CN109936869A

CN109936869A - 一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制方法及装置

Info

Publication number: CN109936869A
Application number: CN201910065734.0A
Authority: CN
Inventors: 李薿
Original assignee: Sichuan Andi Technology Industrial Co Ltd
Current assignee: Sichuan Andi Technology Industrial Co Ltd
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: CN109936869B

Abstract

一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制方法及装置，方法包括：启动AGC增益调整功能，获取信号启动时的初始功率，计算初始功率偏差，处理初始输出样本，当k>L时，计算k时刻的信号等效迭代平均功率，根据功率偏差选择步长，计算功率调整系数，获得电压增益系数。装置包括，AGC突发检测器、AGC估计器，AGC估计器结构包括能量检测器、误差检测器、步长寻址器、电压转换器。本发明提出一种离线开环模型并将其在线化，该模型收敛速度快，输出精度高，稳定性好，易于工程化，与理想AGC模型的对比误差可根据环境进行调节。

Description

一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制方法及装置

技术领域

本发明涉及数字信号处理技术，尤其涉及功率控制，具体与一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制方法及装置有关。

背景技术

在数字接收机接收信号前，因为各种因素导致接收信号功率波动范围较大。为了保证接收机系统后续模块能够正常工作，需要在接收机前端加入自动增益控制(AutomaticGain Control：AGC)功能来解决接收信号的大范围起伏。对于突发通信来说，在线闭环AGC控制器收敛速度慢、时延大，而且还会有自激震荡等问题。

全数字突发AGC控制模块的基本结构如图1所示。突发通信模式的数字AGC由突发信号检测模块、增益估计模块和控制模块组成。设k时刻样本X_i(k)的能量为E_i(k)，则输入信号的平均功率为：

设参考电压为u_c，控制电压与功率之间的关系为P＝g(u)，其中P为信号的功率，函数g具有单调性。AGC系统的期望参考功率为P_r＝g(u_c)，增益调整模块中增益系数计算与存储资源的开销较大。

发明内容

为了解决背景技术中提到的问题，本发明提供了一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制方法及装置，收敛快，规避了闭环算法的缺点，输出精度高、稳定性好，计算复杂度低。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、初始化功率调整系数D_L＝1和参考信号功率P_r；

S2、当输入L个样本时，计算该k＝L时刻突发信号的前L个输入样本的平均功率启动AGC增益控制模式；

S3、当k＞L时，计算该k时刻突发信号的前L个输入样本的能量和以及该k时刻突发信号的第k个样本的能量E_i(k)与第k-L个样本的能量E_i(k-L)；

S4、计算k时刻前L个输入样本的平均功率以及样本能量差ΔE_i(k)＝E_i(k)-E_i(k-L)；

S5、根据k-1时刻的前L个输入样本的平均功率样本能量差ΔE_i(k)及k-1时刻的功率调整系数D_k-1计算k时刻的信号等效迭代平均功率

S6、根据k时刻的信号等效迭代平均功率和参考信号功率P_r计算k时刻的功率偏差e_k：

S7、根据k时刻的功率偏差e_k选择第k次功率步长μ_k；

S8、根据第k次功率步长μ_k和k-1时刻的功率调整系数D_k-1计算k时刻的功率调整系数D_k：

D_k＝μ_kD_k-1

S9、根据k时刻的功率调整系数D_k计算k时刻的电压增益系数

S10、根据k时刻的电压增益系数调整电压；

输出样本为

输出功率

S11、若k≤信号总长度L_b，返回S3进行循环处理；否则停止。

在信号输入前，增加一定长度的保护前缀tpr，T_AGC为模型收敛时间，T为信号采样周期。

本发明提供的一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制装置，其特征在于，包括突发信号检测器和增益估计与控制器，增益估计与控制器包括能量检测器、误差检测器、步长映射器、增益估计器、电压转换器。

突发信号检测器，用于检测信号的到达、计算k-1时刻前L个输入样本的平均功率以及第k个样本的能量E_i(k)与第k-L个样本的能量E_i(k-L)。

能量检测器，用于根据第k个样本的能量E_i(k)与第k-L个样本的能量E_i(k-L)计算样本能量差ΔE_i(k)。

误差检测器，用于根据k-1时刻的前L个样本的平均功率样本能量差ΔE_i(k)及k-1时刻的功率调整系数D_k-1计算k时刻的信号等效迭代平均功率并根据k时刻的信号等效迭代平均功率和参考信号功率P_r获取k时刻的功率偏差e_k。

步长映射器，用于根据k时刻的功率偏差e_k选择第k次功率步长μ_k。

增益估计器，根据第k次功率步长μ_k和k-1时刻的功率调整系数D_k-1计算k时刻的功率调整系数D_k。

电压转换器，用于根据k时刻的功率调整系数D_k计算k时刻的电压增益系数并根据k时刻的电压增益系数调整电压。

突发信号检测器与能量检测器、误差检测器分别连接，能量检测器与误差检测器连接，误差检测器与步长映射器连接，步长映射器与增益估计器连接，增益估计器与电压转换器连接。

本发明的有益效果是：

提出一种离线开环模型并将其在线化，该模型收敛速度快，输出精度高，稳定性好，易于工程化，与理想AGC模型的对比误差可根据环境进行调节。

附图说明

图1是突发AGC控制模块的基本结构。

图2是本发明所述的用于突发通信的全数字开环自动增益控制装置的结构图。

图3是本发明的一个具体实施例的输出功率曲线图。

图4是本发明的增益控制结果与理想AGC的增益控制结果的MSE随EsN0的变化曲线图。

具体实施方式

如图2所示是本发明提供一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制装置，包括突发信号检测器和增益估计与控制器，增益估计与控制器包括能量检测器、误差检测器、步长映射器、增益估计器、电压转换器。

突发信号检测器，用于检测信号的到达、计算k-1时刻前L个输入样本的平均功率以及第k个样本的能量E_i(k)与第k-L个样本的能量E_i(k-L)；

能量检测器，用于根据第k个样本的能量E_i(k)与第k-L个样本的能量E_i(k-L)计算样本能量差ΔE_i(k)；

误差检测器，用于根据k-1时刻的前L个样本的平均功率样本能量差ΔE_i(k)及k-1时刻的功率调整系数D_k-1计算k时刻的信号等效迭代平均功率并根据k时刻的信号等效迭代平均功率和参考信号功率P_r获取k时刻的功率偏差e_k；

步长映射器，用于根据k时刻的功率偏差e_k选择第k次功率步长μ_k；

增益估计器，根据第k次功率步长μ_k和k-1时刻的功率调整系数D_k-1计算k时刻的功率调整系数D_k；

其中：k时刻的信号等效迭代平均功率

其中：k时刻的功率偏差

其中：k时刻的功率调整系数D_k＝μ_kD_k-1。

其中：电压增益系数

其中：k-1时刻前L个输入样本的平均功率根据计算，其中，为k时刻突发信号的前L个输入样本的能量和，

本发明同时提供一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制方法，其设计思想如下：

通过能量检测模块得到k时刻的输入信号的平均功率P(k)，将其与参考信号功率P_r作比较：

通过比较电路得到误差e_k后，估计模块寻址输出功率调整系数D_k，调整输入信号X_i(k)以及能量累积E(k)，其中

变步长调整法对误差值划分范围，误差越小，对应步长设置越小；根据误差值的大小选择合适的调整步长，直至收敛系数逼近理论系数并稳定。

对于长度为L_b的离线突发信号处理，设模型收敛时间为T_AGC，信号采样周期为T，则有如下算法：

第一步，计算起始时刻的输入信号的平均功率。

设信号总能量为E(1)＝E(L_b)，信号功率为P(L_b),L_b为信号的总长度，起始调整系数D₁＝1，则该时刻的输出功率

P(1)＝D₁·P(L_b)

第二步，计算k时刻的功率偏差。当k≥2时，功率偏差为

e_k＝P(k-1)-P_r

其中，P(k-1)为上一个时刻的输出功率。

第三步，根据功率偏差选择步长，计算功率调整系数。

根据e_k选择k时刻的功率步长μ_k；

第k-1次的调整系数为D_k-1，第k次的调整系数为D_k，则有

D_k＝D_k-1·μ_k,E_k＝D_k·E(L_b)

第四步，根据调整系数对样本进行处理。

由于该时刻的迭代输入功率为P(k-1)，输出功率

P(k)＝μ_k·P(k-1)＝D_k·P(L_b)

输出样本

X_o(k)＝g^-1(D_k)·X_i(k)＝A(k)·X_i(k)其中，A(k)为电压增益系数，A(k)＝g^-1(D_k)。

第五步，判定输出是否收敛。

若则D_k＝D_k-1，此时有

P(k)≈P_r

输出样本

电压增益系数

若返回第二步。

离线突发信号处理有两个优点：

1、稳定性好；

2、收敛速度非常快，一般收敛长度小于20个样本。

对信号进行离线处理的结果收敛比目前已有在线处理算法收敛更快、更稳定，但在工程应用中局限性过大。

基于此，本发明提供的一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制方法的一种具体实施步骤如下：

第一步，初始化功率调整系数D_L＝1、参考信号功率P_r；

第二步，当输入L个样本时，计算该k＝L时刻突发信号的前L个输入样本的平均功率启动AGC增益控制模式；：

第三步，当k＞L时，计算该k时刻突发信号的前L个输入样本的能量和以及该k时刻突发信号的第k个样本的能量E_i(k)与第k-L个样本的能量E_i(k-L)；

第四步，计算k时刻前L个输入样本的平均功率以及样本能量差ΔE_i(k)＝E_i(k)-E_i(k-L)；

第五步，根据k-1时刻的前L个输入样本的平均功率样本能量差ΔE_i(k)及k-1时刻的功率调整系数D_k-1计算k时刻的信号等效迭代平均功率

第六步，根据k时刻的信号等效迭代平均功率和参考信号功率P_r计算k时刻的功率偏差e_k：

第七步，根据k时刻的功率偏差e_k选择第k次功率步长μ_k；

第八步，根据第k次功率步长μ_k和k-1时刻的功率调整系数D_k-1计算k时刻的功率调整系数D_k：

D_k＝μ_kD_k-1

第九步，根据k时刻的功率调整系数D_k计算k时刻的电压增益系数

第十步，根据k时刻的电压增益系数调整电压；

输出样本为

输出功率

第十一步，若k≤信号总长度L_b时，返回第三步进行循环处理；否则停止。

当算法收敛时，由于算法需要事先接收L个样本后经过一定时间收敛，为了保证信号特性不受影响，需要在算法收敛之前，输出的信号样本都不是有效数据，也就是在信号前加一定长度的保护前缀。保护前缀tpr设计要求为

如图3所示为本发明提供的一种快速收敛型全数字突发自动增益控制装置的一个具体实施例的输出功率曲线图。

其中，输入信号调制方式为8PSK，调制码率为2/3，信号长度为3304，参考电压为1V，参考功率P_r为1W，AGC启动门长L为120，信号检测使用突发信号双滑窗自适应门限盲检测。k≤880时，输入信号均为噪声；k＝881时，信号开始进入AGC模型，经过双滑窗盲检测，当k_o＝1039时检测判定成功，启动AGC增益调整功能，从第k_o-L＝919时刻，即信号的第39个样本点开始调整信号功率；当k_s＝1046时，输出稳定。算法收敛时间为L_AGC＝k_s-k_o＝7个样本点，算法总开销为L+L_AGC＝127个样本。

如图4所示，为是本发明的增益控制结果与理想AGC的增益控制结果的MSE随EsN0的变化曲线图。

当L长度较短时，本发明的AGC模型对噪声功率估计稳定性受SNR的影响，随着SNR的提高，误差也随之减小。具体应用时，可以适当调整L的长度来减少SNR对AGC处理器的影响。

应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、初始化功率调整系数D_L＝1和参考信号功率P_r；

S4、计算k时刻前L个输入样本的平均功率以及样本能量差

ΔE_i(k)＝E_i(k)-E_i(k-L)；

S7、根据k时刻的功率偏差e_k选择第k次功率步长μ_k；

D_k＝μ_kD_k-1；

S9、根据k时刻的功率调整系数D_k计算k时刻的电压增益系数

S10、根据k时刻的电压增益系数调整电压；

输出样本为

输出功率

S11、若k≤信号总长度L_b，返回S3进行循环处理；否则停止。

2.一种用于突发通信的全数字开环自动增益控制装置，其特征在于，包括突发信号检测器和增益估计与控制器，增益估计与控制器包括能量检测器、误差检测器、步长映射器、增益估计器、电压转换器，其中：

3.根据权利要求2所述的用于突发通信的全数字开环自动增益控制装置，其特征在于，突发信号检测器与能量检测器、误差检测器分别连接，能量检测器与误差检测器连接，误差检测器与步长映射器连接，步长映射器与增益估计器连接，增益估计器与电压转换器连接。