CN107086859B - 用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路，包括数字放大器、模值计算电路、平均值滤波器、功率计算电路和误差处理电路；数字放大器集成了放大电路、峰值检测电路和误差检测电路；峰值检测电路和误差检测电路主要是针对电路中存在的突变信号设计的，能快速检测突变信号，重新调节数字AGC电路，实现数字AGC的快速锁定；功率计算电路和误差处理电路主要是在对数域对信号进行处理，得到增益系数，用来驱动数字AGC的数字放大器，完成AGC环路。本发明在对数域调节功率，具有建立时间短、控制灵活等特点；而且峰值检测电路和误差检测电路也能够对突变信号快速响应，使得数字AGC环路稳定。

Description

用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路

技术领域

本发明涉及一种零中频接收机中数字自动增益控制技术，尤其涉及一种用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路。

背景技术

在无线通信系统中由于传输距离以及地形等因素的影响，电波在空间传播过程中存在不同程度的衰落，接收机输入端接收到的信号强度有很大的变化，其变化范围可能高达60～80dB。面对大动态范围的接收信号，高分辨率的ADC固然可以获得较大的动态范围，但是在信号比较小的情况下接收机的性能仍然会受到很大的影响，因此，自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)系统是提升接收机解调性能的一个重要途径。

AGC系统由可变增益放大器、检测器和增益控制电路三部分组成，检测器从可变增益放大器的输出中提取信号强度信息，增益控制电路据此自动调节可变增益放大器的增益，以保证待解调信号的强度处于一个稳定水平来提高接收机的解调性能。卫星定位通信接收机的接收灵敏度通常在噪声水平以下，利用信号的相关性实现解调，这就要求接收机链路实现较大的增益以把信号(包括噪声)放大到显著功率水平以进行量化。此外，近年来零中频架构的接收机由于其系统集成度高，电路结构简单等优点使得其应用逐步取代了超外差接收机。

AGC系统又可以分为模拟AGC、数字AGC和数模混合AGC。模拟AGC系统的可变增益放大器、检测器和增益控制电路都是在模拟域实现的，当输入信号变化时，输出(输入)信号的强度经平方律器件检测信号强度后，反馈(前馈)增益控制信号到可变增益级，使信号强度锁定到规定的范围内。数模混合AGC系统的可变增益放大器采用增益可编程的放大器结构，但是增益控制、甚至信号强度检测都在数字域实现，其增益控制更为灵活、放大器的结构选择更为自由因而可以采用各种反馈技术提高放大器的性能。全数字AGC则完全避免了使用模拟电路，其利用高分辨率的ADC直接将高动态范围的模拟基带信号量化，然后在数字域实现信号增益，这不但具有可靠性高、方便配置、易于调试和精确性高等优点，还减少了模拟信号处理的环节，因而缓解了非线性失真对信噪比的恶化。数字AGC具有更精确的增益调整步长、更强的AGC控制能力，输出信号波动可以小于1dB甚至更小，模拟AGC输出信号波动通常为3～6dB以保证系统的稳定。随着高速高精度ADC设计技术和高速度、低成本的数字信号处理芯片的发展，全数字AGC展现出诸多优势并获得越来越广泛的应用。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路，包括数字放大器、模值计算电路、平均值滤波器、功率计算电路、门限比较电路和误差处理电路。

输入信号通过数字放大器后被注入到模值计算电路中，获取基带信号的模值；平均值滤波器对模值计算电路的模值信号进行分段，并求取各段的平均模值；平均模值经过功率计算电路，将平均模值变换到对数域内，获得基带信号的功率值；功率值依次注入到门限比较电路和误差处理电路。

误差处理电路包含增益系数调整电路和反对数运算电路；增益系数调整电路根据门限比较的结果，应用分段调节机制，得到一个在对数域内的增益系数；反对数运算电路将对数域内的增益系数变换到线性域中，用来驱动数字AGC的数字放大器，完成AGC环路。

数字放大器包括放大电路、峰值检测电路和误差检测电路；放大电路将输入信号和增益系数相乘，实现输入信号的放大和缩小，使输出信号维持在一个恒定的功率范围内；峰值检测电路和误差检测电路快速检测突变信号，重新调节数字AGC电路，实现数字AGC的快速锁定。

峰值检测电路通过判断信号的平均估计模值和增益系数信号相乘的结果是否超出信号允许的最大值，来控制增益系数。其工作方法为取一段时间内信号的平均估计模值，与增益系数相乘，判断是否超出正常信号的最大阈值，超出范围，则产生一个标志位，对误差处理电路中增益系数控制电路重新置位，使增益系数快速回到初值；没有超出，则表示信号正常。

误差检测电路检测放大电路的输出是否超出其允许的最大阈值，超出最大阈值，表示放大电路的输出信号不准确，选择器输出未经过放大电路调整的信号；输入信号没有超出最大阈值，表示放大电路调节的信号有效，选择器输出经过放大电路调整后的信号。

有益效果：本发明利用对数运算，在对数域内实现功率调节，将原有的乘除法运算转换为加减法运算，大大提高数字AGC的运算速度和锁定时间，具有快速响应，控制电路简单，控制灵活等特点。同时，误差处理电路应用分段调节机制，简化增益系数控制的复杂度，提高电路的运算效率，合理地控制了信号的波动。

本发明引入峰值检测电路和误差处理电路有效地消除突变信号的影响，保证接收机正常工作。本发明具有一个宽动态范围，当输入信号在宽动态范围变化时，AGC输出装置输出信号的平均功率大致保持恒定，使得信号大小维持在一个适合的范围，以改善接收机的解调性能。

附图说明

图1是本发明的电路所处接收机的位置图；

图2是本发明所述的用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路图；

图3是数字放大器的结构图；

图4是峰值检测电路的结构图；

图5是误差检测电路的结构图；

图6是本发明的控制流程图；

图7是本发明的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明的电路所处接收机的位置如图1所示，接收到的射频信号经过零中频接收机的射频前端和ADC采样后变为基带的I、Q两路信号。基带的I、Q两路信号经过数字AGC电路，实现输出信号的功率基本恒定。最后，完成自动增益控制后的信号送给数字接收机进行解调等工作。

本发明所述的数字AGC电路如图2所示，包括数字放大器、模值计算电路、平均值滤波器、功率计算电路、误差处理电路中的增益系数调整电路和反对数变换电路。

本发明所述的数字AGC电路具体控制方法为：

在初始状态，AGC控制装置生成初始的增益系数factor，信号经过零中频接收机后，通过sigma-delta A/D转换器后，得到I、Q两路复信号，表示为XI+j*XQ。经过如图3所示的数字放大器后，将复信号与增益系数相乘后，得到一个调整后的复信号，表示为YI+j*YQ，其表达式可写为：

YI+j*YQ＝(XI+j*XQ)*factor

同时，峰值检测电路主要是通过判断信号的平均估计模值和增益系数信号相乘的结果是否超出信号允许的最大值，来控制增益系数。如图4所示，其工作方法为：取一段时间内信号的平均估计模值，与增益系数相乘，判断其是否超出正常信号的最大阈值，一旦其超出范围，则产生一个标志位，对误差处理电路中增益系数控制电路重新置位，使得增益系数快速回到初值；没有超出，则表示信号正常。

经过放大电路调整后的信号和原始的输入信号被同时注入到如图5所示的误差检测电路的数据选择器中，同时，经过放大电路调整后的信号流入比较控制电路后的输出信号被作为数据选择器的控制信号。比较控制电路主要用来检测放大电路的输出是否超出其允许的最大阈值，一旦超出最大阈值，表明此次放大电路的输出信号并不准确，则选择器输出未经过放大电路调整的信号；如果输入信号没有超出最大阈值，表明此次调节的信号有效，则选择器输出经过放大电路调整后的信号。

将数字放大器的输出信号注入模值计算电路，得到此时复信号的模值A，其表达式可以写为：

通过平均值滤波器，将输入的模值以N_agc为单位分段，并获取每一段的均值，以减小噪声带来的误差和毛刺，提高AGC环路的稳定性和可靠性，第l段的模值均值的表达式为：

将上述平均模值

注入功率计算电路中，通过对数算法获得其在对数域内的平均功率

其计算式如下：

在对数域内进行功率调节，将原有的乘除法运算转换为加减法运算，大大提高数字AGC的运算速度和锁定时间。再

将与AGC设定的阈值(thr)进行比较，根据增益系数调整电路设定一个合适的对数域的AGC系数控制字，其调整过程如图6所示。再通过反对数电路，将上述控制字从对数域变换到线性域中反馈到数字放大器，作为下面复信号的增益系数，从而调整AGC的输入功率，使其达到一个稳定的功率值。

上述增益系数控制过程中，需要仔细确定增益步进，增益步进太大则环路容易出现不稳定状态，增益步进太小则容易导致系统收敛时间过长。因此，本方案中根据初始值与目标值之间的差距大小采取不同的增益步进进行调整，保证系统稳定的情况下尽可能快速的收敛。

首先，输入信号的功率和阈值thr进行减法操作，其所得的差值记为e，表示为输入信号相对于参考功率的大小。然后，对e的符号进行判断，如果为正，表明需要对输入信号进行衰减控制；如果为负，表明需要对输入信号进行放大控制。为了实现数字AGC增益系数的准确控制，这里引入多阈值的方式，实现数字AGC的分段控制，即在判决端设置多个不同的阈值，并根据这些不同的阈值设定对应每个阈值的增益调节步进。将差值e的绝对值与阈值进行比较，选择合适的增益控制步进，并根据差值e的符号，确定数字AGC进行放大控制还是衰减控制，以实现信号功率调节的目的。这里，设置4个阈值(thr1＞thr2＞thr3＞thr4)以其对应每个阈值的增益调节步进(coef1＞coef2＞coef3＞coef4)。

其基本判决流程如下：

如果|e|≥thr1，那么说明输入信号的功率与参考功率相差较大，则采用第一增益步进coef1；如果thr2≤|e|＜thr1，那么说明输入信号的功率与参考功率相差相对较大，则采用第二较大增益步进coef2；如果thr3≤|e|＜thr2，那么说明输入信号的功率与参考功率相差相对较小，则采用第三增益步进coefS；如果thr4≤|e|＜thr3，那么说明输入信号的功率与参考功率相差较小，则采用第四增益步进coef4；如果|e|＜thr4，则说明输入信号的功率与参考功率相差很小，则保持增益系数不变。在选择增益步进的同时，根据差值e的符号确定数字AGC进行放大控制还是衰减控制，如果为正，表明需要对输入信号进行衰减控制；如果为负，表明需要对输入信号进行放大控制。通过这样的方式既可以快速调节信号的功率，又可以保证电路的稳定性。

本发明的仿真效果如图7所示，从图中可以看出发明能够很快地对输入信号的变化作出响应，使得AGC环路稳定。相较于传统的AGC电路，能够更准确的检测信号强度，更精确地控制增益步进。在输入信号变化较大时，仍能够使输出信号的波动较小。采用数字式AGC，建立时间短、控制灵活、电路结构简单、成本低廉，有着广泛的应用前景。

Claims (4)

1.一种用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路，其特征在于：包括数字放大器、模值计算电路、平均值滤波器、功率计算电路、门限比较电路和误差处理电路；

其中，输入信号通过数字放大器后被注入到模值计算电路中，获取基带信号的模值；平均值滤波器对模值计算电路的模值信号进行分段，并求取各段的平均模值；平均模值经过功率计算电路，将平均模值变换到对数域内，获得基带信号的功率值；功率值依次注入到门限比较电路和误差处理电路；

误差处理电路包含增益系数调整电路和反对数运算电路；增益系数调整电路根据门限比较的结果，应用分段调节机制，得到一个在对数域内的增益系数；反对数运算电路将对数域内的增益系数变换到线性域中，用来驱动数字AGC的数字放大器，完成AGC环路；增益系数调整电路为分段调节，根据输入功率与参考功率的差值，设置不同的增益步进，控制输出信号的波动；

数字放大器包括放大电路、峰值检测电路和误差检测电路；放大电路将输入信号和增益系数相乘，实现输入信号的放大和缩小，使输出信号维持在一个恒定的功率范围内；

峰值检测电路通过判断信号的平均估计模值和增益系数信号相乘的结果是否超出信号允许的最大值，来控制增益系数；误差检测电路检测放大电路的输出是否超出其允许的最大阈值；峰值检测电路和误差检测电路快速检测突变信号，重新调节数字AGC电路，实现数字AGC的快速锁定。

2.根据权利要求1所述的用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路，其特征在于：峰值检测电路工作方法为：取一段时间内信号的平均估计模值，与增益系数相乘，判断是否超出正常信号的最大阈值，超出范围，则产生一个标志位，对误差处理电路中增益系数控制电路重新置位，使增益系数快速回到初值；没有超出，则表示信号正常。

3.根据权利要求1所述的用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路，其特征在于：误差检测电路检测放大电路的输出是否超出其允许的最大阈值，超出最大阈值，表示放大电路的输出信号不准确，选择器输出未经过放大电路调整的信号；输入信号没有超出最大阈值，表示放大电路调节的信号有效，选择器输出经过放大电路调整后的信号。

4.根据权利要求1所述的用于无线通信接收机的数字自动增益控制电路，其特征在于：功率计算电路利用对数运算，在对数域内实现功率调节，将系数控制中原有的乘除法运算转换为加减法运算。

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