CN114978213B - 抑制脉冲噪声的动增益控制系统 - Google Patents

抑制脉冲噪声的动增益控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抑制脉冲噪声的动增益控制系统，属于无线传输领域，包括依次连接的下变频模块、增益控制模块、AD采样模块和控制输出模块；所述下变频模块用于将天线接收到的无线信号进行下变频调制至基带；所述增益控制模块用于将控制输出模块发送出的控制信号增益的数字信号转换为实际的增益或衰减，并作用于实际信号上；所述AD采样模块用于将基带模拟信号转换至基带数字信号，以供控制输出模块进行数字信号处理；所述控制输出模块用于实现功率检测、计算能量误差、脉冲检测和控制输出。

Description

抑制脉冲噪声的动增益控制系统
技术领域
本发明属于无线传输领域，涉及一种抑制脉冲噪声的动增益控制系统。
背景技术
宽带微功率(Broadband micro power,BMP)是一种工作频段在470MHZ～510MHZ非授权频端的一种微功率无线传输技术。作为无线传输技术的一部分，它具有功耗低、传输距离远和抗干扰能力强等特点。也因此宽带微功率技术可以广泛应用在物联网领域，比如：智能电表采集系统、智能家居以及智能交通等领域。随着未来无线通信的技术的发展，宽带微功率领域也将适用于更多的领域，满足更多的需求。
传统的自动增益控制系统研究中大多数针对理想信号，其信号幅度稳定，无干扰。而在实际的传输条件下，信号在传输过程中可能会受到环境影响而出现明显的突发波动，导致信号起伏波动剧烈。同时在传输过程中会受到不同种类的脉冲噪声的影响，从而影响自动增益控制模块对信号增益的错误调整，使得模块对信号调整到适合幅度的时间变长甚至调整不到期望的信号大小。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于宽带微功率系统的自动增益控制装置，其技术目的是为了在宽带微功率传输的条件下快速将信号调整至合适功率大小，并通过脉冲噪声检测提高接收机的抗干扰能力。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种抑制脉冲噪声的动增益控制系统，包括依次连接的下变频模块、增益控制模块、AD采样模块和控制输出模块；
所述下变频模块用于将天线接收到的无线信号进行下变频调制至基带；
所述增益控制模块用于将控制输出模块发送出的控制信号增益的数字信号转换为实际的增益或衰减，并作用于实际信号上；
所述AD采样模块用于将基带模拟信号转换至基带数字信号，以供控制输出模块进行数字信号处理；
所述控制输出模块用于实现功率检测、计算能量误差、脉冲检测和控制输出。
进一步，所述下变频模块包括依次连接的带通滤波器、低噪声放大器和下变频；首先使用带通滤波器对接收信号进行滤波，然后经过低噪声功率放大器放大后进行下变频转换为模拟基带信号。
进一步，所述增益控制模块包括衰减器、低噪声放大器、DA转换和电压控制型放大器，所述低噪声放大器构成放大通道，所述衰减器构成衰减通道，通过两个选择开关在放大通道和衰减通道间进行选择，其中首端选择开关连接所述下变频模块，尾端选择开关连接所述电压控制型放大器；所述控制输出模块向两个选择开关发送通道选择命令，并连接DA转换，发送增益调整命令；所述DA转换分别连接衰减器和电压控制型放大器，所述电压控制型放大器连接AD采样模块。
进一步，所述控制输出模块为FPGA，包括能量检测单元、能量误差单元、脉冲噪声识别单元、滤波器单元；
能量检测单元与能量误差单元包括依次连接的能量计算单元、对数变换单元、能量误差计算单元和指数滑动平均器单元；所述AD采样模块与所述能量计算单元连接，所述能量计算单元与所述对数变换单元器连接；所述的对数变换单元器与能量误差计算单元连接；所述能量误差计算单元所得输出通过指数滑动平均器进行平滑处理；所述指数滑动平均器所得结果通过滤波器单元进行滤波，再通过增益控制查找表获得需要调整增益大小，将增益调整指令和通道选择指令反馈至增益控制模块；所述脉冲噪声识别单元实现接收信号中的脉冲识别，产生脉冲标志。
进一步，所述能量计算单元通过下式计算能量：
其中Ai表示为第i段的峰值振幅，N2是功率估计所需要的段数，Ai表示为如下公式：
Ai＝max(|s((i-1)*N1)|,|s((i-1)*N1)+1|,...,|s(i*N1-1)|)
其中N1表示每个线段的采样点；
所述能量误差计算单元通过下式计算能量误差：
Perr＝Psig-Pref
其中Pref表示为预设的信号参考门限能量；
所述对数变换单元使用FPGA的ROM进行实现，对数变换单元中转换数的范围为0～511，生成20*log10S对应的值，其中5≤S≤511，从而生成ROM表，计算出信号的能量；
所述预设的信号参考门限能量Pref获取方式如下：首先将实际接收信号调整至期望功率大小，再利用逻辑分析仪抓取经过AD采样模块之后的数字信号，利用上文所使用的能量估计方法对该信号进行能量估计，所得估计值作为Pref；
将所述能量误差Perr经过滤波器单元，所述滤波器单元使用如下公式表达：
Gn＝Gn-1+α*Perr
其中Gn为需要调整的误差信号，Gn-1为上一次执行的增益值，α是设置反馈信号水平的系数，用于调整AGC时间常数；
最后以能量误差Perr为地址，在信号增益对应查找表中定位至需要的增益控制字，在第一次定位需要调整的控制字之后，打开累加微调模式的使能，对信号进行微调。
进一步，所述脉冲识别单元通过峰度系数迭代的方法进行脉冲在噪声的识别，表示为下式：
其中表示4阶累积量的峰度系数，μ表示/>是迭代公式中的遗忘因子，遗忘因子越小，对脉冲噪声就会越敏感，Δ表示归一化更新因子；当接收信号中产生突发的脉冲尖峰时，幅度系数大于动态阈值，通过判决，认为该部分数据为脉冲噪声；
当脉冲噪声标志为信号中出现脉冲噪声时，本次的能量计算的结果不进行能量误差的计算，即不调整接收链路增益。
进一步，使用FPGA中32bit寄存器暂存查找表的增益调整指令，其中高8bit为控制衰减器指令，低24bit为控制电压控制型放大器指令，通过发送不同功率的实际信号，通过串口输入增益调整指令对接收信号功率进行控制以达到理想功率大小的信号，记录增益控制指令作为FPGA增益调整表建表依据。
本发明的有益效果在于：本发明实现了自动增益控制环路，通过能量检测单元能对接收信号功率进行精准估计；通过对数变换单元器实现对幅度持续改变的无线信号迅速收敛，可以有效的减小增益调整的抖动；通过能量误差计算单元计算出实际接收信号功率和理想信号功率的误差，并通过查找表法准确的定位需要调整的增益值实现信号调整度快；通过脉冲检测单元对接收信号进行分析，提高了自动增益控制的有效性。
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为本发明所述数字自动增益控制结构的结构示意结构图；
图2为本发明所述增益控制模块的结构示意结构图；
图3为本发明所述的控制输出模块的结构示意结构图；
图4为本发明所述的控制输出模块算法流程图；
图5中的(a),(b)均为本发明所述的能量计算单元的仿真示意图；
图6为本发明所述的低通滤波器的结构示意结构图；
图7为本发明所述的基于FPGA的峰度系数迭代方法识别脉冲噪声结构图；
图8中的(a),(b)分别为本发明所述的信号自动增益控制仿真信号增益和信号衰减示意图。
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。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为本申请所述电力线载波通信接受过程中的数字自动增益控制结构的结构示意图，该控制结构包括依次接收信号下变频模块、AD采样模块、增益控制模块和控制输出模块。
接收信号下变频模块主要用于将天线接收到的无线信号进行下变频调制至基带，以便于后续操作的展开。其主要包括带通滤波器(Bandpass filter,BPF)、低噪声放大器(low noise amplifier,LNA)和下变频。首先使用滤波范围为470MHZ～510MHZ的带通滤波器对接收信号进行处理，然后经过低噪声功率放大器放大后进行下变频转换为模拟基带信号。
AD采样模块用于对基带模拟信号进行模数转换，输出数字信号为10bit，因此信号幅度最大为2^9，即512。
如图2所示，增益控制模块主要包括衰减器、低噪声放大器、DA转换和电压控制型放大器。该模块可以分为两条通路，放大通道和衰减通道。通过衰减器、低噪声放大器和电压控制放大器的组合达到总体的增益和衰减。该模块主要用于将FPGA发送出的控制信号增益的数字信号转换为实际的增益或衰减，并作用于实际信号上，从而达到控制接收信号的增益或衰减的目的。
衰减器的有效增益区间为-31.5dB～0dB，电压控制型放大器有效增益区间为-11dB～+30dB，低噪声放大器的有效增益区间为0～+40dB，不可调整。在本实施例中，采用两块AD603芯片和二分通路串行连接的方式组成整个增益控制模块的增益调整部分。其中二分通路主要包括两块串行连接的低噪声放大器和一块可控衰减器进行并行连接。也因此，本实施例增益控制模块的有效增益区间为-53dB～+1000dB，其中“-”表示整条链路中的增益为负，即衰减信号功率，“+”表示整条链路中的增益为正，即放大信号功率。增益控制模块中的DA转换单元用于将控制输出模块所输出的控制字转换为一一对应的模拟电压。该模拟电压作为电压控制型放大器单元的输入。不同幅值的模拟电压代表着电压控制型放大器单元的不同增益输出，以此来实现对接收链路的增益控制。
在一种可能的实现方案中，所述的增益控制模块中的衰减器包括HMC624a芯片。
在一种可能的实现方案中，所述的增益控制模块中的DA转换单元包括LTC2630芯片。
在一种可能的实现方案中，所述的增益控制模块中的电压控制型放大器单元包括AD603芯片。
AD采样模块的输出端连接于所述的控制模块的输入端。该模块将基带模拟信号转换至基带数字信号，以供控制输出模块进行数字信号处理。在一种可能的实现方案中，所述的AD采样模块的A\D转换单元包括AD9629芯片。
如图3、图4所示，控制输出模块由FPGA实现，该模块主要实现功率检测、计算能量误差、脉冲检测和控制输出。AD采样模块与所述能量计算单元连接，所述能量计算单元与所述对数变换单元器连接；所述的对数变换单元器与能量误差计算单元连接。能量误差计算单元所得输出通过指数滑动平均器进行平滑处理；所述指数滑动平均器所得结果通过增益控制查找表获得需要调整增益大小。其中能量检测模块用于对AD采样模块输出的数字信号进行峰值统计，从而得到接收信号的功率大小。能量误差计算部分用于将接受端信号功率与参考信号的功率进行比较，并计算出二者差值。将此差值通过指数滑动平均单元进行校正。脉冲检测用于检测接收到的信号中有无突发脉冲干扰。控制输出部分用于将需要调制的增益控制数通过SPI接口传送出控制模块，并作为增益控制模块的输入。脉冲噪声识别单元实现接收信号中的脉冲识别，产生脉冲标志。
基带数字信号进入能量检测单元前先对其进行绝对值化。本实施例中，为了节省数字硬件的实现设计资源，选择采用一种新的信号能量计算方法，包括：其中Ai表示为第i段的峰值振幅，N2是功率估计所需要的段数。其中Ai表示为如下公式：Ai＝max(|s((i-1)*N1),|s((i-1)*N1)+1|,...,|s(i*N1-1)|)其中Ni表示每个线段的采样点。该过程在仿真中如图5中的(a)和(b)所示。
在上述的信号能量计算中，使用了对数变换单元将信号能量量纲由线性单位瓦特转换为对数单位dB。
本实施例中能量误差单元实现的能量误差计算可以用如下公式表示：Perr＝Psig-Pref；其中Pref表示为预设的信号参考门限能量。
其中对于对数变换单元的实现，本次申请中选择使用FPGA的ROM进行实现，由于接收信号的AD采样模块为10bit，对输入信号去绝对值之后信号的幅度变化范围为0～511.所以对数变换单元中转换数的范围为0～511。首先通过Matlab生成20*log10S对应的值，其中5≤S≤511,由于S≤4时，计算出来的值为负数，意义不大，所以此处省略。根据Matlab生成的ROM表，可以快速的计算出信号的能量。
其中对于Pref的获取，为了考虑参考信号能量的准确性，在本次申请中，首先将实际接收信号调整至期望功率大小，再利用逻辑分析仪抓取经过AD采样模块之后的数字信号，利用上文所使用的能量估计方法对该信号进行能量估计，所得估计值作为Pref。
通过上述的方法得到Perr，将Perr经过一个低通滤波器，滤波器原理图如图6所示。该滤波器可使用如下公式表达：Gn＝Gn-1+α*Perr，其中Gn为需要调整的误差信号，Gn-1为上一次执行的增益值，α是设置反馈信号水平的系数，用于调整AGC时间常数。
通过上述的方法得到误差信号后，以误差信号为地址，在信号增益对应查找表中定位至需要的增益控制字。为了提高调整精度，在第一次定位需要调整的控制字之后，打开累加微调模式的使能，对信号进行微调。
本实施例中增益控制模块主要包括三个部分：衰减器、低噪声放大器和电压控制型放大器。在信号增益对应查找表中的控制字需要同时包含对衰减器和电压控制型放大器的增益调整指令和通道选择指令。使用FPGA中32bit寄存器暂存查找表的增益调整指令。其中高8bit为控制衰减器指令，低24bit为控制电压控制型放大器指令。通过发送不同功率的实际信号，通过串口输入增益调整指令对接收信号功率进行控制以达到理想功率大小的信号，记录增益控制指令作为FPGA增益调整表建表依据。
本实施例中脉冲识别单元提出峰度系数迭代的方法进行脉冲在噪声的识别，基于FPGA的峰度系数迭代方法结构图如图7所示。上述的峰度系数迭代方法可由下式表示出，其中/>表示为4阶累积量的峰度系数，μ表示为/>是迭代公式中的遗忘因子，遗忘因子越小，对脉冲噪声就会越敏感。其中Δ表示为归一化更新因子。当接收信号中产生突发的脉冲尖峰时，幅度系数会大于动态阈值，通过判决，可以认为该部分数据为脉冲噪声。
本实施例中，控制输出模块中脉冲噪声标志为信号中出现脉冲噪声时，本次的能量计算的结果不进行能量误差的计算，即不调整接收链路增益。
信号自动增益控制仿真信号增益如图8中的(a)所示，信号衰减如图8中的(b)所示。
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)

1.一种抑制脉冲噪声的动增益控制系统，其特征在于：包括依次连接的下变频模块、增益控制模块、AD采样模块和控制输出模块；
所述下变频模块用于将天线接收到的无线信号进行下变频调制至基带；
所述增益控制模块用于将控制输出模块发送出的控制信号增益的数字信号转换为实际的增益或衰减，并作用于实际信号上；
所述AD采样模块用于将基带模拟信号转换至基带数字信号，以供控制输出模块进行数字信号处理；
所述控制输出模块用于实现功率检测、计算能量误差、脉冲检测和控制输出；
所述增益控制模块包括衰减器、低噪声放大器、DA转换和电压控制型放大器，所述低噪声放大器构成放大通道，所述衰减器构成衰减通道，通过两个选择开关在放大通道和衰减通道间进行选择，其中首端选择开关连接所述下变频模块，尾端选择开关连接所述电压控制型放大器；所述控制输出模块向两个选择开关发送通道选择命令，并连接DA转换，发送增益调整命令；所述DA转换分别连接衰减器和电压控制型放大器，所述电压控制型放大器连接AD采样模块；
所述控制输出模块为FPGA，包括能量检测单元、能量误差单元、脉冲噪声识别单元、滤波器单元；
能量检测单元与能量误差单元包括依次连接的能量计算单元、对数变换单元、能量误差计算单元和指数滑动平均器单元；所述AD采样模块与所述能量计算单元连接，所述能量计算单元与所述对数变换单元连接；所述的对数变换单元与能量误差计算单元连接；所述能量误差计算单元所得输出通过指数滑动平均器进行平滑处理；所述指数滑动平均器所得结果通过滤波器单元进行滤波，再通过增益控制查找表获得需要调整增益大小，将增益调整指令和通道选择指令反馈至增益控制模块；所述脉冲噪声识别单元实现接收信号中的脉冲识别，产生脉冲标志。
2.根据权利要求1所述的抑制脉冲噪声的动增益控制系统，其特征在于：所述下变频模块包括依次连接的带通滤波器、低噪声放大器和下变频；首先使用带通滤波器对接收信号进行滤波，然后经过低噪声功率放大器放大后进行下变频转换为模拟基带信号。
3.根据权利要求1所述的抑制脉冲噪声的动增益控制系统，其特征在于：所述能量计算单元通过下式计算能量：
其中Ai表示为第i段的峰值振幅，N2是功率估计所需要的段数，Ai表示为如下公式：
Ai＝max(|s((i-1)*N1)|,|s((i-1)*N1)+1|,...,|s(i*N1-1)|)
其中N1表示每个线段的采样点；
所述能量误差计算单元通过下式计算能量误差：
Perr＝Psig-Pref
其中Pref表示为预设的信号参考门限能量；
所述对数变换单元使用FPGA的ROM进行实现，对数变换单元中转换数的范围为0～511，生成20*log10S对应的值，其中5≤S≤511，从而生成ROM表，计算出信号的能量；
所述预设的信号参考门限能量Pref获取方式如下：首先将实际接收信号调整至期望功率大小，再利用逻辑分析仪抓取经过AD采样模块之后的数字信号，利用上文所使用的能量估计方法对该信号进行能量估计，所得估计值作为Pref；
将所述能量误差Perr经过滤波器单元，所述滤波器单元使用如下公式表达：
Gn＝Gn-1+α*Perr
其中Gn为需要调整的误差信号，Gn-1为上一次执行的增益值，α是设置反馈信号水平的系数，用于调整AGC时间常数；
最后以能量误差Perr为地址，在信号增益对应查找表中定位至需要的增益控制字，在第一次定位需要调整的控制字之后，打开累加微调模式的使能，对信号进行微调。
4.根据权利要求3所述的抑制脉冲噪声的动增益控制系统，其特征在于：所述脉冲噪声识别单元通过峰度系数迭代的方法对脉冲中的噪声进行识别，表示为下式：
Δ＝x4(k)+3p2-6px2(k)
其中表示4阶累积量的峰度系数，μ表示/>是迭代公式中的遗忘因子，遗忘因子越小，对脉冲噪声就会越敏感，Δ表示归一化更新因子；当接收信号中产生突发的脉冲尖峰时，幅度系数大于动态阈值，通过判决，认为该部分数据为脉冲噪声；
当脉冲噪声标志为信号中出现脉冲噪声时，本次的能量计算的结果不进行能量误差的计算，即不调整接收链路增益。
5.根据权利要求1所述的抑制脉冲噪声的动增益控制系统，其特征在于：使用FPGA中32bit寄存器暂存查找表的增益调整指令，其中高8bit为控制衰减器指令，低24bit为控制电压控制型放大器指令，通过发送不同功率的实际信号，通过串口输入增益调整指令对接收信号功率进行控制以达到理想功率大小的信号，记录增益控制指令作为FPGA增益调整表建表依据。
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