阅读说明：本技术 一种全数字自动增益控制方法及系统 (Full-digital automatic gain control method and system ) 是由 王亚萍 梁广 顾馨月 赵璐璐 郭晓露 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：一种全数字自动增益控制系统,通过相控阵参考信号选择及幅度调整模块,从相控阵N个阵元的数字中频信号中选择一路作为后端AGC闭环控制模块的参考输入信号,AGC闭环控制模块以该信号为基准,结合后端幅值修正模块的修正参数,完成闭环输出信号的幅度修正,并进行幅度比较、环路滤波和反馈控制,将幅度控制参数给相控阵参考信号选择及幅度调整模块完成所有信号的幅度调整,使最终幅度控制在预定的稳定电平上。(A full-digital automatic gain control system selects one path from digital intermediate frequency signals of N array elements of a phased array as a reference input signal of a rear-end AGC closed-loop control module through a phased array reference signal selection and amplitude adjustment module, the AGC closed-loop control module finishes amplitude correction of a closed-loop output signal by taking the signal as a reference and combining correction parameters of a rear-end amplitude correction module, amplitude comparison, loop filtering and feedback control are carried out, amplitude control parameters are given to the phased array reference signal selection and amplitude adjustment module to finish amplitude adjustment of all signals, and final amplitude is controlled on a preset stable level.)

一种全数字自动增益控制方法及系统

技术领域

本发明属于卫星无线通信技术领域，特别涉及一种应用于扩频卫星通信系统中的全数字自动增益控制方法及系统。

背景技术

在低轨卫星通信中，由于终端类型不同、路径损耗变化、强干扰、接收机热噪声等影响，从终端发射的信号到达接收机入口后，电平变化较大，这就要求接收机具有对大动态变化电平信号的适应能力。自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)作为一种有效的改善模数转换器ADC动态范围的技术，通常是在射频端模拟控制或在ADC前端数字控制，前者是以提取接收机收到的模拟信号作为控制参数，后者则是以提取ADC后端的数字信号作为控制参数而工作。然而，在一些应用场景中，如以相控阵天线作为信号收发的接收机，模拟AGC控制模块会带来相位延时不一致，影响数字波束形成算法的正常工作，因此，只能采取在ADC后做全数字AGC控制信号电平的方法来改善ADC动态范围。

专利CN 1852406A提出了一种适用于数字电视地面广播接收机的数字自动电平增益的控制方法。该方法应用与信号电平大于噪声的场景，模型固定，一旦在有用信号低于噪声以及电平动态范围很大的扩频通信系统中，该模型不能准确调节地输出信号电平。文献“一种用于补偿抗干扰信噪比损失的全数字AGC”提出的方法可以应用在扩频系统中，但其模型为线性数字AGC，线性AGC的响应时间与输入信号幅值成反比关系，当输入小信号时，环路收敛速率会变慢。

发明内容

为解决射频前端无模拟自动增益控制AGC，信号电平变化范围从中强电平到低于接收机底噪电平的大动态信号环路收敛速率慢的问题，本发明一方面提供了一种全数字自动增益控制系统。

一种全数字自动增益控制系统，包括：相控阵参考信号选择及幅度调整模块、AGC闭环控制模块、实时幅值修正模块。

所述相控阵参考信号选择及幅度调整模块用于从多个相控阵阵元中选择一个有效阵元作为后端AGC闭环控制的计算基准，同时根据AGC闭环控制输出的幅值增益，完成所有相控阵输入信号的等倍率幅度增益控制。

所述AGC闭环控制模块用于实时幅值估计、幅值比较、低通滤波等，以控制AGC输出信号的稳定。

实时幅值修正模块用于对进入环路反馈控制计算的闭环输出信号进行实时修正，等价于根据当前信号幅度水平适度调整环路参数，以适应突发信号的大动态电平变化，同时又保持快速的收敛时间。

另一方面，本发明提供了一种全数字自动增益控制方法，可以应用于信号远低于噪声的扩频通信系统，能适应大动态的信号变化，能根据信号波动范围灵活调整参数，快速收敛，包括：

参考信号选择，所述相控阵参考信号选择及幅度调整模块根据策略，从模数转换器所采集的N路相控阵阵元的数字中频信号中选择一路输出，作为所述AGC闭环控制模块的参考输入信号；所述N为自然数；

闭环控制，所述AGC闭环控制模块将所述参考输入信号，经过所述实时幅值修正模块计算获取修正因子，对闭环输出信号的幅值估计进行修正后，与目标幅度比较，然后进行环路滤波，最终得到幅度控制参数；以及

幅度调整，所述相控阵参考信号选择及幅度调整模块，将所述幅度控制参数分别与每一路信号相乘，进行幅度调整，以将幅度控制在预定的稳定电平上。

在本发明提供的一个实施例中，所述参考信号选择是根据遥控指令进行。

在本发明提供的另一个实施例中，所述参考信号选择是根据相控阵校正计算数据进行判断，包括：

通过数模转换发送，将一个单音信号内部耦合到各路射频通道上；以及

选取所述模数转换器所采集的信号中幅值最大的一路。

进一步地，所述相控阵参考信号选择及幅度调整模块将每次选择的信号路数记录到非易失存储器中，如果没有接收到新的指令或者没有执行校正功能，则下一次信号选择与前一次一致。

进一步地，所述闭环控制是指通过常规的数字AGC环路，采用指数、对数的方式增加小信号的适应性，包括：

对实时调整后的闭环输出信号进行幅值估计；

将所述幅值估计得到的数值乘以修正因子C，然后进行对数计算；

将计算结果与ln(R)，取差值，得到功率误差信号diff，其中R为目标幅值；

将所述功率误差信号diff进行一阶环路滤波，得到A(n)；

对所述A(n)取指数，得到新的幅值增益exp(A(n))。

进一步地，所述实时幅值修正是指对输入的信号幅值进行分级处理，对于不同的功率估计状态，计算不同的修正因子，包括：

对参考信号幅值估计的结果进行滤波处理；

根据所述滤波后的结果，通过分级表，判断输入信号的功率等级；

根据功率等级在修正因子表中查询修正因子参数；

计算获得修正因子C。

进一步地，分级表和修正因子表是将AGC系统切换为参数获取模式，以信号源作为AGC系统输入，通过标准信号和接收硬件的实时计算标定而生成的，包括：

配置射频模拟前端支持的信号电平范围[Amin Amax],从最大电平Amax开始，以6dB为步进循环完成；

设置初始参数ct值；

对信号进行幅值估计并滤波；

与标称功率进行比对，计算差值D；

计算闭环输出电平与预期输出电平差；

并判定差值是否在容忍范围内，若在范围内，则说明参数与信号电平匹配，记录本次电平值和参数值，并降低电平6dB从头开始循环计算，若不在范围内，则根据公式计算出新的修正参数，重新计算，同时确定一个参数分级电平值，将上次循环记录的电平值和参数值记录到分级表中和修正因子参数表中；

如此循环直到遍历所有电平范围。

根据本发明提供的一种全数字AGC控制方法，解决了卫星相控阵通信射频端无模拟AGC状态下数字DBF输入信号电平动态范围过大，不利于信号处理和节约资源的问题，以及后端接收机处理突发信号对AGC收敛速度要求高的问题。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的全数字自动增益控制系统的结构功能示意图；

图2示出根据本发明的一个实施例的实时幅值修正流程示意图；以及

图3示出根据本发明的一个实施例的分级表与修正因子表生成的流程示意图。

具体实施方式

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

一种全数字自动增益控制系统，包括相控阵参考信号选择及幅度调整模块、AGC闭环控制模块、实时幅值修正模块，如图1所示，所述相控阵参考信号选择及幅度调整模块从输入的多个相控阵阵元中选择一个有效阵元作为后端AGC闭环控制模块的参考信号，所述AGC闭环控制模块对所述闭环输出信号进行实时幅值估计，并结合所述实时幅值修正模块输出的修正因子，进行幅值修正，将修正后的幅值与目标幅值进行比较，最终经过低通滤波，得到幅值增益，所述相控阵参考信号选择及幅度调整模块根据所述幅值增益调整信号，以控制AGC输出信号的稳定。

接下来，结合图1，具体描述本发明提供的一种全数字自动增益控制方法，包括：

生成分级表及修正因子表。如图3所示，将系统切换至参数获取模式，以信号源作为参考信号，通过标准信号和接收设备的实时自动计算标定，获取分级表和修正因子表，包括：

设置信号源信号电平为A_max，设置初始修正参数ct的值；

对信号进行功率估计，得到功率估计值amp_s，并与标称功率amp_R进行比对，得到差值D；

对信号进行闭环控制，得到闭环输出电平A_out，将其与预期输出电平R进行比对，得到电平差erro；

判断所述电平差erro是否在容忍范围内：

若erro＜0.5bit，则将本次电平值amp_s和参数值ct记录下来，并将信号源信号电平降低6dB，重复上述步骤，直至信号源信号电平降为A_min；

若erro≥0.5bit，则确定一个参数分级电平值，将上次循环记录的电平值amp_s和参数值ct分别记录到分级表中和修正因子参数表中；同时根据如下公式计算出新的修正参数：

K＝abs(A_out-R)/A_out*abs(D)/amp_s；

ct＝-4.8027*k^2+13.239*k+0.04；

设置修正因子参数ct后重新计算。

参考信号选择。经由DA发送，将一个单音信号内部耦合到各路射频通道上，然后对各路ADC采集的信号作幅值判断，选取最大幅值的一路X_k(n)，作为参考信号，将选择的路数记录到非易失存储器中；

实时幅值修正。如图2所示，对所述选择的参考信号X_k(n)进行幅值估计，然后对估计结果进行N1阶均值滤波以及N2阶均值滤波，接下来，根据所得的功率结果，通过分级表，判断输入信号所在的功率等级，然后，根据功率等级在修正因子参数表中查询修正因子参数ct，在对数查找表中查询得到对数LUT，最后计算获得修正因子C＝1+LUT；

AGC闭环控制。将闭环输出信号的幅值估计结果与修正因子C相乘，然后进行对数计算，将所述结果与ln(R)取差值，得到功率误差信号diff，其中，R为目标幅值。将所述功率误差信号diff进行一阶环路滤波，得到A(n),对A(n)取指数，得到幅值增益exp(A(n))；

幅度调整。将各路输入信号与幅值增益exp(A(n))相乘，完成首次幅度调整；

如果没有接收到新的指令或者没有执行校正功能，则直接选取上一次的路数X_k(n)，将其作为新一轮幅值调整的参考输入，重复实时幅值修正、AGC闭环控制及幅度调整步骤，以保证幅度始终保持在在预定的输出位宽上。

在本发明的另一个实施例中，参考新信号X_k(n)通过遥控指令直接选择。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。