CN117997297A - 一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路领域，具体涉及一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法，在信号进入AGC模块之后，采用可变窗长对输入信号进行处理，在高MPRF，有效脉冲密度较高的SHR部分执行高频AGC，在MPRF较低，有效脉冲密度较低的PHR和Payload部分执行低频AGC；同时，在每个窗口内进行信号强度表征值计算的同时，根据信号的强弱同时调整用于比较计算表征值的阈值，从而对实际使用的增益进行精确调节。这样既能让在每次AGC取得数据中包含的有效脉冲数量相近，又能实现让幅度调节曲线变得平滑，进而提高UWB芯片基带在复杂信道环境中的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于集成电路领域，具体涉及一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法。
背景技术
随着汽车工业的迅速发展，汽车智能化水平日益提高，人车互动在其中的重要性不言而喻。在2021年7月，车联网联盟（Car Connectivity Consortium，CCC）宣布将超宽带通信技术（Ultra-Wideband，UWB）作为最新的第三代数字车钥匙的核心技术，以满足在人车互动领域对同时具有超低功耗、高精度定位以及较低成本的短距离无线通信芯片的需求。
超宽带通信技术UWB是一种无线通信技术，它使用非常大的频谱范围来传输数据。与传统的无线通信技术（如wifi、蓝牙、zigbee等）相比，新的HRP（high rate pulserepetition frequency，高速率脉冲重复频率）-UWB技术实际上已不是传统的跳时IR-UWB，而是通过单个Symbol中的多个Chip单元序列共同形成一个脉冲Burst，通过保持平均脉冲率不变，使得平均功率谱密度不变。UWB可以利用更广泛的频谱范围，通过以极短的脉冲或波形传输数据；该技术允许高速数据传输，同时能够在低能耗、抗干扰和高精度定位方面表现出色。
IEEE 802.15.4a是IEEE 802.15.4协议的一个修订版本，它引入了新的物理层选择，以支持更高的数据速率，扩展范围，改进的抗干扰性能，以及基于距离信息的设备在低速率无线个人区域网络中的新应用，IEEE 802.15.4a标准是第一个指定无线物理层以实现精确测距的国际标准。
根据IEEE 802.15.4a协议中对UWB通信系统的规定，将一个UWB数据帧分为三个部分，即用于同步的SHR部分、用于指示数据帧基本信息和测距的PHR部分以及包含具体数据负载的Payload部分，见图1。
在IEEE 802.15.4a中规定的同步前导SHR分为两个部分，包括占SHR总长度绝大部分的同步头Sync部分，以及用于分隔SHR和PHR的分隔符SFD。对Sync部分而言，依据IEEE802.15.4a协议规定，可采用24种不同的序列，其中1~8号序列长度为31，9~24号序列长度为127。
在以IEEE 802.15.4a协议规定的数据部分比特率在110Kb/s进行通信时，依照协议应选取长度为31的同步序列；且在此数据速率下进行通信时，数据部分的每个Symbol内平均包含脉冲Burst的数量为128，与此同时SHR部分的对应该值为496。因此，前导部分的脉冲重复频率典型值（Mean Pulse Repetition Frequency，MPRF）为16.10MHz，与之对应的PHR以及Payload部分的MPRF为3.90MHz。更高的MPRF代表更高的传输速率，这就意味着在同等长度的时间窗口内，截取的SHR段落要比PHR和Payload段落包含更多的有效脉冲Burst。
自动增益控制模块（Automatic Gain Control，AGC）处于接收机的最前端，接收机的性能对数据帧检测和数据解析产生直接影响。在传统设计下的AGC模块工作原理为：将射频RF（Radio Frequency）接收到的信号经过降频处理送入数字基带后，首先进入AGC模块，在AGC模块中对接收信号进行固定长度窗口的采样，再对每组窗口内的信号进行计算得到表征当前信号强度的反馈值，将反馈值送入模拟系统中的可变增益放大器（Variable GainAmplifier，VGA），以此来实时调节信号大小。传统结构的AGC处理流程见图2。
针对传统的AGC处理模式存在以下问题：
1.传统AGC在对信号强度的表征值进行计算时，用来和输入信号进行比较的阈值为固定值，难以应对实际通信环境中复杂多变的信道；
2.对于UWB芯片而言，存在上述模式下同步前导SHR和数据Payload速率差异较大的问题，在此种情况下采用固定窗口长度的AGC难以同时达到快速收敛和平滑的幅度调整。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法，在信号进入AGC模块之后，在同步和解码过程中使用不同窗长的AGC对输入信号进行处理，在完成SHR的阈值迭代调整信号后，在PHR和payload阶段继续进行阈值更新来精确调整基带信号，从而对实际使用的增益进行精确调节，既能让在每次AGC取得数据中包含的有效脉冲数量相近，又能实现让幅度调节曲线变得平滑，进而提高HRP-UWB系统在复杂信道环境中的鲁棒性。
本发明所述的一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法，包括以下步骤：
步骤1、初始化AGC模块，在同步阶段，根据SHR字段的有效脉冲密度，采用窗口长度短的高频AGC进行SHR同步，同时根据基带的同步模块反馈判断SHR同步是否完成；
步骤2、AGC模块对每个窗口内接收到的信号进行能量累加计算；
步骤3、将累加能量值作为当前信号的强度表征，根据信号强弱调整用于比较计算表征值的阈值，进而对实际使用的增益进行调节，直至SHR同步检测完成；
步骤4、SHR同步检测完成后锁定增益，同时在PHR和Payload阶段采用窗口长度长的低频AGC，对每个窗口内接收到的信号进行信号强度表征值计算，并根据信号强弱调整用于比较计算表征值的阈值，进而对基带信号的数据部分进行精调。
进一步的，步骤1中在SHR阶段使用短窗口的高频AGC具体为：
初始化AGC基础参数，设定前导阶段高频AGC的窗长，以及在此窗长下信号的理论最大能量，基于理论最大能量/>设置模数转换的比较阈值/>，/>小于。
进一步的，步骤2中，每个窗口内的能量值为：
，
其中，为窗口长度，I为实信号，Q为虚信号， k是求和变量，j为虚信号的虚数单位。
进一步的，步骤3中，设比较阈值为T，其最大值为一个窗口内的理论最大能量/>，最小值/>取决于当前通信环境下的噪声强度，实际取用值为仿真和测试得到的经验值；
若的值处于/>和/>之间，说明当前增益与信噪比匹配好，将/>赋给作为下一个窗口AD的比较阈值，且不需要改变当前增益；
若的值处于/>和/>之外，说明仅调节比较阈值不能满足当前的信噪比要求；若/>的值小于/>，说明当前增益过小，信号幅度不足以通过最小阈值，应加大增益，反之则说明当前增益过大，有部分噪声也通过了比较阈值，需要减小增益。
进一步的，步骤4中，由于在PHR和payload阶段，数据格式并不像SHR阶段是固定的重复字段，所以并不能直接确定每个窗口内的最大理论能量，本发明通过长短窗口AGC切换解决这个问题；在数据阶段MPRF降低，同时AGC窗口等比例变长，此时数据阶段一个窗口内的能量最大值可以近似视为与SHR阶段相等，因此对于比较阈值T的范围规定沿用SHR阶段设定的值即可，不需要单独计算，只需要根据信号能量继续迭代。
本发明所述的有益效果为：本发明所述方法用于IEEE 802.15.4a协议所规定的HRP-UWB，其根据HRP-UWB信号速率自动切换AGC模式，在高MPRF，有效脉冲密度较高的SHR部分执行高频AGC，在MPRF较低，有效脉冲密度较低的PHR和Payload部分执行低频AGC；通过两种模式AGC的切换，UWB芯片基带在速率较快，对信号质量要求较低的前导阶段实现AGC的快速收敛，提高芯片的同步效率；在速率较慢，对信号质量要求较高的解码阶段实现基带信号幅度的平滑控制，提高芯片的解码成功率。本发明通过建立对信号强度范围估计的方式，在每个窗口数据处理完成后同时进行增益调整和比较阈值更新，并在基带信号处理进入解码阶段，AGC实质收敛，增益锁定的状态下，持续迭代比较阈值，在面对噪声持续变化、干扰源多样的复杂信道环境时能最大化还原出基带信号，提高了UWB芯片基带的鲁棒性；解决了依照IEEE 802.15.4a协议中规定的UWB通信基带在比特率110Kb/s的特定配置下，前导SHR与数据PHR和Payload的MPRF差别较大，导致基带信号幅度调节不平滑的问题，兼顾了快速的增益收敛和平滑的幅度调节。
附图说明
图1是IEEE 802.15.4a协议规定的UWB帧结构示意图；
图2是传统设计中的AGC结构示意图；
图3是本发明采用的AGC结构和帧同步及解码部分步骤示意图；
图4是实施例中理想信号示意图；
图5是实施例中加扰后的信号示意图；
图6是实施例中AD和本发明AGC的加扰信号示意图；
图7是实施例中 AD和传统AGC的加扰信号示意图；
图8是传统设计AGC的信号能量示意图；
图9是本发明所述方法AGC的信号能量示意图；
图10是完整的UWB基带数据示意图；
图11是SHR的部分同步前导序列示意图；
图12为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图3和图12所示，本发明所述的一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法，包括以下步骤：
步骤1、初始化AGC模块，在同步阶段，根据SHR字段的有效脉冲密度，采用窗口长度短的高频AGC进行SHR同步，同时根据基带的同步模块反馈判断SHR同步是否完成；
步骤2、AGC模块对每个窗口内接收到的信号进行能量累加计算；
步骤3、将累加能量值作为当前信号的强度表征，根据信号强弱调整用于比较计算表征值的阈值，进而对实际使用的增益进行调节，直至SHR同步检测完成；
步骤4、SHR同步检测完成后锁定增益，同时在PHR和Payload阶段采用窗口长度长的低频AGC，对每个窗口内接收到的信号进行信号强度表征值计算，并根据信号强弱调整用于比较计算表征值的阈值，进而对基带信号的数据部分进行精调。
步骤1中，设定AGC默认模式为高频AGC，由于用于帧同步的SHR部分在每个数据帧的最前端，且在未完成第一个数据包的接收时为盲检测状态，因此应将AGC默认模式设定为高频模式，以检测可能出现的SHR字段。
初始化AGC的基础参数，本发明针对IEEE 802.15.4a协议中规定的UWB系统同步前导序列长度为31的情况；在此情况下，前导序列中固定存在16个有效脉冲，因此可设定前导阶段的窗长较短的高频AGC窗长，在此窗长下信号的理论最大能量为/>，用于模数转换（AD）的比较阈值/>应小于/>，且目标通信环境噪声水平较高，信噪比SNR较低，阈值不宜过高，/>应处于/>和/>之间，优选初始值/>。
步骤2中，在芯片基带中与本发明所述AGC匹配的AD处理方式如下：在收到RF送入的模拟信号后，AD将其转换为数字信号，对于某个采样点和比较阈值T，若/>，对应输出数字信号/>；若/>，对应输出数字信号/>；若/>，对应输出数字信号/>。
AGC对每个窗口内接收到数据进行能量累加计算，根据上述的AD工作方式，经过模数转换后，每个采样点可能值为0，+1，-1，考虑到复信号包含实信号I和虚信号Q，每个窗口内的能量值。
步骤3中，窗口累加能量作为当前信号的强度表征，若/>的值处于/>和之间，说明当前增益与信噪比匹配良好，将/>赋给/>作为下一个窗口AD的比较阈值，且不需要改变当前增益；若/>的值处于/>和/>之外，说明仅调节比较阈值不能满足当前的信噪比要求；若/>的值小于/>，说明当前增益过小，信号幅度不足以通过最小阈值，应加大增益，反之则说明当前增益过大，有部分噪声也通过了比较阈值，需要减小增益。
步骤4，在芯片基带中与本发明所述AGC匹配的UWB帧同步方式如下：依据IEEE802.15.4a协议中UWB系统的要求，SHR的同步部分应由N个重复的具有良好自相关性的训练序列组成，将基带输入信号与本地预存储序列做相关，可以得到相干峰。相关能量，其中r为基带信号，/>为本地预存储序列，p为接收信号的起始相位，/>为协议规定的UWB扩频系数。在检测到第一个尖峰后持续进行检测，若在连续三个符号的相同位置检测到尖峰，则认为同步检测通过，在同步检测通过后，用相似方式对分隔符SFD进行检测，检测成功后SFD的结束位置即为PHR和Payload的起始位。
在SHR检测完成后，当前增益已经与信道环境匹配，AGC实质收敛，不需要对后续PHR和Payload信号的增益进行调整，仍需更新参考阈值T对后续基带信号幅度进行精调。与此同时，此时的基带信号处理进入到MPRF较低的PHR和Payload阶段，为实现平滑地幅度调节，需在窗口内包含与SHR阶段相近的有效脉冲数，且SHR阶段的MPRF为16.10MHz， PHR和Payload阶段的MPRF为3.90MHz，约为四倍关系。因此，在PHR和Payload阶段应采用窗长较长的低频AGC与之匹配，长窗口低频AGC窗长，由于窗内有效脉冲数与高频AGC相近，窗口内平均能量相近，因此低频AGC的比较阈值Tlong在高频AGC的比较阈值Tshort的基础上继续迭代即可。具体的能量计算与阈值迭代做法与高频AGC相同。
至此为止，步骤1到步骤4为一个完整的AGC工作循环，重复步骤1至4的内容便可以完成对UWB信号在当前信道环境下的增益控制和比较阈值调整。
采用本发明所述的方法，在UWB芯片的算法仿真系统中进行仿真实验，仿真系统包括帧生成模块、脉冲形成模块、仿真信道模块、AD模块、AGC模块、同步模块和解包模块。通过收发数据包仿真，验证本发明方法所具有的真实效果。
（1）AGC算法改善低信噪比下性能表现仿真实验
依据IEEE 802.15.4a协议中对于HRP-UWB通信系统的规定，配置仿真系统工作在数据速率110Kb/s下，此时前导部分的MPRF为16.10MHz，数据部分的MPRF为3.90MHz。为模拟噪声水平较高的复杂信道环境，在仿真信道中配置信噪比SNR为-10dB，频偏和时偏偏移量为1PPM（Percent Per Million，百万分之一），数据包长为20字节，采用IEEE 802.15.4a协议中序号为6长度为31比特的前导序列，序号为1长度为8比特的SFD序列进仿真测试。
图4展示了在仿真环境中绘制的理想信号，此时噪声水平低到可以忽略，脉冲均为有效脉冲。接着对信号进行加扰，在仿真信道中加入AWGN（Additive White GaussianNoise，加性高斯白噪声），使噪声水平远超过信号幅度，如图5所示。可见，此时信号幅度完全被噪声幅度淹没，波形展示的脉冲为信号-噪声的幅度叠加。
如图6所示，在信号经过AD和本发明的AGC后，由模拟信号转换为数字信号，进入数字基带的同步模块；对比可见，经过AD和AGC后输出的数字信号与理想信号有类似的轮廓，在理想的模拟信号脉冲幅度较低时，转换的数字信号为0；在理想的模拟信号脉冲幅度较高时，转换的数字信号为+1或者-1。
作为比较，可以在仿真系统中使用固定窗长、固定比较阈值的传统AGC替换本发明的AGC，在在信号经过AD和传统AGC后，输出信号如图7所示。可见信号仍被淹没在噪声之中，无法看出与理想信号类似的轮廓，仅靠数字基带后续的CMF滤波器难以还原出本来信号，增大了解码的难度，在复杂信道环境中的性能表现较差。
因此，由仿真可以看出，本发明所述方法在仿真环境中可以一定程度抵消高水平噪声带来的影响，提高芯片基带在复杂信道环境中的鲁棒性。
（2）AGC算法实现平滑增益调节仿真实验
本发明所述方法与传统AGC对比的另一个有益效果是可以兼顾基带信号增益的快速收敛和平滑调节。通过识别同步模块输出的同步成功标志位让AGC在两种模式之间切换，针对不同速率的字段采用不同的AGC模式。依据IEEE 802.15.4a协议中对于HRP-UWB通信系统的规定，配置仿真系统工作在数据速率110Kb/s下，此时前导部分的MPRF为16.10MHz，数据部分的MPRF为3.90MHz。为模拟噪声水平较高的复杂信道环境，在仿真信道中配置信噪比为-10dB，频偏和时偏偏移量为1PPM，数据包长为20字节，采用IEEE 802.15.4a协议中序号为6长度为31比特的前导序列，序号为1长度为8比特的SFD序列进仿真测试。
在数字基带的AGC仿真测试中，增益调节和比较阈值调节的最终目的是得到一个与当前信道环境匹配的基带信号幅度，因此可以通过AGC计算得到的每个窗口的能量来指示当前的AGC工作状况。
图8展示了传统AGC在仿真环境中接收到仿真信道输出的模拟信号后的工作状况；如图8所示，传统结构的AGC输出信号能量呈锯齿状，可见信号增益约在第15-20个时间单位稳定，且由于比较阈值固定，导致基带信号在每个窗口内的能量累积值方差较大，信号幅度上下偏移较大，不利于后续帧同步和数据解码。在采用了本发明的AGC算法之后，信号幅度调节状况如图9所示，相较于传统的AGC，本发明AGC约在第10个时间单位即可实现基带信号增益锁定，并在后续的处理过程中持续迭代更新比较阈值，呈现出的基带信号在每个窗口内的能量累积值也较为稳定，实现了信号幅度的平滑调节，同时并没有损失AGC收敛速度。
基于上述仿真结果，对 UWB 基带芯片测试。结果如图 10 所示，采样了本发明中AGC装置的UWB通信芯片基带在VGA之后的测试点输出得到的波形，是一个完整的UWB数据帧，可见其幅度波动被控制在较为理想的范围内，并没有出现大量的异常突起或削顶。
如图11所示，是由图10中所示信号波形放大截取后得到，属于协议中规定的SHR中同步前导的一部分，可见其有效脉冲比较清晰，噪声和脉冲生成产生的反冲被良好控制。
以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、初始化AGC模块，在同步阶段，根据SHR字段的有效脉冲密度，采用窗口长度短的高频AGC进行SHR同步，同时根据基带的同步模块反馈判断SHR同步是否完成；
步骤2、AGC模块对每个窗口内接收到的信号进行能量累加计算；
步骤3、将累加能量值作为当前信号的强度表征，根据信号强弱调整用于比较计算表征值的阈值，进而对实际使用的增益进行调节，直至SHR同步检测完成；
步骤4、SHR同步检测完成后锁定增益，同时在PHR和Payload阶段采用窗口长度长的低频AGC，对每个窗口内接收到的信号进行信号强度表征值计算，并根据信号强弱调整用于比较计算表征值的阈值，进而对基带信号的数据部分进行精调。
2.根据权利要求1所述的一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法，其特征在于，步骤1中在SHR阶段使用短窗口的高频AGC具体为：
初始化AGC基础参数，设定前导阶段高频AGC的窗长，以及在此窗长下信号的理论最大能量，基于理论最大能量/>设置模数转换的比较阈值/>，/>小于/>。
3.根据权利要求2所述的一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法，其特征在于，步骤2中，每个窗口内的能量值为：
，
其中，为窗口长度，I为实信号，Q为虚信号， k是求和变量，j为虚信号的虚数单位。
4.根据权利要求3所述的一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法，其特征在于，步骤3中，设比较阈值为T，其最大值为一个窗口内的理论最大能量/>，最小值/>取决于当前通信环境下的噪声强度，实际取用值为仿真和测试得到的经验值；
若的值处于/>和/>之间，说明当前增益与信噪比匹配好，将/>赋给/>作为下一个窗口AD的比较阈值，且不需要改变当前增益；
若的值处于/>和/>之外，说明仅调节比较阈值不能满足当前的信噪比要求；若的值小于/>，说明当前增益过小，信号幅度不足以通过最小阈值，应加大增益，反之则说明当前增益过大，有部分噪声也通过了比较阈值，需要减小增益。
5.根据权利要求3所述的一种用于超宽带芯片基带的自动增益控制方法，其特征在于，步骤4中，在PHR和payload阶段切换至低频AGC，AGC窗口等比例变长，此时数据阶段一个窗口内的能量最大值近似视为与SHR阶段相等，因此对于比较阈值T的范围规定沿用SHR阶段设定的值，根据信号能量继续迭代。
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