TWI646776B - 自動增益控制裝置與自動增益控制方法 - Google Patents

自動增益控制裝置與自動增益控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種自動增益控制裝置，其中包含一振幅偵測電路、一失真偵測電路、一增益決定電路與一放大電路。該放大電路係用以將一增益施加於一輸入信號，以產生一輸出信號。該振幅偵測電路係用以偵測該輸入信號之一平均振幅。該失真偵測電路係用以偵測該輸出信號之一失真程度。該增益決定電路根據該平均振幅與該失真程度調整該放大電路採用之該增益。

Description

自動增益控制裝置與自動增益控制方法
本發明與信號接收系統相關，並且尤其與信號接收系統中的自動增益控制技術相關。
隨著電子相關技術的進步，各種類型的通訊設備愈來愈普及。許多通訊設備的接收端都設有自動增益控制電路，負責適性地將一放大增益施加於其輸入信號；經過適當放大後的信號有助於後續電路正確解碼。
典型的自動增益控制是根據輸入信號的平均振幅來決定增益的大小。圖一呈現一自動增益控制電路的內部電路示意圖。振幅偵測電路110係用以計算輸入信號SI的振幅絕對值之平均值(以下稱平均振幅A)。增益決定電路120會根據平均振幅A與一參考振幅R的差異來決定增益G，並由放大電路130將增益G施加於輸入信號SI，以產生輸出信號SO。更具體地說，參考振幅R代表對於輸出信號SO之振幅的期望值。平均振幅A與參考振幅R的差異愈小，表示愈不需要利用放大電路130提供的增益來放大輸入信號SI。因此，增益G會正比於平均振幅A與參考振幅R間的差異。
上述參考振幅R通常是一個固定的預設值，由參考振幅設定電路140根據輸入信號SI的特性來設定；針對同一類型的信號便是採用相同的參考振幅R。這種做法的缺點在於，針對同一類型的信號採用固定的參考振幅R未必理想。舉例來說，輸入信號SI可能會與鄰頻干擾(adjacent channel interference)或因電力不穩定造成的突波干擾(impulse interference) 疊加，也有可能被傳送端為了測試目的而設定為具有忽大忽小的波形，因而在某些時間點變得具有較高的振幅。
圖二呈現輸入信號SI之振幅絕對值與時間的一個相對關係範例。在這個範例中，平均振幅A大約等於0.4伏特。以虛線圓框標出的三個位置21、22、23則出現了與平均值相差甚大的振幅(以下稱異常振幅)。假設振幅偵測電路110計算出平均振幅A等於0.4伏特，而參考振幅設定電路140提供的參考振幅R等於0.7伏特，增益G便可能被設定為1.75。圖二呈現輸出信號SO之振幅絕對值與時間的一個相對關係範例。在這個情況下，上述三處異常振幅在通過放大電路130後便會被放大到超過±1.2伏特(如圖二中的位置21’、22’、23’所示)。若後續電路(例如類比-數位轉換電路)的輸入信號動態範圍是±1.2伏特，超過±1.2伏特的信號內容通常會被後續電路捨棄，造成失真的問題。因振幅飽和而導致的失真有一個很大的壞處，即使後續採用過濾電路在頻域移除了鄰頻干擾與突波干擾的影響，原來的信號資訊已無法被重建。
為解決上述問題，本發明提出一種新的自動增益控制裝置與自動增益控制方法。
根據本發明之一實施例為一種自動增益控制裝置，其中包含一振幅偵測電路、一失真偵測電路、一增益決定電路與一放大電路。該放大電路係用以將一增益施加於一輸入信號，以產生一輸出信號。該振幅偵測電路係用以偵測該輸入信號之一平均振幅。該失真偵測電路係用以偵測該輸出信號之一失真程度。該增益決定電路根據該平均振幅與該失真程度調整該放大電路採用之該增益。
根據本發明之另一實施例為一種自動增益控制方法。首先，一增益被施加於一輸入信號，以產生一輸出信號。其次，該輸入信號之平均 振幅以及該輸出信號之失真程度被偵測。隨後，根據該平均振幅與該失真程度，施加於該輸入信號之該增益被調整。
關於本發明的優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
110‧‧‧振幅偵測電路
120‧‧‧增益決定電路
130‧‧‧放大電路
140‧‧‧參考振幅設定電路
21~23、21’~23’‧‧‧異常振幅
400‧‧‧自動增益控制裝置
405‧‧‧參考振幅設定電路
410‧‧‧振幅偵測電路
420‧‧‧增益決定電路
430‧‧‧失真偵測電路
440‧‧‧放大電路
420A‧‧‧調整電路
420A1‧‧‧暫存器
420A2‧‧‧比較器
420A3‧‧‧減法電路
420B‧‧‧差異計算電路
420C‧‧‧增益產生電路
420D‧‧‧差異計算電路
420E‧‧‧原始增益產生電路
420F‧‧‧調整電路
430A‧‧‧比較電路
430B‧‧‧計數電路
430C‧‧‧鄰頻干擾濾波器
430D‧‧‧鄰頻干擾偵測電路
SI‧‧‧輸入信號
SO‧‧‧輸出信號
SF‧‧‧過濾後信號
SC‧‧‧時脈信號
A‧‧‧平均振幅
R‧‧‧參考振幅
R’‧‧‧調整後參考振幅
G‧‧‧增益
G0‧‧‧原始增益
L‧‧‧失真程度
TH‧‧‧失真程度門檻值
T‧‧‧振幅門檻
D‧‧‧振幅差異
d‧‧‧預設運算值
EN‧‧‧致使信號
S71~S75‧‧‧流程步驟
圖一呈現典型自動增益控制電路的一種實施例。
圖二呈現一自動增益控制電路的輸入信號之振幅絕對值與時間的相對關係範例。
圖三呈現一自動增益控制電路的輸出信號之振幅絕對值與時間的相對關係範例。
圖四為根據本發明之一實施例中的自動增益控制裝置之功能方塊圖。
圖五(A)與圖五(B)呈現本發明之實施例中的失真偵測電路之細部電路。
圖六(A)與圖六(C)呈現本發明之實施例中的增益決定電路之細部電路；圖六(B)呈現本發明之實施例中的調整電路之細部電路。
圖七為根據本發明之一實施例中的自動增益控制方法之流程圖。
須說明的是，本發明的圖式包含呈現多種彼此關聯之功能性模組的功能方塊圖。該等圖式並非細部電路圖，且其中的連接線僅用以表示信號流。功能性元件及/或程序間的多種互動關係不一定要透過直接的電性連結始能達成。此外，個別元件的功能不一定要如圖式中繪示的方式分配，且分散式的區塊不一定要以分散式的電子元件實現。
根據本發明之一實施例為一種自動增益控制裝置，其功能方塊圖係繪示於圖四。自動增益控制裝置400包含一參考振幅設定電路405、一振幅偵測電路410、一增益決定電路420、一失真偵測電路430與一放大電路440。實務上，自動增益控制裝置400可以被整合在各種需要對信號施以自動增益控制的通訊接收器中，亦可獨立存在。以下分述各電路的運作方式。
參考振幅設定電路405會根據輸入信號SI的特性(例如隸屬於何種電視系統標準)來設定提供給增益決定電路420的預設參考振幅R。實務上，該特性的相關資訊可能是透過輸入信號SI中的某些封包檔頭來傳遞，但不以此為限。
振幅偵測電路410負責偵測輸入信號SI的振幅絕對值之平均值(以下稱平均振幅A)。
失真偵測電路430負責偵測輸出信號SO之一失真程度L。圖五(A)呈現失真偵測電路430的一種細部電路範例。比較電路430A係用以比較輸出信號SO之振幅絕對值與一振幅門檻T。每當輸出信號SO之振幅絕對值高於該振幅門檻T，比較電路430A便令其輸出信號具有高準位電壓，反之則為低準位電壓。每當偵測到比較電路430A的輸出信號出現一個電壓升緣，計數電路430B便提高其計數結果，並將於一段預設時間長度後產生之該計數結果輸出，做為失真程度L。須說明的是，該預設時間長度可參考輸入信號SI被取樣的頻率或是經由電路設計者根據實務經驗決定。於此實施例中，計數電路430B接收一時脈信號SC，並以時脈信號SC的週期來計算該預設時間長度。舉例而言，計數電路430B可以在每次時脈信號SC出現升緣時輸出最新的計數結果，並重新開始計數。另一方面，振幅門檻T則是與後續電路的輸入信號動態範圍相關。假設將接收輸出信 號SO的後續電路能處理的電壓範圍是±1伏特，則輸出信號SO中振幅絕對值超過1伏特的信號內容將會因振幅超過後續電路的輸入信號動態範圍而失真。在這個情況下，該振幅門檻T便可相對應地被設定為1伏特。時脈信號SC亦可設置在比較電路430A，致使比較電路在時脈信號SC的週期輸出比較結果。
圖五(B)呈現失真偵測電路430的另一種細部電路範例。鄰頻干擾濾波器430C係用以濾除輸出信號SO中的鄰頻干擾，以產生一過濾後信號SF。鄰頻干擾偵測電路430D則係用以偵測輸出信號SO與過濾後信號SF之一能量差異，做為失真程度L。實務上，鄰頻干擾偵測電路430D可利用功率偵測電路，分別偵測輸出信號SO和過濾後信號SF的功率(以下分別用符號PD、PF表示)，例如在頻譜上取得數位取樣結果SD與過濾後信號SF的累加功率或功率頻譜密度(power spectral density,PSD)。該能量差異可以是功率PD、PF的差值，也可以是以功率PD除以功率PF而產生之一比值。由該能量差異可以看出輸出信號SO中是否存在鄰頻干擾。鄰頻干擾愈強，該能量差異就愈大。另一方面，鄰頻干擾愈強，輸入信號SO中出現異常振幅的機率通常就會愈大。因此，該能量差異能被視為失真程度L。
如圖四所示，增益決定電路420在產生提供給放大電路440的增益G時，會考慮參考振幅設定電路405提供的預設參考振幅R、振幅偵測電路410提供的平均振幅A，以及失真偵測電路430提供的失真程度L。一開始，增益決定電路420可暫不考慮失真程度L，先根據平均振幅A與預設參考振幅R的差異來決定一初始增益G i 。隨後，失真偵測電路430便可偵測到放大電路440將初始增益G i 施加於輸入信號SI所產生的輸出信號SO之失真程度L。一失真程度門檻值TH可被預先設定(例如根據後續解碼器在一個封包中能容忍的錯誤位元數量)並提供給增益決定電路420。如果失真程度L超過失真程度門檻值TH，表示根據平均振幅A產 生的初始增益G i 會讓輸入信號SI中有太多異常振幅被放大到失真的程度。因此，若失真程度L超過失真程度門檻值TH，增益決定電路420會調低增益G，亦即提供一個低於初始增益G i 的新增益G給放大電路440。易言之，在平均振幅A相同的情況下，當失真程度L未超過失真程度門檻值TH，增益決定電路420會產生一第一增益，而當失真程度L超過失真程度門檻值TH，增益決定電路420會產生低於該第一增益之一第二增益。藉由將失真程度L納入考慮，增益決定電路420可減少前述異常振幅被過度放大所造成的信號失真問題。
實務上，增益決定電路420可持續動態調整增益G。舉例來說，若採用新增益G經過一段時間之後，失真偵測電路430不再偵測到輸出信號SO中有任何失真信號，增益決定電路420可將增益G改回初始增益G i 。
圖六(A)呈現增益決定電路420的一種細部電路範例。若失真程度L高於失真程度門檻值TH，調整電路420A便根據失真程度L與預設參考振幅R產生一調整後參考振幅R’，實施方式如後詳述。差異計算電路420B係用以計算平均振幅A與調整後參考振幅R’間之一振幅差異D。實務上，振幅差異D可以是自調整後參考振幅R’減去平均振幅A而產生的相減結果，也可以是以平均振幅A除以調整後參考振幅R’而產生之一比值。增益產生電路420C根據振幅差異D來產生增益G。實務上，增益產生電路420C可包含一查找表，並以振幅差異D做為索引值，自該查找表中找出相對應的增益G。或者，增益產生電路420C可包含加減法器等運算電路，以振幅差異D做為一預設計算式的輸入值，計算出增益G。
調整電路420A有幾種可行的實踐範例如下所述。一例中，調整電路420A可將失真程度L分為數個級距，建立一個查找表，並且以失真程度L與預設參考振幅R做為索引值，自該查找表中找出相對應的調整 後參考振幅R’。或者，調整電路420A可包含加減法器等運算電路，以失真程度L與預設參考振幅R做為一預設計算式的輸入值，計算出調整後參考振幅R’。另一例中，調整電路420A採用漸進式的方式來調整參考振幅R，若此週期的失真程度L超過失真程度門檻值TH，調整電路420A可令下一次的調整後參考振幅R’低於這一次的調整後參考振幅R’，藉此縮小振幅差異D。如圖六(B)所示，調整電路420A包含一暫存器420A1、一比較器420A2以及一運算電路420A3。比較器420A2係用來比較失真程度L與失真程度門檻值TH，若失真程度L大於該失真程度門檻值TH則使比較器輸出為1，作為運算電路420A3的致使信號EN。暫存器420A1暫存此週期採用之調整後參考振幅R’作為運算電路420A3的一輸入，運算電路420A3之另一輸入端接收一預設運算值d，當運算電路420A3收到為1的致使信號EN，便將調整後參考振幅R’與此運算值d進行運算，以得到下一週期將採用的調整後參考振幅R’，並出輸出至差異計算電路420B。新的調整後參考振幅R’也會被存入暫存器420A1。因差異計算電路420B所算得的振幅差異D將因此減小，增益產生電路420C將會產生一個較小的增益G。須說明的是，增益決定電路420可迭代式地多次調整增益G，直到失真程度L下降到前述失真程度門檻值TH以下。實務上，運算電路420A3可採用減法電路，則運算值d為一差值，新的調整後參考振幅R’則是調整後參考振幅R’減去此差值d的結果；或者，運算電路A3可採用比例電路，則運算值d為一比例，新的調整後參考振幅R’則是調整後參考振幅R’乘上此比例d的結果。
圖六(C)呈現增益決定電路420的另一種細部電路範例。差異計算電路420D係用以計算平均振幅A與預設參考振幅R間之一振幅差異D。原始增益產生電路420E係用以根據振幅差異D產生一原始增益G0。若失真程度L高於失真程度門檻值TH，調整電路420F便會根據失真程度L與原始增益G0產生一個低於原始增益G0的增益G。舉例而言，若失真程 度L超過失真程度門檻值TH，調整電路420F可令增益G的大小等於原始增益G0的百分之九十。
於實際應用中，增益決定電路420可利用多種控制和處理平台實現，包含固定式的和可程式化的邏輯電路，例如可程式化邏輯閘陣列、針對特定應用的積體電路、微控制器、微處理器、數位信號處理器。此外，增益決定電路420亦可被設計為透過執行一記憶體(未繪示)中所儲存之處理器指令，來完成多種任務。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，另有多種電路組態和元件可在不背離本發明精神的情況下實現增益決定電路420的概念。
根據本發明之另一實施例為一種自動增益控制方法，其流程圖係繪示於圖七。首先，步驟S71為將一增益施加於一輸入信號，以產生一輸出信號。隨後，步驟S72為偵測該輸出信號之一失真程度。可另外同步進行的步驟S73為偵測該輸入信號之一平均振幅。接著，步驟S74為根據該平均振幅與該失真程度產生一調整後增益。接著，步驟S75是將該調整後增益施加於該輸入信號。
本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，先前在介紹自動增益控制裝置400時描述的各種操作變化亦可應用至圖七中的自動增益控制方法，其細節不再贅述。
藉由以上具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

Claims (10)

  1. 一種自動增益控制裝置，包含：一放大電路，用以將一增益施加於一輸入信號，以產生一輸出信號；一振幅偵測電路，用以偵測該輸入信號之一平均振幅；一失真偵測電路，用以偵測該輸出信號之一失真程度，其中該失真真測電路包含：一比較電路，用以比較該輸出信號之一振幅絕對值與一振幅門檻；以及一計數電路，每當該輸出信號之該振幅絕對值高於該振幅門檻，該計數電路便增加一計數結果，並將於一段預設時間長度內產生之該計數結果輸出，做為該失真程度；以及一增益決定電路，根據該平均振幅與該失真程度產生一調整後增益，供該放大電路使用。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之自動增益控制裝置，其中該增益決定電路包含：一調整電路，用以根據該失真程度與一參考振幅產生一調整後參考振幅；一差異計算電路，用以計算該平均振幅與該調整後參考振幅間之一振幅差異；以及一增益產生電路，用以根據該振幅差異產生該調整後增益。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之自動增益控制裝置，其中該增益決定電路包含：一差異計算電路，用以計算該平均振幅與一參考振幅間之一振幅差異；一原始增益產生電路，用以根據該振幅差異產生一原始增益；以及一調整電路，用以根據該失真程度與該原始增益產生該調整後增益。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之自動增益控制裝置，其中該失真偵測電路包含：一鄰頻干擾濾波器，用以濾除該輸出信號中之一鄰頻干擾，以產生一過濾後信號；以及一鄰頻干擾偵測電路，用以偵測該輸出信號與該過濾後信號之一能量差異，做為該失真程度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之自動增益控制裝置，其中該增益決定電路包含：一調整電路，用以根據該失真程度與一參考振幅產生一調整後參考振幅；一差異計算電路，用以計算該平均振幅與該調整後參考振幅間之一振幅差異；以及一增益產生電路，用以根據該振幅差異產生該調整後增益。
  6. 一種自動增益控制方法，包含：(a)將一增益施加於一輸入信號，以產生一輸出信號；(b)偵測該輸入信號之一平均振幅；(c)偵測該輸出信號之一失真程度，其中步驟(c)包含以下步驟：比較該輸出信號之振幅絕對值與一振幅門檻；以及每當該輸出信號之振幅絕對值高於該振幅門檻，提高一計數結果；以及將於一段預設時間長度內產生之該計數結果輸出，做為該失真程度；(d)根據該平均振幅與該失真程度產生一調整後增益；以及(e)將該調整後增益施加於該輸入信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之自動增益控制方法，其中步驟(d)包含：根據該失真程度與一參考振幅一調整後參考振幅；計算該平均振幅與該調整後參考振幅間之一振幅差異；以及根據該振幅差異產生該調整後增益。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之自動增益控制方法，其中步驟(d)包含：計算該平均振幅與一參考振幅間之一振幅差異；根據該振幅差異產生一原始增益；以及根據該失真程度與該原始增益，產生該調整後增益。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之自動增益控制方法，其中步驟(c)包含：濾除該輸出信號中之一鄰頻干擾，以產生一過濾後信號；以及偵測該處理後信號與該過濾後信號之一能量差異，做為該失真程度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之自動增益控制方法，其中步驟(d)包含：根據該失真程度與一參考振幅一調整後參考振幅；計算該平均振幅與該調整後參考振幅間之一振幅差異；以及根據該振幅差異產生該調整後增益。
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