CN114745026B - 一种基于深度饱和脉冲噪声的自动增益控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于深度饱和脉冲噪声的自动增益控制方法，属于电力线通信领域。该方法包括：S1：对VGA输出信号进行采样，经过ADC获取采样信号；S2：检测ADC采样信号是否有饱和样点，即判断ADC溢出标志位，如果ADC溢出标志位为0，则不执行脉冲噪声检测模块，进入正常AGC模式；S3：如果ADC溢出标志位为1，则执行脉冲噪声检测模块；S4：如果ADC溢出标志为1，但没有检测到脉冲噪声，同样进入正常AGC增益调整模式，调整过程采用正常AGC模式增益调整算法。本发明提高了信号功率估计的速度，收敛性极好，保证环路稳定时间尽可能短，同时信号功率估计的准确度也较高。

Description

一种基于深度饱和脉冲噪声的自动增益控制方法

技术领域

本发明属于电力线通信领域，涉及到PLC的脉冲噪声抑制方面，提出一种检测并深度饱和脉冲噪声的AGC结构，从模拟域减少脉冲噪声带来的不利影响。具体涉及一种基于深度饱和脉冲噪声的自动增益控制方法。

背景技术

电力线通信(Power Line Communication，PLC)是指利用220V电力线及其形成的输电网、配电网作为通信介质，实现数据传输的一种通信技术。PLC早期的应用主要是中高压电力线上窄带语音、数据通信，此时PLC频率较低，工作在kHz级别，应用领域局限于供电管理、远程控制、远程保护等。

随着技术的发展，PLC因其独特优势愈发得到学者们关注，电力线通信最大优势在于：其他任何通信方式都无可比拟的覆盖率。在现代社会中，电力线几乎无处不在、深入到每家每户，且无需重新布线(No New Wires)、灵活快速(即插即用)、低成本地实现接入，并且维护简单，因此电力线通信技术是当今发展的热点。PLC行业规模相当可观，技术也日趋成熟，不同场景有不同应用：面向电网侧，PLC主要用于智能电网，采集用户用电信息和智能电网计量系统；面向家庭侧，PLC可用于家庭局域网、智能家居(Smart home)、也可作为Wi-Fi骨干网等。

与双绞线、光缆等有线专用载体相比，电力线缆原本是为传送50/60Hz工频电能而设计，并未考虑其作为通信媒介的功能。电力线信道网络拓扑十分复杂，且有很强的随机性和时变性，使其通信环境非常恶劣，主要影响因素有：频率选择性衰落、阻抗不匹配、多种噪声干扰等。

噪声干扰是影响电力线通信可靠性的最主要因素之一。对电力线通信影响最大的是脉冲噪声：大功率负载的随机开关、用电设备短路故障、静电以及雷电等，都会在电力线上产生随机脉冲噪声，脉冲噪声频谱很宽，持续的时间很短，一般以μs、ms为单位，噪声强度、出现时间也很随机，不可预测，干扰能力远大于其他各类噪声，会造成通信系统突发性故障，甚至完全不能传输。

随着人们对数据传输速率要求的不断增加，电力线通信逐渐向宽带化方向发展。然而，随着通信带宽的增加，电力线信道表现出强烈的频率选择性衰落，以及随频率增加而急剧上升的信号衰减。因此，在这种背景下，OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)技术被逐渐应用到PLC系统中，相比于传统的调制方式，OFDM能够实现高速数据传输，具有较高的频谱效率，并能够适应频率选择性信道以及对噪声干扰鲁棒性，因而在宽带电力线通信系统中得到了泛应用。目前，在各个宽带电力线通信标准中，均将OFDM作为其物理层调制技术，如HomePlug AV、IEEE1901和G.hn等协议。

但OFDM技术最大的是缺点是信号功率峰均比较大，一般为10～12dB，容易使得在有用信号平均功率较小时，信号峰值已经超过ADC满刻度，导致有用信号截断失真，降低接收端的解调性能。而传统AGC主要考虑的是通信中大尺度衰落和远近效应造成的信号波动，重点关注的是AGC的增益调增范围和调整精度，没有考虑大脉冲噪声远远大于有用信号的场景，也没有考虑到脉冲噪声的突发性，因此并不适用引入到PLC系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于深度饱和脉冲噪声的自动增益控制方法，提高了信号功率估计的速度，收敛性极好，保证环路稳定时间尽可能短，同时信号功率估计的准确度也较高；在模拟域提高了输出SNR，减少了脉冲噪声的不利影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于深度饱和脉冲噪声的自动增益控制方法，具体包括以下步骤：

S1：对VGA输出信号进行采样，经过ADC(模数转换器)获取采样信号；

S2：检测ADC采样信号是否有饱和样点，即判断ADC溢出标志位，如果ADC溢出标志位为0，则不执行脉冲噪声检测模块，进入正常AGC(自动增益控制)模式；

S3：如果ADC溢出标志位为1，则执行脉冲噪声检测模块；

检测过程：比较ADC采样信号的饱和样点功率P_FS与剩余样点估计功率值P_est，求出两者的差值P_dif，并根据该差值P_dif是否超过预设阈值判断是否检测到脉冲噪声；

S4：如果ADC溢出标志为1，但没有检测到脉冲噪声，同样进入正常AGC增益调整模式，调整过程采用正常AGC模式增益调整算法。

进一步，步骤S2中，正常AGC模式采用改进的近似算法估计信号功率P，如下(1)式所示：

其中，N是用于估计的采样数目，一般N＝2^k,k＝1,2,3,…，可以用移位代替除法，简化运算；

MAX＝max{|I(n)|,|Q(n)|} (2)

MIN＝min{|I(n)|,|Q(n)|} (3)

其中，I(n)，Q(n)分别表示接收信号的实部和虚部；

计算参考功率P_ref：参考功率P_ref的选择既要保证有用信号峰值不超过ADC满量程，造成截断失真，又要保证ADC输出有用信号有效位数满足解调要求，因此本发明改进AGC的参考功率P_ref比ADC满量程对应功率回退15dB，假设ADC最大采样振幅为A，则参考功率可按式(4)计算：

P_ref＝20log A-15 (4)

正常AGC模式增益调整算法采用查表法与线性法结合，查找表法收敛性极好，保证环路稳定时间尽可能短，同时采用线性算法调节偏离查找表的情况，及时更新查找表、修正增益控制字，线性算法调节如式(5)所示：

其中，G(n)表示本时刻增益调整值；G(n-1)表示上一时刻增益值；

由于PLC发射端最大发射功率为17dBm，PLC中采用OFDM调制，其PAPR较大，因此要确保正常模式下，信号平均功率等于式(4)中参考功率。

进一步，步骤S3中，正常AGC模式增益调整算法采用的查表法中，其查找表是根据公式(1)估计的信号功率值P建立与增益调整值G(n)一一对应的查找表。

进一步，步骤S3中，若P_dif大于预设阈值，则认为检测到脉冲噪声，脉冲检测标志位置高，同时记录饱和样点位置与差值P_dif；

抑制脉冲AGC分路的增益调增算法采用同样查表法，其查找的表是根据检测脉冲噪声时记录的差值P_dif建立与剩余样点功率估计值P_est一一对应的查找表。

进一步，步骤S3中，剩余样点估计功率值P_est的计算公式如下式(6)所示：

其中，N₂是需要功率估计的段数，通常设置N₂＝2^k,k＝1,2,3,…，基于此除法运算可以用移位运算代替，A_i由公式(7)给出：

A_i＝max{|s(N₁·(i-1))|,|s(N₁·(i-1))+1|,...,|s(N₁·i-1)|} (7)

其中，N₁是每段采样点数，s(N₁·(i-1))表示第i段第一个采样点的采样幅值(把ADC的时域采样数据分为N₂段，每一个段内有N₁个采样点数)。

进一步，步骤S3中，采用方波脉冲进行AGC噪声抑制性能测试，大量测试后建立P_est、P_dif与增益调整值一一对应的查找表；建立查找表的过程，结合后续数字抑制技术的解调要求，保证AGC增益合适，输出有用信号在最佳解调范围内。

本发明的有益效果在于：本发明结合一种改进的快速估计信号功率方法，提出一种深度饱和脉冲噪声的检测及自动增益控制方法。改进的快速估计信号功率方法提高了信号功率估计的速度，收敛性极好，保证环路稳定时间尽可能短，同时信号功率估计的准确度也较高。实测结果表明改进方法在模拟域提高了输出SNR，减少了脉冲噪声的不利影响。另外，本发明也适用于其他类似的脉冲噪声抑制场景。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明改进的AGC结构示意图；

图2为本发明改进的快速功率估计算法示意图；

图3为本发明改进的快速功率估计算法仿真图；

图4为本发明改进的AGC正常模式增益调整图；

图5为本发明改进的AGC脉冲抑制测试示意图；

图6为脉冲噪声模拟抑制前后时域幅值对比图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图6，传统AGC主要考虑的是通信中大尺度衰落和远近效应造成的信号波动，没有考虑大脉冲噪声远远大于有用信号的场景，因此并不适用于SNR很低的情况，而PLC中存在功率较高的脉冲噪声，其功率谱可能比有用信号高10～40dB，这给AGC在PLC中的应用带来很大困难。

当脉冲噪声幅值小于ADC量程时，叠加其上的有用信号即便经过VGA放大，幅值仍不能满足后续解调要求；当脉冲噪声幅值超过ADC量程，为保证后续有用信号解调成功，此时仍然需要增大VGA增益，这和传统AGC工作原理有着根本的区别。针对以上问题，结合PLC中脉冲噪声的突发特点，本申请提出一种检测并深度饱和脉冲噪声的自动增益控制(AGC)结构。

由于PLC中存在脉冲噪声，改进AGC除了满足传统增益控制功能外，还需抑制带内脉冲噪声，改进AGC结构示意图如图1所示。改进方法在传统数字AGC基础上添加脉冲噪声检测模块，并根据是否检测到脉冲噪声执行不同的自动增益控制方法。

如图1所示，改进AGC抑制脉冲噪声的流程为：

步骤一：对VGA输出信号进行采样。

步骤二：检测ADC采样信号是否有饱和样点，即判断ADC溢出标志位，如果ADC溢出标志位为0，则不执行脉冲噪声检测模块，进入正常AGC模式。

正常AGC模式采用一种改进的近似算法估计信号功率，如公式(1)所示：

其中，N是用于估计的采样数目；

MAX＝max{|I(n)|,|Q(n)|} (2)

MIN＝min{|I(n)|,|Q(n)|} (3)

其中，I(n)，Q(n)分别表示表示接收信号的实部和虚部；

参考功率P_ref的选择既要保证有用信号峰值不超过ADC满量程，造成截断失真，又要保证ADC输出有用信号有效位数满足解调要求，因此本发明改进AGC的参考功率P_ref比ADC满量程对应功率回退15dB，假设ADC最大采样振幅为A，则参考功率可按式(4)计算：

P_ref＝20logA-15 (4)

本发明正常AGC模式增益调整算法采用查表法与线性法结合，查找表法收敛性极好，保证环路稳定时间尽可能短，同时采用线性算法调节偏离查找表的情况，及时更新查找表、修正增益控制字，线性算法调节如式(5)所示：

其中，G(n)表示本时刻增益调整值；G(n-1)表示上一时刻增益值。

由于PLC发射端最大发射功率为17dBm，PLC中采用OFDM调制，其PAPR较大，因此要确保正常模式下，信号平均功率等于公式(4)中参考功率，即信号平均功率为2dBm时，有用信号峰值不会被ADC截断，同时考虑到采用ADC的最低有效位(Least Significant Bit,LSB)对应电压峰峰值为0.9765mV，约为-56dBm，而PLC中时刻存在的背景噪声峰峰值也有10mV，约为-36dBm，因此不用从ADC的LSB考虑AGC的调整策略。

结合实际PLC场景，本申请根据前期大量测试，建立功率估计值与增益调整值一一对应的查找表如表1所示，该查找表步进1dB。

表1改进AGC正常模式查找表

步骤三：如果ADC溢出标志位为1，则执行脉冲噪声检测模块。检测过程：比较ADC饱和样点功率P_FS与剩余样点估计功率值P_est，求出两者的差值P_dif，并根据该差值P_dif是否超过预设阈值判断是否检测到脉冲噪声。

若P_dif大于预设阈值，则认为检测到脉冲噪声，脉冲检测标志位置高，同时记录饱和样点位置与差值P_dif。

抑制脉冲AGC分路的增益调增算法采用同样查找表法。由于剩余样点功率估计值P_est和差值P_dif一一对应，因此可直接根据检测脉冲噪声时记录的差值P_dif建立与剩余样点功率估计值P_est一一对应的查找表。

可知AGC抑制脉冲分路稳定时间长短主要由功率估计快慢决定，由于PLC中脉冲噪声具有突发性，要求抑制脉冲AGC分路比正常AGC分路收敛时间更短，更加要求改进AGC功率估计时间尽可能短，以减少AGC稳定时间，提升系统响应速度，因此本申请引入一种新的快速估计信号功率的方法，改进功率估计方法示意图如图2所示。需要注意的是，改进AGC功率估计时，排除记录的饱和样点位置前后200个点内样点数据，以尽可能消除脉冲噪声影响，提升功率估计准确度。

在抑制脉冲AGC分路中，由公式(6)估计有用信号功率值：

其中，N₂是需要功率估计的段数，通常设置N₂＝2^k,k＝1,2,3,…，基于此除法运算可以用移位运算代替，A_i由公式(7)给出：

A_i＝max{|s(N₁·(i-1))|,|s(N₁·(i-1))+1|,...,|s(N₁·i-1)|} (7)

其中，N₁是每段采样点数，s(N₁·(i-1))表示第i段第一个采样点的采样幅值(把采样点分为N₂段，每一个段内有N₁个采样点数，见图2)。公式(7)中，N₁不能太小，以免退化为公式(6)的均方估计近似方法。

由公式(6)、(7)和图1可知，改进AGC功率估计方法只需要绝对运算、比较运算和移位平均运算，效率高，速度快，实际仿真结果显示改进功率估计方法稳定时间只有36μs。改进功率估计方法在估计功率的时候，N₁选择为60，N₂选择为16，功率估计仿真结果如图3所示。

由于实际PLC场景中，脉冲噪声随机性很强，结合改进AGC算法，本申请按照PLC通信性能测试标准中抗脉冲噪声性能的要求，采用方波脉冲进行AGC噪声抑制性能测试，大量测试后建立的查找表如表2所示。

表2改进AGC脉冲抑制模式查找表

生成查找表的过程，结合后续数字抑制技术的解调要求，保证AGC增益合适，输出有用信号在最佳解调范围内。若增益过大、脉冲噪声饱和深度过深，会把脉冲拖尾放大，同样会导致有用信号幅值过大，在数字抑制的非线性过程中，放大后的脉冲拖尾会覆盖有用信号，同时幅值较大的有用信号也会被当作脉冲噪声被抑制掉，增大误码率，降低系统性能。若增益过小，脉冲噪声饱和深度不够，有用信号有效位数不足导致幅值过小，甚至可能小于背景噪声，达不到解调门限，导致解调失败。

步骤四：如果ADC溢出标志为1，但没有检测到脉冲噪声，同样进入正常AGC增益调整模式，调整过程如步骤二所述。

实施例1：正常模式AGC功能测试

改进AGC的实施例分为正常模式和脉冲抑制模式两种情况，正常模式下若情况理想AGC可由查找表一步调整到位。

改进AGC在没有检测到脉冲噪声时，进入正常模式，PLC中没有脉冲占大多数时间，因此正常模式AGC占主要时间，正常模式下AGC也分为压缩和放大两种情况，正常模式下AGC测试较为简单，篇幅原因，下面只测试AGC压缩大信号的场景，正常模式没有脉冲噪声的干扰，因此只用信号源发射有用信号来测试AGC性能，结果如图4所示。

由图4可知，AGC调整前有用信号Vpp为2.5V，功率检测算法到检测大信号后，调整前端电路，增益降低10dB左右。经过AGC后，有用信号Vpp被降为800mV左右，由于正常模式AGC使用查表法，其收敛时间较短，实测20μs左右。

实施例2：抑制脉冲模式AGC功能测试

改进AGC在检测到脉冲噪声时，则进入抑制脉冲模式。由于PLC中脉冲噪声到达时间和噪声幅值的不可控性，本文按照PLC通信性能测试标准中抗脉冲噪声性能的要求，采用方波脉冲叠加有用信号进行抑制脉冲性能测试，方波脉冲频率为100kHz，脉宽1μs，Vpp为4V，改进AGC脉冲抑制性能测试框图如图5所示。

图5中发射设备发射有用信号，接收设备前端有AGC电路，屏蔽箱抑制外部噪声。为避免工频电网中的脉冲噪声影响，采用12V电池通过转接线进入屏蔽箱为发射接收设备供电。函数发生器用来发射固定频率、占空比的方波脉冲。函数发生器采用的是Agilent33250A，能够产生正弦波、窄带、50MHz高斯白噪、脉冲信号等波形。程控衰减器采用深圳因络通讯公司的INLO-PAT120-3-4四通道串口控制程控衰减器，每个通道可支持最大120dB衰减，为避免设置较大数值时衰减器隔离度不够，有用信号通道衰减采用两通道串联。信号频谱分析仪采用Rohde-Schwarz公司的FSW-67，用来显示发射有用信号功率。逻辑分析仪采用Keysight公司的U4164A，用USB接口控制并抓取方波脉冲与有用信号叠加信号大小，以解调有用信号。

根据图5所示测试示意图，抓取AGC脉冲抑制前后信号数据，选其中一组数据绘制其时域图如图6所示。

改进的抑制脉冲AGC，在达到ADC饱和门限的基础上，根据方波脉冲饱和样点功率与剩余有用信号功率估计值之间的差值，对照事先建立的查找表，确定下一时刻增益值。图6(a)图中，函数发生器发出的方波脉冲已经饱和到ADC满量程，经过抑制脉冲AGC放大后，如图6(b)图所示，其饱和深度加深，在后续数字抑制部分，由于饱和位置信号直接被非线性置零，对系统误码率性能影响可以忽略，达到了抑制脉冲噪声的作用。有用信号则从图6(a)图幅值较小，有效位数达不到OFDM解调门限，经过抑制脉冲AGC放大后，被放大图6(b)图中峰峰值400mV左右，此时有用信号已经可以解调正确。可知经过抑制脉冲AGC，方波脉冲和有用信号同时被放大30dB左右，方波脉冲只是加大饱和深度，并没有提升其功率，有用信号则被放大30dB，增大有效位数，相对意义上提高了系统的输出SNR，提升了系统的误码率性能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于深度饱和脉冲噪声的自动增益控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：对VGA输出信号进行采样，经过ADC获取采样信号；

S2：检测ADC采样信号是否有饱和样点，即判断ADC溢出标志位，如果ADC溢出标志位为0，则不执行脉冲噪声检测模块，进入正常AGC模式；

S3：如果ADC溢出标志位为1，则执行脉冲噪声检测模块；

检测过程：比较ADC采样信号的饱和样点功率P_FS与剩余样点估计功率值P_est，求出两者的差值P_dif，并根据该差值P_dif是否超过预设阈值判断是否检测到脉冲噪声；

正常AGC模式采用改进的近似算法估计信号功率P，如下(1)式所示：

其中，N是用于估计的采样数目；

MAX＝max{|I(n)|,|Q(n)|} (2)

MIN＝min{|I(n)|,|Q(n)|} (3)

其中，I(n)，Q(n)分别表示接收信号的实部和虚部；

在抑制脉冲AGC分路中，剩余样点估计功率值P_est的计算公式如下式(4)所示：

其中，N₂是需要功率估计的段数；

A_i＝max{|s(N₁·(i-1))|,|s(N₁·(i-1))+1|,...,|s(N₁·i-1)|} (5)

其中，N₁是每段采样点数，s(N₁·(i-1))表示第i段第一个采样点的采样幅值；

S4：如果ADC溢出标志为1，但没有检测到脉冲噪声，同样进入正常AGC增益调整模式，调整过程采用正常AGC模式增益调整算法。

2.根据权利要求1所述的自动增益控制方法，其特征在于，步骤S2中，

计算参考功率P_ref：假设ADC最大采样振幅为A，则参考功率按式(6)计算：

P_ref＝20log A-15 (6)

正常AGC模式增益调整算法采用查表法与线性法结合，同时采用线性算法调节偏离查找表的情况，及时更新查找表、修正增益控制字，线性算法调节如式(7)所示：

其中，G(n)表示本时刻增益值；G(n-1)表示上一时刻增益值；

要确保正常模式下，信号平均功率等于式(6)中参考功率。

3.根据权利要求2所述的自动增益控制方法，其特征在于，步骤S3中，正常AGC模式增益调整算法采用的查表法中，其查找表是根据公式(1)估计的信号功率值P建立与增益调整值G(n)一一对应的查找表。

4.根据权利要求1所述的自动增益控制方法，其特征在于，步骤S3中，若P_dif大于预设阈值，则认为检测到脉冲噪声，脉冲检测标志位置高，同时记录饱和样点位置与差值P_dif；

抑制脉冲AGC分路的增益调增算法采用查表法，其查找的表是根据检测脉冲噪声时记录的差值P_dif建立与剩余样点功率估计值P_est一一对应的查找表。

5.根据权利要求1所述的自动增益控制方法，其特征在于，步骤S3中，采用方波脉冲进行AGC噪声抑制性能测试，大量测试后建立P_est、P_dif与增益调整值一一对应的查找表；建立查找表的过程，结合后续数字抑制技术的解调要求，保证AGC增益合适，输出有用信号在最佳解调范围内。