算表达式为：

g1＝2*20*log₁₀(A0/Amax)，Amax为ADC所能输出的最大信号的模。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述信道反射因子b的取值为2。