專利名稱：一種正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)及其自動(dòng)增益控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線數(shù)字通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)及自 動(dòng)增益控制方法。
背景技術(shù)：
OFDM (正交頻分復(fù)用)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，主要思想是將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成 并行的低速子數(shù)據(jù)流，隨后調(diào)制到每個(gè)正交的子信道上進(jìn)行傳輸。理想情況下，各正交信道 上的信號(hào)沒有相互干擾。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)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(duì)容易。由于其頻譜效率高、能較 容易的對(duì)抗多徑傳播引起的符號(hào)間干擾，因而在無線移動(dòng)通信中得到了越來越多的應(yīng)用， 并且被普遍認(rèn)為是未來下一代無線通信系統(tǒng)(LTE)的核心技術(shù)。OFDM系統(tǒng)是突發(fā)傳輸系統(tǒng)，即用戶產(chǎn)生業(yè)務(wù)時(shí)才再進(jìn)行傳輸和解碼，這就要求 OFDM接收機(jī)能夠快速檢測接收信號(hào)的功率并進(jìn)行合適的增益設(shè)置和幀同步。在OFDM接收 機(jī)中，接收機(jī)輸出信號(hào)水平受到輸入信號(hào)和接收機(jī)增益的影響。由于各種環(huán)境等客觀原因 (包括發(fā)射機(jī)的功率大小、接收機(jī)距離發(fā)射機(jī)距離的遠(yuǎn)近、信號(hào)在傳播過程中的傳播條件的 變化、接收機(jī)的環(huán)境變化等)，以及OFDM系統(tǒng)本身高峰均比(PAR)的特點(diǎn)，接收機(jī)的輸入信 號(hào)變化范圍往往很大，最強(qiáng)信號(hào)和最弱信號(hào)之間相差甚至可達(dá)幾十分貝，這對(duì)接收機(jī)中模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求很高，從而帶來成本的大幅上升。利用自動(dòng)增益控制(AGC)技術(shù)，可以解決 這一問題。0FDM系統(tǒng)中的移動(dòng)站點(diǎn)通過在0FDM數(shù)據(jù)幀中使用前導(dǎo)信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制、 時(shí)間同步、頻率估計(jì)、頻偏估計(jì)以及信道估計(jì)等功能。傳統(tǒng)的自動(dòng)增益控制技術(shù)通過前導(dǎo)信 號(hào)的能量水平與對(duì)應(yīng)要求的門限值的比較來調(diào)整模擬放大器的增益，實(shí)際操作中主要通過 包絡(luò)檢波和電橋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。在信號(hào)的檢測階段，由于RF包絡(luò)檢波器存在延時(shí)，當(dāng)RF包絡(luò) 檢波器輸出大于電橋網(wǎng)絡(luò)的某一參考電壓值時(shí)，系統(tǒng)檢測到信號(hào)的傳輸，此時(shí)已經(jīng)有一部 分幀頭部有用訓(xùn)練新號(hào)丟失，不利于0FDM接收系統(tǒng)幀同步、頻率同步的進(jìn)行。而且RF模擬 器件比較容易受到干擾，器件本身具有一定的分離特性，導(dǎo)致突發(fā)信號(hào)檢測精度不夠高，容 易受到環(huán)境影響。另一方面，傳統(tǒng)的階躍增益控制方案中，從檢測到數(shù)據(jù)到產(chǎn)生初始增益，往往用時(shí) 較長，造成一部分時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)的無效。與此同時(shí)，早期的自動(dòng)增益控制方案中常常使用到數(shù) 據(jù)的頻域信息，而對(duì)于頻域信息的提取往往存在用時(shí)較長，而且能量水平的算法也較為復(fù) 雜，這也一定程度增加了用于自動(dòng)增益控制的時(shí)間，造成接收機(jī)額外的性能損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)及 其自動(dòng)增益控制方法。本發(fā)明提供的正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體由天線、帶通濾
4波器、射頻放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)、增益控制器1 (增益改變)、同步自相關(guān)檢測器、信道 估計(jì)器、快速傅里葉處理器(FFT)、導(dǎo)頻取出器、均衡器、增益控制器2 (增益控制)以及正交 解調(diào)器依次連接組成。其中
所述帶通濾波器，用于濾除本系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)信號(hào)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，用于在射頻頻段控制信號(hào)的幅度大小，同時(shí)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(diào)器；
所述A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)字化輸入的模擬信號(hào)，使得系統(tǒng)中能夠使用數(shù)字化的方 法根據(jù)接收機(jī)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍要求自動(dòng)產(chǎn)生射頻放大器的增益值，并以電壓形式反饋回射 頻放大器。其輸入端為正交解調(diào)器，輸出端為同步自相關(guān)檢測器以及增益控制器1 ；
所述增益控制器1，根據(jù)信號(hào)的當(dāng)前功率水平以及之前的增益值調(diào)整下一個(gè)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(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出端為射頻放 大器；
所述同步自相關(guān)檢測器，其中含有相關(guān)器，利用信號(hào)中所含的同步信號(hào)做相關(guān)之后的 峰值來做數(shù)據(jù)時(shí)域部分的同步。其輸入端為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出端為信道估計(jì)器；
所述均衡器，利用前導(dǎo)信號(hào)中以及數(shù)據(jù)符號(hào)中的信息對(duì)信道進(jìn)行預(yù)估，并在頻域?qū)π?號(hào)進(jìn)行均衡，一定程度上降低信道在傳輸過程當(dāng)中對(duì)信號(hào)造成的影響；
所述快速傅里葉處理器，利用快速傅立葉變化對(duì)正交頻分復(fù)用(OFDM)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)， 得到頻域的數(shù)據(jù)信號(hào)，其輸入端為同步自相關(guān)檢測器，輸出信號(hào)經(jīng)導(dǎo)頻取出器在提取出導(dǎo) 頻之后輸入到增益控制器2以及均衡器；
所述增益控制器2，對(duì)從頻域中提取的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行能量水平的評(píng)估，與一門限電壓值 進(jìn)行比較，得到射頻放大器增益的調(diào)整值，并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、緩沖器、加法器1、寄存器1、除法器、對(duì) 數(shù)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
所述平方器用于計(jì)算輸入的數(shù)字信號(hào)的平方值； 所述緩沖器用于存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)的平方值，并在下一個(gè)時(shí)刻輸出； 所述加法器1和加法器2用于累加當(dāng)前的以及上一個(gè)時(shí)刻的數(shù)字信號(hào)平方值； 所述寄存器1和寄存器2用于記錄上一時(shí)刻數(shù)字信號(hào)的累加的結(jié)果，并在下一個(gè)時(shí)刻 輸出；
所述除法器用于將輸入的數(shù)字信號(hào)與以固定值相除計(jì)算出輸出的數(shù)字信號(hào)；
所述對(duì)數(shù)器用于求出輸入的數(shù)字信號(hào)的對(duì)數(shù)計(jì)算出輸出地?cái)?shù)字信號(hào)；
所述乘法器1和2用于將輸入的數(shù)字信號(hào)與一個(gè)固定值相乘計(jì)算出輸出地?cái)?shù)字信號(hào)。增益控制器2中的能量估算模塊由平方器、緩沖器、加法器、寄存器、除法器、對(duì)數(shù) 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(duì)應(yīng)部件相同。本發(fā)明中，頻域處理器的內(nèi)部模塊為比較判決器和能量估算模塊相連接。本發(fā)明提出的自動(dòng)增益控制方法，具體步驟如下
1.當(dāng)接收機(jī)檢測到有信號(hào)時(shí)，將接收到的正交信號(hào)通過帶通濾波器，濾除帶外噪聲，并 進(jìn)行信號(hào)的檢波，得到模擬信號(hào)，正交解調(diào)并經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào)值Rl⑴；
2.當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)超出線性范圍的數(shù)字信號(hào)百分比η大于某一門限Thl時(shí)，判定為信號(hào) 溢出，根據(jù)n值可直接調(diào)整增益；
3.若沒有溢出，對(duì)數(shù)字信號(hào)Rl(i)進(jìn)行功率統(tǒng)計(jì)，接收信號(hào)前導(dǎo)字是以N個(gè)信號(hào)為周期 循環(huán)的，統(tǒng)計(jì)N個(gè)信號(hào)功率得到Pl (i)，再對(duì)Pl (i)進(jìn)行一階濾波平滑得到放大器增益電壓 值P2(i)，同時(shí)將增益電壓值P2(i)反饋到射頻放大器；
4.若檢測到的信號(hào)為數(shù)據(jù)信號(hào)，抽取數(shù)據(jù)信號(hào)中的導(dǎo)頻信息R2(i)，計(jì)算數(shù)據(jù)包中導(dǎo)
頻能量P與π限值Pref進(jìn)行比較，得
到差值A(chǔ)G可以作為放大器增益的調(diào)整值；
5.當(dāng)差值
時(shí)，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(jì)器得到的信道的情況對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行信道均衡處理，降低移動(dòng)通 信中包括多徑等多種會(huì)干擾信號(hào)傳輸?shù)男诺烙绊?。將均衡之后的信?hào)進(jìn)行解碼。上述自動(dòng)增益控制方法，步驟(2)中，在數(shù)據(jù)讀入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器之后，設(shè)置一計(jì) 數(shù)器，統(tǒng)計(jì)超出線性系統(tǒng)范圍的數(shù)字信號(hào)的個(gè)數(shù)，根據(jù)信號(hào)總數(shù)計(jì)算百分比n。上述自動(dòng)增益控制方法，步驟(3)中
其中N為信號(hào)的采樣值，Rl (i)是經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)。上述自動(dòng)增益控制方法，步驟(3)中
其中的α是遺忘因子，代表當(dāng)前能量的權(quán)重，濾波可以部分濾除噪音對(duì)于該能量估計(jì) 的影響。上述自動(dòng)增益控制方法，步驟(4)中導(dǎo)頻平均能量水平的估算方法以及增益計(jì)算 參考值為
M為一個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)中所使用的導(dǎo)頻的數(shù)量。
本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)仿真表明，能有效的去除不適當(dāng)?shù)墓β试O(shè)置帶來的飽和和過沖電壓 導(dǎo)致的緩降現(xiàn)象所引起的有效信號(hào)被緩降信號(hào)淹沒，對(duì)于功率不同的接收信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間 都相同，能有效減少失效的數(shù)據(jù)，在信號(hào)信噪比不是太低的情況下，能量的估算方法能夠?qū)?現(xiàn)一定范圍內(nèi)穩(wěn)定收斂的射頻放大器增益電壓。另一方面在發(fā)送數(shù)據(jù)包過長以及移動(dòng)終端 高速運(yùn)動(dòng)情況下，通過頻域的導(dǎo)頻信號(hào)的功率處理能夠有效克服由于信道快速變化導(dǎo)致的 增大輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的問題，同時(shí)也減少了用于頻域功率計(jì)算的時(shí)間，提高了解碼成功 率。


圖1是正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)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(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。圖6是模數(shù)轉(zhuǎn)換器10%溢出情況下初始增益設(shè)置對(duì)系統(tǒng)性能的影響圖。圖7是信道信噪比對(duì)增益收斂的影響仿真圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，是正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)，由天線、帶通濾波器、射頻放大器、模數(shù) 轉(zhuǎn)換器(A/D)、增益控制器1 (增益改變)、同步自相關(guān)檢測器、信道估計(jì)器、快速傅里葉處理 器(FFT)、導(dǎo)頻取出器、均衡器、增益控制器2(增益控制)以及正交解調(diào)器依次連接組成。其 中
所述帶通濾波器，用于濾除本系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)信號(hào)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，用于在射頻頻段控制信號(hào)的幅度大小，同時(shí)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(diào)器；
所述A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)字化輸入的模擬信號(hào)，使得系統(tǒng)中能夠使用數(shù)字化的方 法根據(jù)接收機(jī)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍要求自動(dòng)產(chǎn)生射頻放大器的增益值，并以電壓形式反饋回射 頻放大器。其輸入端為正交解調(diào)器，輸出端為同步自相關(guān)檢測器以及增益控制器1 ；
所述增益控制器1，根據(jù)信號(hào)的當(dāng)前功率水平以及之前的增益值調(diào)整下一個(gè)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(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出端為射頻放 大器；
所述同步自相關(guān)檢測器，其中含有相關(guān)器，利用信號(hào)中所含的同步信號(hào)做相關(guān)之后的 峰值來做數(shù)據(jù)時(shí)域部分的同步。其輸入端為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出端為信道估計(jì)器；
所述均衡器，利用前導(dǎo)信號(hào)中以及數(shù)據(jù)符號(hào)中的信息對(duì)信道進(jìn)行預(yù)估，并在頻域?qū)π?號(hào)進(jìn)行均衡，一定程度上降低信道在傳輸過程當(dāng)中對(duì)信號(hào)造成的影響；
所述快速傅里葉處理器，利用快速傅立葉變化對(duì)正交頻分復(fù)用(OFDM)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)， 得到頻域的數(shù)據(jù)信號(hào)，其輸入端為同步自相關(guān)檢測器，輸出信號(hào)經(jīng)導(dǎo)頻取出器在提取出導(dǎo) 頻之后輸入到增益控制器2以及均衡器；
所述增益控制器2，對(duì)從頻域中提取的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行能量水平的評(píng)估，與一門限電壓值 進(jìn)行比較，得到射頻放大器增益的調(diào)整值，并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、緩沖器、加法器1、寄存器 1、除法器、對(duì)數(shù)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
所述平方器用于計(jì)算輸入的數(shù)字信號(hào)的平方值；
所述緩沖器用于存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)的平方值，并在下一個(gè)時(shí)刻輸出；
所述加法器1和加法器2用于累加當(dāng)前的以及上一個(gè)時(shí)刻的數(shù)字信號(hào)平方值；
7所述寄存器1和寄存器2用于記錄上一時(shí)刻數(shù)字信號(hào)的累加的結(jié)果，并在下一個(gè) 時(shí)刻輸出；
所述除法器用于將輸入的數(shù)字信號(hào)與以固定值相除計(jì)算出輸出的數(shù)字信號(hào)；
所述對(duì)數(shù)器用于求出輸入的數(shù)字信號(hào)的對(duì)數(shù)計(jì)算出輸出地?cái)?shù)字信號(hào)；
所述乘法器1和2用于將輸入的數(shù)字信號(hào)與一個(gè)固定值相乘計(jì)算出輸出地?cái)?shù)字信號(hào)。如圖3所示，增益控制器2中的能量估算模塊由平方器、緩沖器、加法器、寄存器、 除法器、對(duì)數(shù)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(duì)應(yīng)部件相同。本發(fā)明中，LTE支持兩種形式的無線幀形式，TDD采用類型2的數(shù)據(jù)幀，典型的 TDD-LTE無線通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖4所示，每一個(gè)無線幀由兩個(gè)半幀構(gòu)成，每一個(gè)半幀占用 的時(shí)間為5ms。一個(gè)半幀中由8個(gè)常規(guī)時(shí)隙和DwPTS、GP和UpPTS時(shí)隙三個(gè)特殊時(shí)隙構(gòu)成。 一個(gè)常規(guī)時(shí)隙占用的時(shí)間為0. 5ms，而DwPTS、GP和UpPTS占用的總時(shí)間為1ms。其中DwPTS 始終用于下行發(fā)送，UpPTS始終用于上行發(fā)送，而GP作為TDD中上行至下行轉(zhuǎn)換的保護(hù)時(shí)間 間隔。三者所占用的總時(shí)間固定，而各自占用的時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)分配。其 中的DwPTS中
圖5為整個(gè)接收機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，當(dāng)接收機(jī)進(jìn)行幀檢測時(shí)，沒有檢測到信號(hào)重新回到 等待狀態(tài)，當(dāng)檢測到信號(hào)，即一定時(shí)間內(nèi)的信號(hào)的能量水平大于某一個(gè)閾值，此時(shí)可以判定 信號(hào)到來，當(dāng)該信號(hào)為特殊時(shí)幀信號(hào)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行A/D變換以計(jì)算其能量水平，通過增益控 制器1產(chǎn)生增益電壓輸出并反饋到射頻放大器上。而若為數(shù)據(jù)信號(hào)，在周期內(nèi)，抽取信號(hào)中 所包含的導(dǎo)頻信息進(jìn)行增益的修正，若所得修正值大于某一門限則通過增益控制器2產(chǎn)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(shí)幀信號(hào)通過帶通濾波器，濾除帶外噪聲并進(jìn)行信號(hào)的檢波以及正 交解調(diào)得到模擬信號(hào)之后經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)值Rl (i)。此時(shí)的A/D模 數(shù)轉(zhuǎn)換器需要根據(jù)實(shí)際的要求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，不然由于A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿電平較小會(huì) 產(chǎn)生很多滿電平的量化值，這會(huì)極大影響接收機(jī)的性能。對(duì)于量化比特?cái)?shù)為16位，量化精 度為12位的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其相應(yīng)的最大的滿電平電壓8V,而量化精度位13位的A/D模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，其相應(yīng)的最大的滿電平電壓為4V。為了加快自動(dòng)增益控制的速度，在數(shù)據(jù)讀入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器之后，設(shè)置一計(jì)數(shù)器， 統(tǒng)計(jì)超出系統(tǒng)線性范圍的數(shù)字信號(hào)的個(gè)數(shù)，在一定時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)百分比n，當(dāng)n>Thi 時(shí)，判定為信號(hào)溢出，直接進(jìn)入到增益調(diào)整步驟，此時(shí)可根據(jù)百分比n調(diào)整相應(yīng)增益。由 于不再進(jìn)行前導(dǎo)信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)的區(qū)分，可以減少由于初始信號(hào)判斷所導(dǎo)致的無效信號(hào)時(shí) 間。經(jīng)仿真可知(圖6)，經(jīng)過增益調(diào)整加速之后的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在有10%的信號(hào)溢出的情況下 的系統(tǒng)性能有較大提高。2.對(duì)數(shù)字信號(hào)Rl (i)進(jìn)行功率統(tǒng)計(jì)，可以對(duì)接收到的特殊時(shí)幀信號(hào)是以N為一個(gè) 單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)于圖4當(dāng)中的TDD-LTE幀來說，可以將DwPTS時(shí)隙看做是前導(dǎo)信號(hào)，DwPTS 中包含有用于下行同步信道符號(hào)ZadOff-Chu序列，此處的N可以取32，統(tǒng)計(jì)N個(gè)信號(hào)功率 得到Pl (i)，對(duì)Pl (i)進(jìn)行濾波得到P2(i)；
8
公式②中的α是遺忘因子，代表當(dāng)前能量的權(quán)重，濾波可以部分濾除噪音對(duì)于該能量 估計(jì)的影響，對(duì)Pl (i)較大的波動(dòng)進(jìn)行一階濾波可以起到平滑作用， 越小，對(duì)于噪音的過 濾效果越好，但是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)變長，基于以下原因可以考慮取《為0. 125。
首先，因?yàn)槟M放大器存在一定的延遲，信號(hào)功率的水平需要經(jīng)過幾個(gè)樣點(diǎn)之后 才顯示出來而不是即時(shí)的，所以為了減小噪聲的影響并使得估計(jì)穩(wěn)定α取較小的值將更 好，即P2(i_l)的權(quán)重更大。此外，0. 125可以被8整除，那意味著硬件上可以簡單地通過右 移三位來實(shí)現(xiàn)。算法中不需要估計(jì)估計(jì)功率的均值只需要估計(jì)功率的參考水平，所以對(duì)樣 點(diǎn)取其模值或者取實(shí)部來進(jìn)行運(yùn)算，都可以使得算法更簡單，快速。
在無線的傳輸過程當(dāng)中，通常前導(dǎo)序列由QPSK符號(hào)經(jīng)過正交調(diào)制后得到，對(duì)于本 發(fā)明的算法，使用正常QPSK符號(hào)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(gè)導(dǎo)頻中的OFDM符號(hào)之內(nèi)趨近于收斂，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(shí)，由于噪聲很大，能量估計(jì)的誤差也相應(yīng)增 大，導(dǎo)致信號(hào)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(shí) 隙的較小時(shí)間尺度內(nèi)，利用能量水平的估計(jì)算法，放大器增益能夠快速收斂，并且在信道信 噪比條件較為惡劣的情況下，依然能夠保證一定的穩(wěn)定程度，上下波動(dòng)控制在0. 2dB范圍 內(nèi)。3.在幀同步階段如果幀同步失敗則再次讀取下一個(gè)時(shí)間的信號(hào)再做一次同步。如 果成功則開始接受數(shù)據(jù)符號(hào)，隨后去除其中用來消除符號(hào)間與符號(hào)內(nèi)干擾作用的循環(huán)前綴 并對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)得到頻域部分的數(shù)據(jù)信息，從中抽取所包含的導(dǎo)頻信號(hào)，數(shù)字導(dǎo)頻 信號(hào)遠(yuǎn)小于頻域數(shù)據(jù)信號(hào)個(gè)數(shù)，以固定間隔插入在數(shù)據(jù)信號(hào)之中，一般用作當(dāng)前信道的估 計(jì)，并將估計(jì)的結(jié)果用于對(duì)整個(gè)信道的均衡操作。本專利中利用抽取出來的導(dǎo)頻，重新評(píng)估 增益的水平，對(duì)增益進(jìn)行更加精細(xì)的調(diào)整。4.若檢測到的信號(hào)為數(shù)據(jù)信號(hào)，則抽取數(shù)據(jù)信號(hào)頻域中所包含的導(dǎo)頻信息 R2 (i)，計(jì)算其數(shù)據(jù)包中的導(dǎo)頻能量水平的公式如下
其中，R2(i)為每一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)的能量，M為一個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)中所使用的導(dǎo)頻的數(shù) 量，-為一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)的導(dǎo)頻的平均能量水平，單位為dB，Pref是能量參考門限。 5.當(dāng)差值|AG| >Th2時(shí)，將放大器增益的改變值電壓反饋到射頻放大器。
6.接收機(jī)進(jìn)入后續(xù)均衡以及解碼過程，均衡中可利用之前數(shù)據(jù)信號(hào)中提取出來的 導(dǎo)頻信息，進(jìn)行內(nèi)插運(yùn)算，得到信道的特征，通過解碼得到所需的信息。
權(quán)利要求
一種正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)，其特征在于由天線、帶通濾波器、射頻放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第一增益控制器、同步自相關(guān)檢測器、信道估計(jì)器、快速傅里葉處理器、導(dǎo)頻取出器、均衡器、第二增益控制器以及正交解調(diào)器依次連接組成；其中所述帶通濾波器，用于濾除本系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)信號(hào)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，用于在射頻頻段控制信號(hào)的幅度大小，同時(shí)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(diào)器； 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)字化輸入的模擬信號(hào)，使得系統(tǒng)中能夠使用數(shù)字化的方法根據(jù)接收機(jī)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍要求自動(dòng)產(chǎn)生射頻放大器的增益值，并以電壓形式反饋回射頻放大器，其輸入端為正交解調(diào)器，輸出端為同步自相關(guān)檢測器以及第一增益控制器；所述第一增益控制器，根據(jù)信號(hào)的當(dāng)前功率水平以及之前的增益值調(diào)整下一個(gè)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(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出端為射頻放大器；所述同步自相關(guān)檢測器，其中含有相關(guān)器，利用信號(hào)中所含的同步信號(hào)做相關(guān)之后的峰值來做數(shù)據(jù)時(shí)域部分的同步，其輸入端為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出端為信道估計(jì)器；所述均衡器，利用前導(dǎo)信號(hào)中以及數(shù)據(jù)符號(hào)中的信息對(duì)信道進(jìn)行預(yù)估，并在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行均衡，降低信道在傳輸過程當(dāng)中對(duì)信號(hào)造成的影響；所述快速傅里葉處理器，利用快速傅立葉變化對(duì)正交頻分復(fù)用信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到頻域的數(shù)據(jù)信號(hào)，其輸入端為同步自相關(guān)檢測器，輸出信號(hào)經(jīng)導(dǎo)頻取出器在提取出導(dǎo)頻之后輸入到增益控制器2以及均衡器；所述第二增益控制器，對(duì)從頻域中提取的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行能量水平的評(píng)估，與一門限電壓值進(jìn)行比較，得到射頻放大器增益的調(diào)整值，并且通過模擬電壓的形式反饋回射頻放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)，其特征在于所述的第一增益控制 器中的能量估算模塊由平方器、緩沖器、第一加法器、第一寄存器、除法器、對(duì)數(shù)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，其中所述平方器用于計(jì)算輸入的數(shù)字信號(hào)的平方值；所述緩沖器用于存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)的平方值，并在下一個(gè)時(shí)刻輸出； 所述第一加法器和第二加法器用于累加當(dāng)前的以及上一個(gè)時(shí)刻的數(shù)字信號(hào)平方值；所述第一寄存器和第二寄存器用于記錄上一時(shí)刻數(shù)字信號(hào)的累加的結(jié)果，并在下 一個(gè)時(shí)刻輸出；所述除法器用于將輸入的數(shù)字信號(hào)與以固定值相除計(jì)算出輸出的數(shù)字信號(hào)；所述對(duì)數(shù)器用于求出輸入的數(shù)字信號(hào)的對(duì)數(shù)計(jì)算出輸出地?cái)?shù)字信號(hào)； 所述第一乘法器和第二乘法器用于將輸入的數(shù)字信號(hào)與一個(gè)固定值相乘計(jì)算出 輸出地?cái)?shù)字信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)，其特征在于所述的第二增益控制 器中的能量估算模塊由由平方器、緩沖器、加法器、寄存器、除法器、對(duì)數(shù)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(duì)應(yīng)部件相同。
4.一種如權(quán)利要求1所述的正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)增益控制方法，其特征在 于具體步驟為1)當(dāng)接收機(jī)檢測到有信號(hào)時(shí)，將接收到的正交信號(hào)通過帶通濾波器，濾除帶外噪聲，并 進(jìn)行信號(hào)的檢波，得到模擬信號(hào)，經(jīng)正交解調(diào)并經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào) 值 Rl(i)；2)當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)超出線性范圍的數(shù)字信號(hào)百分比n大于某一門限Thl時(shí)，判定為信號(hào) 溢出，根據(jù)n值可直接調(diào)整增益；3).若沒有溢出，對(duì)數(shù)字信號(hào)Rl(i)進(jìn)行功率統(tǒng)計(jì)，接收信號(hào)前導(dǎo)字是以N個(gè)信號(hào)為周 期循環(huán)的，統(tǒng)計(jì)N個(gè)信號(hào)功率得到PI (i)，再對(duì)PI (i)進(jìn)行一階濾波平滑得到放大器增益電 壓值P2(i)，同時(shí)將增益電壓值P2(i)反饋到射頻放大器； 4)若檢測到的信號(hào)為數(shù)據(jù)信號(hào)，抽取數(shù)據(jù)信號(hào)中的導(dǎo)頻信息R2(i)，計(jì)算數(shù)據(jù)包中導(dǎo)頻能量f與門限值Pref進(jìn)行比較，得到差值A(chǔ)G可以作為放大器增益的調(diào)整值；5)當(dāng)差值>Th2時(shí)，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(jì)器得到的信道的情況對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行信道均衡處理，降低移動(dòng)通 信中包括多徑等多種會(huì)干擾信號(hào)傳輸?shù)男诺烙绊?；將均衡之后的信?hào)進(jìn)行解碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)增益控制方法，其特征在于步驟2)中，在數(shù)據(jù)讀入A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器之后，設(shè)置一計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)超出線性系統(tǒng)范圍的數(shù)字信號(hào)的個(gè)數(shù)，根據(jù)信號(hào)總數(shù) 計(jì)算百分比n。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)增益控制方法，其特征在于步驟3)中，其中N為信號(hào)的采樣值，R1 (i)是經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)增益控制方法，其特征在于步驟3)中， 其中的^是遺忘因子，代表當(dāng)前能量的權(quán)重。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自動(dòng)增益控制方法，其特征在于步驟4)中導(dǎo)頻平均能量水平 的估算方法以及增益計(jì)算參考值為 M為一個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)中所使用的導(dǎo)頻的數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線數(shù)字通信技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種正交頻分復(fù)用接收機(jī)系統(tǒng)及自動(dòng)增益控制方法。本接收機(jī)系統(tǒng)由天線、帶通濾波器、射頻放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第一增益控制器、同步自相關(guān)檢測器、信道估計(jì)器、快速傅里葉處理器、導(dǎo)頻取出器、均衡器、第二增益控制器以及正交解調(diào)器依次連接組成。其自動(dòng)增益控制方法包括接收機(jī)檢測到信號(hào)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行A/D變換以計(jì)算其能量水平，通過增益控制器產(chǎn)生增益電壓輸出并反饋到射頻放大器上；對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)，抽取信號(hào)中所包含的導(dǎo)頻信息進(jìn)行增益的修正，并反饋到射頻放大器上。本發(fā)明計(jì)算時(shí)間省，效率高。
文檔編號(hào)H04W52/52GK101895507SQ201010248488
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者劉俊, 周小林 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)