數(shù)字通信系統(tǒng)中新型自動(dòng)增益控制方法設(shè)計(jì)

陳家旭，管恩義，李　文，王　杰，姚宜東

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

數(shù)字通信系統(tǒng)中新型自動(dòng)增益控制方法設(shè)計(jì)

陳家旭，管恩義，李文，王杰，姚宜東

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control，AGC）方法。針對(duì)某數(shù)字通信系統(tǒng)的需求，所設(shè)計(jì)的AGC可以充分利用ADC量化位數(shù)，并能夠處理LTE多種傳輸模式（TM2和TM3）信號(hào)。仿真結(jié)果表明，本AGC能夠同時(shí)適用于TM2和TM3信號(hào)，能夠在充分利用ADC量化位數(shù)的同時(shí)避免過飽和現(xiàn)象，能夠準(zhǔn)確判斷輸入信號(hào)功率變化狀態(tài)并迅速調(diào)整，從而對(duì)穩(wěn)定功率的輸入信號(hào)給出恒定的增益。

自動(dòng)增益控制；數(shù)字通信系統(tǒng)；傳輸模式

0 引言

在某數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于設(shè)備距離、設(shè)備數(shù)量、設(shè)備本身信號(hào)質(zhì)量等一系列原因，系統(tǒng)接收到的信號(hào)功率變化范圍很大。當(dāng)信號(hào)輸入系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即經(jīng)過ADC之后，功率小的信號(hào)所占用的數(shù)字量化位數(shù)很低。然而，該數(shù)字通信系統(tǒng)中使用了李仝昀等發(fā)明的壓縮算法［1］，壓縮算法需要充分利用ADC的量化位數(shù)來提高動(dòng)態(tài)范圍，即要求壓縮算法的輸入信號(hào)在ADC位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)的表示范圍內(nèi)且足夠大。因此，系統(tǒng)在ADC模塊與算法模塊之間需要一個(gè)新型的自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control，AGC）單元完成該功能。此外，壓縮算法具有根據(jù)AGC輸出的信號(hào)和增益來還原出輸入信號(hào)的需求，因此要求該AGC應(yīng)保證控制前后信號(hào)的峰均比不變?？傊?，該AGC需要能夠使輸出信號(hào)足夠大且避免輸出信號(hào)超出ADC位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)的表示范圍即過飽和現(xiàn)象，并且保持輸入信號(hào)的峰均比不變。同時(shí)，該新型通信系統(tǒng)為LTE系統(tǒng)，因此需要該AGC能夠處理LTE，主要是TM2和TM3信號(hào)。

由于該新型通信系統(tǒng)的需求有別于傳統(tǒng)意義上的自動(dòng)增益控制，因此現(xiàn)有的AGC控制方法不能滿足該新型通信系統(tǒng)的需求。傳統(tǒng)的AGC［2?4］是一個(gè)反饋系統(tǒng)，輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)平均濾波器得到平均功率；將輸出信號(hào)的平均功率與AGC的目標(biāo)功率進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)；再根據(jù)當(dāng)前增益值與誤差信號(hào)對(duì)下一時(shí)刻的增益值進(jìn)行調(diào)整，最終使輸出功率逐漸收斂至目標(biāo)功率。傳統(tǒng)AGC控制方法會(huì)出現(xiàn)輸出信號(hào)功率大于目標(biāo)功率的現(xiàn)象，使用在本系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)過飽和，輸出信號(hào)將產(chǎn)生失真；傳統(tǒng)AGC控制方法將輸出功率向目標(biāo)功率調(diào)整，使得輸出信號(hào)功率經(jīng)常處于發(fā)生變化的狀態(tài)，不能保持信號(hào)的峰均比；而TM2和TM3信號(hào)在特性上存在顯著差異，就我們所知，目前尚無AGC可以同時(shí)滿足這三種需求。

本文針對(duì)這些需求，設(shè)計(jì)了一種新型AGC方法，并通過仿真驗(yàn)證了本AGC能夠同時(shí)適用于TM2和TM3信號(hào)，能夠在充分利用ADC量化位數(shù)的同時(shí)避免過飽和現(xiàn)象，能夠準(zhǔn)確判斷輸入信號(hào)功率變化狀態(tài)并迅速做出調(diào)整，從而對(duì)穩(wěn)定功率的輸入信號(hào)給出恒定的增益。

1 系統(tǒng)需求分析

該新型通信系統(tǒng)主要處理LTE信號(hào)。LTE信號(hào)有9種傳輸模式TM1～TM9［5］。其中，與該系統(tǒng)相關(guān)的部分為對(duì)TM2和TM3信號(hào)的控制。

如引言所述，系統(tǒng)對(duì)AGC的需求如下：

1）在不發(fā)生過飽和現(xiàn)象的前提下盡量充分利用ADC的量化位數(shù)；

2）保持信號(hào)的峰均比不變；

3）同時(shí)適用于TM2和TM3信號(hào)。

從系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，進(jìn)行自動(dòng)增益控制的目的是為了充分利用ADC的量化位數(shù)，因此需要AGC的輸出無過飽和現(xiàn)象。對(duì)于k位的ADC，應(yīng)確保經(jīng)過AGC的輸出信號(hào)的絕對(duì)值不超過2k-1-1。過飽和的輸出將導(dǎo)致信號(hào)失真，不能被壓縮算法還原為輸入信號(hào)。同時(shí)，為了定量地描述“充分利用”，對(duì)ADC的量化位數(shù)設(shè)置了余量參數(shù)i，即要求經(jīng)過AGC的輸出信號(hào)的絕對(duì)值不小于2k-i-1-1。

這就要求AGC能夠僅憑輸入信號(hào)生成符合輸出要求的增益，因此啟發(fā)本AGC采用前饋式設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了能夠估算出輸入信號(hào)的功率，需要不同模式下的LTE信號(hào)作為參考。當(dāng)輸入信號(hào)為參考信號(hào)時(shí)，能夠推導(dǎo)出適合于當(dāng)前輸入的增益值，而真正輸入信號(hào)的增益值可由參考信號(hào)增益值的相對(duì)值得出。因此，基于需求1），本AGC應(yīng)采用基于參考信號(hào)的前饋式設(shè)計(jì)。

壓縮算法有對(duì)信號(hào)在AGC前后峰均比保持不變的需求，換言之，對(duì)于穩(wěn)定功率的信號(hào)，AGC應(yīng)輸出恒定的增益。這種需求反過來可以降低系統(tǒng)的EVM［6］，有助于提升系統(tǒng)性能。具體地說，這要求本AGC能夠準(zhǔn)確判斷輸入信號(hào)功率變化的時(shí)刻，并迅速做出調(diào)整，同時(shí)對(duì)于恒定功率的輸入給出恒定的增益?；诖?，需要AGC在設(shè)計(jì)時(shí)：1）能夠準(zhǔn)確判斷輸入信號(hào)功率是處于穩(wěn)定狀態(tài)還是發(fā)生了變化；2）對(duì)于處于變化狀態(tài)的功率，給出變化之后應(yīng)具有的增益；3）迅速調(diào)整增益，應(yīng)為階躍式調(diào)整而非逐步調(diào)整。

LTE系統(tǒng)要求AGC可控制TM2與TM3信號(hào)，這要求AGC模型參數(shù)在取值的時(shí)候要在兩種情況中做出權(quán)衡，以便能同時(shí)滿足TM2與TM3兩種傳輸模式。第2節(jié)將根據(jù)本節(jié)針對(duì)系統(tǒng)需求所做的分析給出具體的AGC設(shè)計(jì)方案。

2 AGC設(shè)計(jì)

基于第1節(jié)的分析，本AGC應(yīng)：1）能夠估算輸入信號(hào)的功率；2）具有判斷輸入信號(hào)功率是穩(wěn)定還是變化的方法；3）準(zhǔn)確計(jì)算出當(dāng)前功率下應(yīng)具有的增益，以便在應(yīng)改變?cè)鲆娴臅r(shí)候迅速給出值。在參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)基于參考信號(hào)給出，同時(shí)權(quán)衡TM2與TM3兩種情況。

在實(shí)際系統(tǒng)中，AGC的輸入信號(hào)是ADC的輸出信號(hào)，代表量化的電平值，而不是功率值。然而電平與功率有平方的關(guān)系，可以使用電平的穩(wěn)定與變化情況代表功率的相應(yīng)情況。輸入信號(hào)經(jīng)過滑動(dòng)平均濾波器（Moving Average Filter，MAF）［7］模塊可以得到一段時(shí)間內(nèi)的均值，用以估算當(dāng)前信號(hào)的平均功率。使用均方根（Root Mean Square，RMS）［8］測(cè)量平均值。即：

其中，RMSTD是動(dòng)態(tài)均方根值，t代表當(dāng)前時(shí)刻，x（t）代表輸入信號(hào)，TD代表一段時(shí)間的長度。在輸入信號(hào)功率穩(wěn)定的情況下，RMSTD也表現(xiàn)出穩(wěn)定。然而實(shí)際情況中，因?qū)TE終端設(shè)備（如4G手機(jī)）的遮擋或距離改變，很容易對(duì)設(shè)備接入系統(tǒng)的信號(hào)造成20dB或30dB以上的衰減。因此，在衰減的時(shí)刻，接入系統(tǒng)的信號(hào)的功率值會(huì)產(chǎn)生成百上千倍的變化，換算成電壓為幾十至上百倍的變化。這種幅度較為劇烈的變化，會(huì)影響到該時(shí)刻RMSTD的值，表現(xiàn)為RMSTD的值與上一時(shí)刻差距較大。設(shè)置2個(gè)參數(shù)upper和lower來檢測(cè)這種變化，使得RMSTD與的比值大于upper時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前信號(hào)正處于功率增大狀態(tài)；RMSTD與的比值小于lower時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前信號(hào)正處于功率衰減狀態(tài)；而RMSTD與的比值介于upper和lower兩者之間時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前信號(hào)是功率穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，對(duì)于功率變化狀態(tài)，應(yīng)給出適用于當(dāng)前輸入信號(hào)的增益，設(shè)計(jì)增益的估算方法。

為使當(dāng)前信號(hào)經(jīng)過增益后的值能夠充分利用量化位數(shù)，同時(shí)避免過飽和現(xiàn)象，設(shè)ADC的位數(shù)為k，當(dāng)前信號(hào)的峰值為peak，則有：peak×gaincal＜2k-1-1。其中，gaincal為增益的估算值。

為表達(dá)充分利用量化位數(shù)，預(yù)留i位的余量（i≥1），即要求peak×gaincal>2k-i-1-1。因此，2k-i-1-1＜peak×gaincal＜2k-1-1。

由于本AGC保持信號(hào)峰均比不變，因此可通過RMSTD與參考信號(hào)的峰均比PAR估算出當(dāng)前信號(hào)峰值peak，即2k-i-1-1＜PAR×RMSTD×gaincal＜2k-1-1，即：

注意到式（2）中，2k-1、2k-i-1和PAR均為已知量，而RMSTD為需動(dòng)態(tài)獲取的量。因此，定義dcdp為增益決定因子，dcdp=gaincal×RMSTD，且應(yīng)滿足：

考慮到以RMSTD代替LTE信號(hào)均值的誤差，為避免過飽和現(xiàn)象，gaincal應(yīng)取所在范圍內(nèi)的最小值，相應(yīng)地dcdp也應(yīng)取所在范圍內(nèi)的最小值，并且：

于是，判斷出當(dāng)前輸入信號(hào)處于功率變化狀態(tài)時(shí)，以gaincal代替當(dāng)前系統(tǒng)的增益值；判斷出當(dāng)前輸入信號(hào)處于功率穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，繼續(xù)保持當(dāng)前系統(tǒng)的增益值不變。

然而，直接使用式（4）估算當(dāng)前時(shí)刻的增益值會(huì)產(chǎn)生誤差。當(dāng)輸入信號(hào)功率從小變大，輸入信號(hào)的RMSTD也將從小變大，但是與輸入信號(hào)相比表現(xiàn)出一定（TD）的延遲。因此在判斷出輸入信號(hào)發(fā)生變化（從小變大）的時(shí)刻時(shí)，計(jì)算gaincal所采用的RMSTD尚未達(dá)到信號(hào)功率變化后穩(wěn)定的RMS值，計(jì)算所得的gaincal大于當(dāng)前系統(tǒng)最佳增益值，應(yīng)適度降低其值，即對(duì)計(jì)算結(jié)果做反向補(bǔ)償。同理，當(dāng)輸入信號(hào)從大變小時(shí)，應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果做正向補(bǔ)償。

于是，當(dāng)RMSTD與的比值大于upper時(shí)，生成正向補(bǔ)償信號(hào)cpst=1，當(dāng)RMSTD與的比值小于lower時(shí)，生成反向補(bǔ)償信號(hào)cpst=-1，并令cpst參與到gaincal的計(jì)算中去，修改之后的增益計(jì)算方法為：

其中，cv為增益的補(bǔ)償值，正向補(bǔ)償體現(xiàn)為將式（4）中的gaincal乘以一個(gè)大于1的數(shù)；反向補(bǔ)償體現(xiàn)為將式（4）中的gaincal乘以一個(gè)小于1的數(shù)。因此，令：

其中，init為初始補(bǔ)償因子，p為正向補(bǔ)償系數(shù)，m為反向補(bǔ)償系數(shù)。表1總結(jié)了本AGC所涉及的參數(shù)，本AGC的邏輯圖如圖1所示。

表1　AGC參數(shù)及含義Table 1 AGC parameters and meanings

圖1　AGC邏輯圖Fig.1 Logical diagram of AGC

如圖1所示，增益控制部分主要由3個(gè)模塊組成。RMS模塊是一個(gè)滑動(dòng)平均濾波器，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為TD內(nèi)信號(hào)的平均值，以便于之后的定量控制；功率判斷模塊則根據(jù)RMS模塊的輸出來判斷是否要調(diào)整當(dāng)前增益（當(dāng)前處于輸入信號(hào)功率變化沿）還是繼續(xù)保持之前增益不變（當(dāng)前是穩(wěn)定功率的輸入信號(hào)）。功率判斷模塊除了判斷出當(dāng)前是否應(yīng)該調(diào)整增益之外，還給出增益補(bǔ)償信號(hào)，幫助后面的增益計(jì)算模塊輸出適合于當(dāng)前信號(hào)的增益。

3 仿真結(jié)果

本節(jié)對(duì)所設(shè)計(jì)的AGC在Simulink環(huán)境下分別對(duì)LTE的TM2和TM3信號(hào)進(jìn)行了仿真。將所采用14337個(gè)采樣的TM2和TM3信號(hào)視為參考信號(hào)，分別如圖2和圖3所示。仿真中對(duì)TM2和TM3信號(hào)所做的衰減都是在圖2和圖3的參考信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行。經(jīng)分析，圖2的TM2信號(hào)的PAR為4．8dB，圖3中TM3信號(hào)的PAR為5．76dB。以這2個(gè)參考信號(hào)為基礎(chǔ)調(diào)整AGC的參數(shù)取值，具體如表2所示。

表2　AGC參數(shù)取值Table 2 AGC parameter values

圖2　參考信號(hào)TM2Fig.2 Reference signal of TM2

圖3　參考信號(hào)TM3Fig.3 Reference signal of TM3

在上述參數(shù)設(shè)置下，將LTE的TM2與TM3參考信號(hào)分段做不同的衰減作為輸入進(jìn)行仿真，以參考信號(hào)為基準(zhǔn)，分別對(duì)其衰減10dB、20dB和30dB，連同參考信號(hào)共生成4段信號(hào)。值得注意的是，由于本文中所有描繪LTE信號(hào)的圖都是信號(hào)電平值的量化，因此所做衰減均是相對(duì)信號(hào)電平值而言。對(duì)未衰減、衰減10dB、衰減20dB和衰減30dB四種衰減方式進(jìn)行任意組合，可生成24種輸入，對(duì)這24種輸入數(shù)據(jù)全部進(jìn)行仿真，可得到相同的結(jié)論，為便于描述，隨機(jī)選取了2種分別作為TM2和TM3的輸入，仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4　AGC的輸入、輸出、增益及過飽和（TM2）Fig.4 AGC input，output，gain and oversaturation of TM2

圖5　AGC的輸入、輸出、增益及過飽和（TM3）Fig.5 AGC input，output，gain and oversaturation of TM3

在圖4和圖5中，自上而下分別是AGC的輸入、輸出、增益和過飽和現(xiàn)象的判斷。圖4選用4段LTE TM2信號(hào)共14337×4=57348個(gè)采樣作為AGC的輸入信號(hào)。其中，第一段是衰減了20dB的信號(hào)，第二段是未衰減的參考信號(hào)，第三段是衰減了30dB的信號(hào)，第四段是衰減了10dB的信號(hào)，縱坐標(biāo)的范圍是［-2500，2500］。AGC的輸出信號(hào)縱坐標(biāo)的范圍是［-32767，32767］，增益縱坐標(biāo)的范圍是［0，1500］，最下面的圖監(jiān)控整個(gè)模擬過程是否產(chǎn)生了過飽和現(xiàn)象，0表示未產(chǎn)生，1表示在當(dāng)前時(shí)刻產(chǎn)生。圖4的結(jié)果表明，本方法能夠使AGC的輸出信號(hào)在理想范圍內(nèi)足夠大。雖然在圖4上看，輸出信號(hào)還有繼續(xù)增大的空間，可通過提高dcdp（或p）的值實(shí)現(xiàn)，但是結(jié)合TM3信號(hào)的情況即圖5來看，更大的dcdp（或p）值將導(dǎo)致TM3信號(hào)輸出過飽和。因此，這里表明本模型參數(shù)的取值是權(quán)衡了TM2和TM3兩種信號(hào)的情況。

圖4的第三行表明，本AGC輸出的增益是階躍性變化，與傳統(tǒng)的AGC的逐步變化相比延遲更小，同時(shí)表明了本AGC可迅速判斷輸入信號(hào)功率發(fā)生變化的時(shí)刻，并對(duì)穩(wěn)定功率的信號(hào)給出恒定的增益，因而信號(hào)的峰均比不變。結(jié)合圖4第二行各階段的信號(hào)輸出值可見，本AGC對(duì)增益的計(jì)算是準(zhǔn)確的。在圖4的第四行中，產(chǎn)生了極小的一段過飽和現(xiàn)象，這是由AGC固有的延遲產(chǎn)生的，本方法中雖然可通過減小dcdp（或m）實(shí)現(xiàn)消除這段過飽和，然而減小dcdp（或m）將導(dǎo)致整個(gè)第三段信號(hào)的增益降低，總體上看性能的損失更大。因?yàn)榧词贡ＷC了過飽和時(shí)刻的輸出值回到了數(shù)字ADC能表示的范圍內(nèi)，該值仍無法表示實(shí)際輸出信號(hào)的情況，并導(dǎo)致其后的信號(hào)對(duì)ADC位數(shù)占用率降低。

圖5與圖4的不同之處在于，圖5使用的是TM3信號(hào)作為輸入（后兩段衰減方式是相同的），并且圖5第一行的縱坐標(biāo)范圍是［-6500，6500］，圖5第二行的縱坐標(biāo)范圍是［0，550］，除此之外與TM2均相同。圖4和圖5共同證明了本方法能夠同時(shí)適用于LTE的TM2和TM3信號(hào)。此外，圖4所指出的本方法對(duì)輸入信號(hào)為TM2時(shí)的性能優(yōu)勢(shì)在輸入信號(hào)為TM3的圖5中依然存在。

4 結(jié)論

針對(duì)某LTE數(shù)字通信系統(tǒng)核心算法的輸入需求，本文提出了一個(gè)新型的數(shù)字自動(dòng)增益控制算法。在Simulink環(huán)境下的仿真結(jié)果表明，本AGC能夠同時(shí)適用于TM2和TM3信號(hào)，能夠在充分利用ADC量化位數(shù)的同時(shí)避免過飽和現(xiàn)象，能夠準(zhǔn)確判斷輸入信號(hào)功率變化狀態(tài)并迅速做出調(diào)整，從而對(duì)穩(wěn)定功率的輸入信號(hào)給出恒定的增益，從各方面滿足了核心算法的需求。

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Design of a Novel Automatic Gain Control Method for Digital Communication System

CHEN Jia?xu，GUAN En?yi，LI Wen，WANG Jie，YAO Yi?dong
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

A novel automatic gain control（AGC）method is designed．Aiming at satisfying the requirement of some certain digital communication system，the digitalizing bits of ADC can be fully utilized with the designed AGC，and it is a?ble to handle with several transmission modes of LTE（such as TM2 and TM3）signal．It is shown from simulation results that by utilizing the proposed AGC，LTE TM2 and TM3 signal can be well handled，the digitalizing bits of ADC can get fully utilized while avoiding the oversaturation phenomenon，the power status of input signal can be estimated accurately and the gain can be adjusted rapidly，by this means，for input signal with stable power，constant gain can be generated by the proposed AGC．

automatic gain control（AGC）；digital communication system；transmission modes

V19

A

1674?5558（2016）01?01217

10．3969／j．issn．1674?5558．2016．06．010

2015?12?22

陳家旭，男，工程師，博士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信、移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信算法設(shè)計(jì)。