通信接收端及其自動增益控制方法與流程
2023-11-05 19:00:57
本發明涉及通信系統，尤其涉及無線通信系統的通信接收端及其自動增益控制方法。
背景技術：
請參閱圖1，其是現有信號接收端的功能方塊圖。由於接收端所接收到的信號強度是一個未知數，所以，接收端需要迅速地完成信號放大器110的增益值(gain)調整，如此才不會影響到信號的接收。而增益控制單元140調整增益值的速度將決定小區搜尋(cell search)的成功率，待小區搜尋完成後，後級電路150才可對已轉換成數字格式的輸入信號進行後續處理。在現有的增益調整過程中，功率估算單元130計算輸入信號強度，而後增益控制單元140將所得信號強度與參考強度做比較以得到增益差值，再將差值回饋到信號放大器110。當模擬數字轉換器(Analog to Digital Converter,ADC)120發生飽和時，表示信號放大器110的增益值過大，然又無其他信息可得知適當增益值，所以是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)的簡稱)，上行(Up-Link,UL)與下行(Down-Link,DL)的組態在未同步前是未知的，上行與下行的信號強度差異極大，容易造成信號經信號放大器110後因增益過大造成模擬數字轉換器(Analog to Digital Converter,ADC)120信號飽和，或因增益不足造成信號過小使得ADC 120無法精準地反應出信號的內容；也或者在分頻雙工(Frequency-Division Duplexing,FDD)LTE(FDD-LTE)系統裡，有可能在下行的子幀(subframe)中使用不同數量的資源區塊(Resource Block,RB)，造成接收信號在子幀間強度變化不一。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小區搜尋成功機率大幅降低。
技術實現要素：
鑑於現有技術的不足，本發明眾多目的之一在於提供一種通信接收端及其自動增益控制方法，以提高小區搜尋的成功機率。
本發明眾多目的之一在於提供一種通信接收端及其自動增益控制方法，以減少小區搜尋所需的時間。
本發明公開一種通信接收端，用來接收一輸入信號，包含：一信號放大器，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信號以產生一第一調整信號；一模擬數字轉換器，耦接該信號放大器，用來對該第一調整信號進行模擬至數字轉換；以及一控制單元，耦接該模擬數字轉換器，用來依據該模擬數字轉換器的輸出判斷該模擬數字轉換器是否飽和；其中，該第一預設增益值與該通信接收端所處理的一第一輸入信號強度及該模擬數字轉換器的一量化噪聲有關，而該第二預設增益值與該通信接收端所處理的一第二輸入信號強度及該模擬數字轉換器的一全功率有關，該第一輸入信號強度小於該第二輸入信號強度。
本發明公開一種應用於一通信接收端的一增益控制電路的增益控制方法，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的一第二階段期間，利用一閉迴路機制對該增益控制電路進行增益控制。
本發明的通信接收端及其自動增益控制方法利用LTE的傳輸信號中規律出現的參考信號來作為小區搜尋的參考基準，並且依據LTE通信系統的規範中用戶端(User Equipment,UE)所允許的最大及最小輸入信號強度，並依據所使用的ADC的特性，來決定自動增益控制中所使用的高、低增益值。相較於現有技術，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、實作與技術效果，茲配合附圖作實施例詳細說明如下。
附圖說明
圖1為現有信號接收端的功能方塊圖；
圖2為FDD-LTE通信系統的幀架構及主同步信號與輔助同步信號的分配圖；
圖3為TDD-LTE通信系統的幀架構及主同步信號與輔助同步信號的分配圖；
圖4為本發明一實施例的LTE通信系統的信號接收端的功能方塊圖；
圖5為對應圖4的自動增益控制的流程圖；
圖6為本發明另一實施例的LTE通信系統的信號接收端的功能方塊圖；
圖7為對應圖6的自動增益控制的流程圖；以及
圖8為本發明自動增益控制的高增益值H及低增益值L與ADC的動態區間的關係圖。
附圖標記說明：
110、210、215 信號放大器
120、220、225 模擬數字轉換器
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
具體實施方式
以下說明內容的技術用語是參照本技術領域的習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語的解釋是以本說明書的說明或定義為準。
本發明的公開內容包含通信接收端及其自動增益控制方法，由於本發明的通信接收端所包含的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的充分公開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省略。此外，本發明的自動增益控制方法可以是軟體及/或固件的形式，並且可通過本發明的通信接收端或其等效裝置來執行，在不影響該方法發明的充分公開及可實施性的前提下，以下方法發明的說明將著重於步驟內容而非硬體。
從時域來看，LTE通信系統幀架構(frame structure)的一個幀為10ms， 一個幀包含10個各為1ms的子幀，一個子幀可以再細分為2個時隙(slot)。依據系統定義的循環前綴(Cyclic Prefix,CP)長度的不同，每一個時隙有不同的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交分頻多工)符號(symbol)個數。依據LTE通信系統的規格，如果是正常循環前綴(normal CP)，一個時隙有7個OFDM符號，而如果是延長循環前綴(extend CP)，則有6個OFDM符號在一個時隙內。
LTE通信系統在下行使用正交分頻多址接入(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，信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個為載有數據的子載波，而12個連續的子載波為一個數據區塊(Resource Block,RB)，故20MHz的頻寬在頻域上對應100個數據區塊的寬度。基站通過將這100個數據區塊分配給不同的用戶端，以達到多工的目地。其中，一個數據區塊的時間長度為一個時隙，亦即一個數據區塊包含一個時隙內12個連續子載波所載的數據。
此外，在FDD-LTE通信系統中，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通信系統中，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幀。因此在TDD-LTE通信系統中，用戶端必須時常在上行與下行之間做切換(亦即連續兩個子幀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通信系統中必須對自動增益有更精確的控制，以確保信號傳送及接收無誤。
圖2為FDD-LTE通信系統的幀架構及主同步信號(Primary Synchronization Signal,PSS)與輔助同步信號(Secondary Synchronization Signal,SSS)的分配圖。圖中在時域上僅繪示連續信號的其中1個幀，以及在頻域上僅繪示多個子載波的其中6個區段(每一區段包含12個子載波)；事實上，信號在時域及頻域上有更多延伸。主同步信號及輔助同步信號呈現周期性，亦即每5個子幀出現一次。將第0個子幀的第1個子載波區段放大來看(此例為正常循環前綴，即1個時隙包含7個OFDM符號)，主同步信號及輔助同步信號分別位於第1個時隙的第6及第5個OFDM符號上， 在其之前，有呈現周期性的參考信號(reference signal)。對正常循環前綴來說，參考信號出現在1個時隙的第0及第4個OFDM符號上，而對延長循環前綴來說，參考信號出現在1個時隙的第0及第3個OFDM符號上；也就是說，事實上參考信號每3～4個OFDM符號即出現一次。
類似地，主同步信號、輔助同步信號以及參考信號在TDD-LTE通信系統中也同樣呈現周期性。如圖3所示，主同步信號及輔助同步信號同樣每5個子幀出現一次，將對應第1個子載波區段的第0個及第1個子幀放大來看，主同步信號與輔助同步信號相隔2個OFDM符號。圖3所繪示的同樣為正常循環前綴，因此參考信號出現在1個時隙的第0及第4個OFDM符號上，而對延長循環前綴來說，參考信號出現在1個時隙的第0及第3個OFDM符號上。
用戶端可以依據參考信號此一規律性，來設定一計數周期T，在此計數周期內估算接收信號的強度Ps，並且將此信號強度Ps與預設的參考強度Pr做比較來調整增益，以及依據信號強度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信號及輔助同步信號前，完成信號放大器的增益值設定，以確保同步信號可以被正確地接收。除了上述的主同步信號、輔助同步信號以及參考信號之外，不論是FDD-LTE通信系統或是TDD-LTE通信系統，下行信道在物理層還包含諸如物理控制信道(Physical Control Channel,PDCCH)及物理數據信道(Physical Data Share Channel,PDSCH)等信號。然而，PDCCH信號所佔的OFDM符號數不固定，而PDSCH信號中的數據區塊個數為任意值，因此在LTE通信系統中進行自動增益控制時，還必須克服PDCCH信號及PDSCH信號的上述不確定性，以及TDD-LTE通信系統在上行與下行組態之間切換所造成的接收信號強度大幅改變的情況。
圖4為本發明一實施例的LTE通信系統的信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通信系統的信號接收端包含控制單元201、信號放大器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清除一些暫存數據及重置計數器等動作，並且將功率估算單元230的信號強度Ps歸零(步驟S410)。接著控制單元201控制信號放大器以高增益 值H接收輸入信號以及令計數器開始計數，並且功率估算單元230估算輸入信號的信號強度Ps(步驟S420)。在計時器的計數值C到達計數周期T之前，控制單元201持續監控輸入信號是否會造成ADC飽和(若有信號截波(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，信號放大器210持續以高增益值H接收輸入信號並且功率估算單元230持續估測輸入信號的信號強度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已到達計數周期T(步驟S440判斷為是)，則增益控制單元240依據測得的信號強度Ps與預設的參考強度Pr做比較來設定信號放大器210增益值，因此信號放大器210可將輸入信號調整至更適合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接收輸入信號，詳細而言，控制單元201立即重置計數周期T及信號強度Ps(步驟S450)、控制信號放大器210改以低增益值L接收輸入信號並令計數器重新計數，並且功率估算單元230重新估算輸入信號的信號強度Ps(步驟S455)。同樣的，在計數周期T的內信號放大器210持續以低增益值L接收輸入信號並且功率估算單元230持續估測輸入信號的信號強度Ps。當計時器的計數值C到達計數周期T(步驟S460判斷為是)，則增益控制單元240同樣依據測得的信號強度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是採用「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信號。然而如果之後輸入信號的強度發生變化(例如在TDD-LTE通信系統中，從上行狀態切換到下行狀態，反的亦然)，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還必須通過功率估算單元230的運算，持續監控信號強度Ps(步驟S480)，而且當連續兩次測得的信號強度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是採用「閉迴路機制」進行自動增益控制。
當用戶端支持兩組接收電路，如圖6所示，本發明的LTE通信系統的信號接收端還包含功率放大器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控制信號放大器210及215同時接收輸入信號，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開始進行信號強度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信號強度估算可以同時進行，以下假設信號放大器215、ADC 225及功率估算單元235為高增益模式，信號放大器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周期之前(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信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所測得的信號強度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所測得的信號強度Ps輸出給增益控制單元240，換言的，步驟S410至步驟S475是採用「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持續監控信號強度Ps。由此可知，當用戶端支持兩個接收電路時，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是採用「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通信系統的特性有關。在LTE通信系統的規範裡，用戶端允許的最大輸入信號強度(maximum input signal power)Pmax為-25dBm，而允許的最小輸入信號強度(或稱為小區搜尋的最低靈敏度)Pmin的定義為同步信號平均接收功率(SCH_RP)-127dBm，因同步信號載有62個子載波，換算為信號強度，可得Pmin＝-127+10×log10(62)＝-109dBm。ADC的全功率(full scale level)P等於
P＝10×log10(1/50)+30＝13.01dBm （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的有效比特數為B比特，則此ADC的量化噪聲(quantization noise)功率為
Q＝P-(6.02×B+1.76)dBm (2)
以下請參考圖8以更加了解本發明如何依據ADC的動態區間(dynamic range)、最大輸入信號強度Pmax以及小區搜尋的最低靈敏度Pmin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，當輸入信號的強度為Pmax時，經過信號放大器放大後的強度不可大於信號飽和電平S。此信號飽和電平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)，即信號飽和電平S＝P-FAPR，則低增益值L可決定為L＝S-Pmax；
2.設定高增益值H的關鍵在於，當輸入信號的強度為Pmin時，經過信號放大器放大後的強度應落於信號強度估算的容許誤差值內。假設信號強度估算容許誤差為ΔxdB，為避免因量化噪聲所造成的信號強度估算誤差，則最小輸入信號經前端的增益放大後需比量化噪聲功率高ΔQ
即有效信號電平E＝Q+ΔQ。因此可決定高增益值H的下限為H≥E-Pmin。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Δx的要求，意即在高增益模式下發生接收信號飽和而立即切換至低增益模式時，高增益值H須滿足S-H+L≥E。綜合以上條件可得到高增益值H的範圍如下：E-Pmin≤H≤S-E+L；
3.為了得到穩定的接收功率估算，需選擇適當的計數周期T。如圖2及圖3所示，不論是FDD-LTE通信系統或是TDD-LTE通信系統，每個子幀中共有4個OFDM符號傳送參考信號，分別落在第0、4、7、11的OFDM符號上(此為正常循環前綴的情況，對延長循環前綴而言，參考信號落在第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，以避免因數據區塊未傳送數據時造成的接收功率估算的嚴重誤差；也就是說，對正常循環前綴而言，計數周期T應該大於等於4個OFDM符號，對延長循環前綴而言，計數周期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個計數周期T即可確定增益值，而對TDD-LTE通信系統來說(如圖3所示)，自1個幀的起始點至同步信號到達之前，共有13個OFDM符號(大於3個計數周期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(用戶端支持兩個接收電路)，理想狀況下只需要1個計數周期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C＝mod(C+1，T)；
5.參考強度Pr必須考量在一個子幀中數據區塊傳送的密度，相較於計數周期內的數據區塊完全不傳送數據而只有參考信號的情況，參考強度Pr須保留足夠空間以避免信號飽和，因此參考強度Pr可表示成：
其中Nsym是在1個計數周期T內OFDM符號的個數，NRS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信號所佔有的子載波個數；
6.信號強度Ps的估算可以是射頻電路提供的接收信號強度指標(Received Signal Strength Indicator；RSSI)，或是在數字端的表示為
x(t)係數字輸入信號，T是計數周期。
以有效位數為12比特的ADC為例，高增益值H及低增益值L可以由以下的步驟計算得到：
1.定義ADC的動態區間，P＝13.01dBm，Q＝－60.99dBm；
2.設PAPR為12dB，則S＝13.01-12＝1.01dBm，L＝13-12-(-25)＝26dB；
3.設信號強度允許的誤差量為1dB，ΔQ＝5.86dB，E＝-60.99+5.86＝-55.13dBm，H的範圍53.87≤H≤82.14，選擇H＝60dB；
4.換算高低增益的切換點在13.01-12-60＝-58.99dBm。
由於本技術領域技術人員可通過圖4及圖6的裝置發明的公開內容來了解圖5及圖7的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的公開要求及可實施性的前提下，重複的說明在此予以省略。請注意，前揭附圖中，元件的形狀、尺寸、比例以及步驟的順序等僅為示意，是供本技術領域技術人員了解本發明之用，非用以限制本發明。
雖然本發明的實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域技術人員可依據本發明的明示或隱含的內容對本發明的技術特 徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求的專利保護範疇，換言之，本發明的專利保護範圍須視本說明書的權利要求所界定者為準。