CN1173077A - 接收自动增益控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种自动增益控制系统,它所包括的控制误差限幅电路对于相对地小的控制误差值提供精细增益控制,而对于相对地大的控制误差值提供限幅增益更新值以维持放大器稳定性。另一实施例中所公开的自动增益控制系统包括一个可变标定装置,它根据控制误差的正或负的符号选择系数以标定控制误差从而在信号功率增大或减少时都提供相同的最大控制环响应率。该系统和方法提供改善的、更精确的和更对称的放大器增益控制。

Description

接收自动增益控 制系统和方法

本发明涉及一种通信系统用自动增益控制系统和方法，更具体地涉及移动通信系统接收机中所用的一种自动增益控制电路。

移动通信系统面临不断增长的增加用户容量和改善信号接收质量的要求。然而，改善信号接收质量需要提高发射功率，这一般会牺牲用户容量。此处公开的改善可同时满足前述两方面的要求。

近年来，码分多址(CDMA)标准已用于移动通信系统，在北美更是如此。按照CDMA标准构成的系统需要一个自动增益控制(AGC)电路以提供一个受控接收信号电平以便无论所检测输入信号的电平中波动多大也能实现接收信号自模拟量至数字量的恰当变换。此处公开的一个AGC系统对接收信号电平提供改善的控制。

在地面移动通信接收机中任何位置上的所检测输入信号包括众多多路径分量。多路径分量是由无线电波的反射、衍射和散射引起的沿多路径发射一个信号的结果。当一个所发射信号的多路径分量彼此同相时，建设性的干扰结果使所接收信号得到加强。然而当一个信号的多路径分量彼此相位相反时，破坏性的干扰结果通常急剧地减小所接收信号的幅值。

当一个移动通信接收机在多路径发射环境下自一个地移动至另一地时，电磁场强度通常以一个幅值或更大值的数量级变化。电磁场的这类变化称为瑞利衰落。瑞利衰落在信号幅值包络线中造成变化和造成相位变化。此时信号幅值包络线变化具有同瑞利分布特性而相位变化具有均匀分布特性。

在根据CDMA标准操作的现有移动通信系统中，一种称为发射功率控制的技术用于补偿由于移动通信发射机相对于基站的操作距离的变化而造成的自它们接收到的信号的强度变化。美国专利5,056,109(′109专利)中对发射功率控制技术有描述。该′109专利描述一个称为“开环发射功率控制”的具体技术，其中每个移动站确定其所检测输入信号的所接收信号强度，从而估计来自基站的所发射信号功率中的损失。在该系统中，移动站使用所估计接收的信号强度以选择一个发射功率电平以便向处于接收端的基站提供一个预计的信噪比。

如′109专利中所描述的发射功率控制技术只能够补偿平均发射损失，这是一种在根源和效果上与瑞利衰落所造成结果不同的现象。平均发射损失主要是基站与移动站之间距离的函数；它的效果随时间缓慢地变化。发射功率控制技术不试图也无能力补偿瑞利衰落，后者在所接收输入信号电平中造成急剧巨大波动。

如上所述，使用发射功率控制的移动通信系统根据由移动站的自动增益控制(AGC)电路所确定的所估计接收到的信号强度以改变发射功率。因为更准确的发射控制允许用改善的信号接收性能为更多组用户服务，因此AGC电路的响应性能和准确度对发射功率设置有很大影响，而原理上对移动通信系统的总性能也有很大影响。由于距离和干扰的共同影响，例如同瑞利衰落及经受突然的巨大的幅值波动，移动通信系统中的总发射损失能到达80dB或更多，一个能快速地响应和稳定地工作于这类条件下的AGC电路是重要的。

参照此处的附图可很好地理解现有技术AGC电路例子和本发明的数个实施例的描述。这些图将描述如下。

图1是现有技术自动增益控制电路的第一例的原理框图。

图2是用于阐述图1中所示现有技术自动增益控制电路的信号功率相对于获取的增益更新值的图。

图3是现有技术自动增益控制电路的第二例的原理框图。

图4是用于阐述图3中所示第二现有技术自动增益控制电路的信号功率相对于获取的增益更新值的图。

图5是根据本发明第一实施例构成的一个接收自动增益控制电路的原理框图。

图6是用于阐述图5中所示本发明第一实施例信号功率相对于的获取的增益更新值的图。

图7是根据本发明第二实施例构成的一个接收自动增益控制电路的原理框图。

图8是用于阐述图7中所示本发明第二实施例的信号功率相对于获取的增益更新值的图。

图9是根据本发明第三实施例构成的一个接收自动增益控制电路的原理框图。

图10是用于阐述图9中所示本发明第三实施例的信号功率相对于获取的增益更新值的图。

图11是根据本发明第四实施例构成的一个接收自动增益控制电路的原理框图。

图12是用于阐述图11中所示本发明第四实施例的信号功率相对于获取的增益更新值的图。

现参照图1描述现有技术接收机系统的一个AGC电路。图1中的中频放大器2用于放大所检测中频信号1。中频/基带转换装置3用于将所放大中频信号向下转换为基带。模数(A/D)转换器4然后将基带信号转换为数字信号5。数字信号5自AGC电路输出至数字解调电路(未示出)和功率计算装置6。功率计算装置6计算数字信号5的功率。控制误差检测装置7自参考值8中减去所计算信号功率值以提供一个控制误差信号。线性/对数转换装置9用于将控制误差信号转换为对数座标。在现有系统中，线性/对数转换装置使用查表(依靠局部存储器的帮助)和数值替代以完成转换。在线性座标上靠近零dB处的区域内零值由一个常数值替代，因为在此区域内对数座标值趋向于负无穷大。

标定装置10用于将对数座标控制误差信号乘以标定系数以便向累计装置11输出一个增益更新值。累计装置11用于将增益更新值加至先前增益控制值上以便向中频放大器2提供一个更新的增益控制值。累计装置11也用于将增益控制值转换为一个用于例如发射功率控制的估计的接收信号强度值(RSSI)14。

图1的现有技术AGC电路对中频放大器2的增益进行控制以便将A/D转换器4的基带信号输入电平保持不变。通过数字信号5上的操作实现对A/D转换器4输入端处信号电平的控制。首先，由功率计算装置6计算数字信号5的功率。然后由控制误差检测装置7将所计算功率自一个参考功率电平值8中减去以提供一个控制误差信号。

由于中频放大器2的增益变化与由累计装置11提供的增益控制值变化是指数关系，因此控制误差信号由线性/对数转换装置9转换为对数座标以实行线性反馈控制。然后标定装置10将对数座标控制误差信号乘以一个标定系数从而实行标定，该信号接着作为增益更新值被送至累计装置11。AGC电路中所用标定系数决定AGC电路的控制环响应速度。也即，较大标定系数产生较大增益更新值，而后者又提供较快控制环响应。较小标定系数产生较小增益更新值，而后者又提供较慢控制环响应。

在标定后，累计装置11将增益更新值加至前一个控制周期内所用增益控制值上以确定当前周期的增益控制值。增益控制值γ与中频放大器2增益g的关系由下式提供：

g＝G exp〔-αγ〕  (1)其中G和α是具有正值的常数。假定输入信号1电平为x及A/D转换器输入信号4a电平为y，则AGC电路的总输入/输出增益具有以下表达式：

y＝gx    (2)(假定基带转换装置3的增益为1)。由于A/D转换器4的输入信号电平被控制在恒定电平上，因此所估计接收信号强度值14以dB表示时由下式表达为：

20logx＝20log(Y/G)+20αγloge(dB)  (3)自上面式(1)可明显看出，控制环响应率是由接收AGC电路操作所产生的增益更新值的指数。因此较大增益更新值导致较高控制环响应率，而较小增益更新值导致较低控制环响应率。在图1的现有技术示例电路中，A/D转换器4具有一个在-V与+V之间的动态范围，其量化步数M由位数N决定，即M＝2^N。其结果是，功率计算装置b输出的所计算信号功率值p具有以下范围：

V²/(M-1)²≤p≤V²     (4)因此，假定在图1现有技术电路中参考值8为R和标定装置10所用系数为K，则增益更新值由下列关系决定：

K sign〔R-p〕log(|R-p|)  (5)

其中sign〔-〕代表下列函数，即：

sign〔x〕＝+1当x≥0  (6)

sign〔x〕＝-1当x≤0

自上式可看出，由于信号功率p限于A/D转换器4的范围和参考值R是固定的，因此最大控制环响应率是标定系数K的函数。在此处描述的和下面描述的一个现有技术AGC电路中，单个标定系数K用于设置最大控制环响应率。在需要较精细增益控制和低控制环响应率的系统内使用小的标定系数；在需要较高控制环响应率以快速地补偿信号功率中大波动的系统中使用较大标定系数。

当AGC电路具有低控制环响应率时，该AGC电路对小的信号功率波动提供良好补偿，但对大的信号功率波动(如由同瑞利衰落所造成)的响应性能不好，因为要达到合适增益值所需时长太长。另一方面，当AGC电路具有高控制环响应率时，该AGC电路恰当地补偿大的信号功率波动，但对小的信号功率波动，对放大器增益的控制不够精细。

图2阐述由功率计算装置确定的表示为与参考值之比并用dB单位(10log(p/R))绘制的信号功率与标定装置10输出端的增益更新值之间的输入输出关系。图2所示值是在下列具体参数设置下所获得的：

V＝5.0，R＝2.5，K＝1.0及N＝4(M＝16)

查看图2后可看出，随着信号功率的增加(即0dB至+10dB)而获得的增益更新值范围(0至-1.3)不同于随着信号功率的减少(即0dB至-14db)而获得的增益更新值范围(0至+0.4)。信号功率中正的和负的变化所获得的增益更新值幅值范围的差别可看作不对称控制环响应。

现有技术AGC电路例子中在信号功率范围-2dB至2dB范围内也有一个恒定的零增益更新值。如上所描述，此结果是由于在零值附近小的控制误差值周围用零值代替真实对数值所致。现有技术AGC电路中完成的零值替代导致输入信号电平的小变化时放大器增益没有变化，因而排除对放大器增益的精细控制。

图3是用于显示现有技术接收AGC电路另一例的原理框图。图3中参考数字1至11和14所标示的元件与图1中相应元件相同。然而在图3中电路配置为在将功率计算装置6的信号功率输出量自参考值8中减去以获得一个控制误差信号之前线性/对数转换装置9先将此信号功率输出量转换为对数座标。

参照图3，当参考值8设置为logR时，标定装置10输出端处的增益更新值具有如下的对信号功率输出量p的关系：

增益更新值＝Klog(R/p)  (7)

图4阐述图3中所示现有技术AGC电路例子中功率计算装置6的信号功率输出量与增益更新值之间的关系。图4中的值是在下列具体参数设置下获得的：

V＝5.0，R＝2.5，K＝1.0及N＝4(M＝16)

查看图4后可发现，现有技术AGC电路的操作结果是：随着信号电平的减少和增加，最大和最小增益更新值分别为+1.4和-1.0。由于最大和最小增益更新值的幅值不同(即+1.4和1.0)，信号电平增加或减少时的最大控制环响应率不同。其结果是，在信号功率波动时AGC电路所提供的所接收信号强度估计的准确度可能变化。不准确估计所接收信号强度的结果会使移动站发射过多的或不够的发射功率。这又会引起系统性能下降，从而限制用户容量和/或降低接收质量。

因此，本发明的一个目的是提供一个在相对地大的输入信号电平变化时能提供一个恒定的控制环响应率及在相对地小的输入信号电平变化时提供较高控制环响应率的自动增益控制系统和方法。

本发明另一个目的是提供一个与输入信号电平变化方向无关的能提供相同的最大控制环响应率的自动增益控制系统和方法。本发明又一个目的是提供一个其控制误差值一般小于现有系统及提供对所接收的发射信号强度的更准确估计的自动增益控制系统和方法。

本发明的自动增益控制(AGC)系统和方法提供这些和其它目的。本发明的AGC系统的一个实施例使用一个控制误差限幅装置而不需要现有技术AGC电路中所用线性对数转换装置。这一结构对于相对地大的控制误差提供恒定控制环响应率及对于相对地小的控制误差提供较高可变的控制环响应率。

在本发明另一实施例中，AGC系统和方法减少相对于正的和负的控制误差值的AGC电路的不对称控制环响应。本发明该实施例中的AGC系统包括一个可变标定装置以提供这些优点，该可变标定装置根据控制误差的正的或负的符号选择不同系数对控制误差信号进行标定。

最后，本发明较现有系统操作更为频繁且具有小的控制误差值。这些操作增加了自动增益控制系统的运行稳定性和对放大器增益实行更精确控制。此外，本发明减少了相对于正的和负的信号电平变化的不对称控制环响应，因而提供了改善的接收质量和提高了估计所接收信号强度中的准确度。

图5包含一个根据本发明构成的接收自动增益控制(AGC)系统第一实施例的原理框图。图5中参考数字1至8、10、11和14所标示的元件和信号与前面参照图1所描述的现有技术AGC电路例子中的相应元件相同。

如图5所示，本发明的AGC系统包括一个用于将控制误差信号限制于预定限值内的限幅装置12。限幅装置12可以数种已知方式中任何一种方式实现，例如，(1)使用一个限幅电路；(2)使用一个将一个输入信号与两个存储的阈值进行比较并根据其值进行替代的电路；或(3)使用一个查表电路。用于实现限幅装置12的可以是硬件逻辑电路，也可以是微码元件或软件编码元件，如在数字信号处理器(DSP)中所用的。

由于这类电路的构成细节是大家熟知的，所以不需再进一步详细描述。操作中，限幅装置作用于由控制误差检测装置7输出的控制误差信号p，并按照所标示函数f输出一个信号：

现对根据本发明第一实施例构成的接收AGC系统的操作加以描述。除限幅装置12外，本发明的接收AGC系统的元件以与前面描述的现有技术AGC电路例子相同的方式进行操作。因此，只需在此处描述本发明的新特征即可。

通过前面描述的限幅和其它操作，接收AGC系统如下所示地提供增益更新值：

图6中所示数值增益更新值曲线是在下列具体参数设置下获得的：

V＝5.0，R＝2.5，K＝1.0，N＝4(M＝16)及δ＝2.0

自图6可以看出，本发明对于在范围-δ至+δdB之外的相对地大的控制误差提供固定的幅值增益更新值，而对于在-δ与+δ之间的相对地小的控制误差提供作为控制误差幅值的函数的可变增益更新值。通过对小控制误差提供可变增益更新值，可更精细地控制放大器增益，因而提供改善的信号接收质量。与此同时，通过对较大控制误差提供不变的增益更新值，AGC系统能有效地进行响应，还在这类条件下改善稳定性。

图7包含用于显示根据本发明构成的自动增益控制(AGC)系统第二实施例结构的原理框图。图7中参考数字1至9、11和14所标示的元件与前面参照图1所描述现有技术AGC电路第一例中相应元件是相同的。图7中可变标定装置13用于根据控制误差的符号选择标定系数对线性/对数转换装置9的输出量对数座标控制误差进行标定。

可变标定装置13可用硬件逻辑电路也可用微码元件或软码编码元件实现，例如被构成以确定控制误差的正的或负的符号和将该信号乘以所选存储的系数的数字信号处理器(DSP)。可变标定装置13中的系数如下选择：

当R-p≤0时，选择系数K1

当R-p＞0时，选择系数K2

系数值K1和K2根据信号电平增加或减少时所需控制环响应率而选择。例如，如果希望在信号电平增加和减少及超过A/D转换器4动态范围的情况下保持基本上相同的控制环响应率，则选择系数K1和K2以提供如图8所示的增益更新值。

图8显示控制误差信号与所获得增益更新值之间的输入输出关系。图8中所示增益更新值是在下列具体参数设置下获得的：

V＝5.0，R＝2.5，K1＝1.0，K2＝3.56，和N＝4(M＝16)

将图8与图2中所示现有技术AGC电路操作的图进行比较后可以看出，本发明的系统在操作中减小了相对于控制误差中正的和负的变化的控制环响应的差别，因而既改善了接收质量又改善了总的通信系统性能。

图9包含一个用于阐述根据本发明第三实施例构成的自动增益控制系统的原理框图。图9中参考数字1至9、11、13和14所标示的元件与前面参照图7所描述的本发明第二实施例中相应元件相同。本发明第三实施例的接收AGC系统的元件操作与第二实施例的元件操作相同，不同之处是线性/对数转换装置9用于对功率计算装置6的信号功率输出量实行对数转换及参考值8以对数座标形式提供出来。

如以上结合本发明第二实施例所描述的，赋予系数K1和K2的具体值确定了信号电平增加和减少时的AGC系统的控制环响应率，例如，如果希望在信号电压增加和减少及超过A/D转换器4的动态范围的情况下保持相同控制环响应，则选择系数值K1和K2以提供如图10中所示增益更新值。图10中所示数值是在下列具体参数设置下获得的：

V＝5.0，R＝2.5，K1＝1.0，K2＝0.71，和N＝4(M＝16)

对图10查看后可发现，本发明第三实施例在操作中根据控制误差的符号选择标定系数对控制误差进行标定。其结果是，在正的和负的控制误差时最大控制环响应率是相同的。

图11包含一个用于阐述根据本发明第四实施例构成约AGC系统的原理框图。图11中参考数字1至8、11、12和14所示的元件与前面参照图5显示和描述的第一实施例的相应元件相同。可变标定装置13具有与前面参照图7所描述的本发明第二实施例中元件相同的构造和操作方式。

除去可变标定装置用于根据控制误差的符号选择系数对控制误差进行标定以外，本发明第四实施例的操作与前面描述的本发明第一实施例的操作相同。

如前所描述的，赋予系数K1和K2的值决定了信号电平的增加和减少时自动增益控制系统的控制环响应。例如，如果希望在信号电平突然增加和突然减少两种情况下及超过A/D转换器4的动态范围的情况下保持相同的AGC系统的控制环响应，则选择系数值K1和K2以提供如图12中所示增益更新值。图12中所示数值是在下列具体参数设置下获得的：

V＝5.0，R＝2.5，K1＝1.0，K2＝1.58，N＝4(M＝16)和δ＝2.0

对图12查看后可发现，本发明第四实施例的AGC系统提供的最大增益更新值对正的和负的控制误差两者具有相同幅值，即1.45。

本发明第四实施例的AGC系统在操作中提供一个限幅控制误差和一个根据控制误差的符号标定的增益更新值。其结果是，所产生的增益更新值能对于相对地小的控制误差提供快速的可变控制环响应率及对于相对地大的控制误差值提供不变控制环响应率。此外，消除了信号功率增加和减少时的最大控制环响应率的差别。其结果是改善了信号接收质量和估计所接收信号强度中的准确度，从而改善了移动通信系统的总的性能。

虽然本发明是根据它的一定的最佳实施例详细地描述的，但熟悉技术的人可在其中实现许多修改和变化。因此，所附权利要求书，用于包括属于本发明的真正实质和范围内的所有这些修改和变化。

Claims (20)

1.一种对其中所生成的增益更新值作出响应的自动增益控制系统，包括：

用于提供控制误差信号的控制误差检测装置；以及

连至所述控制误差检测装置用于在生成所述增益更新值之前将所述控制误差信号限幅的限幅装置。

2.权利要求1的自动增益控制系统，进一步包括连至所述限幅装置用于将它的输出量标定并生成所述增益更新值的标定装置。

3.权利要求2的自动增益控制系统，其中所述标定装置提供固定的标定系数。

4.权利要求2的自动增益控制系统，其中所述标定装置提供其值决定于所述控制误差信号的符号的可变标定系数。

5.权利要求1的自动增益控制系统，其中当所述控制误差信号值位于预定幅值范围内时所述限幅装置提供一个可变幅值输出量及当所述控制误差信号值超过所述预定范围时所述限幅装置提供一个恒定幅值输出量。

6.权利要求1的自动增益控制系统，其中所述控制误差信号相对于所述自动增益控制系统的输入信号的所计算功率而言是线性的。

7.一种对其中所生成的增益更新值作出响应的自动增益控制系统，包括：

用于提供控制误差信号的控制误差检测装置；以及

连至所述控制误差检测装置用于根据所述控制误差信号的符号将所述控制误差信号可变地标定以生成所述增益更新值的可变标定装置。

8.权利要求7的自动增益控制系统，进一步包括一个连至所述控制误差检测装置输入端的线性对数转换器。

9.权利要求7的自动增益控制系统，进一步包括一个连接于所述控制误差检测装置与所述可变标定装置之间的线性对数转换器。

10.一种用于生成增益更新值以控制自动增益控制系统的增益的方法，包括以下步骤：

生成控制误差信号；

将所述控制误差信号限幅以生成限幅控制信号；以及

将所述限幅控制信号标定以生成所述增益更新值。

11.权利要求10的方法，其中所述标定步骤提供对所述限幅控制信号的固定标定。

12.权利要求10的方法，其中所述标定步骤根据所述控制误差信号的符号提供对所述限幅控制信号的可变标定。

13.一种用于生成增益更新值以控制自动增益控制系统的增益的方法，包括以下步骤：

生成相对于所述自动增益控制系统的输入信号的所检测功率而言是线性的控制误差信号；

将所述控制误差信号转换为对数误差信号；以及

将所述对数误差信号可变地标定以生成所述增益更新值。

14.一种用于生成增益更新值以控制自动增益控制系统的方法，包括以下步骤：

生成相对于所述自动增益控制系统的输入信号的所检测功率而言是对数的控制误差信号；

根据所述控制误差信号的符号选择系数对所述控制误差信号可变地标定。

15.一种自动增益控制系统，包括：

一个用于根据向其输入的增益控制值接收和放大，一个通信信号的可变增益放大器；

用于将所述放大的通信信号转换为数字形式的模数转换装置；

用于计算所述数字地转换的通信信号的功率的功率计算装置；

用于生成代表所述计算的功率与一个预定参考值的偏差的控制误差信号的控制误差检测装置；以及

对所述控制误差信号作出响应用于通过使用由所述控制误差信号的符号所决定的标定系数对所述控制误差信号进行标定而生成增益更新值的处理装置，所述增益更新值用于调整输入至所述可变增益放大器的所述增益控制值。

16.权利要求15的自动增益控制系统，其中所述处理装置使用固定标定系数对所述控制误差信号进行标定。

17.权利要求15的自动增益控制系统，其中所述处理装置使用可变标定系数对所述控制误差信号进行标定。

18.权利要求15的自动增益控制系统，其中所述处理装置进一步包括用于将所述控制误差信号限幅的限幅装置。

19.权利要求16的自动增益控制系统，其中当所述控制误差信号值位于预定幅值范围内时所述限幅装置提供可变幅值及当所述控制误差信号超过所述预定范围时所述限幅装置提供恒定幅值。

20.权利要求19的自动增益控制系统，其中所述处理装置使用可变标定系数对所述控制误差信号进行标定。

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