一種正交頻分復用接收機系統及其自動增益控制方法

2023-06-22 17:54:21

專利名稱：一種正交頻分復用接收機系統及其自動增益控制方法
技術領域：
本發明屬於無線數字通信技術領域，具體涉及一種正交頻分復用接收機系統及自 動增益控制方法。
背景技術：
OFDM (正交頻分復用)是一種多載波調製技術，主要思想是將高速數據信號轉換成 並行的低速子數據流，隨後調製到每個正交的子信道上進行傳輸。理想情況下，各正交信道 上的信號沒有相互幹擾。每個子信道上的信號帶寬小於信道的相關帶寬，因此每個子信道 上的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。由於其頻譜效率高、能較 容易的對抗多徑傳播引起的符號間幹擾，因而在無線移動通信中得到了越來越多的應用， 並且被普遍認為是未來下一代無線通信系統(LTE)的核心技術。OFDM系統是突發傳輸系統，即用戶產生業務時才再進行傳輸和解碼，這就要求 OFDM接收機能夠快速檢測接收信號的功率並進行合適的增益設置和幀同步。在OFDM接收 機中，接收機輸出信號水平受到輸入信號和接收機增益的影響。由於各種環境等客觀原因 (包括發射機的功率大小、接收機距離發射機距離的遠近、信號在傳播過程中的傳播條件的 變化、接收機的環境變化等)，以及OFDM系統本身高峰均比(PAR)的特點，接收機的輸入信 號變化範圍往往很大，最強信號和最弱信號之間相差甚至可達幾十分貝，這對接收機中模 數轉換器的要求很高，從而帶來成本的大幅上升。利用自動增益控制(AGC)技術，可以解決 這一問題。0FDM系統中的移動站點通過在0FDM數據幀中使用前導信號實現自動增益控制、 時間同步、頻率估計、頻偏估計以及信道估計等功能。傳統的自動增益控制技術通過前導信 號的能量水平與對應要求的門限值的比較來調整模擬放大器的增益，實際操作中主要通過 包絡檢波和電橋網絡實現的。在信號的檢測階段，由於RF包絡檢波器存在延時，當RF包絡 檢波器輸出大於電橋網絡的某一參考電壓值時，系統檢測到信號的傳輸，此時已經有一部 分幀頭部有用訓練新號丟失，不利於0FDM接收系統幀同步、頻率同步的進行。而且RF模擬 器件比較容易受到幹擾，器件本身具有一定的分離特性，導致突發信號檢測精度不夠高，容 易受到環境影響。另一方面，傳統的階躍增益控制方案中，從檢測到數據到產生初始增益，往往用時 較長，造成一部分時間內數據的無效。與此同時，早期的自動增益控制方案中常常使用到數 據的頻域信息，而對於頻域信息的提取往往存在用時較長，而且能量水平的算法也較為復 雜，這也一定程度增加了用於自動增益控制的時間，造成接收機額外的性能損耗。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種新的正交頻分復用接收機系統及 其自動增益控制方法。本發明提供的正交頻分復用接收機系統，其結構如圖1所示。具體由天線、帶通濾
4波器、射頻放大器、模數轉換器(A/D)、增益控制器1 (增益改變)、同步自相關檢測器、信道 估計器、快速傅立葉處理器(FFT)、導頻取出器、均衡器、增益控制器2 (增益控制)以及正交 解調器依次連接組成。其中
所述帶通濾波器，用於濾除本系統所用數據信號之外的通帶外噪聲。其輸入端為天線， 輸出端為射頻放大器；
所述射頻放大器，用於在射頻頻段控制信號的幅度大小，同時能夠通過外部電壓改變 其增益。其輸入端為帶通濾波器，輸出端為模擬正交解調器；
所述A/D模數轉換器，用於數位化輸入的模擬信號，使得系統中能夠使用數位化的方 法根據接收機的信號動態範圍要求自動產生射頻放大器的增益值，並以電壓形式反饋回射 頻放大器。其輸入端為正交解調器，輸出端為同步自相關檢測器以及增益控制器1 ；
所述增益控制器1，根據信號的當前功率水平以及之前的增益值調整下一個增益值，最 終以模擬電壓的形式反饋回射頻放大器上。其輸入端為A/D模數轉換器，輸出端為射頻放 大器；
所述同步自相關檢測器，其中含有相關器，利用信號中所含的同步信號做相關之後的 峰值來做數據時域部分的同步。其輸入端為A/D模數轉換器，輸出端為信道估計器；
所述均衡器，利用前導信號中以及數據符號中的信息對信道進行預估，並在頻域對信 號進行均衡，一定程度上降低信道在傳輸過程當中對信號造成的影響；
所述快速傅立葉處理器，利用快速傅立葉變化對正交頻分復用(OFDM)信號進行解調， 得到頻域的數據信號，其輸入端為同步自相關檢測器，輸出信號經導頻取出器在提取出導 頻之後輸入到增益控制器2以及均衡器；
所述增益控制器2，對從頻域中提取的導頻信號進行能量水平的評估，與一門限電壓值 進行比較，得到射頻放大器增益的調整值，並且通過模擬電壓的形式反饋回射頻放大器。增益控制器1中的能量估算模塊由平方器、緩衝器、加法器1、寄存器1、除法器、對 數器、乘法器1、加法器2、寄存器2以及乘法器2依次連接組成，如圖2所示。其中
所述平方器用於計算輸入的數位訊號的平方值； 所述緩衝器用於存儲數位訊號的平方值，並在下一個時刻輸出； 所述加法器1和加法器2用於累加當前的以及上一個時刻的數位訊號平方值； 所述寄存器1和寄存器2用於記錄上一時刻數位訊號的累加的結果，並在下一個時刻 輸出；
所述除法器用於將輸入的數位訊號與以固定值相除計算出輸出的數位訊號；
所述對數器用於求出輸入的數位訊號的對數計算出輸出地數位訊號；
所述乘法器1和2用於將輸入的數位訊號與一個固定值相乘計算出輸出地數位訊號。增益控制器2中的能量估算模塊由平方器、緩衝器、加法器、寄存器、除法器、對數 器、乘法器以及減法比較器依次連接組成，如圖3所示。其中各部件的功能與增益控制器1 中的對應部件相同。本發明中，頻域處理器的內部模塊為比較判決器和能量估算模塊相連接。本發明提出的自動增益控制方法，具體步驟如下
1.當接收機檢測到有信號時，將接收到的正交信號通過帶通濾波器，濾除帶外噪聲，並 進行信號的檢波，得到模擬信號，正交解調並經過A/D模數轉換器轉換後得到數位訊號值Rl⑴；
2.當一定時間內超出線性範圍的數位訊號百分比η大於某一門限Thl時，判定為信號 溢出，根據n值可直接調整增益；
3.若沒有溢出，對數位訊號Rl(i)進行功率統計，接收信號前導字是以N個信號為周期 循環的，統計N個信號功率得到Pl (i)，再對Pl (i)進行一階濾波平滑得到放大器增益電壓 值P2(i)，同時將增益電壓值P2(i)反饋到射頻放大器；
4.若檢測到的信號為數據信號，抽取數據信號中的導頻信息R2(i)，計算數據包中導
頻能量P與π限值Pref進行比較，得
到差值AG可以作為放大器增益的調整值；
5.當差值
時，將放大器增益的改變值電壓反饋到射頻放大器；
6.利用信道估計器得到的信道的情況對解調後的信號進行信道均衡處理，降低移動通 信中包括多徑等多種會干擾信號傳輸的信道影響。將均衡之後的信號進行解碼。上述自動增益控制方法，步驟(2)中，在數據讀入A/D模數轉換器之後，設置一計 數器，統計超出線性系統範圍的數位訊號的個數，根據信號總數計算百分比n。上述自動增益控制方法，步驟(3)中
其中N為信號的採樣值，Rl (i)是經過模數轉換之後的數位訊號。上述自動增益控制方法，步驟(3)中
其中的α是遺忘因子，代表當前能量的權重，濾波可以部分濾除噪音對於該能量估計 的影響。上述自動增益控制方法，步驟(4)中導頻平均能量水平的估算方法以及增益計算 參考值為
M為一個OFDM數據符號中所使用的導頻的數量。
本發明通過計算機仿真表明，能有效的去除不適當的功率設置帶來的飽和和過衝電壓 導致的緩降現象所引起的有效信號被緩降信號淹沒，對於功率不同的接收信號的響應時間 都相同，能有效減少失效的數據，在信號信噪比不是太低的情況下，能量的估算方法能夠實 現一定範圍內穩定收斂的射頻放大器增益電壓。另一方面在發送數據包過長以及移動終端 高速運動情況下，通過頻域的導頻信號的功率處理能夠有效克服由於信道快速變化導致的 增大輸入信號動態範圍的問題，同時也減少了用於頻域功率計算的時間，提高了解碼成功 率。


圖1是正交頻分復用接收機系統的電路框圖。圖2是增益控制器1器的模塊電路框圖。圖3是增益控制器2器的模塊電路框圖。圖4是TDD-LTE幀格式圖。圖5是系統狀態轉換圖。圖6是模數轉換器10%溢出情況下初始增益設置對系統性能的影響圖。圖7是信道信噪比對增益收斂的影響仿真圖。
具體實施例方式如圖1所示，是正交頻分復用接收機系統，由天線、帶通濾波器、射頻放大器、模數 轉換器(A/D)、增益控制器1 (增益改變)、同步自相關檢測器、信道估計器、快速傅立葉處理 器(FFT)、導頻取出器、均衡器、增益控制器2(增益控制)以及正交解調器依次連接組成。其 中
所述帶通濾波器，用於濾除本系統所用數據信號之外的通帶外噪聲。其輸入端為天線， 輸出端為射頻放大器；
所述射頻放大器，用於在射頻頻段控制信號的幅度大小，同時能夠通過外部電壓改變 其增益。其輸入端為帶通濾波器，輸出端為模擬正交解調器；
所述A/D模數轉換器，用於數位化輸入的模擬信號，使得系統中能夠使用數位化的方 法根據接收機的信號動態範圍要求自動產生射頻放大器的增益值，並以電壓形式反饋回射 頻放大器。其輸入端為正交解調器，輸出端為同步自相關檢測器以及增益控制器1 ；
所述增益控制器1，根據信號的當前功率水平以及之前的增益值調整下一個增益值，最 終以模擬電壓的形式反饋回射頻放大器上。其輸入端為A/D模數轉換器，輸出端為射頻放 大器；
所述同步自相關檢測器，其中含有相關器，利用信號中所含的同步信號做相關之後的 峰值來做數據時域部分的同步。其輸入端為A/D模數轉換器，輸出端為信道估計器；
所述均衡器，利用前導信號中以及數據符號中的信息對信道進行預估，並在頻域對信 號進行均衡，一定程度上降低信道在傳輸過程當中對信號造成的影響；
所述快速傅立葉處理器，利用快速傅立葉變化對正交頻分復用(OFDM)信號進行解調， 得到頻域的數據信號，其輸入端為同步自相關檢測器，輸出信號經導頻取出器在提取出導 頻之後輸入到增益控制器2以及均衡器；
所述增益控制器2，對從頻域中提取的導頻信號進行能量水平的評估，與一門限電壓值 進行比較，得到射頻放大器增益的調整值，並且通過模擬電壓的形式反饋回射頻放大器。如圖2所示，增益控制器1中的能量估算模塊由平方器、緩衝器、加法器1、寄存器 1、除法器、對數器、乘法器1、加法器2、寄存器2以及乘法器2依次連接組成。其中
所述平方器用於計算輸入的數位訊號的平方值；
所述緩衝器用於存儲數位訊號的平方值，並在下一個時刻輸出；
所述加法器1和加法器2用於累加當前的以及上一個時刻的數位訊號平方值；
7所述寄存器1和寄存器2用於記錄上一時刻數位訊號的累加的結果，並在下一個 時刻輸出；
所述除法器用於將輸入的數位訊號與以固定值相除計算出輸出的數位訊號；
所述對數器用於求出輸入的數位訊號的對數計算出輸出地數位訊號；
所述乘法器1和2用於將輸入的數位訊號與一個固定值相乘計算出輸出地數位訊號。如圖3所示，增益控制器2中的能量估算模塊由平方器、緩衝器、加法器、寄存器、 除法器、對數器、乘法器以及減法比較器依次連接組成。其中各部件的功能與增益控制器1 中的對應部件相同。本發明中，LTE支持兩種形式的無線幀形式，TDD採用類型2的數據幀，典型的 TDD-LTE無線通信協議幀結構如圖4所示，每一個無線幀由兩個半幀構成，每一個半幀佔用 的時間為5ms。一個半幀中由8個常規時隙和DwPTS、GP和UpPTS時隙三個特殊時隙構成。 一個常規時隙佔用的時間為0. 5ms，而DwPTS、GP和UpPTS佔用的總時間為1ms。其中DwPTS 始終用於下行發送，UpPTS始終用於上行發送，而GP作為TDD中上行至下行轉換的保護時間 間隔。三者所佔用的總時間固定，而各自佔用的時間可以根據實際情況進行相應分配。其 中的DwPTS中
圖5為整個接收機的狀態轉換圖，當接收機進行幀檢測時，沒有檢測到信號重新回到 等待狀態，當檢測到信號，即一定時間內的信號的能量水平大於某一個閾值，此時可以判定 信號到來，當該信號為特殊時幀信號時，對其進行A/D變換以計算其能量水平，通過增益控 制器1產生增益電壓輸出並反饋到射頻放大器上。而若為數據信號，在周期內，抽取信號中 所包含的導頻信息進行增益的修正，若所得修正值大於某一門限則通過增益控制器2產生 增益改變電壓反饋到射頻放大器上，具體步驟如下
1.將接收到的特殊時幀信號通過帶通濾波器，濾除帶外噪聲並進行信號的檢波以及正 交解調得到模擬信號之後經過A/D模數轉換器轉換得到數位訊號值Rl (i)。此時的A/D模 數轉換器需要根據實際的要求進行相應的設置，不然由於A/D模數轉換器的滿電平較小會 產生很多滿電平的量化值，這會極大影響接收機的性能。對於量化比特數為16位，量化精 度為12位的A/D模數轉換器，其相應的最大的滿電平電壓8V,而量化精度位13位的A/D模 數轉換器，其相應的最大的滿電平電壓為4V。為了加快自動增益控制的速度，在數據讀入A/D模數轉換器之後，設置一計數器， 統計超出系統線性範圍的數位訊號的個數，在一定時間內得到一個百分比n，當n>Thi 時，判定為信號溢出，直接進入到增益調整步驟，此時可根據百分比n調整相應增益。由 於不再進行前導信號與數據信號的區分，可以減少由於初始信號判斷所導致的無效信號時 間。經仿真可知(圖6)，經過增益調整加速之後的模數轉換器在有10%的信號溢出的情況下 的系統性能有較大提高。2.對數位訊號Rl (i)進行功率統計，可以對接收到的特殊時幀信號是以N為一個 單位進行統計，對於圖4當中的TDD-LTE幀來說，可以將DwPTS時隙看做是前導信號，DwPTS 中包含有用於下行同步信道符號ZadOff-Chu序列，此處的N可以取32，統計N個信號功率 得到Pl (i)，對Pl (i)進行濾波得到P2(i)；
8
公式②中的α是遺忘因子，代表當前能量的權重，濾波可以部分濾除噪音對於該能量 估計的影響，對Pl (i)較大的波動進行一階濾波可以起到平滑作用， 越小，對於噪音的過 濾效果越好，但是系統的響應時間會變長，基於以下原因可以考慮取《為0. 125。
首先，因為模擬放大器存在一定的延遲，信號功率的水平需要經過幾個樣點之後 才顯示出來而不是即時的，所以為了減小噪聲的影響並使得估計穩定α取較小的值將更 好，即P2(i_l)的權重更大。此外，0. 125可以被8整除，那意味著硬體上可以簡單地通過右 移三位來實現。算法中不需要估計估計功率的均值只需要估計功率的參考水平，所以對樣 點取其模值或者取實部來進行運算，都可以使得算法更簡單，快速。
在無線的傳輸過程當中，通常前導序列由QPSK符號經過正交調製後得到，對於本 發明的算法，使用正常QPSK符號在相同信道但不同信噪比條件下的收斂仿真圖如圖7所 示，由仿真可知，該算法使得增益在2個導頻中的OFDM符號之內趨近於收斂，不同信噪比下 增益均能夠一定程度收斂。但在較低信噪比時，由於噪聲很大，能量估計的誤差也相應增 大，導致信號的收斂值存在較大的震蕩。不同信噪比下得到放大器增益的收斂性如圖7所示，由圖可知，在TD-LTE特殊時 隙的較小時間尺度內，利用能量水平的估計算法，放大器增益能夠快速收斂，並且在信道信 噪比條件較為惡劣的情況下，依然能夠保證一定的穩定程度，上下波動控制在0. 2dB範圍 內。3.在幀同步階段如果幀同步失敗則再次讀取下一個時間的信號再做一次同步。如 果成功則開始接受數據符號，隨後去除其中用來消除符號間與符號內幹擾作用的循環前綴 並對信號進行正交解調得到頻域部分的數據信息，從中抽取所包含的導頻信號，數字導頻 信號遠小於頻域數據信號個數，以固定間隔插入在數據信號之中，一般用作當前信道的估 計，並將估計的結果用於對整個信道的均衡操作。本專利中利用抽取出來的導頻，重新評估 增益的水平，對增益進行更加精細的調整。4.若檢測到的信號為數據信號，則抽取數據信號頻域中所包含的導頻信息 R2 (i)，計算其數據包中的導頻能量水平的公式如下
其中，R2(i)為每一個導頻符號的能量，M為一個OFDM數據符號中所使用的導頻的數 量，-為一個OFDM符號內的導頻的平均能量水平，單位為dB，Pref是能量參考門限。 5.當差值|AG| >Th2時，將放大器增益的改變值電壓反饋到射頻放大器。
6.接收機進入後續均衡以及解碼過程，均衡中可利用之前數據信號中提取出來的 導頻信息，進行內插運算，得到信道的特徵，通過解碼得到所需的信息。
權利要求
一種正交頻分復用接收機系統，其特徵在於由天線、帶通濾波器、射頻放大器、模數轉換器、第一增益控制器、同步自相關檢測器、信道估計器、快速傅立葉處理器、導頻取出器、均衡器、第二增益控制器以及正交解調器依次連接組成；其中所述帶通濾波器，用於濾除本系統所用數據信號之外的通帶外噪聲，其輸入端為天線，輸出端為射頻放大器；所述射頻放大器，用於在射頻頻段控制信號的幅度大小，同時能夠通過外部電壓改變其增益，其輸入端為帶通濾波器，輸出端為模擬正交解調器； 所述模數轉換器，用於數位化輸入的模擬信號，使得系統中能夠使用數位化的方法根據接收機的信號動態範圍要求自動產生射頻放大器的增益值，並以電壓形式反饋回射頻放大器，其輸入端為正交解調器，輸出端為同步自相關檢測器以及第一增益控制器；所述第一增益控制器，根據信號的當前功率水平以及之前的增益值調整下一個增益值，最終以模擬電壓的形式反饋回射頻放大器，其輸入端為模數轉換器，輸出端為射頻放大器；所述同步自相關檢測器，其中含有相關器，利用信號中所含的同步信號做相關之後的峰值來做數據時域部分的同步，其輸入端為A/D模數轉換器，輸出端為信道估計器；所述均衡器，利用前導信號中以及數據符號中的信息對信道進行預估，並在頻域對信號進行均衡，降低信道在傳輸過程當中對信號造成的影響；所述快速傅立葉處理器，利用快速傅立葉變化對正交頻分復用信號進行解調，得到頻域的數據信號，其輸入端為同步自相關檢測器，輸出信號經導頻取出器在提取出導頻之後輸入到增益控制器2以及均衡器；所述第二增益控制器，對從頻域中提取的導頻信號進行能量水平的評估，與一門限電壓值進行比較，得到射頻放大器增益的調整值，並且通過模擬電壓的形式反饋回射頻放大器。
2.根據權利要求1所述的正交頻分復用接收機系統，其特徵在於所述的第一增益控制 器中的能量估算模塊由平方器、緩衝器、第一加法器、第一寄存器、除法器、對數器、第一乘 法器、第二加法器、第二寄存器以及第二乘法器依次連接組成，其中所述平方器用於計算輸入的數位訊號的平方值；所述緩衝器用於存儲數位訊號的平方值，並在下一個時刻輸出； 所述第一加法器和第二加法器用於累加當前的以及上一個時刻的數位訊號平方值；所述第一寄存器和第二寄存器用於記錄上一時刻數位訊號的累加的結果，並在下 一個時刻輸出；所述除法器用於將輸入的數位訊號與以固定值相除計算出輸出的數位訊號；所述對數器用於求出輸入的數位訊號的對數計算出輸出地數位訊號； 所述第一乘法器和第二乘法器用於將輸入的數位訊號與一個固定值相乘計算出 輸出地數位訊號。
3.根據權利要求2所述的正交頻分復用接收機系統，其特徵在於所述的第二增益控制 器中的能量估算模塊由由平方器、緩衝器、加法器、寄存器、除法器、對數器、乘法器以及減 法比較器依次連接組成，其中各部件的功能與第一增益控制器中的對應部件相同。
4.一種如權利要求1所述的正交頻分復用接收機系統的自動增益控制方法，其特徵在 於具體步驟為1)當接收機檢測到有信號時，將接收到的正交信號通過帶通濾波器，濾除帶外噪聲，並 進行信號的檢波，得到模擬信號，經正交解調並經過A/D模數轉換器轉換後得到數位訊號 值 Rl(i)；2)當一定時間內超出線性範圍的數位訊號百分比n大於某一門限Thl時，判定為信號 溢出，根據n值可直接調整增益；3).若沒有溢出，對數位訊號Rl(i)進行功率統計，接收信號前導字是以N個信號為周 期循環的，統計N個信號功率得到PI (i)，再對PI (i)進行一階濾波平滑得到放大器增益電 壓值P2(i)，同時將增益電壓值P2(i)反饋到射頻放大器； 4)若檢測到的信號為數據信號，抽取數據信號中的導頻信息R2(i)，計算數據包中導頻能量f與門限值Pref進行比較，得到差值AG可以作為放大器增益的調整值；5)當差值>Th2時，將放大器增益的改變值電壓反饋到射頻放大器；6)利用信道估計器得到的信道的情況對解調後的信號進行信道均衡處理，降低移動通 信中包括多徑等多種會干擾信號傳輸的信道影響；將均衡之後的信號進行解碼。
5.根據權利要求4所述的自動增益控制方法，其特徵在於步驟2)中，在數據讀入A/D 模數轉換器之後，設置一計數器，統計超出線性系統範圍的數位訊號的個數，根據信號總數 計算百分比n。
6.根據權利要求4所述的自動增益控制方法，其特徵在於步驟3)中，其中N為信號的採樣值，R1 (i)是經過模數轉換之後的數位訊號。
7.根據權利要求4所述的自動增益控制方法，其特徵在於步驟3)中， 其中的^是遺忘因子，代表當前能量的權重。
8.根據權利要求5所述的自動增益控制方法，其特徵在於步驟4)中導頻平均能量水平 的估算方法以及增益計算參考值為 M為一個OFDM數據符號中所使用的導頻的數量。
全文摘要
本發明屬於無線數字通信技術領域，具體為一種正交頻分復用接收機系統及自動增益控制方法。本接收機系統由天線、帶通濾波器、射頻放大器、模數轉換器、第一增益控制器、同步自相關檢測器、信道估計器、快速傅立葉處理器、導頻取出器、均衡器、第二增益控制器以及正交解調器依次連接組成。其自動增益控制方法包括接收機檢測到信號時，對其進行A/D變換以計算其能量水平，通過增益控制器產生增益電壓輸出並反饋到射頻放大器上；對數據信號，抽取信號中所包含的導頻信息進行增益的修正，並反饋到射頻放大器上。本發明計算時間省，效率高。
文檔編號H04W52/52GK101895507SQ201010248488
公開日2010年11月24日 申請日期2010年8月9日 優先權日2010年8月9日
發明者劉俊, 周小林 申請人:復旦大學