TW201715851A

TW201715851A - 通訊接收端及其自動增益控制方法

Info

Publication number: TW201715851A
Application number: TW104134152A
Authority: TW
Inventors: 張仲堯; 林專湖
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-05-01
Also published as: US20170111204A1; US9749171B2; TWI575890B

Abstract

一種通訊接收端，用來接收一輸入訊號，包含：一訊號放大器，用來以一第一預設增益值或一第二預設增益值調整該輸入訊號以產生一第一調整訊號；一類比數位轉換器，耦接該訊號放大器，用來對該第一調整訊號進行類比至數位轉換；以及一控制單元，耦接該類比數位轉換器，用來依據該類比數位轉換器之輸出判斷該類比數位轉換器是否飽和。該第一預設增益值與該通訊接收端所處理之一第一輸入訊號強度及該類比數位轉換器之一量化雜訊有關，而該第二預設增益值與該通訊接收端所處理之一第二輸入訊號強度及該類比數位轉換器之一全功率有關，該第一輸入訊號強度小於該第二輸入訊號強度。

Description

通訊接收端及其自動增益控制方法

本發明是關於通訊系統，尤其是關於無線通訊系統的通訊接收端及其自動增益控制方法。

請參閱圖1，其係習知訊號接收端的功能方塊圖。由於接收端所接收到的訊號強度是一個未知數，所以，接收端需要迅速地完成訊號放大器110的增益值（gain）調整，如此才不會影響到訊號的接收。而增益控制單元140調整增益值的速度將決定細胞搜尋（cell search）的成功率，待細胞搜尋完成後，後級電路150才可對已轉換成數位格式的輸入訊號進行後續處理。在習知的增益調整過程中，功率估算單元130計算輸入訊號強度，而後增益控制單元140將所得訊號強度與參考強度做比較以得到增益差值，再將差值回饋到訊號放大器110。當類比數位轉換器（Analog to Digital Converter, ADC）120發生飽和時，表示訊號放大器110的增益值過大，然又無其他資訊可得知適當增益值，所以係利用遞減方式以收斂出該適當增益值(此機制可稱為「閉迴路控制機制」)；又在分時雙工（Time-Division Duplexing, TDD） LTE （TDD-LTE）系統裡（LTE為長期演進技術（Long Term Evaluation）之簡稱），上傳（Up-Link, UL）與下行（Down-Link, DL）的組態在未同步前是未知的，上行與下行的訊號強度差異極大，容易造成訊號經訊號放大器110後因增益過大造成類比數位轉換器（Analog to Digital Converter, ADC）120訊號飽和，或因增益不足造成訊號過小使得ADC 120無法精準地反應出訊號的內容；也或者在分頻雙工（Frequency-Division Duplexing, FDD）LTE（FDD-LTE）系統裡，有可能在下行的子時框（subframe）中使用不同數量的資源區塊（Resource Block, RB），造成接收訊號在子時框間強度變化不一。這都使採用閉迴路控制機制的傳統增益控制器需來來回回調整數次才能穩定，也因無法迅速反應造成細胞搜尋成功機率大幅降低。

鑑於先前技術之不足，本發明眾多目的之一在於提供一種通訊接收端及其自動增益控制方法，以提高細胞搜尋的成功機率。

本發明眾多目的之一在於提供一種通訊接收端及其自動增益控制方法，以減少細胞搜尋所需的時間。

本發明揭露一種通訊接收端，用來接收一輸入訊號，包含：一訊號放大器，用來以一第一預設增益值或一第二預設增益值調整該輸入訊號以產生一第一調整訊號；一類比數位轉換器，耦接該訊號放大器，用來對該第一調整訊號進行類比至數位轉換；以及一控制單元，耦接該類比數位轉換器，用來依據該類比數位轉換器之輸出判斷該類比數位轉換器是否飽和；其中，該第一預設增益值與該通訊接收端所處理之一第一輸入訊號強度及該類比數位轉換器之一量化雜訊有關，而該第二預設增益值與該通訊接收端所處理之一第二輸入訊號強度及該類比數位轉換器之一全功率有關，該第一輸入訊號強度小於該第二輸入訊號強度。

本發明揭露一種應用於一通訊接收端的一增益控制電路之增益控制方法，該增益控制方法包括有：在一第一階段期間，利用一非閉迴路機制對該增益控制電路進行增益控制；以及在位於該第一階段期間後之一第二階段期間，利用一閉迴路機制對該增益控制電路進行增益控制。

本發明之通訊接收端及其自動增益控制方法利用LTE的傳輸訊號中規律出現的參考訊號來作為細胞搜尋的參考基準，並且依據LTE通訊系統的規範中用戶端（User Equipment, UE）所允許的最大及最小輸入訊號強度，並依據所使用之ADC的特性，來決定自動增益控制中所使用的高、低增益值。相較於習知技術，本發明提出更穩定的自動增益控制機制。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。

本發明之揭露內容包含通訊接收端及其自動增益控制方法，由於本發明之通訊接收端所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。此外，本發明之自動增益控制方法可以是軟體及/或韌體之形式，並且可藉由本發明之通訊接收端或其等效裝置來執行，在不影響該方法發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下方法發明之說明將著重於步驟內容而非硬體。

從時域來看，LTE通訊系統時框架構（frame structure）的一個時框為10ms，一個時框包含10個各為1ms的子時框，一個子時框可以再細分為2個時槽（slot）。依據系統定義的循環字首（Cyclic Prefix, CP）長度的不同，每一個時槽有不同的OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交分頻多工）符號（symbol）個數。依據LTE通訊系統的規格，如果是正常循環字首（normal CP），一個時槽有7個OFDM符號，而如果是延長循環字首（extend CP），則有6個OFDM符號在一個時槽內。

LTE通訊系統在下行使用正交分頻多重存取（Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA）技術，並有多個系統頻寬可供選擇，例如1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHz，通道頻寬是由當地的系統業者所決定。以20MHz為例，共分為2048個子載波（sub-carrier），其中靠近頻率中心點的1200個為載有資料的子載波，而12個連續的子載波為一個資料區塊（Resource Block, RB），故20MHz的頻寬在頻域上對應100個資料區塊的寬度。基地台藉由將這100個資料區塊分配給不同的用戶端，以達到多工的目地。其中，一個資料區塊的時間長度為一個時槽，亦即一個資料區塊包含一個時槽內12個連續子載波所載的資料。

此外，在FDD-LTE通訊系統中，上行與下行各自在不同的射頻頻率同時傳送與接收，而在TDD-LTE通訊系統中，上行與下行是在相同的射頻頻率，所以無法同時傳送與接收，亦即是傳送與接收是在不同的子時框。因此在TDD-LTE通訊系統中，用戶端必須時常在上行與下行之間做切換（亦即連續兩個子時框分別對應上行與下行），而上行與下行所需的射頻發射功率不同，所以在LTE通訊系統中必須對自動增益有更精確的控制，以確保訊號傳送及接收無誤。

圖2為FDD-LTE通訊系統的時框架構及主同步訊號（Primary Synchronization Signal, PSS）與輔助同步訊號（Secondary Synchronization Signal, SSS）的分配圖。圖中在時域上僅繪示連續訊號的其中1個時框，以及在頻域上僅繪示複數子載波的其中6個區段（每一區段包含12個子載波）；事實上，訊號在時域及頻域上有更多延伸。主同步訊號及輔助同步訊號呈現週期性，亦即每5個子時框出現一次。將第0個子時框的第1個子載波區段放大來看（此例為正常循環字首，即1個時槽包含7個OFDM符號），主同步訊號及輔助同步訊號分別位於第1個時槽的第6及第5個OFDM符號上，在其之前，有呈現週期性的參考訊號（reference signal）。對正常循環字首來說，參考訊號出現在1個時槽的第0及第4個OFDM符號上，而對延長循環字首來說，參考訊號出現在1個時槽的第0及第3個OFDM符號上；也就是說，事實上參考訊號每3~4個OFDM符號即出現一次。

類似地，主同步訊號、輔助同步訊號以及參考訊號在TDD-LTE通訊系統中也同樣呈現週期性。如圖3所示，主同步訊號及輔助同步訊號同樣每5個子時框出現一次，將對應第1個子載波區段的第0個及第1個子時框放大來看，主同步訊號與輔助同步訊號相隔2個OFDM符號。圖3所繪示的同樣為正常循環字首，因此參考訊號出現在1個時槽的第0及第4個OFDM符號上，而對延長循環字首來說，參考訊號出現在1個時槽的第0及第3個OFDM符號上。

用戶端可以依據參考訊號此一規律性，來設定一計數週期T，在此計數週期內估算接收訊號的強度Ps，並且將此訊號強度Ps與預設的參考強度Pr做比較來調整增益，以及依據訊號強度Ps的變化量來決定是否重新調整增益。因此，用戶端得以在接收主同步訊號及輔助同步訊號前，完成訊號放大器的增益值設定，以確保同步訊號可以被正確地接收。除了上述的主同步訊號、輔助同步訊號以及參考訊號之外，不論是FDD-LTE通訊系統或是TDD-LTE通訊系統，下行通道在實體層還包含諸如實體控制通道（Physical Control Channel, PDCCH）及實體資料通道（Physical Data Share Channel, PDSCH）等訊號。然而，PDCCH訊號所佔的OFDM符號數不固定，而PDSCH訊號中的資料區塊個數為任意值，因此在LTE通訊系統中進行自動增益控制時，還必須克服PDCCH訊號及PDSCH訊號的上述不確定性，以及TDD-LTE通訊系統在上行與下行組態之間切換所造成的接收訊號強度大幅改變的情況。

圖4為本發明一實施例之LTE通訊系統之訊號接收端的功能方塊圖，圖5為其相對應的自動增益控制的流程圖。LTE通訊系統之訊號接收端包含控制單元201、訊號放大器210、ADC 220、功率估算單元230、增益控制單元240以及後級電路150。一開始先重新啟動整個系統，例如控制單元201清除一些暫存資料及重置計數器等動作，並且將功率估算單元230的訊號強度Ps歸零（步驟S410）。接者控制單元201控制訊號放大器以高增益值H接收輸入訊號以及令計數器開始計數，並且功率估算單元230估算輸入訊號的訊號強度Ps（步驟S420）。在計時器的計數值C到達計數週期T之前，控制單元201持續監控輸入訊號是否會造成ADC飽和（若有訊號截波（signal clipping）發生即代表ADC飽和）（步驟S430及步驟440），當此兩步驟都判斷為否，訊號放大器210持續以高增益值H接收輸入訊號並且功率估算單元230持續估測輸入訊號的訊號強度Ps（步驟S420）；如果在上述的過程中皆未發生ADC飽和且計時器的計數值C已到達計數週期T（步驟S440判斷為是），則增益控制單元240依據測得的訊號強度Ps與預設的參考強度Pr做比較來設定訊號放大器210增益值，因此訊號放大器210可將輸入訊號調整至更適合ADC 220取樣的狀態（步驟S470）。然而上述的過程中若一旦發生ADC飽和（步驟S430判斷為是）則控制單元201立即採用低增益值L接收輸入訊號，詳細而言，控制單元201立即重置計數週期T及訊號強度Ps（步驟S450）、控制訊號放大器210改以低增益值L接收輸入訊號並令計數器重新計數，並且功率估算單元230重新估算輸入訊號的訊號強度Ps（步驟S455）。同樣的，在計數週期T之內訊號放大器210持續以低增益值L接收輸入訊號並且功率估算單元230持續估測輸入訊號的訊號強度Ps。當計時器的計數值C到達計數週期T（步驟S460判斷為是），則增益控制單元240同樣依據測得的訊號強度Ps與預設的參考強度Pr做比較來設定增益值（步驟S470）。換言之，步驟S410至步驟S470係採用「非閉迴路機制」進行自動增益控制。步驟S470結束代表增益值已調整完畢，系統可以依據此理想的增益值接收輸入訊號。然而如果之後輸入訊號的強度發生變化（例如在TDD-LTE通訊系統中，從上行狀態切換到下行狀態，反之亦然），則必須重新決定增益值，以免舊的增益值造成ADC飽和。因此當增益值設定完成後，控制單元201還必須透過功率估算單元230的運算，持續監控訊號強度Ps（步驟S480），而且當連續兩次測得的訊號強度Ps的變化量超過預設的臨界值時（步驟S490判斷為是），則控制單元201重新進行自動增益控制（回到步驟S410）。在一實施例中，在步驟480係採用「閉迴路機制」進行自動增益控制。

當用戶端支援兩組接收電路，如圖6所示，本發明的LTE通訊系統之訊號接收端更包含功率放大器215、ADC 225及功率估算單元235，其相對應的自動增益控制流程如圖7所示。系統重新啟動（步驟S410）後，控制單元201控制訊號放大器210及215同時接收輸入訊號，但其中之一使用高增益值H，另一使用低增益值L，而同時功率估算單元230及235開始進行訊號強度Ps的估算（步驟S420及S455）。也就是說高增益模式與低增益模式的訊號強度估算可以同時進行，以下假設訊號放大器215、ADC 225及功率估算單元235為高增益模式，訊號放大器210、ADC 220及功率估算單元230為低增益模式。接下來在計數值到達計數週期之前（即步驟S440判斷為否），控制單元201依據ADC 225的輸出監控ADC 225是否飽和（步驟S435）。等高增益模式與低增益模式的訊號強度估算都結束後（步驟S440判斷為是），依據ADC 225是否飽和來設定增益值（步驟S475）。更明確地說，如果 ADC 225沒有飽和，則在步驟S475中控制單元201將功率估算單元235所測得的訊號強度Ps輸出給增益控制單元240做判斷；否則，則將功率估算單元230所測得的訊號強度Ps輸出給增益控制單元240，換言之，步驟S410至步驟S475係採用「非閉迴路機制」進行自動增益控制。最後同樣以步驟S480及步驟S490持續監控訊號強度Ps。由此可知，當用戶端支援兩個接收電路時，自動增益控制的收斂過程可加快一倍。在一實施例中，在步驟480及步驟S490係採用「閉迴路機制」進行自動增益控制。

上述的高增益值H與低增益值L的設定與ADC以及LTE通訊系統的特性有關。在LTE通訊系統的規範裡，用戶端允許的最大輸入訊號強度（maximum input signal power）P_max 為-25dBm，而允許的最小輸入訊號強度（或稱為細胞搜尋的最低靈敏度）P_min 之定義為同步訊號平均接收功率(SCH_RP)-127dBm，因同步訊號載有62個子載波，換算為訊號強度，可得。ADC的全功率（full scale level）P等於(1) 其中數值50代表一般阻抗匹配的電阻值，數值30為轉換為dBm的倍數。假設ADC的有效位元數為B位元，則此ADC的量化雜訊（quantization noise）功率為(2) 以下請參考圖8以更加了解本發明如何依據ADC之動態區間（dynamic range）、最大輸入訊號強度P_max 以及細胞搜尋的最低靈敏度P_min 來決定高增益值H以及低增益值L。 1. 設定低增益值L的關鍵在於，當輸入訊號的強度為P_max 時，經過訊號放大器放大後的強度不可大於訊號飽和準位S。此訊號飽和準位S代表ADC操作時不飽和的容許值，與全功率P應至少相差ADC的峰均功率比（Peak to Average Power Ratio, PAPR），即訊號飽和準位，則低增益值L可決定為； 2. 設定高增益值H的關鍵在於，當輸入訊號的強度為P_min 時，經過訊號放大器放大後的強度應落於訊號強度估算的容許誤差值內。假設訊號強度估算容許誤差為dB，為避免因量化雜訊所造成的訊號強度估算誤差，則最小輸入訊號經前端的增益放大後需比量化雜訊功率高 dB (3) 即有效訊號準位。因此可決定高增益值H的下限為。同時，為保證在高增益與低增益的切換點依然滿足容許誤差的要求，意即在高增益模式下發生接收訊號飽和而立即切換至低增益模式時，高增益值須滿足。綜合以上條件可得到高增益值H的範圍如下：； 3. 為了得到穩定的接收功率估算，需選擇適當的計數週期T。如圖2及圖3所示，不論是FDD-LTE通訊系統或是TDD-LTE通訊系統，每個子時框中共有4個OFDM符號傳送參考訊號，分別落在第0、 4、7、11的OFDM符號上（此為正常循環字首的情況，對延長循環字首而言，參考訊號落在第0、 3、6、9的OFDM符號上）。計時器的計時區間應至少包含一個參考符號，以避免因資料區塊未傳送資料時造成的接收功率估算的嚴重誤差；也就是說，對正常循環字首而言，計數週期T應該大於等於4個OFDM符號，對延長循環字首而言，計數週期T應該大於等於3個OFDM符號。依據圖4的流程，最多只需要2個計數週期T即可確定增益值，而對TDD-LTE通訊系統來說（如圖3所示），自1個時框的起始點至同步訊號到達之前，共有13個OFDM符號（大於3個計數週期T），所以系統在這3次的增益值調整機會中必可達到穩定；而如果依據圖5的流程（用戶端支援兩個接收電路），理想狀況下只需要1個計數週期T即可確定增益值； 4. 計時器的計數值C在正常計數下可表示為； 5. 參考強度Pr必須考量在一個子時框中資料區塊傳送的密度，相較於計數週期內的資料區塊完全不傳送資料而只有參考訊號的情況，參考強度Pr須保留足夠空間以避免訊號飽和，因此參考強度Pr可表示成：=(4) 其中是在1個計數週期T內OFDM符號的個數，是1個OFDM符號內子載波區段的個數，12代表1個子載波區段所包含的子載波個數，2代表1個子載波區段內參考訊號所佔有的子載波個數； 6. 訊號強度Ps的估算可以是射頻電路提供的接收訊號強度指標（Received Signal Strength Indicator; RSSI），或是在數位端的表示為(5)是數位輸入訊號，是計數週期。

以有效位數為12位元的ADC為例，高增益值及低增益值可以由以下的步驟計算得到： 1. 定義ADC的動態區間，dBm，dBm； 2. 設PAPR為12 dB，則dBm,dB； 3. 設訊號強度允許的誤差量為1 dB，dB，.13 dBm，H的範圍，選擇dB； 4. 換算高低增益的切換點在dBm。

由於本技術領域具有通常知識者可藉由圖4及圖6之裝置發明的揭露內容來瞭解圖5及圖7之方法發明的實施細節與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發明之揭露要求及可實施性的前提下，重複之說明在此予以節略。請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸、比例以及步驟之順序等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。

雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

110、210、215‧‧‧訊號放大器
120、220、225‧‧‧類比數位轉換器
130、230、235‧‧‧功率估算單元
140、240‧‧‧增益控制單元
150‧‧‧後級電路
201‧‧‧控制單元
S410～S490‧‧‧步驟

［圖1］為習知訊號接收端的功能方塊圖；［圖2］為FDD-LTE通訊系統的時框架構及主同步訊號與輔助同步訊號的分配圖；［圖3］為TDD-LTE通訊系統的時框架構及主同步訊號與輔助同步訊號的分配圖；［圖4］為本發明一實施例之LTE通訊系統之訊號接收端的功能方塊圖；［圖5］為對應圖4之自動增益控制的流程圖；［圖6］為本發明另一實施例之LTE通訊系統之訊號接收端的功能方塊圖；［圖7］為對應圖6之自動增益控制的流程圖；以及［圖8］為本發明自動增益控制之高增益值H及低增益值L與ADC之動態區間的關係圖。

S410~S490‧‧‧步驟

Claims

一種通訊接收端，用來接收一輸入訊號，包含：一第一訊號放大器，用來以一第一預設增益值或一第二預設增益值調整該輸入訊號以產生一第一調整訊號；一第一類比數位轉換器，耦接該第一訊號放大器，用來對該第一調整訊號進行類比至數位轉換；以及一控制單元，耦接該第一類比數位轉換器，用來依據該第一類比數位轉換器之輸出判斷該第一類比數位轉換器是否飽和；其中，該第一預設增益值與該通訊接收端所處理之一第一輸入訊號強度及該第一類比數位轉換器之一量化雜訊有關，而該第二預設增益值與該通訊接收端所處理之一第二輸入訊號強度及該第一類比數位轉換器之一全功率有關，該第一輸入訊號強度小於該第二輸入訊號強度。
如申請專利範圍1項所述之通訊接收端，更包含：一估算單元，耦接該第一類比數位轉換器，用來在一預設時間內估算該第一調整訊號之強度以產生一估算強度；其中在該預設時間內，該輸入訊號之複數正交分頻多工符號的其中之一包含一參考訊號。
如申請專利範圍2項所述之通訊接收端，更包含：一增益控制單元，耦接該第一訊號放大器，用來依據該估算強度及一參考強度產生該第一訊號放大器據以調整該輸入訊號之一增益值；其中該參考強度係與該參考訊號在該輸入訊號之一子載波區段內所佔之子載波個數有關。
如申請專利範圍2項所述之通訊接收端，其中該輸入訊號係包含長期演進技術通訊系統之一正常循環字首，且該預設時間係大於等於4個正交分頻多工符號之等效時間。
如申請專利範圍2項所述之通訊接收端，其中該輸入訊號係包含長期演進技術通訊系統之一延長循環字首，且該預設時間係大於等於3個正交分頻多工符號之等效時間。
一種應用於一通訊接收端的一增益控制電路之增益控制方法，該增益控制方法包括有：在一第一階段期間，利用一非閉迴路機制對該增益控制電路進行增益控制；以及在位於該第一階段期間後之一第二階段期間，利用一閉迴路機制對該增益控制電路進行增益控制。
如申請專利範圍6項所述之增益控制方法，其中，該通訊接收端包括有一類比數位轉換器，其中，該非閉迴路機制包括有：依據該類比數位轉換器是否飽和來決定以一第一預設增益值與一第二預設增益值之其一對該增益控制電路進行增益控制；其中，該第一預設增益值與該通訊接收端所處理之一第一輸入訊號強度及該類比數位轉換器之一量化雜訊有關，而該第二預設增益值與該通訊接收端所處理之一第二輸入訊號強度及該類比數位轉換器之一全功率有關，該第一輸入訊號強度小於該第二輸入訊號強度。
如申請專利範圍7項所述之增益控制方法，更包含：以該第一預設增益值及該第二預設增益值的其中之一調整一輸入訊號；在一預設時間內估算調整後之該輸入訊號之一估算訊號強度；其中，在該預設時間內，該輸入訊號之複數正交分頻多工符號的其中之一包含一參考訊號。
如申請專利範圍8項所述之增益控制方法，更包含：於該預設時間內，判斷調整後之該輸入訊號是否造成該類比數位轉換器飽和。
如申請專利範圍8項所述之增益控制方法，更包含：依據該估算訊號強度及一參考強度產生該通訊接收端據以調整該輸入訊號之一調整增益值；其中該參考強度係與該參考訊號在該輸入訊號之一子載波區段內所佔之子載波個數有關。