CN1404309A - 正交频分复用系统的突发信号检测和自动增益控制方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用系统的突发信号检测和自动增益控制方法，在模拟正交解调和模数变换之后，进行基带数字信号的突发信号检测，并利用突发信号检测的结果来控制数字开关，同时AGC的工作也受到突发信号检测结果的控制，以达到调整系统整体增益的作用。本发明的实现方法简单，检测精度高，计算复杂度很小，能够实现快速AGC调整，可以用于各种OFDM系统，如欧洲数字音频广播和数字电视地面广播，无线局域网正交频分复用多址等系统的实现过程中。

Description

正交频分复用系统的突发信号检测和自动增益控制方法

技术领域：

本发明涉及一种正交频分复用系统的突发信号检测和自动增益控制方法，是一种在正交频分复用(OFDM)通信系统中进行信号检测并进行功率控制的方法，属于数字通信技术领域。

背景技术：

正交频分复用技术于上世纪60年代起开始应用于军用领域，直到70年代以后才逐渐进入民用领域。由于这种调制方式有很高的频谱利用率，所以在无线传输系统中有较多的应用。OFDM已经被欧洲的数字音频广播(DAB)和数字电视地面广播标准(DVB-T)所采纳，同时它也已经成为无线局域网(ETSIHiperlan/2和IEEE802.11a)和宽带无线接入(IEEE 802.16)的核心技术，并很有可能成为第四代移动通信的关键技术之一。

OFDM系统是一种分组业务系统，空闲时系统是处于等待状态，一旦有用户数据到来系统就转入数据的传送和处理过程。所以OFDM系统就需要进行系统突发信号的检测以决定对数据进行接收，这个过程即所谓的突发信号检测(BurstDetection)。

以往的OFDM接收系统的突发信号检测在射频部分完成，它是通过包络检测器和电桥网络实现的。由于RF包络检测器有一定的时延，当RF包络检测器输出大于电桥网络的某一参考电压，即检测到有信号传输时，已经有一部分帧头部有用训练信号丢失，不利于OFDM接收系统帧同步、频率同步的进行。同时，RF模拟器件比较容易受到干扰，器件本身具有一定的分离特性，导致突发信号检测检测精度不高，且容易受到影响。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种正交频分复用系统的突发信号检测和自动增益控制方法，实现对系统信号传输的检测以及对系统整体功率的控制，提高系统的性能。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，首先通过天线将信号接收下来，然后通过放大器、模拟正交解调和模数转换等模块将接收的射频信号转为基带数字信号。在模拟正交解调和模数变换之后，进行基带数字信号的突发信号检测。通过对基带的数字信号进行功率统计、计算得到信号的功率，然后对数字信号的功率进行变换产生派生序列，对派生序列进行判断就可以检测出有无信号传输，并利用突发信号检测的结果来控制数字开关，同时AGC的工作也受到突发信号检测结果的控制，以达到调整系统整体增益的作用。

派生序列可以有很多选择的方法，不仅可以与当前时刻的信号能量相关，而且也可以与前一时刻的信号能量相关。在信号检测的同时，检测的结果也送到自动增益控制AGC单元以实现对系统功率的调整。

本发明包括如下具体步骤：

1、接收信号并将信号转为基带数字信号。

将接收端通过天线接收下来的信号送入带通滤波器，通过带通滤波器将通带外的噪声滤除，并通过第一级放大器将信号放大，然后将接收到的射频信号转换为基带信号。转换的方法有很多，在OFDM系统中可以采用模拟正交解调(DAQM)的方法，将射频信号直接转成为基带信号，再通过模数变换(ADC)，将接收到的模拟信号转换为数字信号，以实现数字信号检测。

2、对信号功率进行统计。

以信号功率作为突发信号检测的检测变量可以比较好地反应信号的统计特性。令模数变换ADC输出的数字信号为S，该信号为复信号，求出传输信号的功率K作为检测变量。在计算功率时，每次计算N个数据的功率。N即检测数据长度。

3、对信号功率进行变换产生派生序列。

对信号功率进行适当变换，将得到的新的派生序列U(i)作为信号检测变量，从而使信号检测变得更加简单明了，同时通过变换序列也能够更加有效地进行信号的检测。

令U(i)为K(i)的派生序列，有

                  U(i)＝K(i)；          (1) $U\left(i\right)=10\log \left(\frac{K\left(i\right)}{K(i-1)}\right);---\left(2\right)$

当采用式(1)产生序列U(i)时，计算较为简单，计算量很小。可以通过调整接收信道的放大增益保证无线传输信道的总增益基本保持不变。这种检测方式在物理传输环境变化不大的情况下能够取得很好的检测结果。当物理传输信道变化较快时，这种调整将耗费大量的系统资源。采用式(2)产生序列U(i)时，U(i)的产生不仅与当前的K值有关，还与前一个时刻的K值有关，计算量相对较大。但这种检测方式对物理信道的变化有相当的适应性，可以取得较理想的检测结果。

需要注意的是，检测数据长度N的取值相当重要。如果N的取值过小，当信号中存在短暂的多径相位抵消或尖峰脉冲干扰时，系统将会发生误判。而且N值较大时，对信道变化的适应性也较好。但N值直接影响突发信号检测过程的延时，如果这个过程太长，将导致AGC调整过程较长。为克服这一问题，可以将式(1)，(2)作如下修改：

          U(i)＝K(i-1)+K(i)；          (3) $U\left(i\right)=10\log \left(\frac{K(i-1)+K\left(i\right)}{K(i-1)+K(i-2)}\right);---\left(4\right)$ 这样就可以较好的解决这一问题。

4、检测有无信号传输。

可采用如下的判断规则检测信号：

令W(i)为检测结果，当W(i)＝1时表示该段信号有数据传输，W(i)＝0时表示该段信号无数据传输。W(i)的初值为0即没有信号传输。令E₁和E₂是设定好的上下限值，有E₁＞E₂。E₁和E₂的设定与无线传输信道增益有关。如果U(i)≥E₁则W(i)＝1，否则如果U(i)＜E₂那么W(i)＝0，否则W(i)保持不变。

5、利用突发信号检测的结果来控制AGC过程。

突发信号检测和AGC两个过程是相互关联的。突发信号检测过程控制AGC过程的启动和停止，AGC过程根据收信通道增益动态调整突发信号检测的上报功率，反过来又影响到突发信号检测的工作。AGC输出的增益调整被分为两级，一级用作模拟增益控制，另一级用作数字增益控制。两级增益分配的主要依据是器件特性，其中模拟部分主要考虑的是可调增益器件的增益调整范围、有效利用ADC器件的字长和合理选择接收信号的灵敏度。

AGC过程是在突发信号检测确定已经开始接收信息时进行的。为简化AGC过程，可以利用在突发信号检测中统计的信号功率。控制策略可以采用如下的方式：

1、统计平均功率大于控制功率上限时

如可调增益小于最小增益与增益调节步长之和则报警，否则可调增益减小增益调节步长；

2、统计平均功率小于控制功率下限时

如可调增益大于最大增益与增益调节步长之差则报警，否则可调增益增加增益调节步长。

本发明的AGC过程采用了变步长的调整方式。如果采用定步长的调整方式，调整的步长为G_step，收敛速度比较慢，一般需要经过多次调整才能将功率控制在所需要控制的范围之内。而变步长的调整则有较快的收敛速度，能在很少的步骤内达到调整的目的。这种方法适用于某些信号功率较平稳，调整次数较少，调整速度要求较快的场合。

本发明进行的基带数字突发信号检测，在无线接收机中的位置是在模数转换器之后而不像RF模拟检测一般在低噪声放大器之后。

本发明基带数字信号的突发信号检测避免了传统方法存在的一些问题，它不会丢失有用的训练信号。由于它是基于数字信号的，检测的精度只受数字硬件器件位长限制。同时，在数字域检测信号时需要统计信号平均功率，可以被自动增益控制AGC调整过程利用，减少AGC调整所需的时间。这种基于基带数字信号的检测方法其设计难度也远低于RF模拟检测电路设计。通过自动增益控制AGC可以对系统内信号的功率进行自适应的控制，使得在模拟部分能够充分利用ADC的调整范围和精度，以提高OFDM系统的性能。

本发明可应用于单载波OFDM通信系统，也可应用于多载波OFDM通信系统。

附图说明：

图1为本发明用于单载波OFDM接收系统的框图。

如图所示，从天线接收到的信号经过一个带通滤波器，将滤波器通带外的噪声滤除，然后经过第一级功放将模拟信号放大，随即经模拟正交解调(DAQM)将信号从射频调至基带，然后的模数变换模块将模拟信号转换成数字信号。接下来就要进行突发信号检测。首先统计N个采样数的功率，然后利用统计的功率结果求出派生序列，根据产生的派生序列再判断有无信号传输。根据判断的结果来控制后面的数字开关来控制后续电路：功放、同步以及FFT等的工作与否，这样可以使后续电路在无信号时处于休眠状态而达到节电的目的。同时，根据判断的结果向AGC模块上报结果。AGC将功率调整结果送给前后两个功率放大器，这样AGC就根据上报结果来达到对放大器功率控制的目的。第二级功率放大器再将放大的信号送给同步/下变频单元，然后再经过FFT将各载波信号分开。最后将信号送往后续的去交织等电路。

图2为OFDM系统中突发信号检测对AGC进行控制时各参数之间的相互关系。

如图所示，P_s是经过AGC调整以后短训练序列的平均功率。E_up、E_low分别是系统所能承受的功率上限和下限。P_up和P_low之间的范围为经过AGC调整以后的信号动态范围。

具体实施方式：

以下结合附图及单载波OFDM通信系统应用实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明可以应用到无线局域网IEEE802.la的接收系统中，功能框图如图1所示。在接收端，信号经过天线接收后，经过带通滤波器将滤波器通带之外的噪声信号滤除，滤波后的信号输入第一级功放将信号进行放大。经过放大之后的信号将要经过模拟正交解调DAQM模块，该模块的主要功能就是将信号从中频直接解调至基带，这比以往的多级解调的方法要方便得多而且效率也高很多。为了在基带进行数字信号检测，就要使用模数转换模块将模拟信号转成数字信号，这样就可以实现数字信号的突发检测。在突发信号检测阶段，接收的数字信号为S(nT)，记为S(n)，并且令：

                  S(n)＝I(n)+jQ(n)式中I(n)，Q(n)分别为采样时刻nT时，I路和Q路输出信号。检测变量K如下所示： $K\left(i\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}S(i*N+m)S*(i*N+m)$ 其中N为进行突发信号检测时每次检测数据的长度，从802.11a系统帧结构考虑选择N为8，即每8个数据进行一次信号检测，这在802.11a系统中有利于对短训练序列的检测以确定数据帧的开始，同时也保证了信号检测的及时性。

为了简单起见，这里所采用的派生序列U(i)为：U(i)＝K(i)。当U(i)的值超过了某个阈值Th就认为检测到了信号。在这里的系统中突发信号检测所能检测到的信号强度为-70dbm。同时，突发信号检测会打开数字开关来进行数据帧的接收。平时同步、FFT等模块都处于休眠状体，这时它们才开始工作接收数据。

在进行信号检测的同时，突发信号检测将检测结果传送给AGC，通过突发信号检测得到的数字信号的功率来控制AGC的启动和停止。AGC根据功率统计的结果来控制链路上的功放使得系统的功率被控制在一定的范围内。AGC过程采用变步长的调整策略。功率统计长度N为24个三倍速点，AGC的总环路延时不超过8个1倍速样点。通过模拟增益控制将信号短训练序列功率控制在E_s_up到E_s_low的范围内。在具体实现过程中，有几个重要的参数要提前确定。

1、E_up，E_low

E_low体现了系统对信号检测的灵敏度。E_low为P_in_low+G，G为接收通路的增益。E_up是系统所能承受的功率上限。

2、P_s，P_s_low，P_s_up

P_s是经过AGC调整以后短训练序列的平均功率。P_s_low和P_s_up是AGC调整短训练序列的精度。它设定的依据是AGC增益调整的误差，主要考虑可控增益放大器本身的误差和给出的增益调整指令的误差。

3、G_max，G_min，G_init

G_max是系统所能调节的最大增益，G_min是系统所能衰减的最小增益。G_init是系统设定的初始化增益。

这些参数的关系如图2所示。P_s是经AGC调整后短训练序列的平均功率。而P_up和P_low之间的范围为经过AGC调整以后的信号动态范围。

AGC的结果将分别送给两级放大器以调整它们的功率。第二级功率放大器再将放大的信号送给同步/下变频单元，然后再经过FFT将各载波信号分开。最后将信号送往后续的去交织等电路。

Claims (2)

1、一种正交频分复用系统的突发信号检测和自动增益控制方法，其特征在于包括如下步骤：1)将接收信号通过带通滤波器将通带外的噪声滤除，并通过第一级功率放大器将信号放大后，采用模拟正交解调DAQM方法，将射频信号转为基带信号，通过模数变换ADC，将模拟信号转换为数字信号；2)对模数变换ADC输出的基带数字信号进行功率统计，计算得到信号的功率K(i)，在计算功率时，每次计算N个数据的功率，N即检测数据长度；3)对信号功率进行变换，根据U(i)＝K(i)或 $U\left(i\right)=10\log \left(\frac{K\left(i\right)}{K(i-1)}\right)$ 产生派生序列U(i)，并将U(i)作为信号检测变量；4)检测有无信号传输，令W(i)为检测结果，当W(i)＝1时表示该段信号有数据传输，W(i)＝0时表示该段信号无数据传输，W(i)的初值为0，当U(i)≥E₁则W(i)＝1，当U(i)＜E₂则W(i)＝0，否则W(i)保持不变，其中E₁和E₂是设定好的上下限值，有E₁＞E₂，突发信号检测结果用以控制后续电路，并送自动增益控制AGC模块；5)自动增益控制AGC过程采用变步长的调整方式，将功率调整结果送给前后两级功率放大器，并控制放大器功率。

2、如权利要求1所说的正交频分复用系统的突发信号检测和自动增益控制方法，其特征在于对信号功率进行变换时，根据U(i)＝K(i-1)+K(i)或 $U\left(i\right)=10\log \left(\frac{K(i-1)+K\left(i\right)}{K(i-1)+K(i-2)}\right)$ 产生派生序列U(i)。

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