DE60319373T2 - Verfahren und system für durchweg digitale verstärkungsregelung - Google Patents

Description

• Fachgebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft das Fachgebiet drahtloser Kommunikationen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine durchweg digitale Verstärkungsregelungsarchitektur.
• Hintergrund
• In den meisten drahtlosen Kommunikationssystemen wird das Basisbandsignal an einem Empfänger aus dem analogen Format in das digitale Format umgewandelt, so daß die Nutzinformation über eine Abfolge digitaler Verfahren wiederhergestellt werden kann. Die übliche Vorrichtung, die diese Umwandlung erreicht, ist ein Analog-Digital-Wandler (ADC). Eine der wichtigsten Spezifikationen eines ADC ist die Anzahl der Ausgangsbits. Im allgemeinen ist der dynamische Bereich des Eingangssignals, den der ADC unterstützen kann, umso größer, je mehr Ausgangsbits der ADC hat. Dies führt jedoch zu einem teureren ADC ebenso wie dem Rest der Empfängerbestandteile. Wenn die Leistung des Eingangssignals zu groß ist, kann der Ausgang des ADC bei der vorgegebenen Anzahl von Ausgangsbits gesättigt sein. Wenn die Leistung des Eingangssignals andererseits zu klein ist, kann das Eingangssignal stark quantisiert sein. In diesen beiden Fällen kann die Information, die an dem Empfänger zurückgewonnen werden soll, verloren gehen. Ein üblicher Ansatz, dieses Problem zu lösen, ist, einen dynamisch einstellbaren Leistungsverstärker vor dem ADC anzuwenden, so daß das Eingangssignal des ADC auf einem gewünschten Pegel gehalten werden kann. Typischerweise wird die einstellbare Verstärkung, wie in 1 gezeigt, unter Verwendung eines geschlossenen Regelungsme chanismus gesteuert, was auch als automatische Verstärkungsregelung (AGC) bezeichnet wird.
• Die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2000236276 offenbart einen digitalen Breitbandempfänger, der einen logarithmischen Verstärker aufweist, dem ein AGC-Verstärker und ein ADC folgen, wobei eine Ausgabe des ADC zurück an den Verstärker eingespeist wird, um dessen Verstärkung dynamisch einzustellen. Ferner weist der Empfänger eine Exponentenexpanderschaltung auf, um das komprimierte digitale Signal, das von dem logarithmischen Verstärker und dem ADC bereitgestellt wird, zu expandieren.
• In der Praxis müssen mehreren Anforderungen berücksichtigt werden, wenn die AGC verwendet wird. Die AGC sollte hinreichend schnell sein, um Kanalverlustschwankungen zu kompensieren, sollte aber langsam genug sein, um die Signaleinhüllende nicht zu verzerren. Die AGC sollte die Einfügungsphase des Funks nicht ändern (um die Entdrallungsschleife nicht zu überlasten). Die AGC sollte auch eine lineare Antwort haben (in dB pro Volt). Die AGC ist ein geschlossenes Regelsystem, folglich müssen Stabilitäts-, Einschwingzeit- und Überschwingungsbelange ebenso wie andere Konstruktionsthemen berücksichtigt werden. Es ist erforderlich, daß die AGC Steuerleitungen von dem Modem und häufig einen zusätzlichen Digital-Analog-Wandler (DAC) hat. In Zeitteilungsduplex-(TDD-) und Zeitteilungs-Vielfachzugriff-(TDMA-)Betriebsarten, muss die AGC die Funkverstärkung sehr schnell nach dem Auftreten einer großen unbekannten Stufe der ankommenden Leistung neu einstellen. Die AGC erfordert eine spezifische Funkarchitektur mit Verstärkungsregelung, die beide Kosten und Leistungsverbrauch hinzufügen. Die AGC hat auch Konstruktionszielkonflikte zwischen NF und IP3, insbesondere bei Vorhandensein eines großen Störsenders. IP3 ist ein Schnittpunkt dritter Ordnung. NF ist ein Rauschfaktor. Je höher die Verstärkung vor dem Abwärtswandler (Demodulator) ist, desto besser (niedriger) der NF, aber der IP3 ist ebenfalls erniedrigt (was nicht gut ist). In der Praxis sind einige der vorstehenden Anforderungen schwer zu errei chen. Gewisse Kompromisse müssen gemacht werden, was zu einem Verlust einer gewissen Menge an Leistung auf Systemebene führt.
• US-A-4 124 773 offenbart ein Audiokommunikationssystem zum Übertragen analoger Signale über Kommunikationsleitungen. Das System empfängt das analoge Signal, das von einem Kompressor komprimiert wird, bevor es von einem ADC in die digitale Form umgewandelt wird. Das digitale komprimierte Signal wird dann über eine Kommunikationsleitung übertragen. An der entfernten Empfangsstelle wandelt ein Digital-Analog-Wandler (DAC) das digitale Signal in seine komprimierte analoge Darstellung um. Nachdem das komprimierte analoge Signal von dem DAC wiedergewonnen wird, baut ein Expander die ursprüngliche analoge Wellenform wieder auf.
• US-A-4 903 020 offenbart einen Verstärker zum Verstärken eines komprimierten analogen Signals und Weiterleiten des komprimierten Signals an einen Analog-Digital-Wandler für die Umwandlung in ein komprimiertes digitales Signal. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers ist mit einem digitalen Expander verbunden, von dem expandierte Signale zum Beispiel für die weitere digitale Verarbeitung, Übertragung oder Digital-Analog-Wandlung weitergeleitet werden.
• US-A-5 446 761 offenbart eine Decodiererschaltung und ein Verfahren zur Bereitstellung eines amplitudenkompensierten Signals durch Entfernen der unerwünschten Wirkung der Amplitudenmodulation auf ein phasenmoduliertes Signal. Das Decodierverfahren wird durch Demodulieren einer empfangenen gleichphasigen Empfangssignalskomponente und einer Quadratur-Empfangssignalkomponente des phasenmodulierten Signals und Ausgeben eines Signals mit veränderlicher Amplitude an eine automatische Vorwärtsverstärkungsregelungsschaltung, die ein amplitudenkompensiertes Signal ausgibt, bereitgestellt. Die automatische Vorwärtsverstärkungsregelungsschaltung weist eine Detektorschaltung, eine Versatzausrichtungsschaltung, eine Differenzierschaltung und eine Verstärkungsregelungsschaltung auf. Die Detektorschaltung gibt ein Gleichstromsignal (DC-Signal) aus, das eine Ampli tude des gleichphasigen Empfangssignals und des Quadratur-Empfangssignals darstellt. Die Versatzausrichtungsschaltung stellt eine konstante Stromvorausrichtung für das DC-Signal bereit, wodurch ein Steuersignal erzeugt wird. Die Verstärkungsregelungsschaltung empfängt das Steuersignal und das amplitudenverändernde Signal und gibt ein amplitudenkompensiertes Signal aus.
• US-A-5 572 452 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Realisierung der Präzision, die intern von einem herkömmlichen digitalen Signalprozessor gewonnen wird, indem ein automatisches Vorwärtsverstärkungsregelungs-(AGC-)Signal erzeugt wird. Das Vorwärts-AGC-Bit zeigt die Ausgabe des digitalen Signalprozessors mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert an, wenn die Ausgabe von dem in dem digitalen Signalprozessor enthaltenen digitalen Filter unter einem Schwellwert ist. Wenn das Vorwärts-AGC-Signal von einem gleichphasigen und Quadratur-(I/Q)-(log R/phi)-Wandler empfangen wird, der mit dem digitalen Signalprozessor verbunden ist, wird ein entsprechender Wert von der Radiuskomponente des Signals subtrahiert, die von dem (I/Q)-(log R/phi)-Wandler berechnet wird. Da herkömmliche digitale Signalprozessoren 16 IO-Bits haben, ermöglicht das Vorwärts-AGC-Signal ein Eingangssignal mit einem dynamischen Bereich und einer Präzision, die von dem digitalen Signalprozessor zu übertragende 16 Bits übersteigt, ohne Leistung zu verlieren. Als ein Ergebnis wird ein digitaler Signalprozessor mit einer geringeren Anzahl von IO-Bits als für die Präzision und den dynamischen Bereich des Ausgangssignals nominell erforderlich implementiert.
• Zusammenfassung
• Die vorliegende Erfindung überwindet die Probleme, die den gegenwärtig verwendeten Verfahren gegenüberstehen, durch Komprimieren eines analogen Eingangssignals auf Basisband und Verwenden eines logarithmischen Verfahrens, wobei das komprimierte Signal in die digitale Form ungewandelt wird und das digitale Signal unter Verwendung eines antilo garithmischen Verfahrens auf seinen ursprünglichen linearen Maßstab expandiert wird. Die Wortgröße des expandierten digitalen Signals kann durch ein Normierungsverfahren verringert werden.
• Kurze Beschreibung der Erfindung
• 1 ist ein Blockschaltbild einer AGC mit geschlossener Regelschleife des Stands der Technik.
• 2 ist ein Blockschaltbild der durchweg digitalen Verstärkungsregelung (ADGC), die echte logarithmische Verstärker als Kompressoren und antilogarithmische Nachschlagtabellen (LUT) als Expander verwendet.
• 3 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis der analogen Kompression und der digitalen Expansion darstellt.
• 4 stellt die Leistungsverbesserung für ein Kommunikationssystem durch einen Vergleich zwischen ADGC und herkömmlicher AGC dar.
• Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• 1 zeigt eine automatische geschlossene Verstärkungsregelungs-(AGC-)Schaltung 10, in der analoge Eingänge für gleichphasige (I-) und Quadratur-(Q-)Signale jeweils an Verstärker 12 und 14 angelegt werden. Ihre Ausgänge erfahren eine Analog-Digital-Wandlung durch A/D-Wandler 16, 18, die in der Figur als (z. B. 6-Bit-)A/D-Wandler gezeigt sind, die I- und Q-Ausgaben jeweils bei 16a und 18a bereitstellen.
• Die Ausgaben der A/D-Wandler 16 und 18 werden jeweils an die Schaltung 20 angelegt, um eine Summe I² + Q² zu erhalten, die dann mit einem Referenzpegel in der Vergleichsschaltung 22 verglichen wird. Die Ausgabe der Vergleichsschaltung 22 wird durch einen Akkumulator 24 an einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 26 angelegt und jeweils an die Verstärkungsregelungseingänge 12b, 14b der Verstärkungsregelungserstärker 12 und 14 angelegt.
• Die durchweg digitale Verstärkungsregelungs-(ADGC-)Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung vermeidet einige der Anforderungen, die mit dem Wesen der vorstehend beschriebenen AGC-Schaltungsanordnung mit geschlossener Regelschleife verbunden sind, und erfüllt die restlichen Anforderungen ohne zu viele Schwierigkeiten. Die vorliegende Erfindung verwendet ein Analog-Digital-Wandlungsverfahren, das die Anzahl wirksamer ADC-Bits durch Komprimieren des analogen Basisband-Eingangssignals unter Verwendung eines analogen Kompressors, z. B. einer logarithmischen Schaltungsanordnung, erhöht. Der analoge Kompressor ist eine nichtlineare Vorrichtung, wobei die Verstärkung umgekehrt proportional zu dem Eingangssignal ist. Dies vergrößert den dynamischen Bereich des analogen Eingangssignals.
• Nachdem das komprimierte analoge Signal in ein digitales Signal umgewandelt ist, wird ein digitaler Expander, z. B. ein antilogarithmisches Verfahren oder eine Nachschlagtabelle (LUT) verwendet, um das digitale Signal zurück in seinen ursprünglichen linearen Maßstab zu expandieren. Der digitale Expander ist eine nichtlineare Vorrichtung, bei der die Verstärkung proportional zum Eingangssignal ist. Die Wortgröße der Ausgabe des Expanders kann aufgrund des Wesens der Funktionalität der meisten Expander größer als die Eingangswortgröße sein. Um die Wortgröße des digitalen Signals für das Zurücksetzen des Empfängers zu verringern, kann ein Normierungsmechanismus angewendet werden, der ein automatischer Pegelregelungsblock mit offener Regelschleife oder geschlossener Regelschleife sein kann.
• 2 zeigt ein Blockschaltbild der ADGC-Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung. Die ADGC-Vorrichtung verwendet logarithmische Verstärker 32, 34 zur logarithmischen Verstärkung der I- und Q-Signale, die dann an (z. B. 8-Bit-)Analog-Digital-Wandler 36, 38 weitergegeben werden und danach an antilogarithmische Nachschlagtabellen (LUTs) 40 und 42 weitergegeben werden, um das digitale Signal zu expandieren, und dann anschließend an ein Tiefpaßfilter (z. B. Root Raised Cosine mit infiniter Impulsantwort (RRC + IIR-)Filter) 44, 46 weitergeben werden, von denen jedes als ein Interpolator verwendet wird.
• Die Ausgaben der Filter 44 und 46 werden an die Schaltungsanordnung 48 angelegt, die die Quadratwurzel der Summe von I² und Q² bestimmt. Die Ausgabe der Schaltungsanordnung 48 wird an die Schaltungsanordnung 50 angelegt, welche die gemittelten kombinierten Leistungsmessungen sowohl von den I- als auch Q-Kanälen bestimmt, bevor die Anzahl von Bits des digitalen Signals verringert wird. Die Schaltungsanordnung 50 verwendet die Gleichung 1, um die gemittelte kombinierte Leistung mit einem blockweisen Schema wie folgt zu bestimmen:

  

  wobei n die Größe des Blocks ist und s_i die i-te Abtastung der Ausgabe von 50 innerhalb des Blocks ist. Die Ausgaben der Filter 44 und 46 werden von Verzögerungsschaltungen 52 und 54 mit n Abtastungen verzögert, um die Zeitsteuerung zwischen den Ausgaben der Filter 44 und 46 zu synchronisieren, um den Abschluss der von den Schaltungen 48, 50 und 56 ausgeführten Funktionen zu ermöglichen. Als ein Ergebnis sind die Ausgaben von 58 und 60 jeweils

  

  wobei I_k und Q_k für k = 1, ..., n jeweils n abtastverzögerte Ausgaben von 44 und 46 sind.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein momentaner dynamischer Bereich von 70 dB leicht erreichbar. Zusätzliche 20 bis 30 dB können erhalten werde, indem der rauscharme Verstärker LNA ein- oder ausgeschaltet wird. Die ADGC-Vorrichtung 30 benötigt keine Verstärkungsregelung im Funk, wodurch sie Kosten- und Einfachheitsvorteile bereitstellt. Eine große momentane Leistungsschwankung kann von der ADGC-Vorrichtung 30 leicht unterstützt werden. Die ADGC-Vorrichtung 30 stellt auch eine gute Unterstützung für die Hochgeschwindigkeits-Abwärtsstrecke und die Paketübertragung bereit. Da die ADGC-Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung eine offene Regelschleife ist, gibt es außerdem keine Stabilitätsprobleme, keine Einschwingzeit und kein Überschwingen. Die ADGC 30 braucht kein Wissen über die Zeitsteuerung des Signals haben, was bei der Zellensuche, Codeerfassung und dem Frequenzkorrekturbetrieb in einem System, das TDD-Technologie verwendet, sehr wichtig ist.
• Die ADGC-Vorrichtung 30 stellt eine sehr schnelle Schwundkompensation bereit, ohne die Signaleinhüllende zu verzerren, was dazu beiträgt, die Probleme zu vermeiden, auf die man bei hohen Geschwindigkeiten und/oder hohen Datenraten trifft, ändert aber nicht die Einfügungsphase des Systems.
• Das Ergebnis der analogen Kompression und der digitalen Expansion ist in 3 gezeigt. In dieser Figur stellt die Treppenkurve die Beziehung der Eingabe des analogen Kompressors und der Ausgabe des digitalen Expanders dar. Es ist klar, daß ein Signal mit kleiner Größe unter Verwendung eines analogen Kompressions- und digitalen Expansionsverfahrens mit einem sehr kleinen Quantisierungsschritt quantisiert werden kann. Dies wird ein sehr kleines Quantisierungsrauschen erzeugen und wird als Ergebnis die Leistung des Empfängers verbessern.
• Um die Leistungsverbesserung für ein Kommunikationssystem zu beobachten, wird unter Verwendung einer TDD-Abwärtsstrecken-Simulationsprüfanlage mit idealem Mehrbenutzerdetektor und einem zusätzlichen weißen Gaußschen Rauschkanal ein Vergleich zwischen der ADGC-Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung und einer herkömmlichen AGC-Schaltung durchgeführt. Das Simulationsergebnis ist in 4 gezeigt. In dieser Prüfanlage erfährt das Eingangssignal von Schlitz zu Schlitz eine 20 dB-Leistungsschwankung. Hier erkennen wir, daß die ADGC-Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung die Systemleistung bei einer Blockfehlerrate (BLER) = 0,01 um nahezu 2 dB verbessert.

Claims (8)

1. Verstärkungssteuerung (30), die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aufweist: einen ersten analogen Kompressor (32) zum Komprimieren eines gleichphasigen Signals I in ein komprimiertes analoges I-Signal; einen ersten Analog-Digital-Wandler, A/D-Wandler, (36) zum Umwandeln des komprimierten analogen I-Signals in ein komprimiertes digitales I-Signal; einen ersten Expander (40) zum Expandieren des komprimierten digitalen I-Signals zurück in einen ursprünglichen linearen Maßstab; ein erstes Tiefpaßfilter (44) zum Erzeugen eines gefilterten digitalen I-Signals basierend auf einem expandierten digitalen I-Signal, das von dem ersten Expander ausgegeben wird; einen zweiten analogen Kompressor (34) zum Komprimieren eines Quadratursignals Q in ein komprimiertes analoges Q-Signal; einen zweiten A/D-Wandler (38) zum Umwandeln des komprimierten analogen Q-Signals in ein komprimiertes digitales Q-Signal; einen zweiten Expander (42) zum Expandieren des komprimierten digitalen Q-Signals zurück in einen ursprünglichen linearen Maßstab; ein zweites Tiefpaßfilter (46) zum Erzeugen eines gefilterten digitalen Q-Signals basierend auf einem expandierten Q-Signal, das von dem zweiten Expander ausgegeben wird; eine erste Schaltung (48) zum Erzeugen eines ersten Signals, das die kombinierte Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale anzeigt; eine zweite Schaltung (50) zum Empfangen des ersten Signals und Erzeugen eines zweiten Signals, das die mittlere kombinierte Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale anzeigt; eine dritte Schaltung (56) zum Empfangen des zweiten Signals und Erzeugen eines dritten Signals, das das Inverse der mittleren kombinierten Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale anzeigt; eine erste Verzögerungsschaltung (52) zum Erzeugen eines verzögerten gefilterten I-Signals basierend auf dem gefilterten digitalen I-Signal; eine zweite Verzögerungsschaltung (54) zum Erzeugen eines verzögerten gefilterten Q-Signals basierend auf dem gefilterten digitalen Q-Signal; einen ersten Multiplizierer (58) mit einem ersten Eingang, der elektrisch mit einem Ausgang der ersten Verzögerungsschaltung (52) verbunden ist, und einem zweiten Eingang, der elektrisch mit einem Ausgang der dritten Schaltung (56) verbunden ist, wobei der erste Multiplizierer (58) einen ersten Wert ausgibt, der im wesentlichen gleich dem verzögerten gefilterten I-Signal, geteilt durch die gemittelte kombinierte Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale ist; und einen zweiten Multiplizierer (60) mit einem ersten Eingang, der elektrisch mit einem Ausgang der zweiten Verzögerungsschaltung (54) verbunden ist, und einem zweiten Eingang, der elektrisch mit dem Ausgang der dritten Schaltung (56) verbunden ist, wobei der zweite Multiplizierer (60) einen zweiten Wert ausgibt, der im wesentlichen gleich dem verzögerten gefilterten Q-Signal, geteilt durch die gemittelte kombinierte Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale ist.
2. Verstärkungssteuerung (30) nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten analogen Kompressoren (32, 34) logarithmische Verstärker sind.
3. Verstärkungssteuerung (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Expander (40, 42) antilogarithmische Verweistabellen (LTUs) sind.
4. Verstärkungssteuerung (30) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei jedes der ersten und zweiten Tiefpaßfilter (44, 46) ein Root Raised Cosine(RRC-)Filter ist.
5. Verstärkungssteuerung (30) nach einem der Ansprüche 1–4, wobei jedes der ersten und zweiten Tiefpaßfilter (44, 46) ein Filter mit infiniter Impulsantwort (IIR-Filter) ist.
6. Verstärkungsteuerungsverfahren, das in einem Kommunikationssystem verwendet wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte aufweist: Komprimieren eines gleichphasigen Signals I in ein komprimiertes analoges I-Signal; Umwandeln des komprimierten analogen I-Signals in ein komprimiertes digitales I-Signal; Erzeugen eines expandierten digitalen I-Signals durch Expandieren des komprimierten digitalen I-Signals zurück in einen ursprünglichen linearen Maßstab; Erzeugen eines gefilterten digitalen I-Signals durch Filtern des expandierten digitalen I-Signals; Komprimieren eines Quadratursignals Q in ein komprimiertes analoges Q-Signal; Umwandeln des komprimierten analogen Q-Signals in ein komprimiertes digitales Q-Signal; Erzeugen eines expandierten digitalen Q-Signals durch Expandieren des komprimierten digitalen Q-Signals zurück in einen ursprünglichen linearen Maßstab; Erzeugen eines gefilterten digitalen Q-Signals durch Filtern des expandierten Q-Signals; Erzeugen eines ersten Signals, das die kombinierte Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale anzeigt; Verwenden des ersten Signals zum Erzeugen eines zweiten Signals, das die mittlere kombinierte Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale anzeigt; Verwenden des zweiten Signals zum Erzeugen eines dritten Signals, das das Inverse der mittleren kombinierten Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale anzeigt; Erzeugen eines verzögerten gefilterten I-Signals durch Verzögern des gefilterten digitalen I-Signals; Erzeugen eines verzögerten gefilterten Q-Signals durch Verzögern des gefilterten digitalen Q-Signals; Multiplizieren des verzögerten gefilterten I-Signals mit dem Inversen der mittleren kombinierten Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale zum Erzeugen eines ersten Werts, der im wesentlichen gleich dem verzögerten I-Signal, geteilt durch die gemittelte kombinierte Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale ist; und Multiplizieren des verzögerten gefilterten Q-Signals mit dem Inversen der mittleren kombinierten Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale zum Erzeugen eines zweiten Werts, der im wesentlichen gleich dem verzögerten Q-Signal, geteilt durch die gemittelte kombinierte Signalstärke der gefilterten digitalen I- und Q-Signale ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die I- und Q-Signale jeweils auf Basisband in die komprimierten analogen I- und Q-Signale logarithmisch komprimiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die komprimierten digitalen I- und Q-Signale logarithmisch expandiert werden.