數字通信系統中新型自動增益控制方法設計

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）

數字通信系統中新型自動增益控制方法設計

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）

設計了一個新型的自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）方法。針對某數字通信系統的需求，所設計的AGC可以充分利用ADC量化位數，并能夠處理LTE多種傳輸模式（TM2和TM3）信號。仿真結果表明，本AGC能夠同時適用于TM2和TM3信號，能夠在充分利用ADC量化位數的同時避免過飽和現象，能夠準確判斷輸入信號功率變化狀態并迅速調整，從而對穩定功率的輸入信號給出恒定的增益。

自動增益控制；數字通信系統；傳輸模式

0 引言

在某數字通信系統中，由于設備距離、設備數量、設備本身信號質量等一系列原因，系統接收到的信號功率變化范圍很大。當信號輸入系統轉換為數字信號，即經過ADC之后，功率小的信號所占用的數字量化位數很低。然而，該數字通信系統中使用了李仝昀等發明的壓縮算法［1］，壓縮算法需要充分利用ADC的量化位數來提高動態范圍，即要求壓縮算法的輸入信號在ADC位數的二進制數的表示范圍內且足夠大。因此，系統在ADC模塊與算法模塊之間需要一個新型的自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）單元完成該功能。此外，壓縮算法具有根據AGC輸出的信號和增益來還原出輸入信號的需求，因此要求該AGC應保證控制前后信號的峰均比不變。總之，該AGC需要能夠使輸出信號足夠大且避免輸出信號超出ADC位數的二進制數的表示范圍即過飽和現象，并且保持輸入信號的峰均比不變。同時，該新型通信系統為LTE系統，因此需要該AGC能夠處理LTE，主要是TM2和TM3信號。

由于該新型通信系統的需求有別于傳統意義上的自動增益控制，因此現有的AGC控制方法不能滿足該新型通信系統的需求。傳統的AGC［2?4］是一個反饋系統，輸出信號經過一個平均濾波器得到平均功率；將輸出信號的平均功率與AGC的目標功率進行比較，得到誤差信號；再根據當前增益值與誤差信號對下一時刻的增益值進行調整，最終使輸出功率逐漸收斂至目標功率。傳統AGC控制方法會出現輸出信號功率大于目標功率的現象，使用在本系統中會出現過飽和，輸出信號將產生失真；傳統AGC控制方法將輸出功率向目標功率調整，使得輸出信號功率經常處于發生變化的狀態，不能保持信號的峰均比；而TM2和TM3信號在特性上存在顯著差異，就我們所知，目前尚無AGC可以同時滿足這三種需求。

本文針對這些需求，設計了一種新型AGC方法，并通過仿真驗證了本AGC能夠同時適用于TM2和TM3信號，能夠在充分利用ADC量化位數的同時避免過飽和現象，能夠準確判斷輸入信號功率變化狀態并迅速做出調整，從而對穩定功率的輸入信號給出恒定的增益。

1 系統需求分析

該新型通信系統主要處理LTE信號。LTE信號有9種傳輸模式TM1～TM9［5］。其中，與該系統相關的部分為對TM2和TM3信號的控制。

如引言所述，系統對AGC的需求如下：

1）在不發生過飽和現象的前提下盡量充分利用ADC的量化位數；

2）保持信號的峰均比不變；

3）同時適用于TM2和TM3信號。

從系統的觀點看，進行自動增益控制的目的是為了充分利用ADC的量化位數，因此需要AGC的輸出無過飽和現象。對于k位的ADC，應確保經過AGC的輸出信號的絕對值不超過2k-1-1。過飽和的輸出將導致信號失真，不能被壓縮算法還原為輸入信號。同時，為了定量地描述“充分利用”，對ADC的量化位數設置了余量參數i，即要求經過AGC的輸出信號的絕對值不小于2k-i-1-1。

這就要求AGC能夠僅憑輸入信號生成符合輸出要求的增益，因此啟發本AGC采用前饋式設計。同時，為了能夠估算出輸入信號的功率，需要不同模式下的LTE信號作為參考。當輸入信號為參考信號時，能夠推導出適合于當前輸入的增益值，而真正輸入信號的增益值可由參考信號增益值的相對值得出。因此，基于需求1），本AGC應采用基于參考信號的前饋式設計。

壓縮算法有對信號在AGC前后峰均比保持不變的需求，換言之，對于穩定功率的信號，AGC應輸出恒定的增益。這種需求反過來可以降低系統的EVM［6］，有助于提升系統性能。具體地說，這要求本AGC能夠準確判斷輸入信號功率變化的時刻，并迅速做出調整，同時對于恒定功率的輸入給出恒定的增益。基于此，需要AGC在設計時：1）能夠準確判斷輸入信號功率是處于穩定狀態還是發生了變化；2）對于處于變化狀態的功率，給出變化之后應具有的增益；3）迅速調整增益，應為階躍式調整而非逐步調整。

LTE系統要求AGC可控制TM2與TM3信號，這要求AGC模型參數在取值的時候要在兩種情況中做出權衡，以便能同時滿足TM2與TM3兩種傳輸模式。第2節將根據本節針對系統需求所做的分析給出具體的AGC設計方案。

2 AGC設計

基于第1節的分析，本AGC應：1）能夠估算輸入信號的功率；2）具有判斷輸入信號功率是穩定還是變化的方法；3）準確計算出當前功率下應具有的增益，以便在應改變增益的時候迅速給出值。在參數設置時應基于參考信號給出，同時權衡TM2與TM3兩種情況。

在實際系統中，AGC的輸入信號是ADC的輸出信號，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系，可以使用電平的穩定與變化情況代表功率的相應情況。輸入信號經過滑動平均濾波器（Moving Average Filter，MAF）［7］模塊可以得到一段時間內的均值，用以估算當前信號的平均功率。使用均方根（Root Mean Square，RMS）［8］測量平均值。即：

其中，RMSTD是動態均方根值，t代表當前時刻，x（t）代表輸入信號，TD代表一段時間的長度。在輸入信號功率穩定的情況下，RMSTD也表現出穩定。然而實際情況中，因對LTE終端設備（如4G手機）的遮擋或距離改變，很容易對設備接入系統的信號造成20dB或30dB以上的衰減。因此，在衰減的時刻，接入系統的信號的功率值會產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，會影響到該時刻RMSTD的值，表現為RMSTD的值與上一時刻差距較大。設置2個參數upper和lower來檢測這種變化，使得RMSTD與的比值大于upper時，認為當前信號正處于功率增大狀態；RMSTD與的比值小于lower時，認為當前信號正處于功率衰減狀態；而RMSTD與的比值介于upper和lower兩者之間時，認為當前信號是功率穩定狀態。顯然，對于功率變化狀態，應給出適用于當前輸入信號的增益，設計增益的估算方法。

為使當前信號經過增益后的值能夠充分利用量化位數，同時避免過飽和現象，設ADC的位數為k，當前信號的峰值為peak，則有：peak×gaincal＜2k-1-1。其中，gaincal為增益的估算值。

為表達充分利用量化位數，預留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保持信號峰均比不變，因此可通過RMSTD與參考信號的峰均比PAR估算出當前信號峰值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為需動態獲取的量。因此，定義dcdp為增益決定因子，dcdp=gaincal×RMSTD，且應滿足：

考慮到以RMSTD代替LTE信號均值的誤差，為避免過飽和現象，gaincal應取所在范圍內的最小值，相應地dcdp也應取所在范圍內的最小值，并且：

于是，判斷出當前輸入信號處于功率變化狀態時，以gaincal代替當前系統的增益值；判斷出當前輸入信號處于功率穩定狀態時，繼續保持當前系統的增益值不變。

然而，直接使用式（4）估算當前時刻的增益值會產生誤差。當輸入信號功率從小變大，輸入信號的RMSTD也將從小變大，但是與輸入信號相比表現出一定（TD）的延遲。因此在判斷出輸入信號發生變化（從小變大）的時刻時，計算gaincal所采用的RMSTD尚未達到信號功率變化后穩定的RMS值，計算所得的gaincal大于當前系統最佳增益值，應適度降低其值，即對計算結果做反向補償。同理，當輸入信號從大變小時，應對計算結果做正向補償。

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

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

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

表1　AGC參數及含義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個模塊組成。RMS模塊是一個滑動平均濾波器，將輸入信號轉化為TD內信號的平均值，以便于之后的定量控制；功率判斷模塊則根據RMS模塊的輸出來判斷是否要調整當前增益（當前處于輸入信號功率變化沿）還是繼續保持之前增益不變（當前是穩定功率的輸入信號）。功率判斷模塊除了判斷出當前是否應該調整增益之外，還給出增益補償信號，幫助后面的增益計算模塊輸出適合于當前信號的增益。

3 仿真結果

本節對所設計的AGC在Simulink環境下分別對LTE的TM2和TM3信號進行了仿真。將所采用14337個采樣的TM2和TM3信號視為參考信號，分別如圖2和圖3所示。仿真中對TM2和TM3信號所做的衰減都是在圖2和圖3的參考信號基礎上進行。經分析，圖2的TM2信號的PAR為4．8dB，圖3中TM3信號的PAR為5．76dB。以這2個參考信號為基礎調整AGC的參數取值，具體如表2所示。

表2　AGC參數取值Table 2 AGC parameter values

圖2　參考信號TM2Fig.2 Reference signal of TM2

圖3　參考信號TM3Fig.3 Reference signal of TM3

在上述參數設置下，將LTE的TM2與TM3參考信號分段做不同的衰減作為輸入進行仿真，以參考信號為基準，分別對其衰減10dB、20dB和30dB，連同參考信號共生成4段信號。值得注意的是，由于本文中所有描繪LTE信號的圖都是信號電平值的量化，因此所做衰減均是相對信號電平值而言。對未衰減、衰減10dB、衰減20dB和衰減30dB四種衰減方式進行任意組合，可生成24種輸入，對這24種輸入數據全部進行仿真，可得到相同的結論，為便于描述，隨機選取了2種分別作為TM2和TM3的輸入，仿真結果分別如圖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、增益和過飽和現象的判斷。圖4選用4段LTE TM2信號共14337×4=57348個采樣作為AGC的輸入信號。其中，第一段是衰減了20dB的信號，第二段是未衰減的參考信號，第三段是衰減了30dB的信號，第四段是衰減了10dB的信號，縱坐標的范圍是［-2500，2500］。AGC的輸出信號縱坐標的范圍是［-32767，32767］，增益縱坐標的范圍是［0，1500］，最下面的圖監控整個模擬過程是否產生了過飽和現象，0表示未產生，1表示在當前時刻產生。圖4的結果表明，本方法能夠使AGC的輸出信號在理想范圍內足夠大。雖然在圖4上看，輸出信號還有繼續增大的空間，可通過提高dcdp（或p）的值實現，但是結合TM3信號的情況即圖5來看，更大的dcdp（或p）值將導致TM3信號輸出過飽和。因此，這里表明本模型參數的取值是權衡了TM2和TM3兩種信號的情況。

圖4的第三行表明，本AGC輸出的增益是階躍性變化，與傳統的AGC的逐步變化相比延遲更小，同時表明了本AGC可迅速判斷輸入信號功率發生變化的時刻，并對穩定功率的信號給出恒定的增益，因而信號的峰均比不變。結合圖4第二行各階段的信號輸出值可見，本AGC對增益的計算是準確的。在圖4的第四行中，產生了極小的一段過飽和現象，這是由AGC固有的延遲產生的，本方法中雖然可通過減小dcdp（或m）實現消除這段過飽和，然而減小dcdp（或m）將導致整個第三段信號的增益降低，總體上看性能的損失更大。因為即使保證了過飽和時刻的輸出值回到了數字ADC能表示的范圍內，該值仍無法表示實際輸出信號的情況，并導致其后的信號對ADC位數占用率降低。

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第一行的縱坐標范圍是［-6500，6500］，圖5第二行的縱坐標范圍是［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適用于LTE的TM2和TM3信號。此外，圖4所指出的本方法對輸入信號為TM2時的性能優勢在輸入信號為TM3的圖5中依然存在。

4 結論

針對某LTE數字通信系統核心算法的輸入需求，本文提出了一個新型的數字自動增益控制算法。在Simulink環境下的仿真結果表明，本AGC能夠同時適用于TM2和TM3信號，能夠在充分利用ADC量化位數的同時避免過飽和現象，能夠準確判斷輸入信號功率變化狀態并迅速做出調整，從而對穩定功率的輸入信號給出恒定的增益，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，研究方向為網絡通信、移動無線網絡和數字通信算法設計。