CN1280998C - 用于电网上的多用户ofdm数字传输系统的自动增益控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括在电网上进行双向通信的多个用户工具和一个前端设备工具。其基本特征是：逐个载波地处理发送和接收信号以及控制每个工具中的发送功率。所述系统使得可能达到用户的最大数量，它最大化传输容量，它接纳来自位于远处和近处的变化距离的用户的信号，它避免产生上溢出，它引入了对于可用于通信的范围的最大平均功率并且最小化了在接收中的模/数转换所需要的比特数。

Description

用于电网上的多用户OFDM数字传输系统的自动增益控制系统
技术领域
本发明涉及用于在电网上的多用户数字OFDM传输系统的自动增益控制系统。该自动增益控制系统执行下列操作：
-它避免了在系统设备中上溢出的产生，上溢出的产生会引起系统的信噪比的恶化。
-它在可用于适合于这种类型信道的通信的范围中引入最大平均功率。
由于这个自动增益控制系统，获得了最大传输容量，通过重用频率和时间而达到了最大数量的用户，来自位于远处和近处的用户的信号被接纳，并且在接收中的模/数转换所需要的比特数被最小化。
背景技术
众所周知，电网不是用于静态通信的信道，换句话说，线路上的频率响应、衰减和噪声随时间而变化，所以在发送和接收放大器中的增益配置可能在一个给定时刻是适当的，在几个时刻之后，由于网络行为所产生的改变，所述增益配置会变成不适当的。
另一方面，电网上的通信系统的用户依据他们相对于前端设备的位置而看到一个不同的信道，所以当用户连接到所述系统时，一个固定的配置是不能够被用于相应的放大器中的增益的。
电网按照一个选择性的通信信道进行工作(能够将一些载波相对于其它载波衰减80dB，换句话说，也就是具有大于80dB的动态容限)。线路噪声也是可变的(也就是说，在接收中不总是测量到相同的噪声功率)并且各种脉冲噪声也存在。因此，传统的自动增益控制系统是不适于应用到电网上的通信系统中的，其中需要采取智能的增益控制。
文档WO94/03002描述了一个相关的背景技术，该文档公开了一种使用自适应跳频扩频调制来在有噪声的通信信道上通信的系统。以使用从一个较大集合中选择的两个频率的FSK调制来发送单独的数据分组。一个错误编码系统被使用，其中关于在每个网络收发信机上的接收质量的数据被用于改变接收机的增益、传输的比特率以及由网络采用的特定频率，以便优化误码率中的通信。控制网络管理的主收发信机将信道控制信息发送到网络上的其它收发信机，启动系统同步，由新用户获取现有网络。每个收发信机包括一个频率控制的载波发生器，一对数字检测器，每个数字检测器具有一个频率控制的用于控制的带通滤波器微处理器，以及宽带耦合网络用于将收发信机耦合到一个通信信道。
发明内容
为了到达上面所述的目的，本发明包括一种用于在电网上的数字OFDM传输系统的自动增益控制系统，其中各种用户工具和前端设备工具通过所述网络进行双向通信，在从用户工具到前端设备的上行上行信道以及从前端设备到用户工具的下行信道中具有独立的控制；其中利用频分双工和/或时分双工进行上行和下行信道的电网划分；其中具有非固定包络的信号被借助所使用的OFDM调制(正交频分复用)发送；其中包括放大器来作用于发送和接收中的增益；并且在可能使用前端设备和用户工具的各种组合的情况下，重用相同的频率和时间，其中利用OFDM/TDMA复用(正交频分复用和/或时分复用)来接入上行和下行信道。
本发明的新颖性在于一个自动增益控制系统，该系统包括：
-逐个载波处理相应的发送信号，以便在变换到其中固定了信号的平均功率的时域之前，预先补偿诸如电网这样的频率选择性信道对于信号的影响，
-在接收中，逐个载波处理频域中的信号，其中信道块(channelblock)的影响的补偿器在频率中执行接收信号以及信号的校正元素的缩放比例，利用一个浮点表示被补偿的信号并且固定尾数的比特数，从而获得一个由载波定义的确定的最大精度(或者信噪比)，因此存储信道影响的补偿元素的存储器可以被降低，从而通过固定尾数的比特数而降低了频域中操作的复杂度，以便处理接收信号中的更大动态范围，并且将进入ADC的信号放大到最大值，而不会对于频率处理在前面的块中产生上溢出。
-对于各种工具控制传输功率，以便来自各个用户的功率被以相同的电平接收并且能够使用很少比特的模/数转换器，
-控制传输功率以便保证由用户发送到前端设备的信号不会在使用相同的频率和时间的其它组前端设备和用户的运行中产生干扰。
利用这些基本特征，本发明的自动增益控制系统获得了：
-达到最大传输容量，
-通过重用频率和时间来达到最大数量的用户。
-在不恶化信噪比或传输容量的情况下，接纳来自(按照电缆长度或者衰减的)近处或远处用户的信号，
-避免了将导致传输容量损失的系统机构中的上溢出的产生。
-避免了由法律管制的或者产生与其它通信系统的干扰的频率的使用。
-引入了可用于通信的频率范围中的最大平均功率，以及
-最小化接收中的模/数转换所需要的比特数。
对于下行的自动增益控制既调整前端设备工具的发送机中的增益，也调整用户工具的接收机的增益，在调整用户工具中的接收增益之前调整前端设备中的增益，以便在不产生系统转换器中的上溢出的情况下，引入可用于通信的范围中的最大平均功率，目的是最大化传输容量。
如果ADC接收机中产生的上溢出的数量超过某个限制，则下行的自动增益控制减小用户接收机中的增益，这是因为这些上溢出产生S/N比的减小，这会引起传输容量中的恶化。
同样，在下行中，如果在确定的时间窗口期间在ADC接收机中没有产生上溢出，则这个自动增益控制系统增加用户接收机中的增益，以便量化噪声与放大的线路噪声相比不会限制S/N。
用于下行信道的自动增益控制的相应算法的一个可能实现是基于像在确定的时间窗口期间产生的上溢出(ADC接收机中的饱和)数量以及均衡加权这样的各方面的控制，以便如果时间窗口中的上溢出的数量大于某个阈值，则接收机的增益被减小，同时如果对于整个窗口来说没有被超过所述阈值并且均衡加权表明信号可以增加功率而不会产生上溢出，则接收机中的增益被增加；并且如果这些情况中的任何一个都没有出现，则系统被认为是运行在一个最佳电平并且相应放大器中的增益不被修改；监视增益值的系统总是被使用，以便避免在增益中产生振荡并且在接收中增益的增加的周期验证不会提高信噪比。
在上游连接中，本发明的自动增益控制系统既调整前端设备接收机中的增益，也调整用户发送机中的增益，在执行用户工具中的发送机中的增益调整之前，调整(在接收中的)前端设备工具中的增益，目的是避免由于上溢出所导致的S/N的恶化以及在前端设备工具中的ADC的量化噪声。
此外，对于这里所提出的自动增益控制，前端设备工具中的接收增益被作为下游信道中的线路上的噪声的函数而固定，以便前端设备工具测量噪声的功率并且调整增益，目的是ADC的量化噪声与放大的线路噪声相比不会限制S/N，并且使得使用具有一个降低数量比特的转换器。
当没有用户工具在发送，前端设备在接收的信号上使用离散傅立叶变换时，前面的段落中提到的噪声测量被采用，它能够通过增加接收中的增益并且将所述离散傅立叶变换的出口(exit)与没有用户工具发送时的一个确定阈值相比较来估计线路噪声。
采用这个噪声测量的另一种方式可以是当一些用户在发送时，从在前端设备中的接收均衡器提供的错误信号并且从发送和接收放大器的已知增益开始。
对于上行信道，在用户工具中的发送放大器的增益控制出现在开环和/或闭环中，以便最大化传输容量并且降低在ADC中在整个信号范围上的ADC中的转换所需要的比特数：
-在开环控制中，借助在下行信道中接收的功率，应当由上行信道发送的功率量被估计；
-在闭环控制中，前端设备工具从用户工具接收信号并且在接收中测量其功率，以及是否它在相应的ADC中产生上溢出；并且从这个测量开始，最好是通过发送控制消息来向用户工具表明它应当增加还是减小发送增益放大器。
在上行信道中的增益控制算法的一个可能实现包括：
-首先，估计时间窗口中的上溢出的数量并且如果这个值大于一个最大被允许的阈值，则增益被减小；
-为了确定哪个增益(用户工具的发送或者前端设备工具中的接收)应当被减小，由加权均衡器给出的信息被使用来区分上溢出是由于用户发送的信息信号而产生(在这种情况下，前端设备工具向用户工具表明要降低发送电平)还是由于线路噪声而产生(在这种情况下，将由前端设备工具减小接收中的增益)；
-增益提高，这只有当没有减小增益的原因存在时才被使用，以便这个增益提高只有在不会导致上溢出时才会出现在用户工具中；
-无论什么情况，总是使用一个监视增益值来避免振荡的系统；
-在(被足够分隔开的)确定的时间中，通信线路被监视以便检查在接收中的增益的固定值是否正确(网络上的脉冲噪声引起一个不适当的调整)并且如果必要，则修改这个值。
为了优化增益控制，使用相应发送信号的逐个载波处理来预先补偿信道在信号上的影响，通过增加在由信道发送中遭受更多衰减的载波中的功率并且降低在信道中被较少衰减地发送的载波中的功率，使得保持平均发送功率并且传输容量能够被增加，而不会在时间或者模/数转换中的信号处理中产生上溢出。
逐个载波处理中的一次可以是发送中的逐渐衰减并且包括消除其频率位置与下列频率相符的载波：其使用由法律管制的频率、干扰其它通信设备的频率、在电视和其它电子设备中使用的中间频率、无线电业余频率等，并且其中载波的选择是可以根据系统在每个时刻的通信需要而进行实时配置的。
为了优化增益控制，一旦信号是在频域中，则在接收中相应信号的逐个载波处理就出现，并且包括一个补偿器块，该补偿器块补偿信道在接收的信号上的影响，根据为每个载波中的接收的信号估计的电平以及在该信号上使用的频率校正器元素的值来比例缩放该信号，以便可能只对接收的信号的浮点中的接收尾数(尾数指数)起作用，并且最后根据载波的最大精度(或者信噪比)来固定这个尾数的比特数；目的是使用非常少的比特数来表示具有大动态范围的信号(也就是具有非常高或者非常低功率的信号)，从而减小用于存储频域中的操作的存储器的大小(以便其中具有降低数量的比特)并且在到模/数转换器的入口处将信号放大到最大值，而不会在频域中逐个载波处理信号之前在各块中产生上溢出，接收具有在接收中在信噪比上受到线路上的噪声而不受到A/D转换器的量化噪声所限制的较大衰减的载波，并且同时接收较少由线路衰减并且在转换之前被放大的载波，而不会在被方便地缩放比例时产生上溢出，以便由频率块利用与对于具有较大衰减的载波相同的在每个操作中的比特数来处理它们。
在上述比例缩放过程中，当把接收的信号乘以均衡加权的浮点表示的表示指数时，获得信号尾数，并且其中如果发送的数据指向其它用户并且在所有载波中，当发送的数据指向我们的用户时，所述指数在网格中的均衡训练阶段更新自己，以便降低由于影响电网上的通信的多个脉冲噪声所导致的刻度误差的可能性。
使用相同频率和时间(重用频率和时间)的各组前端设备以及与前者通信的用户的共存的实现是通过控制这些工具中的发送增益，而且先前已经描述的控制接收的装置，所以各种前端设备工具互相通信来进行共存判定。
另一个达到使用相同的频率和时间(重用频率和时间)的各组前端设备以及与前者通信的用户的共存的可能性的实现是通过控制这些工具中的发送增益，同时控制接收增益的装置是通过先前描述的装置达到的，所以存在一个主要前端设备工具，它使用不同频率和/或时间用于与其用户通信并且负责保证重用相同频率和时间的各组工具之间的共存，并且它能够与每组的前端设备通信。
当有各组重用相同的频率和时间的前端设备和用户时，为了优化增益控制结果，发送增益被逐个载波地修改，或者(因为这意味着成本的增加)，考虑到具有比具有较少信噪比的载波更大信噪比的载波来估计频率中的平均信噪比，并且这个结果被用于实现发送增益中的修改。
使用相同范围的频率和时间用于通信的各组前端设备和用户工具的共存是可能的，这归因于：
-在上行和下行这两个通信信道中的相应信号发送装置中的功率控制；
-网络拓扑，其中来自所有用户工具的信号在到达组成另一个组的工具之前首先经过对应于它们的组的前端设备工具；以及
-通过在前端设备工具之间发送信息或者通过与一个主要前端设备工具通信来测量(重用相同频率和时间的)前端设备工具之间的衰减，以便这个测量被用来调整可能用于用户工具的最大发送功率。
对于下行信道，所有前端设备工具以可能用于通过电网通信的最大功率来发送，以便对于在用户接收器中的信噪(S/N)比的最大值将由重用相同范围的频率和时间的前端设备工具之间的衰减来限制，同时如果有一个(使用另一个范围的频率和/或时间的)主要前端设备，则它将是负责利用信道控制以及最好是利用控制消息来调整在各种前端设备工具中需要的不同增益的这个主要前端设备工具。
为了保证在上行通信信道中重用相同频率和时间的各组工具的共存，用户工具中的发送增益被调整，以便到达另一个组(并且可能干扰这个组)的前端设备的信号功率的电平与线路上的噪声电平相差不大。
对于上行通信信道，前端设备工具检测从它的用户之一到达的功率并且决定应当提高增益还是降低增益，随后最好是利用控制消息来将这个信息通信到涉及的用户工具；前端设备通过使用在频率中被考虑的信噪比的估计的值、该估计的先前值以及噪声的估计来进行相应的决定。
所描述的系统提供了通过像电网这样的问题通信装置达到智能和有效的自动增益控制的可能性，其中所述发明包括下列优点：它达到了最大传输容量；它通过重用频率和时间而达到了用户的最大数量；它接纳来自近处或者远处的用户的信号；它避免在系统机构中产生上溢出；在可用于通信的范围中引入最大平均功率，并且最小化在接收中的模/数转换所需要的比特数。
以下附图被提供以便于更好地理解本发明，并且同时形成详细描述和权利要求的一个主要部分，这些附图提供了本发明原理的说明性而非限制性的描述。
附图说明
图1示意地表示使用本发明所述的自动增益控制的系统的拓扑的例子。
图2示意地表示在使用本发明所述的自动增益控制的电网上的通信系统中，对于从发送机中的数/模转换器到接收中的模/数转换器的信号的影响。
图3示意地表示在使用本发明所述的自动增益控制的电网上的通信系统中的接收中的功率电平。
图4示意地表示如果在电网上的适合于包括本发明所述的自动增益控制的通信系统中上溢出的情况下在增益降低。
图5示意地表示在电网上的适合于包括本发明所述的自动增益控制的通信系统中接收中的增益提高。
图6示意地表示具有在使用本发明的自动增益控制的系统中的各种前端设备的逻辑拓扑。
图7示意地表示具有在使用本发明的自动增益控制的系统中的各种前端设备的物理拓扑。
图8示意地表示在使用本发明的自动增益控制的电网上的通信系统的下行信道中的各种前端设备之间的干扰。
图9示意地表示在使用本发明的自动增益控制的电网上的通信系统的上行信道中的干扰。
本发明的一个实施例的描述
(15到29)下面描述本发明的一个优选实施例，其中所使用的数字指图中的数字。
用于在电网上的数字OFDM多用户传输的自动增益控制系统被应用于在具有一个多用户拓扑的电网上的通信系统中，其中前端设备或者中心1将信息发送到多个用户工具2并且从它们那里接收信息，如图1所示。
这个前端设备以最大功率发送一个宽带信号，具有非固定包络和高的(峰值平均比，也就是被平方的信号电压峰值与同一信号的均方值之间的关系)。这些特征主要归因于OFDM调制。
自动增益控制是作用在前端设备1和用户工具2中的发送和接收增益的过程，目的是达到信号功率将足以最大化系统的传输容量。这个例子包括对于系统中下行信道和上行信道的独立的自动增益控制。
模/数转换器(ADC)是当判定自动增益控制时最受限制的块。这个转换器具有确定数量的比特用于转换，以及此外一个从中产生上溢出的最大输入电压。也就是说当更多的转换比特被用在相应的ADC中时，转换器产生较少的量化噪声。
在这个例子中的系统使用具有足够数量比特的ADC来正确地解调OFDM信号(由于这是最昂贵的部件之一，所以正确解调具有在每个星座中支持的每个载波的最大比特数的OFDM信号的最少比特被使用)。这些转换器通常具有小于线路范围的一个范围，或者换句话说，产生在电线上的背景噪声电平之上的量化噪声，以便在大多数情况下，是这个量化噪声限制S/N比。图2表示信道在相应信号上的影响，其中信号3从相应发送机的时间处理块到达转换器DAC。离开所述转换器的这个信号被影响，就像它通过如图2所示的信道，并且到达一个转换器ADC，其存在信号(exist signal)4进入相应接收机中的时间处理块。
在图2中，可以看到被发送的信号在到达另一端的接收机之前是如何遭受不同的变化的。在该图中，假设DAC和ADC转换器是理想的，所以在这些机构中的量化噪声被作为额外噪声独立地相加。此外，信道以以下两种方式影响信号：将它乘以从载波到载波变化的衰减和相位acejfc并且将附加的噪声添加到信号上。以数学形式，接收的信号将是：
Y＝r+nADC(t)＝(x+nDAC(t)).acejfc+nl nea(t)+nADC (t)
图3表示对于一个确定的带宽以及接收机的模/数转换器的容限，(在实现相应的离散傅立叶变换之前)在时域中测量的信号平均功率。
在所述图3中，纵轴上示出了以dBm为单位的功率。箭头5表示对于PAR的功率裕量。电平7表示作为由ADC选择所选定的固定值的ADC饱和阈值。电平8表示ADC的量化噪声，它也是由ADC选择所选定的一个固定值，并且电平9表示线路上的噪声。箭头6表示关于对应于电平7与8和9之间的最大值之间的差值的转换器ADC的可检测S/N比的最大容限。
接收增益中的变化考虑ADC转换器的影响。
当接收的信号达到ADC的上溢出电压阈值时，接收器增益被降低。接收中的放大器增益被降低，直到它实现信号的最大电平是ADC的饱和电平以便达到系统的最大S/N范围。
图4表示在上溢出时的增益降低。图4的部分a表示接收中的线路噪声电平(Nlnea)，ADC中的量化噪声电平(NADC)，饱和阈值(Usat)以及接收的信号的电平。在由箭头10所示的归因于增益控制系统的适当衰减之后，到达图4的部分b所示的情况，它表示电平中的变化，表明了接收的信号的电平降低。
用数学形式表示为：
Pr＞Usat；理想地G＝Usat-Pr＜0
S/N＝(Pr+G)-max(NADC，Nl nea+G)＝Usat-NADC
另一方面，接收机中的正放大还受到模/数转换器的存在的限制。当放大接收的信号时，我们不仅提高发送到通信信道的另一末端的所需信号，而且我们还放大添加到在信道上传播时的接收的信号上的线路噪声。噪声的总和就是接收中的S/N比的限度。当放大的线路噪声充分大于ADC量化噪声时，将是这个噪声来限制接收机中的信噪比(这在它至少更大12dB时会出现)。从这一点开始提高增益不会带来任何改进。当量化噪声与放大的线路噪声中的功率电平(以对数尺度)之间的差大于12dB时，假设总噪声将大约等于放大的线路噪声，并且当在接收中放大增益时，从这一点开始将不会在信噪比中产生改进。
在图5的部分a中，由11表示的容限表明在没有放大的情况下接收时，在接收中检测到的信噪比。从部分a的情况开始，并且在适当的放大(由箭头12表示)之后，到达部分b所示的情况，其中参考数字14表示放大之后的信号电平，参考数字15表示放大之前的S/N比。
不过，如果从a中的情况开始，发生由箭头13表示的大于NADC+12Db-Nl nea的额外的放大，则到达图5的部分c所示的情况，其中参考数字16表示放大之后的信号电平，而17则表示当放大完全等于NADC+12Db-Nl nea的情况下没有改进的信噪比，这是因为限制S/N的噪声现在大约等于放大的线路噪声。
以数学形式，如果：
Pr＜Usat；理想地G＝min(Usat-Pr，NADC+12Db-Nl nea)在不饱和的情况下则S/N＝(Pr+G)-max(NADC，Nl nea+G)＝Pr-Nl nea；
如果G＞NADC+12dB-Nl nea
则S/N＝(Pr+G)-max(NADC，nL NEA+G)＝Pr-Nl nea。
对于下行信道的自动增益控制旨在最大化从前端设备1到用户工具2的传输容量。
仅作为实施例的一个例子，并且为了简化调整发送和接收中的增益的过程，在下行链路中，在调整用户工具2的接收机中的增益之前，系统在前端设备1的传输中赋予最大可能的增益。这是因为由前端设备1在传输中进行的改变将会影响所有用户2，并且使用最大可能的(由规章限制的)增益有助于达到最大可能的覆盖。
如在前面的点所述来调整用户接收机中的增益，也就是注意不产生上溢出以及在可用范围内注入最大功率(来最大化传输容量)。
达到前述两个目标的自动增益控制算法的一个可能实现是基于系统各方面的控制：主要地，在特定时间窗口期间产生的上溢出(在这种情况下，是接收机ADC中的饱和)的数量以及离开均衡器时的信号的加权。如果在时间窗口中的上溢出的数量大于确定的阈值，则接收机中的增益被减小，这是因为这将恶化S/N。如果这个阈值在窗口期间没有被超过并且均衡加权表明信号功率可以在不产生上溢出的情况下被提高，则接收中的增益被提高。如果这两种情况都不适用，则系统处在最佳电平并且不需要修改放大器增益。在所有情况下，一个增益值监视系统都被使用来避免与自动增益控制相同的振荡产生。此外，还进行检查来看接收增益中的增加不改善处于最佳值的S/N。
另一方面，对于下行信道的自动增益控制既调整前端设备1中的接收机增益还调整用户工具2中的传输增益。与对于下行信道中的自动增益控制的方式相同，在调整用户工具中的传输增益之前，前端设备中的增益(这次是在接收中)被调整并且固定，以便避免饱和并且允许与每个工具的良好通信。
前端设备中的接收增益被作为线路噪声的函数而固定。为此，中央工具或前端设备测量这个噪声并且调整增益，以便放大的线路噪声不超过模/数转换器中的量化噪声12dB。
存在前端设备1进行所述测量的方法。下面是两个可能的实现：
a.当没有用户发送信息时，中央工具使用离散傅立叶变换来测量线路上的噪声。
b.从均衡器的错误信号加权开始，进行信道特征的估计。均衡器算法的错误信号是线路上噪声的良好估计，这是因为从另一端发送的功率是固定值。
另一方面，用户工具2的发送放大器中的增益控制也被采取。这个控制发生在开环和闭环中：
-在开环控制中，下行链路中的接收的功率用于估计应当由上行链路发送多少功率。
-在闭环控制中，前端设备工具1从用户2接收信号并且测量其在接收中的功率(以及它是否在ADC中产生上溢出)。从这个测量开始，它使用控制信道(最好是通过发送控制消息)来告知用户工具2来提高或者减小发送放大器增益。
下面是一个在上行信道中的增益控制算法的一个可能实现的例子。
首先，测量在时间窗口中的上溢出的数量，如果这个值大于一个确定的阈值，则退出均衡器时的值被使用来确定必须减小哪个增益。
为了确定应当减小哪个增益(在用户工具中发送的增益或者在前端设备中接收的增益)，在退出均衡器时的加权中给出的信息被用于区分是上溢出作为由用户发送的信息信号的结果而被产生(在这种情况下，前端设备向用户工具指示降低其发送)还是上溢出是由放大的线路噪声导致的(在这种情况下，前端设备工具1将在接收中减小增益)。只有当不存在减小增益的原因时，才提高增益。如果没有产生上溢出，则发生增益提高。
在以上两种情况中，都监视增益值以便避免振荡。
线路有时候(一个足够大的时间周期)被监视，以便检查接收增益的固定值是否是正确的(脉冲噪声会导致一个不适当的调整)并且如果不正确，则修改所述值。
自动增益控制尤其重要，以便能够在不在各内部块中产生上溢出的情况下应用OFDM(正交频分多址)。在这种情况下，前端设备1中的接收增益被固定来维持S/N容限，并且由于有不同的用户在不同的频率上同时发送(来自不同用户的信号在相同的信号中到达)，所以前端设备中的接收增益无法适合于这些中的每一个。接收增益适合于最大的，在频域中(在离散傅立叶变换之后)，采取逐个载波处理，以便维持具有固定增益的S/N容限并且减少可能的上溢出。
为了优化上行和下行这两个信道中的增益控制，采取相应发送信号的逐个载波的处理。这个处理预补偿信道的影响(把被较少衰减的载波衰减到更大程度并且反之亦然)。此外，这个逐个载波的处理可以用于逐渐衰减(在这种情况下，衰减的载波能够继续在通信中被使用)或者甚至消除(也就是说，被消除的载波不发送)其频率被法律管制的载波用于其它电信系统(诸如用于业余无线电爱好者)，或者可能干扰其它通信设备的频率。选择衰减或者消除哪些载波以及衰减的程度(在这种情况下)是在每个工具中可以实时配置的，以便它们符合系统的安装标准并且符合每一时刻的系统通信需求。实现它的一个可能形式是使用功率屏蔽，它在传输中包括将每个载波乘以一个预定系数。
另一方面，在接收中，在均衡期间，均衡加权被以浮点编码，以便在离开FFT时，信号可以被利用由均衡加权计算的指数来缩放比例。通过将接收的信号乘以这些指数，也就是通过缩放比例，就可能处理具有很少比特的尾数。
图6表示用于在电网上的相应通信系统内的各种前端设备18的逻辑拓扑。多个前端设备18的使用允许创建前端设备组18加上用户2，以便可能在所述两个工具之间采取独立的通信或者达到(根据电缆长度或衰减)位于远离主要远端工具1的用户工具能够通信。
为了使得主要前端设备工具1的通信与前端设备工具18的通信互不干扰，不同的频率和/或时间被用于两个通信中。能够被用于与本说明书的系统通信的一组频率和时间被称作一条“链路”。在每组中，时间和频率被重用，也就是相同的时间和频率被前端设备组18及其用户2在传输中使用，使得来自一组的信号可能干扰其它组的信号或者被其它组的信号干扰。
在本发明的一个实现中，“链路”可以由使用位于用于传输的1到5MHz之间的频率构成，而另一个由在5到10MHz之间传输构成。所有工具都采用使用一组或这些组频率的“链路”并且因此可能互相干扰。
主要前端设备工具1与用户工具2之间的通信通过一条“链路”进行，而前端设备工具18及其用户之间的通信通过另一条“链路”进行，从而避免两个通信之间的干扰。
这些组的前端设备18共享相同的“链路”，也就是它们使用相同的频率和时间进行发送。因此，前端设备18及其用户工具2中的信号被另一个前端设备18及其用户2干扰，反之亦然。电网的拓扑能够被用来使得一个组的前端设备18和用户2(根据电缆长度或衰减)距离足够远，以便在(上行和下行)两个信道中发送的信号不会产生高的干扰。
由于这些干扰组的存在，在前端设备18组及其用户2的上行和下行信道中产生信噪比的降低。
本系统关于这一点的新颖性是允许其中各前端设备18组及其用户2共存的形式。为此，我们将主要基于控制传输功率。
图7表示(在电线上)两个不同工具之间的物理连接的例子，它表示前端设备工具18和用户工具2在四个不同的建筑物19到22中的位置。
为了采取自动增益控制，假设由用户工具2发送的信号到达了一个不在其组中的前端设备工具18，它将不得不传播一个长的距离并且经过网络上的其中它将与其组的前端设备工具18连接的点。这是利用配电网的拓扑容易实现的。例如，前端设备工具18可以位于建筑物的电输入点上，并且用户工具2在建筑物内，如图7所示。前端设备18的组及其用户2的共存是基于这样一个事实：所有附加到一个特定前端设备18的用户2总是经过其中这个前端设备18连接以便能够到达不在其组中的另一个前端设备18的点。为此，我们测量前端设备18之间的衰减，这可以通过在前端设备工具18和/或1之间发送信息来自动进行。如前所述，这个值用于为用户调整最大传输功率。
在下行信道中，相邻前端设备工具18中的信号可以与来自我们的组中的前端设备18的信号混合。这个干扰在系统中引入了加性高斯白噪声类型的噪声(这归因于这样一个事实：具有大约一千个以M-QAM调制的载波的OFDM信号的分布统计实际上是标准的)。用户接收(其前端设备和相邻前端设备的)信号。我们的组的前端设备18的信号将与从用户工具2到其前端设备18的距离成比例地衰减，而“干扰”前端设备18的信号将与用户工具2和另一个前端设备18之间的距离成比例地衰减。如果“干扰”大于线路上的噪声，则S/N的降级将主要由这个干扰所引起，所以S/N将是信号功率之间的差，也就是直接与两个前端设备18之间存在的衰减成比例。
图8表示对于下行信道的不同组的前端设备18加上用户2之间的干扰。
数学上，由用户2从其前端设备工具18接收的信号是：
Pr＝S2-Lu
其中S2是由前端设备18发送的信号功率，Lu是主要由前端设备18与用户2之间存在的(电线)距离所产生的衰减。另一方面，(由其它组的前端设备工具18发送的)干扰信号是：
Pi＝S1-L-Lu
其中，S1是由其它组的前端设备18发送的信号的功率，L是前端设备18之间的衰减。通常，这个干扰功率大于用户ADC接收机的量化噪声，所以S/N容限成为：
S/N＝Pr-max(NADC，Pi)＝Pr-Pi＝S2-Lu-(S1-L-Lu)＝S2-S1+L
所有前端设备工具18都以最大功率发送(以便具有互易干扰并且最大化覆盖)，所以S/N的最大值将等于前端设备工具之间的衰减(L)。
在两条以上的“链路”的情况下，前端设备18之间的衰减可能是不相等的，这是因为前端设备18可以看到具有更大衰减并且可能具有更大增益的其它组。在这种情况下，主要前端设备工具1将负责利用控制消息(或者其它类型的信道控制)来调整增益。
关于上行信道，目的是来自另一个组另一个前端设备18加上用户2的信号以与配电网中的背景噪声相差不大的功率电平到达我们的组(其工具是来自相同的“链路”，也就是使用相同的时间和频率)。
如果两个功率电平相等，则产生在固有噪声电平上的3dB的提高，这被认为是上行信道中可接受的降级。
因此，用户工具2必须修改传输增益以便保证到达其它组的前端设备18的信号将会以小于或等于为此前端设备18检测到的线路噪声的功率值来这样做。检测是在每个组的前端设备18中进行的，并且该组的用户2被使用控制消息(或者其它类型的信道控制)来通知。因此，利用闭环中的控制来进行调整。这在图9中进行了说明，其中示出了上行信道中的干扰。
用户工具2以功率S在上行信道中传输信号。这个信号衰减地到达所述组的前端设备18(衰减L1)并且到达以这个值加上前端设备18之间表征的衰减而衰减地到达另一组的前端设备18(S-L1-L2)。这个信号被认为是对于(重用相同频率和时间的)其它组的噪声，所以S的值被调整来修改用户工具2的传输，以便S-L1-L2将成为线路上的固有噪声电平。
数学上，功率干扰将成为：
Pi＝S-L1-L2
并且可以说N＜Pi(如果它大于由诸如ADC的其它因素引起的噪声)。
为了优化结果，并且因为信道不具有在频率中的均匀响应，所以传输增益必须被逐个载波地改变。由于这会大大提高成本，所以可以使用比具有较小S/N值的载波更通常的具有较大S/N值的载波来在频率上取得S/N的平均估计。
这些操作是在对应于所述组的前端设备工具18中进行的，所述组决定这个组的各用户2的增益是应当被提高、降低还是维持。之后，它利用控制信道(最好是利用控制消息)来将这个信息传送到用户2。它使用S/N估计的加权值以及这个估计的先前值来进行这个决定。

Claims (22)

1.一种用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，包括通过所述电网进行双向通信的多个用户工具(2)和前端设备工具(1)，具有对于从用户工具(2)到前端设备(1)的上行信道以及从前端设备(1)到用户工具(2)的下行信道的独立控制，其中利用频分双工方式和/或时分双工方式进行上行和下行信道的电网划分，其中一个信号被利用正交频分复用调制方式发送，结果是具有非固定包络的信号；并且包括放大器来作用于发送和接收增益，使得能够使用重用相同的频率和时间的前端设备(1)和用户工具(2)的各种组合，其中利用正交频分复用/时分复用方式来接入上行和下行信道，其特征在于所述自动增益控制系统包括：
-对于发送信号的逐个载波处理装置，将较少受到信道衰减的载波衰减到一个较大程度，并且将较多受到信道衰减的载波衰减到一个较小程度；以便在变换到其中固定了信号的平均功率的时域之前，预先补偿像电网这样的频率选择性信道对于信号的影响，
-在频域中对于接收的信号的逐个载波处理装置，其中补偿由信道引起的衰减的一个块在接收的信号以及校正信号的元素的频率中执行缩放比例，利用一个浮点表示被补偿的信号并且固定尾数的比特数，从而获得一个由载波定义的确定的最大精度或信噪比，
-传输功率控制装置，它通过提高在被信道传输时遭受较多衰减的载波中的功率并且降低具有较少衰减地被信道传输的载波中的功率，从而控制来自各种工具(2)的传输功率；以便对于各种用户(2)的功率被以相同的电平接收并且能够使用很少比特的模/数转换器，-传输功率(S)控制装置，它控制前端设备和用户工具中的发送增益；以便保证由用户(2)发送到前端设备(18)的信号不会在使用相同的频率和时间的其它组前端设备(18)和用户(2)的运行中产生干扰。
2.根据权利要求1所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于用于下游的自动增益控制系统(10)装备有调整装置，用于既调整前端设备工具(1)的发送机中的增益，也调整用户工具(2)的接收机中的增益，以便在不产生系统转换器中的上溢出的情况下，引入可用于通信的范围中的最大平均功率，以便最大化传输容量。
3.根据权利要求2所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于如果ADC接收机中产生的上溢出的数量超过一个确定的限制，则用于下游的自动增益控制系统(10)减小用户(2)接收机中的增益，以便避免由产生S/N比的减小的上溢出所引起的传输容量中的恶化。
4.根据权利要求2所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于如果在确定的时间窗口期间在ADC接收机中没有产生上溢出，则下游中的自动增益控制系统(10)增加用户接收机(2)中的增益，以便防止量化噪声(8)与放大的线路噪声(NLine+G)相比会限制S/N(6)。
5.根据权利要求2或4所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于用于下游信道的自动增益控制系统(10)是基于控制装置，它控制在确定的时间窗口期间产生的ADC接收机中(7)的上溢出、饱和数量以及均衡加权，以便如果时间窗口中的上溢出的数量大于某个阈值，则减小接收机的增益；以及如果对于整个窗口来说没有超过这个阈值并且均衡加权表明信号可以增加功率而不会产生上溢出，则提高接收机中的增益；并且如果这些情况中的任何一个都没有出现，则系统被认为是处于一个最佳电平，因此不修改相应放大器中的增益；监视增益值的系统总是被使用，以便避免在增益中产生振荡并且在接收中增益的提高的周期验证不会提高信噪比(6)。
6.根据权利要求1所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于在上行信道中的自动增益控制系统(10)既调整前端设备(1)接收机中的增益，也调整用户(2)发送机中的增益，在执行用户工具(2)中的发送机中的增益调整之前，调整在接收中的前端设备工具(1)中的增益，以便避免由于上溢出所导致的S/N(6)的恶化以及在前端设备工具(1)中的ADC(8)的量化噪声。
7.根据权利要求6所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于对于上行信道的自动增益控制系统(10)以线路(9)上的噪声的函数来固定前端设备工具(1)的接收中的增益，因此前端设备工具(1)测量噪声(9)的功率并且调整增益，以便防止ADC(8)的量化噪声与放大的线路噪声(NLine+G)相比会限制S/N(6)，并且使得能够使用具有减少数量比特的转换器。
8.根据权利要求7所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于当没有用户工具(2)在发送时在接收的信号上使用离散傅立叶变换的前端设备(1)执行噪声(9)测量，它能够通过增加接收中的增益并且将所述离散傅立叶变换的出口与没有用户工具(2)发送时的一个确定阈值相比较来估计线路噪声(9)。
9.根据权利要求7所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于当一些用户(2)在发送时，从在前端设备(1)中的接收均衡器提供的错误信号并且从发送和接收放大器的已知增益开始进行所述噪声(9)测量。
10.根据权利要求6所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于对于上行信道，增益控制系统在开环和/或闭环中控制用户工具(2)中的发送放大器，以便最大化传输容量并且减少在ADC中在整个信号范围上的转换所需要的比特数，其中：
-在开环控制中，借助在下行信道中接收的功率来估计应当由上行信道发送的功率量；
-在闭环控制中，前端设备工具(1)从用户工具(2)接收信号并且在接收中测量其功率，以及是否它在相应的ADC中产生上溢出；并且从这个测量开始最好是通过发送控制消息来向用户工具(2)表明它应当增加还是减小发送增益放大器。
11.根据权利要求7到10任意之一所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于在上行信道中的增益控制系统使用一个算法，包括：
-首先，估计时间窗口中的上溢出的数量并且如果上溢出的数量大于一个最大被允许的阈值，则增益被降低；
-为了确定应当减小由用户工具(2)的发送增益还是减小前端设备工具(1)中的接收增益，由加权均衡器给出的信息被使用来区分上溢出是由于用户发送的信息信号所产生，还是由于线路噪声(9)所产生，在上溢出是由于用户发送的信息信号所产生的情况下，前端设备工具(1)向用户工具(2)表明要降低发送电平，在上溢出是由于线路噪声所产生的情况下，将由前端设备工具(1)减小接收中的增益；
-增益提高，这只有当没有减小增益的原因存在时才被使用，以便这个增益提高只有在不会导致上溢出时才会出现在用户工具(2)中；
-无论什么情况，监视增益值来避免振荡的系统总是被使用；
-在被足够分隔开的确定的时间中，通信线路被监视以便检查在接收中的增益的固定值是正确的，网络上的脉冲噪声引起一个不适当的调整，并且如果必要，则修改这个值。
12.根据权利要求1所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于为了优化增益控制，使用相应的发送信号的逐个载波处理来预先补偿信道在信号上的影响，通过增加在由信道发送中遭受更多衰减的载波中的功率并且降低在信道中被较少衰减地发送的载波中的功率，使得保持平均发送功率并且传输容量能够被增加，而不会在时间(4)或者模/数转换中的信号处理中产生上溢出。
13.根据权利要求12所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于在传输中的逐个载波处理中，存在一个逐渐衰减，它包括消除其频率位置与下列频率相符的载波：其使用由法律管制的频率、干扰其它通信设备的频率、在电视和其它电子设备中使用的中间频率、无线电业余频率等，并且其中载波的选择是可以根据系统在每个时刻的通信需要进行实时配置的。
14.根据权利要求1所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于为了优化增益控制，在接收中相应信号的逐个载波处理被执行，在频域中一次，包括补偿信道在接收的信号上的影响的块，根据为每个载波中的接收的信号估计的电平以及在该信号上使用的频率校正器元素的值来比例缩放该信号，以便使得能够只对接收的信号的浮点中的接收尾数、尾数以及指数起作用，并且最后根据载波的最大精度或者信噪比来固定这个尾数的比特数；以便使用非常少的比特数来表示具有大动态范围的信号，也就是具有非常高或者非常低功率的信号，从而减小用于存储频域中的操作的存储器的大小，以便其中具有减少数量的比特，并且在到模/数转换的入口处将信号放大到最大值，而不会在频域中逐个载波处理信号之前在各块中产生上溢出，接收具有在接收中在信噪比上受到线路上的噪声而不受到A/D转换器的量化噪声所限制的较大衰减的载波，并且同时接收较少由线路衰减并且在转换之前被放大的载波，而不会在被方便地缩放比例时产生上溢出，以便由频率块利用对于具有较大衰减的载波相同的在每个操作中的比特数来处理它们。
15.根据权利要求14所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于在上述比例缩放过程中，当把接收的信号乘以均衡加权的浮点表示的指数时，获得信号尾数，并且其中如果发送的数据指向其它用户并且在所有载波中，当发送的数据指向我们的用户时，所述指数在网格载波中的均衡训练阶段更新自己，以便降低由于影响电网上的通信的多个脉冲噪声所导致的刻度误差的可能性。
16.根据权利要求1到4，6或7任意之一所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于使用相同频率和时间的重用频率和时间的各组前端设备(18)以及与前者通信的用户(2)的共存的实现是通过控制这些工具中的发送增益的装置，以及通过在ADC接收机中产生的溢出数超过某一极限时，减小用户接收机中的增益；而在预定的时间窗口内，ADC接收机中没有产生溢出或者产生的溢出没有超过预定极限时，增加用户接收机中的增益，并且通过根据线路(9)的噪音固定前端设备工具(18)中的增益，来控制接收，以便各种前端设备工具(18)互相通信来进行共存判定。
17.根据权利要求1到4，6或7任意之一所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于使用相同的频率和时间的重用频率和时间的各组前端设备(18)以及与前者通信的用户(2)的共存的实现是通过控制这些工具中的发送增益的装置，通过在ADC接收机中产生的溢出数超过某一极限时，减小用户接收机中的增益；而在预定的时间窗口内，ADC接收机中没有产生溢出或者产生的溢出没有超过预定极限时，增加用户接收机中的增益，并且通过根据线路(9)的噪音固定前端设备工具(18)中的增益，来控制接收，以便存在一个主要前端设备工具(1)，它使用不同频率和/或时间用于与其用户(2)通信并且负责保证重用相同频率和时间的各组工具(18，2)之间的共存，并且它能够与每组的前端设备(18)通信。
18.根据权利要求16所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于当有各组重用相同的频率和时间的前端设备(18)和用户(2)时，为了优化增益控制结果，发送增益被逐个载波地修改，或者考虑到具有比具有较少信噪比的载波的更大信噪比的载波来估计频率中的平均信噪比；使用这个结果来达到发送增益中的修改。
19.根据权利要求16所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于使用相同范围的频率和时间用于通信的各组前端设备(18)和用户工具(2)的共存是通过如下实现的：
-在上行和下行这两个通信信道中的相应信号发送装置中的功率控制；
-网络拓扑，其中来自所有用户工具(2)的信号在到达组成另一个组的工具(18，2)之前首先经过对应于它们的组的前端设备工具；以及
-通过在重用相同频率和时间的前端设备工具(18)之间发送信息或者通过与一个主要前端设备工具(1)通信来测量这些前端设备工具之间的衰减，以便这个测量被用来调整可能用于用户工具(2)的最大发送功率。
20.根据权利要求16所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于在下行信道中，所有前端设备工具(18)以可能用于通过电网通信的最大功率(S1，S2)来发送，以便对于在用户接收器中的信噪(S/N)比(6)的最大值将由重用相同范围的频率和时间的前端设备工具之间的衰减(L)来限制，同时如果有一个使用另一个范围的频率和/或时间的主要前端设备(1)，则它将是负责利用信道控制以及最好是利用控制消息来调整在各种前端设备工具(18)中需要的不同增益的这个主要前端设备工具(1)。
21.根据权利要求16所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于为了保证在上行通信信道中重用相同频率和时间的各组工具的共存，用户工具(2)中的发送增益被调整，以便到达另一个组的前端设备(18)并且可能干扰这个组的信号功率的电平与线路上的噪声(9)电平相差不大。
22.根据权利要求21所述的用于在电网上的数字正交频分复用多用户传输系统的自动增益控制系统，其特征在于在上行通信信道中，前端设备工具(18)检测从它的用户之一到达的功率并且决定是应当提高增益还是降低增益，随后最好是利用控制消息将这个信息传送到涉及的用户工具(2)；前端设备(18)通过使用在频率中被考虑的信噪比的估计的值、该估计的先前值以及噪声的估计来进行相应的决定。
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