CN1820475B - 用于无线电接收器初始增益的选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用数字自动增益控制(AGC)模块(55)的正交频分复用(OFDM)无线收发器。该数字自动增益控制模块是用来将增益设定至初始增益值(104)，以用于将接收到的无线信号(100)对应到具有规定输入范围的输入电路的第一功率值(106)。该初始增益值的设定与规定输入范围及规定信噪比(200)有关。若此数字AGC模块确定(204)所接收的无线信号的第一功率值未超过规定的输入范围，则该数字自动增益控制模块为所接收的无线信号计算一个最佳增益(102)，该最佳增益的计算与初始增益值和第一功率值(208)有关；若该第一功率值超过规定输入范围，则该AGC模块基于将增益(206)设定至最小增益值(115)而确定一最佳增益。

Description

用于无线电接收器初始增益的选择方法
技术领域
本发明涉及一种无线电接收器的自动增益控制器(AGC)模块，例如，以IEEE802.11a为基础的正交频分复用(OFDM)接收器。
背景技术
局域网络以往是以网络电缆线或其它媒介在网络站台之间链接站点。新的无线技术已发展到利用OFDM模块技术应用于无线局域网络上，其包括无线局域网络(即，拥有固定存取点的无线基本构造)，移动特定网络等。特别是，IEEE802.11a标准，全名为“无线局域网络媒体访问控制(MAC)与物理层(PHY)规范：在5GHz频宽中的高速物理层”(Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and PhysicalLayer(PHY)specifications：High-speed Physical Layer in the 5GHzBand)，其详细指出：一个无线局域网络的正交频分复用物理层(OFDMPHY)的数据负载(payload)能力最高至54Mbps。此IEEE802.11a标准明确说明使用52次载波频率的物理层系统，其是以二元相移键控(BPSK)、四相移键控(QPSK)、十六相正交调幅(16-QAM)或六十四相正交调幅(64-QAM)调制的系统。
因此，IEEE802.11a标准明确说明具有减少数据错误的多种技术且提供高速无线数据传输的OFDM PHY。
将以IEEE802.11a标准为基础的正交频分复用处理物理层应用在硬件上时，特别值得注意的包括：有提供能实施于小型无线装置而可提升成本效益的精简装置。由此，实施时一般需注意成本效益、装置大小以及装置复杂度。
特别的，自动增益控制(AGC)模块被用来确保已接收的无线电信号已放大为与接收器的模拟(A/D)转换器的动态范围匹配。通讯系统一般使用模拟AGC模块以控制由接收器天线所接收到的无线电信号。尤其，AGC可控制模拟放大器并确定与A/D转换器的输入范围的放大信号相关的峰值信号；若放大信号的峰值超过A/D转换器的输入范围，则AGC模块利用回馈控制系统减低模拟放大器的增益。然而，实际上的延迟是由测量信号和调整相对于回馈系统的增益所需要的时间而引起的。对于依据IEEE802.11a传输的数字无线电信号，这些问题更大，因为接收到的信号有一个范围，约在-90dBm至-30dBm之间。因此要将一个稳定回馈控制系统提供给模拟AGC模块的难度增大。
发明内容
需要一种配置，其使无线电收发器通过调整放大器将已接收到的无线电信号在最小延迟时间内放大至最佳增益，使来自已接收到的无线电信号的信息损失最小。
这些和其它的需求皆由本发明而获得，其中的OFDM无线电收发器使用数字AGC模块。该数字AGC模块设定增益至一个初始的增益值，以将接收到的无线电信号对应至具有规定输入范围的模数(A/D)转换器的第一功率值。该初始增益值相对于规定输入范围和规定的信噪比进行设定。若数字AGC模块确定接收到的无线电信号第一功率值并未超过规定输入范围，则该数字AGC模块将关于初始增益和第一功率值为接收到的无线电信号计算一个最佳增益；若第一功率值超过规定输入范围，该AGC模块将基于将增益设定至最小增益值而确定一最佳增益。因此，该AGC模块可对于用于A/D转换器的放大接收信号提供迅速收敛到最佳增益，也提供OFDM无线电收发器附加时间使之与接收到的信号同步。
该发明的一个方面在于提供一个方法给无线电接收器。该方法包括了将增益设定为初始增益值，以将已接收的无线电信号对应至第一功率值，用以将该已接收的无线电信号提供至一个有规定输入范围的输入电路。该方法同时也包括了以初始功率值将所接收到的无线电信号放大至第一功率值。若已接收的无线电信号的第一功率值并未高过规定输入范围，则相对于初始增益值和第一功率值确定接收无线电信号的最佳增益。若已接收的无线电信号超过规定输入范围，则基于将增益设定成最小增益值而确定已接收的无线电信号的最佳增益。由此该已接收的无线电信号因此以最佳增益输出。
该发明的另一个方面在于提供一个无线电收发器。该无线电收发器包含了一个有规定输入范围的输入电路，以及一个数字增益控制器。该数字增益控制器为规定输入范围而将接收到的无线电信号放大至最佳增益值，其通过如下设置：
(1)将增益设定为初始增益值，以将已接收的无线电信号对应至第一功率值，用以将该已接收的无线电信号提供至输入电路；
(2)以初始增益值将已接收的无线电信号放大至第一功率值；
(3)若该已接收的无线电信号的第一功率值并未超过规定输入范围，则对应于初始增益值和第一功率值确定已接收的无线电信号的最佳增益；以及
(4)若已接收的无线电信号的第一功率值超过了规定输入范围，将基于将增益设定至最小增益值而确定最佳增益。
该发明的其它优点及新颖的特征将在稍后的叙述中部分提出，而其它部分将在本领域技术人员对后面的叙述的检验时而变得更加明白或由实际操作该发明而理解。该发明的优点可用在附加在后面的权利要求所特别提出的工具和组合方式来理解和取得。
附图说明
参考附图可更加了解本发明的说明，其中附图中具有相同附图数字标记的元件表示全部相似的元件，且其中：
图1为例示根据本发明的一实施例所实施的IEEE802.11aOFDM收发器的接收器模块图；以及
图2为例示依据本发明的一实施例的图1的数字自动增益控制(AGC)模块图。
图3为依据本发明的一实施例由AGC模块计算已接收的无线电信号的最佳增益的方法。
具体实施方式
参考IEEE802.11OFDM收发器概述，接着依据本发明一具体实施例详述所实施的数字AGC模块，来说明本发明公开的实施例。
接收器构造概述
图1为例示依据本发明一实施例的IEEE802.11OFDM收发器的接收器模块50的构造图。该接收器模块50实施为一数字电路，包含了一个同相与90度相移(I/Q)失配补偿模块52，该模块52接收来自于具有A/D转换器的射频(R/F)模拟前端(AFE)放大器40所检测的无线电信号样本(数字形式)。该AFE放大器40的增益由AGC模块55所控制。而该检测到的无线电信号样本包含了I组件和Q组件：这些I和Q组件理想中应互相正交并有一致的相对增益，而事实上这些I和Q组件会有非正交的相位差(即，并未相差90度)，且无相等的增益。因此I/Q失配补偿模块用于补偿失配的I/Q组件以产生信号样本，其使I/Q组件与正交相差和具有一致的相对增益相匹配。
该接收器模块50同时包括了一动态范围调整模块54。该动态范围调整模块54配置为用于调整补偿信号样本的增益至最佳信号处理的规定动态范围，由此输出依据规定的动态范围调整过的信号样本。
转子电路56配置为在本地接收器载频(即：本地振荡器)和用以传送无线电信号的远程发射器载频(即：远程振荡器)之间进行补偿。特别地，粗/精细(coarse/fine)频率偏移量评估器58是用于评估本地接收器载频和远程接受器载频之间的差异，并将该差异提供给相量(phasor)电路60；该相量电路60将该差异值转换为复数相量值(complex phasor)(包括角度的信息)并提供给转子电路56。因此转子电路56基于复数相量值旋转已调整的信号样本，且输出该旋转后的信号样本。
循环缓冲器62(circular buffer62)用于缓冲上述的旋转后的信号。特别地，并不保证数据包的开端位于旋转后的信号样本序列内的同一位置。因此，该旋转后的信号样本以一种方式存于该循环缓冲器62中，以使任何在规定间隔内(例如：一个最大长度的数据包)的数据样本皆能位于该循环缓冲器62中，并能从中检索出来。一旦循环缓冲器62达到饱和，任何将储存在循环缓冲器62中新的信号样本覆盖先前储存的旧信号样本而重写。因此，该循环缓冲器62使接收器50能够调整数据包的位于旋转后信号样本序列内的“开始点”。
快速傅立叶变换(FFT)电路64配置为用于将旋转后的信号样本基于时间的序列转换为规定频率点的基于频域的序列(即：音调(tone))；依据该公开的实施例，该FFT电路64将旋转后的信号样本对应至52个可用音调的频域。
特别地，该52个可用音调用于传输信息：4个音调用于前导音调(pilot tone)，剩余的48个音调用于数据音调(data tone)，该52个音调各可携带1-6个信息位。依据IEEE802.11a/g的规范，物理层数据包应该包含一个短的训练序列(training sequence)、一个长的训练序列、一个信号字段(指数据率和负载长度，且以最低数据率6Mbps编码)，以及以从6Mbps至54Mbps的八个数据包率之一编码的负载数据符号。该FFT电路64从信号字段中确定出数据率，并且恢复数据音调。
该FFT电路64将一组音调数据输出至缓冲器66，如图1例示为第一缓冲器部分66a、第二缓冲器部分66b以及开关66c：该FFT电路64在缓冲器部分66a与66b之间交替输出音调数据组，使开关66在FFT电路64正输出下一组音调数据进入另一个缓冲器部分(例如：66b)时，从一缓冲器部分(例如：66a)输出一组音调数据。注意，实际上的实施可利用寻址逻辑来执行开关66c的功能。
由于FFT电路64输出的某些音调在无线电信道中可能会因为信号衰减或失真造成时强时弱(fading)的情况，因此需要均衡以校正这强弱不一的情况。频域均衡器(frequency domain equalizer)68配置为用于翻转音调所受到的时强时弱状态，以提供均衡的音调(equalizedtone)。信道评估器70从IEEE802.11开头的长训练序列得到信道信息；该信道评估器70使用该信道信号以评估信道特性；该评估的信道特性被提供给频率均衡器68以能够均衡各音调。
除粗和细频率偏移器评估器58、相量电路60和信道评估器70以外，接收器模块50中还包括时间同步模块72、频率追踪块74、信道追踪块76、和定时校正块78，用来控制调节以确保所接收到的信号样本译码无误而复原原有的数据符号的信号。
译码部分80包括了数字限幅器模块82、解交错器84和维特比译码器86。该数字限幅器模块根据信号开头的信号域中的数据率从各音调中恢复最多6位符号数据。该解交错器84将传输器交错电路反向操作，并且重新将解交错后的数据重新安排回解交错的数据的正确的位置。该维特比译码器86配置为将解交错的数据编码成编码后的数据，以符合IEEE802.11规范。
解码器电路90是根据IEEE802.11规范，通过将由译码传输器的编码器所产生的127位序列解码，以将来自译码后的数据恢复原串行位流。该解码器电路90利用由种子评估电路(seed estimation circuit)92恢复的来自数据包服务字段中的编码种子来进行解码操作。该来自于前导码的信号域的信息也储存在信号域缓冲器94中，其配置为用于将负载的长度和数据率储存在数据包中。接收器50的部件的总体控制是由状态机96维持。
因此，该由解码电路90恢复的串行位流，输出至符合IEEE802.11的媒体访问控制器(MAC)。
最佳初始增益选择
图2依据本发明的实施例例示图1的数字AGC模块55的操作图。该数字AGC模块55配置为控制已接收的无线电信号(PIN)100以最佳增益(GAIN)102的放大，以使输入电路的规定输入范围最佳化，该输入电路为例如在AFE40中的A/D转换器。
如上所述，一个在现有AGC系统中所出现的问题为以模拟为基础的AGC算法需要一段相对较长的时间使数据收敛至最佳值，其限制了接收器可与接收到的无线电信号同步的可用时间。
依据该公开的实施例，计算了一给定动态范围的初始增益104(G＝GINIT)，使得所接收的无线电信号样本100将对应至第一功率值(P1)106；该第一功率值106用于确定该初始增益104是否将接收到的无线电信号(PIN)100对应到输入电路(即：A/D转换器)的给定动态范围(即输入范围)内。该数字AGC模块(即数字增益控制器)55包括放大器110、饱和检测器112、初始增益选择器114和增益计算器116。
依据该公开的实施例，该初始增益选择器114配置为用于一初始设定增益值(G＝GINIT)，使有相对较小信号的输出级的接收到的无线电信号(PIN)100将放大至匹配输入电路(如：A/D转换器)输入范围的足够的功率级。例如，接收到的无线电信号(PIN)100可能有足够大的输入信号范围，约为-90dBm至-30dBm的程度(注：0dBm定义为进入一终端端点的1mW功率)，而一个A/D转换器可能配置为具有1V(相当于50欧姆的13dBm)输入范围内含的10位A/D，其量化噪声底部为1/512(2mV)。另外，假设图1的模拟前端(AFE)放大器40提供了一个可被设为最高增益35dB的模拟增益(GANALOG)，其产生95dB的总最高增益。
因此该初始增益选择器114将增益(G)设为一初始增益值(G＝GINIT)，以使具有相对最小输入级的已接收到的无线电信号(PIN)100能够放大至可在输入电路(如A/D转换器)的量化噪声级上检测，且优选为该量化噪声级的4倍(4x)。一旦已接收的无线电信号对应至输入电路的输入范围内的第一功率值106，则该内部计算器116即为已接收到的无线电信号(PIN)100计算最佳增益(GAIN)102，使最佳增益值102能在两个步骤内确定，该两步骤即大约为状态机96的两个执行周期内。
若饱和检测器112检测到第一功率值106超过输入电路的规定输入范围，这表示接收到的无线电信号100有一个高输入级，该初始增益选择器114会将增益104重设至一最小增益值(如：通过设定并将一个标记(F)115输出至初始增益选择器114)，使内部计算器116能够依据将增益设定成最小增益值(GMIN)的初始增益选择器114确定最佳增益102。换句话说，该内部增益计算器116依据已接收的无线电信号100是否根据饱和检测器112所检测到的缺乏或拥有饱和状态而分别具有低输入级或高输入级，来确定最佳增益102。因此，该内部计算器116可以根据确定检测到的饱和对应至具有高级的信号来开始计算，使得自动增益控制器能在两步骤内获得设计的增益102，该两个步骤大约在状态机的两个执行周期内。
图3为依据本发明的实施例例示执行最佳初始增益选择方法的操作图。该初始增益选择器114在步骤200计算初始增益，使得输入信号的期望最小信号级(PIN-MIN)可在A/D转换器的量化噪声级上检测，且具有足够的信噪比。该初始增益也取决于由模拟前端所产生的最大模拟增益(GANALOG)和增益102的最大值的结合。
一旦该初始增益已设定，则放大器110在步骤202通过增加初始增益(G＝GINIT)来放大接收到的信号(PIN)100，以获得第一功率值(P1)106。在步骤204中，若饱和检测器112检测到放大信号106的饱和，则初始增益选择器114在步骤206中将增益104重设至最小增益值(G＝GMIN)，使得在步骤206中，放大器110依据该最小增益输出新的放大的信号106。于是在步骤208中，内部计算器116计算出期望的增益102，使输入信号100能以最佳增益输出以匹配输入电路的输入范围。
若在步骤204中饱和检测器112并未检测到饱和，则增益计算器116在步骤208中将以由现有的初始增益(G＝GINIT)放大且落在输入电路的输入范围内的放大器信号106来计算所要的增益。
因此，增益选择能够更快执行，且使用公开的增益选择能够更为精确。
应用于无线区域所使用的二元搜索的AGC算法
上述实施例的一种变化包括由初始增益控制器114将新增益设为初始最高增益值的一半。特别是，使用试误法来确定正确增益，如同现存的AGC算法所执行的一样，可能会造成电位振荡以及一段长的收敛时间。
为解决该问题，该初始增益可被设为最大增益值。在以最大增益放大信号后来测量平均信号：若检测结果为饱和，则该新的增益将设为先前增益的一半(在此第一情况为最大值的一半)。该程序将一直重复至信号级基本等于或接近期望的级。
通过S形函数权重的AGC算法
另一种调整增益的变化包括调整S形函数的斜率。特别是，该增益乘以权重值：若发生饱和，则将该权重调整为小于1；若该输出信号值太小，则将该权重将调整为大于1。
尽管本发明已经以目前的最实用的实施例进行了描述，但是我们必须知道本发明并非限定于该公开的实施例，而是相反的，本发明将包含所有在附加于后的权利要求书的精神与领域之内的各种的修改和均等的布置。

Claims (7)

1.一种无线电收发器内的方法，该方法包括：
将增益设定为初始增益值(104)，以将已接收的无线电信号(100)对应至第一功率值(106)，用以将已接收的无线电信号供应到具有规定输入范围的输入电路；
以初始增益值将已接收的无线电信号放大(202)至第一功率值；
若已接收的无线电信号的第一功率值没有超过规定的输入范围(204)，则在以初始增益值将已接收的无线电信号放大至第一功率值时，确定已接收无线电信号的最佳增益(208)；
若已接收的无线电信号的第一功率值超过规定的输入范围，则根据将增益设定至最小增益而确定已接收无线电信号的最佳增益值，并且同时以最小增益值将已接收的无线电信号放大(206)；和
以最佳增益(102)输出已接收的无线电信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述设定步骤包括：
根据该无线电收发器的动态范围和规定的信噪比(200)设定初始增益值。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述动态范围包括由模拟前端放大器所供应的最大模拟增益，和增益的最大范围。
4.一种无线电收发器，其包括：
具有规定输入范围的输入电路；以及
用于将已接收的无线电信号(100)以针对规定的输入范围放大至最佳增益值(102)的数字增益控制器(55)，数字增益控制器包括放大器、饱和检测器、初始增益选择器和增益计算器：
初始增益选择器用于将增益设定为初始增益值(104)以将已接收的无线电信号对应至第一功率值(106)以将已接收的无线电信号供应至输入电路，
放大器以初始增益值将已接收的无线电信号放大(202)至第一功率值，
若饱和检测器检测已接收的无线电信号的第一功率值未超过规定输入范围，则增益计算器确定关于初始增益值和第一功率值(208)的已接收的无线电信号的最佳增益，以及
若饱和检测器检测已接收的无线电信号的第一功率值超过规定输入范围，则增益计算器基于将增益设定(206)至最小增益值以确定已接收的无线电信号的最佳增益。
5.如权利要求4所述的无线电收发器，其中所述数字增益控制器配置为用于依据无线电收发器的动态范围和规定的信噪比来设定初始增益值。
6.如权利要求5所述的无线电收发器，其进一步包含一个模拟前端放大器，该模拟前端放大器是用于以最大模拟增益来放大已接收的无线电信号，并用于将已接收的无线电信号输出至该数字增益控制器，其中所述动态范围包含最大模拟增益和该增益的最大范围。
7.如权利要求6所述的无线电收发器，其中该无线电收发器是依据IEEE 802.11a协议，配置为用于接收无线电信号的正交频分复用OFDM接收器。
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