CN1176552A - 在正交相移键控解调器中自动增益控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种数字QPSK解调器的自动增益控制装置和方法。该QPSK解调器包括可变增益放大器,用于通过预定的增益控制信号控制QPSK解调信号的放大增益,该QPSK解调器自动增益控制装置包括信号大小估算器,用于通过使用公式S_mag=MAX(|I|,|Q|)+1/2MIN(|I|,|Q|)估算QPSK解调器中I和Q通道信号的大小,及控制信号发生器,用于根据从所述信号大小估算器输出的输入信号大小产生增益控制信号,并将该增益控制信号输出到可变增益放大器。

Description

在正交相移键控解调器中自动增益控制的方法和装置

本发明涉及一种正交相移键控(QPSK)解调器，特别是涉及一种自动增益控制(AGC)方法和装置，用于通过平方根近似法获得在QPSK解调器中输入信号的大小，并根据所获得的输入信号大小，调节QPSK解调信号的幅度增益，以将QPSK解调信号的大小保持在模拟-到-数字的可转换范围内。

在数字通信系统中，用于接收数字调制信息信号的数字接收机通常包括通过控制信号调节增益的可变增益放大器。用控制信号调节接收信号增益的过程叫自动增益控制(AGC)。通常，数字接收机需要测量可变增益放大器的输出信号功率，这是通过AC-C过程来实现的。将测量值与表示所需的信号功率的值比较。根据比较结果，产生用于可变增益放大器的增益控制信号。然后将增益控制信号用来控制放大器增益，以便使可变增益放大器的输出信号功率与所需的信号功率一致。为完成具有最佳信噪比(S/N)的数字解调，使用AGC将基带信号的大小保持在模/数(A/D)转换器的全动态范围内。

用于数字通信系统中的相移键控(PSK)解调是一种根据信息信号将载波相位移至信号空间图上预定值的方法。根据载波具有的相位数，PSK解调分为二进制相移键控(BPSK)解调和正交相移键控(QPSK)解调。在这两者之中，QPSK应用更广泛，图1示出信号空间图上QPSK的位图。

在图1中，一个码元包括信息信号，2比特序列，并且四个码元S1、S2、S3、S4分别位于各象限，且具有π/2的相位差。当信号被调制时，对应于同相通道(I通道)的比特信号被载于cosω₀t载波上，对应于正交通道(Q通道)的比特信号被载于sinω₀t载波上，这样两信号的叠加信号通过通道被发送出去。在接收机中，叠加信号被输入，且通过将输入信号分别乘以与调制载波频率一致的cosω₀t和再生的sinω₀t载波将I通道和Q通道分开。通过与具有π/2弧度相差的相邻码元比较，QPSK调制信号仅以一比特的差别被映射，从而使解调时由相位产生的比特误码率最小化。

图2示出常规QPSK解调器的方框图。QPSK解调器包括载波恢复单元21，匹配滤波器23，自动增益控制器25和码元定时恢复单元27。

图2中，为分开I通道信号I_in和Q通道信号Q_n，载波恢复单元21将基带的I通道信号I_in和Q通道信号Q_in分别乘以与调制载波频率一致的cosω₀t和再生的sinω₀t载波。此外，载波恢复单元21检测每个分开的I和Q通道的相位误差值，以及从匹配滤波器23反馈的被脉冲整形的I和Q通道信号的相位误差值。然后输出用于将相位误差补偿到匹配滤波器23中的I和Q通道信号。

匹配滤波器23将从载波恢复单元21输出的I和Q通道信号脉冲整形，将最终解调的I和Q通道信号I-out和Q-out输出到载波恢复单元21，自动增益控制器25和码元定时恢复单元27。

自动增益控制器25接收最终解调的I和Q通道信号I-out和Q-out，根据I和Q通道信号值计算QPSK解调器中输入信号的大小，产生用来调节外部或内部可变增益放大器(未示出)增益的控制信号AGC-out。

码元定时恢复单元27接收最终解调的I和Q通道信号I-out和Q-out，根据检测的定时误差值为模/数(A/D)转换器(未示出)产生一个准确的采样时钟。

这里，所计算的来自自动增益控制器25的输入信号大小将信号电平保持在A/D转换器的输入范围内。因此，如果来自QPSK解调器的输入信号大小小于预定参考值，自动增益控制器25输出用于提高增益的控制信号AGC-out，而如果来自QPSK解调器的输入信号大小大于预定参考值，则自动增益控制器25输出用于降低增益的控制信号AGC-out。

然而，在现有技术中，由于用于产生控制信号的信号大小是由平方根公式

计算出来的，需要一个复杂电路得出平方根值，在QPSK解调器中所用的ASIC方面，造成困难的结构问题。

鉴于上述，本发明的目的是提供一种用于自动增益控制的方法，通过在QPSK解调器中使用平方根近似法计算信号的大小，用以产生增益控制信号，实现AGC。

本发明的另外一个目的是提供一种用于自动增益控制的装置，通过在QPSK解调器中用平方根近似法计算信号的大小，用以产生增益控制信号，实现AGC，通过消除对复杂电路的需要而有效地利用ASIC。

为达到第一个目的，本发明提供一种用于在QPSK解调器中自动增益控制的方法，用于根据发射载波的相位将QPSK调制的信息信号解调，该方法包括：

a)根据在QPSK解调器中输入的I和Q通道信号，使用公式 $S_{\mathrm{mag}}=\mathrm{MAX}\left(\right|I|,|Q\left|\right)+\frac{1}{2}\mathrm{MIN}\left(\right|I|,|Q\left|\right)$ 计算在QPSK解调器中输入信号的大小，其中｜I｜和｜Q｜分别表示I和Q通道信号的绝对值，S_mag表示输入信号的大小，MAX(a，b)和MIN(a，b)分别表示在a和b之间选择较大值和较小值的运算符；以及

b)向外部可变增益放大器提供根据从步骤a)获得的输入信号的大小产生的增益控制信号。

为达到另一个目的，本发明提供一种用于在QPSK解调器中自动增益控制的装置，用于根据发射载波的相位将QPSK调制的信息信号解调，该装置包括：信号大小估算器，通过使用公式 $S_{m\mathrm{ag}}=\mathrm{MAX}\left(\right|I|,|Q\left|\right)+\frac{1}{2}\mathrm{MIN}\left(\right|I|,|Q\left|\right)$ ，估算在QPSK解调器中输入的I和Q通道信号的大小；以及

控制信号发生器，根据从所述信号大小估算器输出的信号大小，产生增益控制信号并将该增益控制信号输出到可变增益放大器。

本发明的上述和其它目的、特征和优点将从以下结合附图对本发明优选实施例的详细描述中显示出来，其中：

图1是说明在信号空间图上四个QPSK解调信号的图；

图2是说明常规QPSK解调器的方框图；

图3是说明QPSK解调器中的本发明自动增益控制装置的方框图；

图4是根据本发明第一个实施例的在图3中所示信号大小计算器的方框图；以及

图5是根据本发明第二个实施例的在图3中所示信号大小计算器的方框图。

现详细介绍附图中所示的本发明的实例。在所有附图中，只要可能，使用同样的参考数字表示同样或类似的部件。

图3所示的本发明自动增益控制装置主要由用于估算在QPSK解调器中输入信号大小的信号大小估算器30和控制信号发生器38组成。信号大小估算器30包括：具有第一绝对值计算器31-1和第二绝对值计算器31-2的绝对值计算器31，用于比较两个绝对值的比较器34，以及用于根据比较结果，从两个绝对值计算信号大小的信号大小计算器36。

关于图3中所示自动增益控制装置的运算，第一和第二绝对值计算器31-1和31-2分别接收I和Q通道的信号并计算它们的绝对值。

比较器34接收来自绝对值计算器31的I和Q通道信号的绝对值32和33，比较两个绝对值，根据比较结果输出信号35。

信号大小计算器36接收来自绝对值计算器31的I和Q通道信号的绝对值32和33，根据来自比较器34的比较结果信号35，将较大绝对值和较小绝对值的1/2相加，将其和数作为信号的大小输出。

这里，在本发明中用于计算信号大小S_mag的近似法由下面表达式1和2导出。

表达式1 $S_{\mathrm{mag}}=\sqrt{I^2+Q^2}=\left|I\right|\sqrt{(I+{\left(\frac{Q}{I}\right)}^2)}$ $\≈\left|\mathrm{\Ι}\right|(1+\frac{1}{2}\sqrt{{\left(\frac{Q}{I}\right)}^2})\≈\left|\mathrm{\Ι}\right|(1+\frac{1}{2}\frac{\left|Q\right|}{\left|I\right|})$ $=\left|I\right|+\frac{1}{2}\left|Q\right|$

表达式2 $S_{\mathrm{mag}}=\sqrt{I^2+Q^2}=\left|Q\right|\sqrt{(I+{\left(\frac{I}{Q}\right)}^2)}$ $\≈\left|Q\right|(\frac{1}{2}\sqrt{{\left(\frac{I}{Q}\right)}^2}+1)\≈\left|Q\right|(\frac{1}{2}\frac{\left|I\right|}{\left|Q\right|}+1)$ $=\left|Q\right|+\frac{1}{2}\left|I\right|$

在上述表达式1和2中，｜I｜和｜Q｜分别表示I和Q通道信号的绝对值。只有当｜I｜大于｜Q｜时表达式1才成立，相反只有当｜Q｜大于｜I｜时表达式2才成立。

或者，信号大小S_amg可由下面表达式3获得，该表达式3是上述两个表达式的合并等效式。

表达式3 $S_{\mathrm{mag}}=\mathrm{MAX}\left(\right|I|,|Q\left|\right)+\frac{1}{2}\mathrm{MIN}\left(\right|I|,|Q\left|\right)$

这里，MAX(a，b)和MIN(a，b)分别表示在a和b之间选择较大值和较小值的运算符。

简而言之，信号大小是在比较I和Q通道信号绝对值并将较大绝对值和较小绝对值的1/2相加之后得到的。

根据从信号大小计算器36获得的信号大小37，控制信号发生器38产生一个增益控制信号，并将其提供给内部或外部的可变增益放大器(未示出)。

图4是根据本发明第一个实施例的在图3中所示信号大小计算器36的方框图。信号大小计算器36包括第一多路复用器41，第二多路复用器42，加法器45，用于存储值”1/2”的如ROM、锁存器的存储器43，及乘法器44。

根据来自比较器34的比较结果信号35，第一多路复用器41选择并输出分别在第一和第二输入端0和1输入的I和Q通道信号绝对值32和33中的较大值。即，当比较结果信号35表示I通道信号的绝对值32大于Q通道信号的绝对值33时，第一多路复用器41选择并输出I通道信号的绝对值32。相反，当比较结果信号35表示I通道信号的绝对值32小于Q通道信号的绝对值33时，第一多路复用器41选择并输出Q通道信号的绝对值33。

根据来自比较器34的比较结果信号35，第二多路复用器42选择并输出分别在第一和第二输入端0和1输入的Q和I通道信号的绝对值33和32的较小值。即，当比较结果信号35表示I通道信号的绝对值32大于Q通道信号的绝对值33时，第二多路复用器42选择并输出Q通道信号的绝对值33。相反，当比较结果信号35表示I通道信号的绝对值32小于Q通道信号的绝对值33时，第二多路复用器42选择并输出I通道信号的绝对值32。

即，将I通道信号的绝对值32施加于第一多路复用器41的第一输入端0和第二多路复用器42的第二输入端1，并将Q通道信号的绝对值33施加于第一多路复用器41的第二输入端1和第二多路复用器42的第一输入端0，这样根据比较结果信号35，第一和第二多路复用器41和42选择并输出相同输入端的信号。

乘法器44将来自第二多路复用器42的较小绝对值与存储于存储器43中的值”1/2”相乘并输出结果。

加法器45将从第一多路复用器41输出的较大绝对值和从乘法器44获得的值相加，并将结果作为信号大小37输出。即，当I通道信号的绝对值32大于Q通道信号的绝对值33时，从加法器45输出的是

，而当I通道信号的绝对值32小于Q通道信号的绝对值33时，从加法器45输出的是 。

图5是根据本发明第二个实施例的在图3中所示信号大小计算器36的方框图。信号大小计算器36包括存储值”1/2”的如ROM或锁存器的第一存储器51，存储值”1”的如ROM或锁存器的第二存储器52，第一多路复用器53，第一乘法器54，第二多路复用器55，第二乘法器56和加法器57。

现将结合图3详细说明信号大小计算器36的运算。

根据来自比较器34并施加于选择输入端SEL的比较结果信号35，第一多路复用器53选择输出在第一输入端0中输入的值”1”和在第二输入端1中输入的值”1/2”中的一个值，该值”1”来自第二存储器52，该值”1/2”来自第一存储器51。即，当比较结果信号35表示I通道信号的绝对值32大于Q通道信号的绝对值33时，第一多路复用器53输出值”1”。相反，当比较结果信号35表示I通道信号的绝对值32小于Q通道信号的绝对值33时，第一多路复用器53输出值”1/2”。

根据来自比较器34并施加于选择输入端SEL的比较结果信号35，第二多路复用器55选择输出在第一输入端0中输入的值”1/2”和在第二输入端1中输入的值”1”中的一个值，该值”1/2”来自第一存储器51，该值”1”来自第二存储器52。即，当比较结果信号35表示I通道信号的绝对值32大于Q通道信号的绝对值33时，第二多路复用器55输出值”1/2”。相反，当比较结果信号35表示I通道信号的绝对值32小于Q通道信号的绝对值33时，第二多路复用器55输出值”1”。

即，来自第一存储器51的值”1/2”输入到第一多路复用器53的第二输入端1和第二多路复用器55的第一输入端0，来自第二存储器52的值”1”输入到第一多路复用器53的第一输入端0和第二多路复用器55的第二输入端1。因此，根据比较结果信号35，第一和第二多路复用器53和55选择输出相同输入端的信号。

第一乘法器54将I通道信号的绝对值32和从第一多路复用器53输出的固定值相乘并输出其结果。即，当I通道信号的绝对值32大于Q通道信号的绝对值33时，从第一乘法器54输出的是｜I｜，而当I通道信号的绝对值32小于Q通道信号的绝对值33时，从第一乘法器54输出的是

。

第二乘法器56将Q通道信号的绝对值33和从第二多路复用器55输出的固定值相乘并输出其结果。即，当I通道信号的绝对值32大于Q通道信号的绝对值33时，从第二乘法器56输出的是

，而当I通道信号的绝对值32小于Q通道信号的绝对值33时，从第二乘法器56输出的是｜Q｜。

加法器57将第一乘法器54的输出和第二乘法器56的输出相加，并将结果作为信号大小37输出。即，当I通道信号的绝对值32大于Q通道信号的绝对值33时，从加法器57输出的是

，而当I通道信号的绝对值32小于Q通道信号的绝对值33时，从加法器57输出的是

。

如上所述，根据本发明自动增益控制的装置和方法，当计算QPSK解调器的输入信号大小用以产生增益控制信号从而实现AGC时，可使用用平方根近似法代替平方根法的硬件。从而，QPSK解调器的ASIC的电路结构因对其有效的利用而变得简单，并且用于计算信号大小的时间也可减少。

尽管本发明是结合目前被认为是最可行和最佳的实施例来加以描述的，应明白本发明并不局限于所公开的实施例，而是相反，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求的思想和范围内的各种改变和等效的方案。

Claims (7)

1、一种用于在QPSK解调器中自动增益控制的方法，用于根据发射载波的相位将QPSK调制的信息信号解调，其特征在于包括步骤：

a)通过使用公式 $S_{\mathrm{mag}}=\mathrm{MAX}\left(\right|I|,|Q\left|\right)+\frac{1}{2}\mathrm{MIN}\left(\right|I|,|Q\left|\right)$ 计算QPSK解调器中I和Q通道信号的大小，其中｜I｜和｜Q｜分别表示I和Q通道信号的绝对值，S_mag表示输入信号的大小，MAX(a，b)和MIN(a，b)分别表示在a和b之间选择较大值和较小值的运算符；以及

b)向外部可变增益放大器提供根据从步骤a)获得的输入信号大小产生的增益控制信号。

2、一种用于QPSK解调器的自动增益控制装置，该QPSK解调器具有通过预定的增益控制信号控制QPSK解调信号放大增益的可变增益放大器，其特征在于包括：

信号大小估算器，用于通过使用公式 $S_{\mathrm{mag}}=\mathrm{MAX}\left(\right|I|,|Q\left|\right)+\frac{1}{2}\mathrm{MIN}\left(\right|I|,|Q\left|\right),$ 估算QPSK解调器中I和Q通道信号的大小；以及

控制信号发生器，用于根据从所述信号大小估算器输出的信号大小产生增益控制信号，并将该增益控制信号输出到可变增益放大器。

3、根据权利要求2的自动增益控制装置，其特征在于所述信号大小估算器包括：

绝对值计算器，用于分别计算I和Q通道信号的绝对值；

比较器，用于比较I和Q通道信号的绝对值；以及

信号大小计算器，用于根据所述比较器的结果，通过将较大绝对值和较小绝对值的1/2相加来计算输入信号的大小，所述信号大小计算器包括：

第一多路复用器，用于根据所述比较器的结果，选择并输出I和Q通道信号的绝对值的较大值；

第二多路复用器，用于根据所述比较器的结果，选择并输出I和Q通道信号的绝对值的较小值；

乘法器，用于将从所述第二多路复用器输入的较小绝对值与值”1/2”相乘并输出结果；以及

加法器，用于将从所述第一多路复用器输出的较大值与从所述乘法器输出的较小值的”1/2”相加并将结果作为输入信号大小输出。

4、根据权利要求3的自动增益控制装置，其特征在于所述信号大小计算器还包括用于存储值”1/2”的存储器。

5、根据权利要求2的自动增益控制装置，其特征在于所述信号大小估算器包括：

绝对值计算器，用于分别计算I和Q通道信号的绝对值；

比较器，用于分别接收I和Q通道信号的绝对值，并比较两绝对值的大小；以及

信号大小计算器，用于根据所述比较器的比较结果，通过将较大绝对值和较小绝对值相加来计算输入信号的大小，所述信号大小计算器包括：

第一多路复用器，用于根据所述比较器的比较结果，选择输出值”1/2”或”1”；

第一乘法器，用于接收从所述第一多路复用器输出的值和I通道信号的绝对值，并将两值相乘；

第二多路复用器，用于根据所述比较器的比较结果，与所述第一多路复用器交替输出值”1/2”或”1”；

第二乘法器，用于接收从所述第二多路复用器输出的值和Q通道信号的绝对值，并将两值相乘；以及

加法器，用于接收来自所述第一和第二乘法器的输出，将两输出值相加，将其和数作为输入信号大小输出。

6、根据权利要求5的自动增益控制装置，其特征在于所述信号大小计算器还包括用于存储值”1/2”的第一存储器和用于存储值”1”的第二存储器。

7、一种QPSK解调器中的自动增益控制装置，用于根据发射载波的相位将QPSK调制的信息信号解调，其特征在于包括：信号大小估算器，用于通过使用公式 $S_{\mathrm{mag}}=\mathrm{MAX}\left(\right|I|,|Q\left|\right)+\frac{1}{2}\mathrm{MIN}\left(\right|I|,|Q\left|\right),$ 估算QPSK解调器中I和Q通道信号的大小；以及

控制信号发生器，用于根据从所述信号大小估算器输出的输入信号大小产生增益控制信号，并将该增益控制信号输出到外部可变增益放大器。

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