用於使用電網的多用戶ofdm數字傳輸系統的自動增益控制系統的製作方法
2023-07-22 08:53:21 2
專利名稱：用於使用電網的多用戶ofdm數字傳輸系統的自動增益控制系統的製作方法
發明目的如發明名稱所述，本發明涉及用於在電網上的多用戶數字OFBM傳輸系統的自動增益控制系統。該自動增益控制系統執行下列操作-它避免了在系統設備中上溢出的產生，上溢出的產生會引起系統的信噪比的惡化。
-它在可用於適合於這種類型信道的通信的範圍中引入最大平均功率。
由於這個自動增益控制系統，獲得了最大傳輸容量，通過重用頻率和時間而達到了最大數量的用戶，來自位於遠處和近處的用戶的信號被接納，並且在接收中的模/數轉換所需要的比特數被最小化。
背景技術：
眾所周知，電網不是用於靜態通信的信道，換句話說，線路上的頻率響應、衰減和噪聲隨時間而變化，所以在發送和接收放大器中的增益配置可能在一個給定時刻是適當的，在幾個時刻之後，由於網絡行為所產生的改變，所述增益配置會變成不適當的。
另一方面，電網上的通信系統的用戶依據他們相對於前端設備的位置而看到一個不同的信道，所以當用戶連接到所述系統時，一個固定的配置是不能夠被用於相應的放大器中的增益的。
電網按照一個選擇性的通信信道進行工作(能夠將一些載波相對於其它載波衰減80dB，換句話說，也就是具有大於80dB的動態容限)。線路噪聲也是可變的(也就是說，在接收中不總是測量到相同的噪聲功率)並且各種脈衝噪聲也存在。因此，傳統的自動增益控制系統是不適於應用到電網上的通信系統中的，其中需要採取智能的增益控制。
另一方面，現有技術中已知的是題為「在電網上的數字數據點到多點傳輸的系統和方法(system and process for the transmissionof digital data point to multipoint over the electricitynetwork)」的專利申請P-200003024。這個專利描述了其中各種用戶工具(kit)與前端設備通過電網進行雙向通信的系統，一個信道是從用戶到前端設備的上遊，另一個是從前端設備到用戶工具的下遊，包括在每個工具中的介質接入控制模塊(MAC)，用來最大化用戶工具能夠傳輸的信息量並且最小化這些用戶工具中的等待時間，同時利用頻分雙工和/或利用時分雙工進行上遊和下遊信道的電網劃分，並且前端設備和用戶工具都包括用於將相應的數字傳輸適配到電網的裝置。
上述專利P-200003024中描述的系統恰當地解決了在本專利申請之前的技術發展水平中的不方便之處並且還可以進一步包括如本申請所述的自動增益控制系統。
發明內容
為了到達上面所述的目的，本發明包括一種用於在電網上的數字OFDM傳輸系統的自動增益控制系統，其中各種用戶工具和前端設備工具通過所述網絡進行雙向通信，在從用戶工具到前端設備的上遊信道以及從前端設備到用戶工具的下遊信道中具有獨立的控制；其中利用頻分雙工(FDD)和/或時分雙工(TDD)進行上遊和下遊信道的電網劃分；其中具有非固定包絡的信號被藉助所使用的OFDM調製(正交頻分復用)發送；其中包括放大器來作用於發送和接收中的增益；並且在可能使用前端設備和用戶工具的各種組合的情況下，重用相同的頻率和時間，其中利用OFDM/TDMA復用(正交頻分復用和/或時分復用)來接入上遊和下遊信道。
本發明的新穎性在於一個自動增益控制系統，該系統包括-逐個載波處理相應的發送信號，以便在變換到其中固定了信號的平均功率的時域之前，預先補償諸如電網這樣的頻率選擇性信道對於信號的影響，-在接收中，逐個載波處理頻域中的信號，其中信道塊(channelblock)的影響的補償器在頻率中執行接收信號以及信號的校正元素的縮放比例，利用一個浮點表示被補償的信號並且固定尾數的比特數，從而獲得一個由載波定義的確定的最大精度(或者信噪比)，因此存儲信道影響的補償元素的存儲器可以被降低，從而通過固定尾數的比特數而降低了頻域中操作的複雜度，以便處理接收信號中的更大動態範圍，並且將進入ADC的信號放大到最大值，而不會對於頻率處理在前面的塊中產生上溢出。
-對於各種工具控制傳輸功率，以便來自各個用戶的功率被以相同的電平接收並且能夠使用很少比特的模/數轉換器，-控制傳輸功率以便保證由用戶發送到前端設備的信號不會在使用相同的頻率和時間的其它組前端設備和用戶的運行中產生幹擾。
利用這些基本特徵，本發明的自動增益控制系統獲得了-達到最大傳輸容量，-通過重用頻率和時間來達到最大數量的用戶。
-在不惡化信噪比或傳輸容量的情況下，接納來自(按照電纜長度或者衰減的)近處或遠處用戶的信號，-避免了將導致傳輸容量損失的系統機構中的上溢出的產生。
-避免了由法律管制的或者產生與其它通信系統的幹擾的頻率的使用。
-引入了可用於通信的頻率範圍中的最大平均功率，以及-最小化接收中的模/數轉換所需要的比特數。
對於下遊的自動增益控制既調整前端設備工具的發送機中的增益，也調整用戶工具的接收機的增益，在調整用戶工具中的接收增益之前調整前端設備中的增益，以便在不產生系統轉換器中的上溢出的情況下，引入可用於通信的範圍中的最大平均功率，目的是最大化傳輸容量。
如果ADC接收機中產生的上溢出的數量超過某個限制，則下遊的自動增益控制減小用戶接收機中的增益，這是因為這些上溢出產生S/N比的減小，這會引起傳輸容量中的惡化。
同樣，在下遊中，如果在確定的時間窗口期間在ADC接收機中沒有產生上溢出，則這個自動增益控制系統增加用戶接收機中的增益，以便量化噪聲與放大的線路噪聲相比不會限制S/N。
用於下遊信道的自動增益控制的相應算法的一個可能實現是基於像在確定的時間窗口期間產生的上溢出(ADC接收機中的飽和)數量以及均衡加權這樣的各方面的控制，以便如果時間窗口中的上溢出的數量大於某個閾值，則接收機的增益被減小，同時如果對於整個窗口來說沒有被超過所述閾值並且均衡加權表明信號可以增加功率而不會產生上溢出，則接收機中的增益被增加；並且如果這些情況中的任何一個都沒有出現，則系統被認為是運行在一個最佳電平並且相應放大器中的增益不被修改；監視增益值的系統總是被使用，以便避免在增益中產生振蕩並且在接收中增益的增加的周期驗證不會提高信噪比。
在上遊連接中，本發明的自動增益控制系統既調整前端設備接收機中的增益，也調整用戶發送機中的增益，在執行用戶工具中的發送機中的增益調整之前，調整(在接收中的)前端設備工具中的增益，目的是避免由於上溢出所導致的S/N的惡化以及在前端設備工具中的ADC的量化噪聲。
此外，對於這裡所提出的自動增益控制，前端設備工具中的接收增益被作為下遊信道中的線路上的噪聲的函數而固定，以便前端設備工具測量噪聲的功率並且調整增益，目的是ADC的量化噪聲與放大的線路噪聲相比不會限制S/N，並且使得使用具有一個降低數量比特的轉換器。
當沒有用戶工具在發送，前端設備在接收的信號上使用DFT(離散傅立葉變換)時，前面的段落中提到的噪聲測量被採用，它能夠通過增加接收中的增益並且將所述DFT的出口(exit)與沒有用戶工具發送時的一個確定閾值相比較來估計線路噪聲。
採用這個噪聲測量的另一種方式可以是當一些用戶在發送時，從在前端設備中的接收均衡器提供的錯誤信號並且從發送和接收放大器的已知增益開始。
對於上遊信道，在用戶工具中的發送放大器的增益控制出現在開環和/或閉環中，以便最大化傳輸容量並且降低在ADC中在整個信號範圍上的ADC中的轉換所需要的比特數-在開環控制中，藉助在下遊信道中接收的功率，應當由上遊信道發送的功率量被估計；-在閉環控制中，前端設備工具從用戶工具接收信號並且在接收中測量其功率，以及如果它在相應的ADC中產生上溢出；並且從這個測量開始，最好是通過發送控制消息來向用戶工具表明它應當增加還是減小發送增益放大器。
在上遊信道中的增益控制算法的一個可能實現包括-首先，估計時間窗口中的上溢出的數量並且如果這個值大於一個最大被允許的閾值，則增益被減小；-為了確定哪個增益(用戶工具的發送或者前端設備工具中的接收)應當被減小，由加權均衡器給出的信息被使用來區分上溢出是由於用戶發送的信息信號而產生(在這種情況下，前端設備工具向用戶工具表明要降低發送電平)還是由於線路噪聲而產生(在這種情況下，將由前端設備工具減小接收中的增益)；-增益提高，這隻有當沒有減小增益的原因存在時才被使用，以便這個增益提高只有在不會導致上溢出時才會出現在用戶工具中；-無論什麼情況，總是使用一個監視增益值來避免振蕩的系統；-在(被足夠分隔開的)確定的時間中，通信線路被監視以便檢查在接收中的增益的固定值是否正確(網絡上的脈衝噪聲引起一個不適當的調整)並且如果必要，則修改這個值。
為了優化增益控制，使用相應發送信號的逐個載波處理來預先補償信道在信號上的影響，通過增加在由信道發送中遭受更多衰減的載波中的功率並且降低在信道中被較少衰減地發送的載波中的功率，使得保持平均發送功率並且傳輸容量能夠被增加，而不會在時間或者模/數轉換中的信號處理中產生上溢出。
逐個載波處理中的一次可以是發送中的逐漸衰減並且包括消除其頻率位置與下列頻率相符的載波其使用由法律管制的頻率、幹擾其它通信設備的頻率、在電視和其它電子設備中使用的中間頻率、無線電業餘頻率等，並且其中載波的選擇是可以根據系統在每個時刻的通信需要而進行實時配置的。
為了優化增益控制，一旦信號是在頻域中，則在接收中相應信號的逐個載波處理就出現，並且包括一個補償器塊，該補償器塊補償信道在接收的信號上的影響，根據為每個載波中的接收的信號估計的電平以及在該信號上使用的頻率校正器元素的值來比例縮放該信號，以便可能只對接收的信號的浮點中的接收尾數(尾數指數)起作用，並且最後根據載波的最大精度(或者信噪比)來固定這個尾數的比特數；目的是使用非常少的比特數來表示具有大動態範圍的信號(也就是具有非常高或者非常低功率的信號)，從而減小用於存儲頻域中的操作的存儲器的大小(以便其中具有降低數量的比特)並且在到模/數轉換器的入口處將信號放大到最大值，而不會在頻域中逐個載波處理信號之前在各塊中產生上溢出，接收具有在接收中在信噪比上受到線路上的噪聲而不受到A/D轉換器的量化噪聲所限制的較大衰減的載波，並且同時接收較少由線路衰減並且在轉換之前被放大的載波，而不會在被方便地縮放比例時產生上溢出，以便由頻率塊利用與對於具有較大衰減的載波相同的在每個操作中的比特數來處理它們。
在上述比例縮放過程中，當把接收的信號乘以均衡加權的浮點表示的表示指數時，獲得信號尾數，並且其中如果發送的數據指向其它用戶並且在所有載波中，當發送的數據指向我們的用戶時，所述指數在網格中的均衡訓練階段更新自己，以便降低由於影響電網上的通信的多個脈衝噪聲所導致的刻度誤差的可能性。
使用相同頻率和時間(重用頻率和時間)的各組前端設備以及與前者通信的用戶的共存的實現是通過控制這些工具中的發送增益，而且先前已經描述的控制接收的裝置，所以各種前端設備工具互相通信來進行共存判定。
另一個達到使用相同的頻率和時間(重用頻率和時間)的各組前端設備以及與前者通信的用戶的共存的可能性的實現是通過控制這些工具中的發送增益，同時控制接收增益的裝置是通過先前描述的裝置達到的，所以存在一個主要前端設備工具，它使用不同頻率和/或時間用於與其用戶通信並且負責保證重用相同頻率和時間的各組工具之間的共存，並且它能夠與每組的前端設備通信。
當有各組重用相同的頻率和時間的前端設備和用戶時，為了優化增益控制結果，發送增益被逐個載波地修改，或者(因為這意味著成本的增加)，考慮到具有較大信噪比的載波比具有較少信噪比的載波來估計頻率中的平均信噪比，並且這個結果被用於實現發送增益中的修改。
使用相同範圍的頻率和時間用於通信的各組前端設備和用戶工具的共存是可能的，這歸因於-在上遊和下遊這兩個通信信道中的相應信號發送裝置中的功率控制；-網絡拓撲，其中來自所有用戶工具的信號在到達組成另一個組的工具之前首先經過對應於它們的組的前端設備工具；以及-通過在前端設備工具之間發送信息或者通過與一個主要前端設備工具通信來測量(重用相同頻率和時間的)前端設備工具之間的衰減，以便這個測量被用來調整可能用於用戶工具的最大發送功率。
對於下遊信道，所有前端設備工具以可能用於通過電網通信的最大功率來發送，以便對於在用戶接收器中的信噪(S/N)比的最大值將由重用相同範圍的頻率和時間的前端設備工具之間的衰減來限制，同時如果有一個(使用另一個範圍的頻率和/或時間的)主要前端設備，則它將是負責利用信道控制以及最好是利用控制消息來調整在各種前端設備工具中需要的不同增益的這個主要前端設備工具。
為了保證在上遊通信信道中重用相同頻率和時間的各組工具的共存，用戶工具中的發送增益被調整，以便到達另一個組(並且可能干擾這個組)的前端設備的信號功率的電平與線路上的噪聲電平相差不大。
對於上遊通信信道，前端設備工具檢測從它的用戶之一到達的功率並且決定應當提高增益還是降低增益，隨後最好是利用控制消息來將這個信息通信到涉及的用戶工具；前端設備通過使用在頻率中被考慮的信噪比的估計的值、該估計的先前值以及噪聲的估計來進行相應的決定。
所描述的系統提供了通過像電網這樣的問題通信裝置達到智能和有效的自動增益控制的可能性，其中所述發明包括下列優點它達到了最大傳輸容量；它通過重用頻率和時間而達到了用戶的最大數量；它接納來自近處或者遠處的用戶的信號；它避免在系統機構中產生上溢出；在可用於通信的範圍中引入最大平均功率，並且最小化在接收中的模/數轉換所需要的比特數。
以下附圖被提供以便於更好地理解本發明，並且同時形成詳細描述和權利要求的一個主要部分，這些附圖提供了本發明原理的說明性而非限制性的描述。
圖1示意地表示使用本發明所述的自動增益控制的系統的拓撲的例子。
圖2示意地表示在使用本發明所述的自動增益控制的電網上的通信系統中，對於從發送機中的數/模轉換器到接收中的模/數轉換器的信號的影響。
圖3示意地表示在使用本發明所述的自動增益控制的電網上的通信系統中的接收中的功率電平。
圖4示意地表示如果在電網上的適合於包括本發明所述的自動增益控制的通信系統中上溢出的情況下在增益降低。
圖5示意地表示在電網上的適合於包括本發明所述的自動增益控制的通信系統中接收中的增益提高。
圖6示意地表示具有在使用本發明的自動增益控制的系統中的各種前端設備的邏輯拓撲。
圖7示意地表示具有在使用本發明的自動增益控制的系統中的各種前端設備的物理拓撲。
圖8示意地表示在使用本發明的自動增益控制的電網上的通信系統的下遊信道中的各種前端設備之間的幹擾。
圖9示意地表示在使用本發明的自動增益控制的電網上的通信系統的上遊信道中的幹擾。
本發明的一個實施例的描述(15到29)下面描述本發明的一個優選實施例，其中所使用的數字指圖中的數字。
用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸的自動增益控制系統被應用於在具有一個多用戶拓撲的電網上的通信系統中，其中前端設備或者中心1將信息發送到多個用戶工具2並且從它們那裡接收信息，如圖1所示。
這個前端設備以最大功率發送一個寬帶信號，具有非固定包絡和高的(峰值平均比，也就是被平方的信號電壓峰值與同一信號的均方值之間的關係)。這些特徵主要歸因於OFDM調製。
自動增益控制是作用在前端設備1和用戶工具2中的發送和接收增益的過程，目的是達到信號功率將足以最大化系統的傳輸容量。這個例子包括對於系統中下遊信道和上遊信道的獨立的自動增益控制。
模/數轉換器(ADC)是當判定自動增益控制時最受限制的塊。這個轉換器具有確定數量的比特用於轉換，以及此外一個從中產生上溢出的最大輸入電壓。也就是說當更多的轉換比特被用在相應的ADC中時，轉換器產生較少的量化噪聲。
在這個例子中的系統使用具有足夠數量比特的ADC來正確地解調OFDM信號(由於這是最昂貴的部件之一，所以正確解調具有在每個星座中支持的每個載波的最大比特數的OFDM信號的最少比特被使用)。這些轉換器通常具有小於線路範圍的一個範圍，或者換句話說，產生在電線上的背景噪聲電平之上的量化噪聲，以便在大多數情況下，是這個量化噪聲限制S/N比。圖2表示信道在相應信號上的影響，其中信號3從相應發送機的時間處理塊到達轉換器DAC。離開所述轉換器的這個信號被影響，就像它通過如圖2所示的信道，並且到達一個轉換器ADC，其存在信號(exist signal)4進入相應接收機中的時間處理塊。
在圖2中，可以看到被發送的信號在到達另一端的接收機之前是如何遭受不同的變化的。在該圖中，假設DAC和ADC轉換器是理想的，所以在這些機構中的量化噪聲被作為額外噪聲獨立地相加。此外，信道以以下兩種方式影響信號將它乘以從載波到載波變化的衰減和相位acejfc並且將附加的噪聲添加到信號上。以數學形式，接收的信號將是Y＝r+nADC(t)＝(x+nDAC(t)).aCejfc+n1 nea(t)+nADC(t)圖3表示對於一個確定的帶寬以及接收機的模/數轉換器的容限，(在實現相應的DFT之前)在時域中測量的信號平均功率。
在所述圖3中，縱軸上示出了以dBm為單位的功率。箭頭5表示對於PAR的功率裕量。電平7表示作為由ADC選擇所選定的固定值的ADC飽和閾值。電平8表示ADC的量化噪聲，它也是由ADC選擇所選定的一個固定值，並且電平9表示線路上的噪聲。箭頭6表示關於對應於電平7與8和9之間的最大值之間的差值的轉換器ADC的可檢測S/N比的最大容限。
接收增益中的變化考慮ADC轉換器的影響。
當接收的信號達到ADC的上溢出電壓閾值時，接收器增益被降低。接收中的放大器增益被降低，直到它實現信號的最大電平是ADC的飽和電平以便達到系統的最大S/N範圍。
圖4表示在上溢出時的增益降低。圖4的部分a表示接收中的線路噪聲電平(N1nea)，ADC中的量化噪聲電平(NADC)，飽和閾值(Usat)以及接收的信號的電平。在由箭頭10所示的歸因於增益控制系統的適當衰減之後，到達圖4的部分b所示的情況，它表示電平中的變化，表明了接收的信號的電平降低。
用數學形式表示為
Pr＞Usat；理想地G＝Usat-Pr＜0S/N＝(Pr+G)-max(NADC，N1nea+G)＝Usat-NADC另一方面，接收機中的正放大還受到模/數轉換器的存在的限制。當放大接收的信號時，我們不僅提高發送到通信信道的另一末端的所需信號，而且我們還放大添加到在信道上傳播時的接收的信號上的線路噪聲。噪聲的總和就是接收中的S/N比的限度。當放大的線路噪聲充分大於ADC量化噪聲時，將是這個噪聲來限制接收機中的信噪比(這在它至少更大12dB時會出現)。從這一點開始提高增益不會帶來任何改進。當量化噪聲與放大的線路噪聲中的功率電平(以對數尺度)之間的差大於12dB時，假設總噪聲將大約等於放大的線路噪聲，並且當在接收中放大增益時，從這一點開始將不會在信噪比中產生改進。
在圖5的部分a中，由11表示的容限表明在沒有放大的情況下接收時，在接收中檢測到的信噪比。從部分a的情況開始，並且在適當的放大(由箭頭12表示)之後，到達部分b所示的情況，其中參考數字14表示放大之後的信號電平，參考數字15表示放大之前的S/N比。
不過，如果從a中的情況開始，發生由箭頭13表示的大於NADC+12Db-N1 nea的額外的放大，則到達圖5的部分c所示的情況，其中參考數字16表示放大之後的信號電平，而17則表示當放大完全等於NADC+12Db-N1 nea的情況下沒有改進的信噪比，這是因為限制S/N的噪聲現在大約等於放大的線路噪聲。
以數學形式，如果Pr＜Usat；理想地G＝min(Usat-Pr，NADC+12Db-N1 nea)在不飽和的情況下則S/N＝(Pr+G)-max(NADC，N1 nea+G)＝Pr-N1 nea；如果G＞NADC+12dB-N1 nea則S/N＝(Pr+G)-max(NADC，nL NEA+G)＝Pr-N1 nea。
對於下遊信道的自動增益控制旨在最大化從前端設備1到用戶工具2的傳輸容量。
在下遊鏈路中，在調整用戶工具2的接收機中的增益之前，系統在前端設備1的傳輸中賦予最大可能的增益。這是因為由前端設備1在傳輸中進行的改變將會影響所有用戶2，並且使用最大可能的(由規章限制的)增益有助於達到最大可能的覆蓋。
如在前面的點所述來調整用戶接收機中的增益，也就是注意不產生上溢出以及在可用範圍內注入最大功率(來最大化傳輸容量)。
達到前述兩個目標的自動增益控制算法的一個可能實現是基於系統各方面的控制主要地，在特定時間窗口期間產生的上溢出(在這種情況下，是接收機ADC中的飽和)的數量以及離開均衡器時的信號的加權。如果在時間窗口中的上溢出的數量大於確定的閾值，則接收機中的增益被減小，這是因為這將惡化S/N。如果這個閾值在窗口期間沒有被超過並且均衡加權表明信號功率可以在不產生上溢出的情況下被提高，則接收中的增益被提高。如果這兩種情況都不適用，則系統處在最佳電平並且不需要修改放大器增益。在所有情況下，一個增益值監視系統都被使用來避免與自動增益控制相同的振蕩產生。此外，還進行檢查來看接收增益中的增加不改善處於最佳值的S/N。
另一方面，對於下遊信道的自動增益控制既調整前端設備1中的接收機增益還調整用戶工具2中的傳輸增益。與對於下遊信道中的自動增益控制的方式相同，在調整用戶工具中的傳輸增益之前，前端設備中的增益(這次是在接收中)被調整並且固定，以便避免飽和並且允許與每個工具的良好通信。
前端設備中的接收增益被作為線路噪聲的函數而固定。為此，中央工具或前端設備測量這個噪聲並且調整增益，以便放大的線路噪聲不超過模/數轉換器中的量化噪聲12dB。
存在前端設備1進行所述測量的方法。下面是兩個可能的實現a.當沒有用戶發送信息時，中央工具使用DFT來測量線路上的噪聲。
b.從均衡器的錯誤信號加權開始，進行信道特徵的估計。均衡器算法的錯誤信號是線路上噪聲的良好估計，這是因為從另一端發送的功率是固定值。
另一方面，用戶工具2的發送放大器中的增益控制也被採取。這個控制發生在開環和閉環中-在開環控制中，下遊鏈路中的接收的功率用於估計應當由上遊鏈路發送多少功率。
-在閉環控制中，前端設備工具1從用戶2接收信號並且測量其在接收中的功率(以及它是否在ADC中產生上溢出)。從這個測量開始，它使用控制信道(最好是通過發送控制消息)來告知用戶工具2來提高或者減小發送放大器增益。
下面是一個在上遊信道中的增益控制算法的一個可能實現的例子。
首先，測量在時間窗口中的上溢出的數量，如果這個值大於一個確定的閾值，則退出均衡器時的值被使用來確定必須減小哪個增益。
為了確定應當減小哪個增益(在用戶工具中發送的增益或者在前端設備中接收的增益)，在退出均衡器時的加權中給出的信息被用於區分是上溢出作為由用戶發送的信息信號的結果而被產生(在這種情況下，前端設備向用戶工具指示降低其發送)還是上溢出是由放大的線路噪聲導致的(在這種情況下，前端設備工具1將在接收中減小增益)。只有當不存在減小增益的原因時，才提高增益。如果沒有產生上溢出，則發生增益提高。
在以上兩種情況中，都監視增益值以便避免振蕩。
線路有時候(一個足夠大的時間周期)被監視，以便檢查接收增益的固定值是否是正確的(脈衝噪聲會導致一個不適當的調整)並且如果不正確，則修改所述值。
自動增益控制尤其重要，以便能夠在不在各內部塊中產生上溢出的情況下應用OFDM(正交頻分多址)。在這種情況下，前端設備1中的接收增益被固定來維持S/N容限，並且由於有不同的用戶在不同的頻率上同時發送(來自不同用戶的信號在相同的信號中到達)，所以前端設備中的接收增益無法適合於這些中的每一個。接收增益適合於最大的，在頻域中(在DFT之後)，採取逐個載波處理，以便維持具有固定增益的S/N容限並且減少可能的上溢出。
為了優化上遊和下遊這兩個信道中的增益控制，採取相應發送信號的逐個載波的處理。這個處理預補償信道的影響(把被較少衰減的載波衰減到更大程度並且反之亦然)。此外，這個逐個載波的處理可以用於逐漸衰減(在這種情況下，衰減的載波能夠繼續在通信中被使用)或者甚至消除(也就是說，被消除的載波不發送)其頻率被法律管制的載波用於其它電信系統(諸如用於業餘無線電愛好者)，或者可能干擾其它通信設備的頻率。選擇衰減或者消除哪些載波以及衰減的程度(在這種情況下)是在每個工具中可以實時配置的，以便它們符合系統的安裝標準並且符合每一時刻的系統通信需求。實現它的一個可能形式是使用功率屏蔽，它在傳輸中包括將每個載波乘以一個預定係數。
另一方面，在接收中，在均衡期間，均衡加權被以浮點編碼，以便在離開FFT時，信號可以被利用由均衡加權計算的指數來縮放比例。通過將接收的信號乘以這些指數，也就是通過縮放比例，就可能處理具有很少比特的尾數。
圖6表示用於在電網上的相應通信系統內的各種前端設備18的邏輯拓撲。多個前端設備18的使用允許創建前端設備組18加上用戶2，以便可能在所述兩個工具之間採取獨立的通信或者達到(根據電纜長度或衰減)位於遠離主要前端工具1的用戶工具能夠通信。
為了使得主要前端設備工具1的通信與前端設備工具18的通信互不幹擾，不同的頻率和/或時間被用於兩個通信中。能夠被用於與本說明書的系統通信的一組頻率和時間被稱作一條「鏈路」。在每組中，時間和頻率被重用，也就是相同的時間和頻率被前端設備組18及其用戶2在傳輸中使用，使得來自一組的信號可能干擾其它組的信號或者被其它組的信號幹擾。
在本發明的一個實現中，「鏈路」可以由使用位於用於傳輸的1到5MHz之間的頻率構成，而另一個由在5到10MHz之間傳輸構成。所有工具都採用使用一組或這些組頻率的「鏈路」並且因此可能互相干擾。
主要前端設備工具1與用戶工具2之間的通信通過一條「鏈路」進行，而前端設備工具18及其用戶之間的通信通過另一條「鏈路」進行，從而避免兩個通信之間的幹擾。
這些組的前端設備18共享相同的「鏈路」，也就是它們使用相同的頻率和時間進行發送。因此，前端設備18及其用戶工具2中的信號被另一個前端設備18及其用戶2幹擾，反之亦然。電網的拓撲能夠被用來使得一個組的前端設備18和用戶2(根據電纜長度或衰減)距離足夠遠，以便在(上遊和下遊)兩個信道中發送的信號不會產生高的幹擾。
由於這些幹擾組的存在，在前端設備18組及其用戶2的上遊和下遊信道中產生信噪比的降低。
本系統關於這一點的新穎性是允許其中各前端設備18組及其用戶2共存的形式。為此，我們將主要基於控制傳輸功率。
圖7表示(在電線上)兩個不同工具之間的物理連接的例子，它表示前端設備工具18和用戶工具2在四個不同的建築物19到22中的位置。
為了採取自動增益控制，假設由用戶工具2發送的信號到達了一個不在其組中的前端設備工具18，它將不得不傳播一個長的距離並且經過網絡上的其中它將與其組的前端設備工具18連接的點。這是利用配電網的拓撲容易實現的。例如，前端設備工具18可以位於建築物的電輸入點上，並且用戶工具2在建築物內，如圖7所示。前端設備18的組及其用戶2的共存是基於這樣一個事實所有附加到一個特定前端設備18的用戶2總是經過其中這個前端設備18連接以便能夠到達不在其組中的另一個前端設備18的點。為此，我們測量前端設備18之間的衰減，這可以通過在前端設備工具18和/或1之間發送信息來自動進行。如前所述，這個值用於為用戶調整最大傳輸功率。
在下遊信道中，相鄰前端設備工具18中的信號可以與來自我們的組中的前端設備18的信號混合。這個幹擾在系統中引入了加性高斯白噪聲類型的噪聲(這歸因於這樣一個事實具有大約一千個以M-QAM調製的載波的OFDM信號的分布統計實際上是標準的)。用戶接收(其前端設備和相鄰前端設備的)信號。我們的組的前端設備18的信號將與從用戶工具2到其前端設備18的距離成比例地衰減，而「幹擾」前端設備18的信號將與用戶工具2和另一個前端設備18之間的距離成比例地衰減。如果「幹擾」大於線路上的噪聲，則S/N的降級將主要由這個幹擾所引起，所以S/N將是信號功率之間的差，也就是直接與兩個前端設備18之間存在的衰減成比例。
圖8表示對於下遊信道的不同組的前端設備18加上用戶2之間的幹擾。
數學上，由用戶2從其前端設備工具18接收的信號是Pr＝S2-Lu其中S2是由前端設備18發送的信號功率，Lu是主要由前端設備18與用戶2之間存在的(電線)距離所產生的衰減。另一方面，(由其它組的前端設備工具18發送的)幹擾信號是Pi＝S1-L-Lu
其中，S1是由其它組的前端設備18發送的信號的功率，L是前端設備18之間的衰減。通常，這個幹擾功率大於用戶ADC接收機的量化噪聲，所以S/N容限成為S/N＝Pr-max(NADC，Pi)＝Pr-Pi＝S2-Lu-(S1-L-Lu)＝S2-S1+L所有前端設備工具18都以最大功率發送(以便具有互易幹擾並且最大化覆蓋)，所以S/N的最大值將等於前端設備工具之間的衰減(L)。
在兩條以上的「鏈路」的情況下，前端設備18之間的衰減可能是不相等的，這是因為前端設備18可以看到具有更大衰減並且可能具有更大增益的其它組。在這種情況下，主要前端設備工具1將負責利用控制消息(或者其它類型的信道控制)來調整增益。
關於上遊信道，目的是來自另一個組另一個前端設備18加上用戶2的信號以與配電網中的背景噪聲相差不大的功率電平到達我們的組(其工具是來自相同的「鏈路」，也就是使用相同的時間和頻率)。
如果兩個功率電平相等，則產生在固有噪聲電平上的3dB的提高，這被認為是上遊信道中可接受的降級。
因此，用戶工具2必須修改傳輸增益以便保證到達其它組的前端設備18的信號將會以小於或等於為此前端設備18檢測到的線路噪聲的功率值來這樣做。檢測是在每個組的前端設備18中進行的，並且該組的用戶2被使用控制消息(或者其它類型的信道控制)來通知。因此，利用閉環中的控制來進行調整。這在圖9中進行了說明，其中示出了上遊信道中的幹擾。
用戶工具2以功率S在上遊信道中傳輸信號。這個信號衰減地到達所述組的前端設備18(衰減L1)並且到達以這個值加上前端設備18之間表徵的衰減而衰減地到達另一組的前端設備18(S-L1-L2)。這個信號被認為是對於(重用相同頻率和時間的)其它組的噪聲，所以S的值被調整來修改用戶工具2的傳輸，以便S-L1-L2將成為線路上的固有噪聲電平。
數學上，功率幹擾將成為Pi＝S-L1-L2並且可以說N＜Pi(如果它大於由諸如ADC的其它因素引起的噪聲)。
為了優化結果，並且因為信道不具有在頻率中的均勻響應，所以傳輸增益必須被逐個載波地改變。由於這會大大提高成本，所以可以使用比具有較小S/N值的載波更通常的具有較大S/N值的載波來在頻率上取得S/N的平均估計。
這些操作是在對應於所述組的前端設備工具18中進行的，所述組決定這個組的各用戶2的增益是應當被提高、降低還是維持。之後，它利用控制信道(最好是利用控制消息)來將這個信息傳送到用戶2。它使用S/N估計的加權值以及這個估計的先前值來進行這個決定。
權利要求
1.一種用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其中多個用戶工具和前端設備工具通過所述電網進行雙向通信，具有對於從用戶工具到前端設備的上遊信道以及從前端設備到用戶工具的下遊信道的獨立控制，其中利用頻分雙工(FDD)和/或時分雙工(TDD)進行上遊和下遊信道的電網劃分，其中一個信號被利用OFDM調製(利用正交頻分進行復用)發送，作為這個調製的結果，它是具有非固定包絡的信號，並且包括放大器來作用於發送和接收增益，並且在可能使用前端設備和用戶工具的各種組合的情況下，重用相同的頻率和時間，其中利用OFDMA/TDMA復用(利用正交頻分進行復用/利用時分進行復用)來接入上遊和下遊信道，其特徵在於-逐個載波處理相應的發送信號，以便在變換到其中固定了信號的平均功率的時域之前，預先補償像電網這樣的頻率選擇性信道對於信號的影響，-在接收中，逐個載波處理頻域中的信號，其中信道塊的影響的補償器在頻率中執行接收信號以及信號的校正元素的縮放比例，利用一個浮點表示被補償的信號並且固定尾數的比特數，從而獲得一個由載波定義的確定的最大精度或信噪比，因此存儲信道影響的補償元素的存儲器可以被減少，從而通過固定尾數的比特數而降低了頻域操作中的複雜度，在接收中處理信號的更大動態範圍，並且將進入ADC的信號放大到最大值，而不會對於頻率處理在前面的塊中產生上溢出，-控制來自各種工具的傳輸功率，以便對於各種用戶的功率被以相同的電平接收並且能夠使用很少比特的模/數轉換器，-控制傳輸功率以便保證由用戶發送到前端設備的信號不會在使用相同的頻率和時間的其它組前端設備和用戶的運行中產生幹擾；利用這些基本特徵，本發明的自動增益控制系統能夠-達到最大傳輸容量，-通過重用頻率和時間來達到用戶的最大數量，-在不惡化信噪比或傳輸容量的情況下，接納來自按照電纜長度或者衰減的近處或遠處用戶的信號，-避免了將導致傳輸容量損失的系統機構中的上溢出的產生，-避免了由法律管制的或者產生與其它通信系統的幹擾的頻率的使用，-引入了可用於通信的頻率範圍中的最大平均功率，以及-最小化接收中的模/數轉換所需要的比特數。
2.根據權利要求1所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於對於下遊的自動增益控制既調整前端設備工具的發送機中的增益，也調整用戶工具的接收機中的增益，以便在不產生系統轉換器中的上溢出的情況下，引入可用於通信的範圍中的最大平均功率，目的是最大化傳輸容量。
3.根據權利要求2所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於如果ADC接收機中產生的上溢出的數量超過一個確定的限制，則下遊的自動增益控制減小用戶接收機中的增益，這是因為這些上溢出產生S/N比的減小，這會引起傳輸容量中的惡化。
4.根據權利要求2所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於如果在確定的時間窗口期間在ADC接收機中沒有產生上溢出，則下遊中的自動增益控制增加用戶接收機中的增益，以便量化噪聲與放大的線路噪聲相比不會限制S/N。
5.根據權利要求2到4所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於用於下遊信道的自動增益控制的相應算法的一個可能實現是基於像在確定的時間窗口期間產生的ADC接收機中的上溢出、飽和數量以及均衡加權這樣的各方面的控制，以便如果時間窗口中的上溢出的數量大於某個閾值，則接收機的增益被減小，同時如果對於整個窗口來說沒有超過這個閾值並且均衡加權表明信號可以增加功率而不會產生上溢出，則接收機中的增益被增加；並且如果這些情況中的任何一個都沒有出現，則系統被認為是處於一個最佳電平並且相應放大器中的增益不被修改；監視增益值的系統總是被使用，以便避免在增益中產生振蕩並且在接收中增益的提高的周期驗證不會提高信噪比。
6.根據權利要求1所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於在上遊信道中，自動增益控制既調整前端設備接收機中的增益，也調整用戶發送機中的增益，在執行用戶工具中的發送機中的增益調整之前，調整在接收中的前端設備工具中的增益，目的是避免由於上溢出所導致的S/N的惡化以及在前端設備工具中的ADC的量化噪聲。
7.根據權利要求6所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於對於上遊信道的自動增益控制包括在前端設備工具的接收中固定增益是被作為線路上的噪聲的函數而固定的，以便前端設備工具測量噪聲的功率並且調整增益，目的是ADC的量化噪聲與放大的線路噪聲相比不會限制S/N，並且使得使用具有減少數量比特的轉換器。
8.根據權利要求7所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於因為當沒有用戶工具在發送時，前端設備在接收的信號上使用DFT(離散傅立葉變換)，所述噪聲測量發生，它能夠通過增加接收中的增益並且將所述DFT的出口與沒有用戶工具發送時的一個確定閾值相比較來估計線路噪聲。
9.根據權利要求7所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於當一些用戶在發送時，從在前端設備中的接收均衡器提供的錯誤信號並且從發送和接收放大器的已知增益開始進行所述噪聲測量。
10.根據權利要求6所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於對於上遊信道，在用戶工具中的發送放大器的增益控制出現在開環和/或閉環中，以便最大化傳輸容量並且減少在ADC中在整個信號範圍上的轉換所需要的比特數-在開環控制中，藉助在下遊信道中接收的功率，應當由上遊信道發送的功率量被估計；-在閉環控制中，前端設備工具從用戶工具接收信號並且在接收中測量其功率，以及是否它在相應的ADC中產生上溢出；並且從這個測量開始最好是通過發送控制消息來向用戶工具表明它應當增加還是減小發送增益放大器。
11.根據權利要求7到10所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於在上遊信道中的增益控制算法的一個可能實現包括-首先，估計時間窗口中的上溢出的數量並且如果這個值大於一個最大被允許的閾值，則增益被降低；-為了確定應當減小由用戶工具的發送增益還是減小前端設備工具中的接收增益，由加權均衡器給出的信息被使用來區分上溢出是由於用戶發送的信息信號所產生，還是由於線路噪聲所產生，在上溢出是由於用戶發送的信息信號所產生的情況下，前端設備工具向用戶工具表明要降低發送電平，在上溢出是由於線路噪聲所產生的情況下，將由前端設備工具減小接收中的增益；-增益提高，這隻有當沒有減小增益的原因存在時才被使用，以便這個增益提高只有在不會導致上溢出時才會出現在用戶工具中；-無論什麼情況，監視增益值來避免振蕩的系統總是被使用；-在被足夠分隔開的確定的時間中，通信線路被監視以便檢查在接收中的增益的固定值是正確的，網絡上的脈衝噪聲引起一個不適當的調整，並且如果必要，則修改這個值。
12.根據權利要求1所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於為了優化增益控制，使用相應的發送信號的逐個載波處理來預先補償信道在信號上的影響，通過增加在由信道發送中遭受更多衰減的載波中的功率並且降低在信道中被較少衰減地發送的載波中的功率，使得保持平均發送功率並且傳輸容量能夠被增加，而不會在時間或者模/數轉換中的信號處理中產生上溢出。
13.根據權利要求12所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於在傳輸中的逐個載波處理中，存在一個逐漸衰減，它包括消除其頻率位置與下列頻率相符的載波其使用由法律管制的頻率、幹擾其它通信設備的頻率、在電視和其它電子設備中使用的中間頻率、無線電業餘頻率等，並且其中載波的選擇是可以根據系統在每個時刻的通信需要進行實時配置的。
14.根據權利要求1所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於為了優化增益控制，在接收中相應信號的逐個載波處理在頻域中被使用一次，包括補償信道在接收的信號上的影響的補償器塊，根據為每個載波中的接收的信號估計的電平以及在該信號上使用的頻率校正器元素的值來比例縮放該信號，以便可能只對接收的信號的浮點中的接收尾數、尾數以及指數起作用，並且最後根據載波的最大精度或者信噪比來固定這個尾數的比特數；目的是使用非常少的比特數來表示具有大動態範圍的信號，也就是具有非常高或者非常低功率的信號，從而減小用於存儲頻域中的操作的存儲器的大小，以便其中具有減少數量的比特，並且在到模/數轉換的入口處將信號放大到最大值，而不會在頻域中逐個載波處理信號之前在各塊中產生上溢出，接收具有在接收中在信噪比上受到線路上的噪聲而不受到A/D轉換器的量化噪聲所限制的較大衰減的載波，並且同時接收較少由線路衰減並且在轉換之前被放大的載波，而不會在被方便地縮放比例時產生上溢出，以便由頻率塊利用對於具有較大衰減的載波相同的在每個操作中的比特數來處理它們。
15.根據權利要求14所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於在上述比例縮放過程中，當把接收的信號乘以均衡加權的浮點表示的表示指數時，獲得信號尾數，並且其中如果發送的數據指向其它用戶並且在所有載波中，當發送的數據指向我們的用戶時，所述指數在網格載波中的均衡訓練階段更新自己，以便降低由於影響電網上的通信的多個脈衝噪聲所導致的刻度誤差的可能性。
16.根據權利要求1到7所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於使用相同頻率和時間的重用頻率和時間的各組前端設備以及與前者通信的用戶的共存的實現是通過控制這些工具中的發送增益，而且已經在前面的權利要求中被描述的控制接收的裝置，以便各種前端設備工具互相通信來進行共存判定。
17.根據權利要求1到7所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於使用相同的頻率和時間的重用頻率和時間的各組前端設備以及與前者通信的用戶的共存的實現是通過控制這些工具中的發送增益，而且控制接收增益的裝置是通過前面的權利要求所述的裝置實現的，以便存在一個主要前端設備工具，它使用不同頻率和/或時間用於與其用戶通信並且負責保證重用相同頻率和時間的各組工具之間的共存，並且它能夠與每組的前端設備通信。
18.根據權利要求16到17所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於當有各組重用相同的頻率和時間的前端設備和用戶時，為了優化增益控制結果，發送增益被逐個載波地修改，這是因為這意味著成本的增加，考慮到具有較大信噪比的載波比具有較少信噪比的載波來估計頻率中的平均信噪比，並且這個結果被用於達到發送增益中的修改。
19.根據權利要求16到18所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於使用相同範圍的頻率和時間用於通信的各組前端設備和用戶工具的共存是可能的，這是由於-在上遊和下遊這兩個通信信道中的相應信號發送裝置中的功率控制；-網絡拓撲，其中來自所有用戶工具的信號在到達組成另一個組的工具之前首先經過對應於它們的組的前端設備工具；以及-通過在重用相同頻率和時間的前端設備工具之間發送信息或者通過與一個主要前端設備工具通信來測量這些前端設備工具之間的衰減，以便這個測量被用來調整可能用於用戶工具的最大發送功率。
20.根據權利要求16到18所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於在下遊信道中，所有前端設備工具以可能用於通過電網通信的最大功率來發送，以便對於在用戶接收器中的信噪(S/N)比的最大值將由重用相同範圍的頻率和時間的前端設備工具之間的衰減來限制，同時如果有一個使用另一個範圍的頻率和/或時間的主要前端設備，則它將是負責利用信道控制以及最好是利用控制消息來調整在各種前端設備工具中需要的不同增益的這個主要前端設備工具。
21.根據權利要求16到18所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於為了保證在上遊通信信道中重用相同頻率和時間的各組工具的共存，用戶工具中的發送增益被調整，以便到達另一個組的前端設備並且可能干擾這個組的信號功率的電平與線路上的噪聲電平相差不大。
22.根據權利要求21所述的用於在電網上的數字OFDM多用戶傳輸系統的自動增益控制系統，其特徵在於在上遊通信信道中，前端設備工具檢測從它的用戶之一到達的功率並且決定是應當提高增益還是降低增益，隨後最好是利用控制消息將這個信息傳送到涉及的用戶工具；前端設備通過使用在頻率中被考慮的信噪比的估計的值、該估計的先前值以及噪聲的估計來進行相應的決定。
全文摘要
一種系統包括在電網上進行雙向通信的多個用戶工具和一個前端設備工具。其基本特徵是逐個載波地處理髮送和接收信號以及控制每個工具中的發送功率。所述系統使得可能達到用戶的最大數量，它最大化傳輸容量，它接納來自位於遠處和近處的變化距離的用戶的信號，它避免產生上溢出，它引入了對於可用於通信的範圍的最大平均功率並且最小化了在接收中的模/數轉換所需要的比特數。
文檔編號H04L25/03GK1509525SQ02810117
公開日2004年6月30日 申請日期2002年5月17日 優先權日2001年5月17日
發明者J·V·布拉斯科, 克拉雷, J·C·裡韋羅因蘇亞, J·阿巴德莫利納, S·伊朗佐莫利內羅, A·馬塔斯博尼拉, F·J·斯門尼斯馬基納, N·H·福倫, J V 布拉斯科 克拉雷, 偷履 , 共┠嶗, 斯門尼斯馬基納, 福倫, 裡韋羅因蘇亞, 首裟 諑 申請人:矽系統設計公司