CN2757440Y - 时分双工无线通信系统的自动增益控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种时分双工无线通信系统的自动增益控制装置，其包括：分段同步开关，其对输入的第一无线信号实现分段功能；分段自动增益控制装置，其包括依次电路连接的可变增益放大器和模数转换器，所述第一无线信号经分段同步开关后，再经可变增益放大器放大及模数转换器转化后输出第二无线信号；分段信息产生装置，其输入端连接所述的模数转换器的输出端，其输出端连接所述的分段同步开关的控制端，其用于产生分段信息以控制分段同步开关。该装置能很好地克服TDD系统中上下行功率差异对于自动增益控制的影响，结构简单。

Description

时分双工无线通信系统的自动增益控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于时分双工(Time Division Duplex，TDD)无线通信系统中的自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)装置。

背景技术

在无线通信系统中，无线通信信道的衰落、阴影、多径效应，以及其它各种因素均会造成接收信号的幅度及功率的变化，且这种变化极度不平稳，具有很大的动态范围。

对于因上述原因而引起动态范围很大的接收信号，一般可以通过以下两种方式进行处理：一是增加模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)的字长，从而扩大ADC动态范围以保证大信号和小信号的处理损失不超过某一水平；二是通过调整接收增益，将大信号缩小至或者将小信号放大至合适的水平。这种在不增加ADC字长的条件下，将大动态范围的信号自动调整为适合于ADC小动态范围的信号的技术称之为自动增益控制。小动态范围的信号对于接收滤波器的设计和实现要求较低，从而降低了整个接收机的成本。方式一通过增加处理成本来保证性能，并且增加的字长将提高后续处理的复杂程度，这样限制了它的应用。而方式二只需增加一个功能模块就可以充分利用已有处理资源，从而降低了实现成本，因而得到了广泛的应用。

在TDD系统中，下列情况对于自动增益控制技术提出了新的挑战。

如图1所示，为一TDD通信系统中一采用包含分别可用于上行和下行通信时隙的帧结构示意图。在TDD系统的接收信号帧结构中，上下行时隙之间的功率值相差会十分大。例如，在时分—同步码分多址系统TD-SCDMA中，对于用户终端(User Equipment，UE)相差值可达到数十个分贝(dB)。

在用户终端(UE)尚未建立同步的情况下，该UE尚无法区分基站发送的下行同步信号和邻近UE的上下行信号。特别是邻近UE发送的上行同步信号和上行业务信号功率相比基站发送的下行公共信号会十分大，对下行同步信号的接收造成了很大的干扰。

上述因素将导致接收信号幅度及功率可能在一时间段(例如一帧)内有剧烈的变化，即有很大的动态范围。传统的自动增益控制技术中通常在经过一定周期之后才能更新增益。因此，在功率变化很大时，大动态范围的信号输入ADC中。大信号将使ADC饱和而小信号ADC无法表示，导致ADC的精度下降，影响接收性能甚至引起通信的无法建立或中断。美国专利公开US6418303提出的高速自动增益控制方案可以通过缩短增益调整周期来解决该问题，但所用装置对实现要求很高，相应的控制复杂，导致实现成本高，应用受到限制。

另外，大多数TDD系统中采用的方案是利用上一帧某时隙信号计算出的增益来控制下一帧对应时隙的信号。然而在接收机没有获得同步之前是无法确定时隙的起始位置的。如果一个帧长范围内不同时隙之间功率差别很大，尤其是整个数据段的平均功率和接收机需要检测的下行同步(或者导频)信号的平均功率相差很大时，根据整个数据段计算出的接收增益将不适合所需要检测的下行同步信号，从而严重影响对下行同步(或者导频)信号的接收。

如图2所示，为一TDD系统中，检测器寻找下行同步信号的示意图；在该TDD系统中，用户终端(UE)尚未获得帧同步，因此该UE接收整帧的信号，并在其中寻找下行同步信号。一般通过寻检测器如相关器，寻找下行同步信号，由检测器的输出的最大值的位置来判断下行同步信号的位置。由于在TDD系统中，上行时隙和下行时隙是在同一频率上传输，因此当邻近UE发射很大的上行信号时，该信号会被该UE接收。传统AGC方案产生的该帧信号的增益将跟踪很大的上行信号。该增益不适合所需要检测的下行同步信号从而使得检测器错误检测位置，无法正确获得同步。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于时分双工(TDD)无线通信系统接收机中的一种自动增益控制装置，该装置可使在上下行时隙功率很大、以及尚未建立同步的情况下，给所要接收的信号提供合适的增益，从而使通信系统正常建立同步和通信。

为达到上述目的，本发明提供一种时分双工无线通信系统的自动增益控制装置，其包括：

分段同步开关，其对输入的第一无线信号实现分段功能；

分段自动增益控制装置，其包括依次电路连接的可变增益放大器和模数转换器，所述第一无线信号经分段同步开关后，再经可变增益放大器放大及模数转换器转化后输出第二无线信号；

分段信息产生装置，其输入端连接所述的模数转换器的输出端，其输出端连接所述的分段同步开关的控制端，其用于产生分段信息以控制分段同步开关。

本实用新型提供的时分双工无线通信系统的自动增益控制装置，能很好地克服TDD系统中上下行功率差异对于自动增益控制的影响。该装置结构简单，采用的定时控制比较宽松，易于实现，可采用一般数字处理器，占用资源很少。

附图说明

图1是一TDD通信系统中，采用包含分别可用于上行和下行通信时隙的一个帧结构示意图；

图2是一TDD通信系统中，检测器寻找下行同步信号的示意图；

图3是本实和新型的装置的电路方框图；

图4是本实用新型装置中的分段信息产生装置的电路方框图；

具体实施方式

以下根据图3～图4，以一TD-SCDMA系统(时分—同步码分多址系统)为例，说明本实用新型的一较佳实施方式。

如图3、4所示：为本实用新型的时分双工无线通信系统的自动增益控制装置的电路方框图，该装置包括：

分段同步开关302，其对输入的第一无信号301实现分段功能；

分段自动增益控制装置31，其包括依次电路连接的可变增益放大器313和模数转换器314，所述第一无线信号301经分段同步开关302后，再经可变增益放大器313放大及模数转换器314转化后输出第二无线信号315。

分段信息产生装置32，其输入端连接所述的模数转换器314的输出端，其输出端连接所述的分段同步开关302的控制端，其用于产生分段信息以控制分段同步开关。

所述的分段自动增益控制装置31还包含以下部件：

平均功率测量器316，对某一时间段，计算第二无线信号315的平均功率；

目标功率比较器317，计算该平均功率与预定目标功率之差值，并对该差值做数字处理，产生对应于该时间段作用于下一帧的增益值的控制信号318。

所述的平均功率测量器316，对某一时间段，计算输出信号的平均功率，具体公式是：

$P\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{k\∈P}{\mathrm{\Σ}}({\left\{I\left(k\right)\right\}}^2+{\left\{Q\left(k\right)\right\}}^2)$ (等式1)

式中P(i)是第i时间段的平均功率，P是功率计算的样本集，该样本集与时间段相关。N是样本集的元素个数。I和Q是正交解调信号。

目标功率比较器317，计算该平均功率P(i)与预定目标功率P_target之差值，并对该差值做数字处理，产生对应于该时间段作用于下一帧的增益值的控制信号37。所述的计算平均功率与预定目标功率之差，具体公式是：

$\mathrm{\ϵ}\left(i\right)=\sqrt{\frac{P_{t\arg \mathrm{et}}}{P\left(i\right)}}$

式中ε(i)是第i时间段功率与预定目标功率之差，P_target是系统的预定目标功率。

所述的对该差值做处理，具体公式是：

${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{high}}& \mathrm{\&epsiv;}\left(i\right)>{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{high}}\\ \mathrm{\&epsiv;}\left(i\right)& {\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{low}}\&le;\mathrm{\&epsiv;}\left(i\right)\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{low}}& \mathrm{\&epsiv;}\left(i\right)<{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{low}}\end{array},\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{high}}\right.$

式中ε′(i)是处理后的第i时间段功率与预定目标功率之差，ε_high和ε_low是处理算法的参数。

所述的得到更新的可变增益放大器313的增益g_n(i)，具体公式是：

g_n(i)＝g_n-1(i)gε′_n-1(i)

或

20log_n(i)＝20logg_n-1(i)+20logε_n-1′(i)

式中下标n表示帧的序号，g_n-1(i)是在第i时间段第n-1帧时可变增益放大器313的增益。

如图4所示，本实用新型的分段信息产生装置32的功能就是产生分段自动增益控制所需的第一分段信息，其包括：

初始增益判断器321，其功能是判断输入的第二无线信号315所被放大的增益是否已满足功率包络计算器322的要求。具体的判断标准如下所述，按上述等式1计算第二无线信号315的平均功率，并与目标功率P_target比较，如果相差在正负6dB之内，就认为已满足功率包络计算器322的要求，并开始后续的操作。

功率包络计算器322，如果上述增益是合适的，则通过计算接收到的第二无线信号315在一帧时间内的功率电平变化，得到信号的功率包络。

功率包络辨识器323，其对所得到的功率包络进行辨识，由此得到最终输出的第一分段信息324。功率包络辨识器的好处是通过功率包络辨识把可能存在的功率差异很大的数据段(时隙)分开，这些数据段单独做自动增益控制(AGC)，互不影响，尤其是对要检测的下行同步(或者导频)信号所在的数据段的AGC不存在影响。

所述的初始增益判断器321包括：平均功率计算器及目标功率比较器。

所述平均功率计算器，其对某一时间段，计算所述无线信号的平均功率，具体计算公式为：

$P\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{k\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}({\left\{I\left(k\right)\right\}}^2+{\left\{Q\left(k\right)\right\}}^2)$ (等式1)

式中P(i)是第i时间段的平均功率，P是功率计算的样本集，该样本集与时间段相关。N是样本集的元素个数。I和Q是正交解调信号。

所述目标功率比较器，将所述的平均公率与预定目标功率P_target进行比较，如果相差在正负6dB之内，就认为已满足功率包络计算器322的要求。

在判断所述增益适合后，所述的功率包络计算器接收一帧完整的无线信号，该功率包络计算器包括：

计算每一个同步符号功率的装置，其先假定接收时刻为一个符号的起点，将所有属于该符号的码片功率相加，即得到每一个同步符号的功率；虽然实际的接收时刻不一定是符号的起点，但功率包络只关心大致位置范围，因此该假定不会对最终结果产生较大影响；

计算每一个位置的功率的装置，计算在整帧接收数据上，每4个符号作为一个位置，将这连续4个符号的功率按下述公式计算该位置的功率包络值PR(i)，式中i代表4个符号合并后的位置，P(k)代表每个符号的功率值，k代表符号的位置，功率包络的参数N选择为4，计算公式具体如下：

$\mathrm{PR}\left(i\right)=\frac{1}{4}\underset{k=4i-3}{\overset{4i}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(k\right),i=\mathrm{1,2},...$

实际上，N的选择可以更小，甚至可以不需要得到每一个符号的功率，而按照每个码片的功率来得到更准确的功率包络，但代价是运算和存储量增大。

这样，用户终端就得到完整的一帧无线信号的功率包络。

所述的功率包络辩识器包括：

模板选择装置，其根据预设的自动增益控制的精度，选择功率特征模坂的参数。

下述公式中，C(i)是功率包络上的每个位置上的特征值，i代表功率包络上位置，PR(k)代表每个位置的功率包络值，M，N和D是该模板的参数。

$C\left(i\right)=(\underset{k=i-N+1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{PR}\left(k\right)+\underset{i+M}{\overset{i+M+N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{PR}\left(k\right)+D)/(\underset{i+1}{\overset{i+M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{PR}\left(k\right)+D)$

本具体实施例中，选择模板的参数为(13，13，0)。

计算每个位置的特征值的装置：其在功率包络的每个位置上，按照公式

$C\left(i\right)=(\underset{k=i-12}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{PR}\left(k\right)+\underset{i+13}{\overset{i+25}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{PR}\left(k\right))/\left(\underset{i+1}{\overset{i+12}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{PR}\left(k\right)\right)$

计算出一个对应于该模板的特征值。

比较装置：其寻找功率包络所有位置上特征值的最小值，将该最小值与对应于该模板的判决门限比较；当该最小值小于该判决门限时，该最小特征值的位置就是由该模板得到的相对于功率包络的第一位置信息；当该最小值大于等于该判决门限时，认为不存在功率比下行导频时隙(DwPTS)201大许多的上行时隙。

随机选择一第二位置信息装置：该第二位置信息对应若干码片的集合；

映射装置，将上述第一或第二位置信息映射到第一无线信号帧结构上的一第三位置上；当该当该TD-SCDMA系统的扩频系数为16时，一个符号对应16个码片，原来的第一位置信息对应了64个码片，取其中第一个码片为所映射的第三位置。

分段装置，假定该唯一的第三位置为帧结构的起点，根据TD-SCDMA系统的特定帧结构对第一无线信号进行分段。分段信息为：起点由位置信息所对应的码片决定，向后滑动1216(864+352)个码片为第一段，往后依次每滑动864个码片为一段，最后一共得到7段6400个码片(1216+864*6＝6400)。

Claims (3)

1、一种时分双工无线通信系统的自动增益控制装置，其特征在于，包括：

分段同步开关(302)，其对输入的第一无信号(301)实现分段功能；

分段自动增益控制装置(31)，其包括依次电路连接的可变增益放大器(313)和模数转换器(314)，所述第一无线信号(301)经分段同步开关(302)后，再经可变增益放大器(313)放大及模数转换器(314)转化后输出第二无线信号(315)；

分段信息产生装置(32)，其输入端连接所述的模数转换器(314)的输出端，其输出端连接所述的分段同步开关(302)的控制端，其用于产生分段信息以控制分段同步开关。

2、根据权利要求1所述的时分双工无线通信系统的自动增益控制装置，其特征在于，所述的分段自动增益控制装置(31)还包括：

平均功率测量器(316)，对某一时间段，计算第二无线信号(315)的平均功率；

目标功率比较器(317)，计算该平均功率与预定目标功率之差值，并对该差值做数字处理，产生对应于该时间段作用于下一帧的增益值的控制信号(318)。

3、根据权利要求1所述的时分双工无线通信系统的自动增益控制装置，其特征在于，所述的分段信息产生装置(32)包括：

初始增益判断器(321)，其功能是判断输入的第二无线信号(315)所被放大的增益是否已满足功率包络计算器(322)的要求；

功率包络计算器(322)，如果上述增益是合适的，则通过计算接收到的第二无线信号(315)在一帧时间内的功率电平变化，得到信号的功率包络。

功率包络辨识器(323)，其对所得到的功率包络进行辨识，由此得到最终输出的第一分段信息(324)。

Images