短程无线网络中接收数据的自动增益控制方法.pdf

本发明涉及一种短程无线网络中接收数据的自动增益控制方法，属于无线通信技术领域。首先接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，对信号依次进行下变频变换，放大和A/D转换，得到基带数字信号；将基带数字信号进行非线性幅度调整，得到经过调整后的系统增益系数G，继续接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，对信号进行下变频变换，得到基带接收信号，在对基带接收信号进行放大时乘以系统增益系数G，再进行A/D转换，得到增益调整后的基带数字信号。本发明的优点是：增益调整采用了指数非线性调整，调整的增益值的大小只与设定阈值的采样点个数有关，从而加快了增益调整的收敛速度；对噪声有很好的容忍性。

1、  一种短程无线接收机中的自动增益调整方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，对信号进行下变频变换，得到基带接收信号，对基带接收信号进行放大和A/D转换，得到基带数字信号；
(2)将上述基带数字信号进行非线性幅度调整，得到经过调整后的系统增益系数G，其过程如下：
a、设定基带数字信号幅度的高、中、低三个阈值，及其高、中、低三个阈值的允许个数，并设定一个允许系数；
b、统计上述基带数字接收信号中高于幅度高限阈值的个数、低于幅度低限阈值的个数和高于幅度中限阈值的个数；
c、对上述基带数字接收信号进行幅度判别，若高于幅度高限阈值的个数大于高限允许个数，则用第一种算法确定新的增益系数G，新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)，k(j)＝exp(alpha*mu)，其中mu为高于幅度高限阈值的个数，alpha为一常数，取值范围为-1＜alpha＜0；若高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数，且低于幅度低限阈值的个数大于低限允许个数，则用第二种算法确定新的增益系数G，新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)，k(j)＝exp(beta*nu)，其中nu为低于幅度低限阈值的个数，beta为一常数，取值范围为abs(alpha)＜beta＜1，其中abs(alpha)表示取alpha的绝对值；若高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数，且低于幅度低限阈值的个数小于或等于低限允许个数，且高于幅度中限阈值的个数小于中限允许个数，则用第三种算法确定新的增益系数G，新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)，k(j)＝exp(gama*pu)，其中pu为高于幅度中限阈值的个数，gama为一常数，取值范围为0＜gama＜beta；
(3)继续接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，对信号进行下变频变换，得到基带接收信号，在对基带接收信号进行放大时乘以系统增益系数G，再进行A/D转换，得到增益调整后的基带数字信号；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数、低于幅度低限阈值的个数小于或等于低限允许个数、高于幅度中限阈值的个数大于或等于中限允许个数，对前后两次增益系数G的差的绝对值进行判断，若连续两次该绝对值均小于给定值，增益系数G恒定，则循环终止。

短程无线网络中接收数据的自动增益控制方法
技术领域
本发明涉及一种短程无线网络中接收数据的自动增益控制方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
在短程无线网络中，接收到的信号强度是动态的和不稳定的，这是由于电磁信号在空中媒介衰减和各种干扰、噪声所造成的。对于在最佳工作状态工作的接收机，接收到的信号强度应是接近于恒定的。
对于符合IEEE802.15.4b标准的短程无线接收数据则更为重要。这种标准的发射信号是恒包络的。在信号的传输过程中，信号收到各种衰减和干扰，为了保持恒包络的特点，一个良好的自动增益控制是极为必要的。
特别重要的是为了实现简单和低廉的造价设计接收数据，系统没有均衡器设计，所有传输造成的信号强度变化均需由接收机自动增益控制在前序导频中的几个符号中进行调整平衡，因此，自动增益的控制必须是快速的和准确的。
尽管自动增益控制设计是一个非常普遍的设计，但对于基于IEEE802.15.4b标准的接收机而言，最具有挑战性的问题是在非常短的时间内(几个符号内)自动控制可以快速调节增益，将具有很大动态范围的信号的幅度调节到一个适当的水平。
发明内容
本发明的目的是提出一种短程无线接收机中自动增益控制方法，以解决在极短时间(小于3个符号周期)内将接收增益调整到稳定的数值，使得接收机的信号水平接近恒定。
本发明提出的短程无线接收机中的自动增益调整方法，包括以下步骤：
(1)接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，对信号进行下变频变换，得到基带接收信号，对基带接收信号进行放大和A/D转换，得到基带数字信号；
(2)将上述基带数字信号进行非线性幅度调整，得到经过调整后的系统增益系数G，其过程如下：
a、设定基带数字信号幅度的高、中、低三个阈值，及其高、中、低三个阈值的允许个数，并设定一个允许系数；
b、统计上述基带数字接收信号中高于幅度高限阈值的个数、低于幅度低限阈值的个数和高于幅度中限阈值的个数；
c、对上述基带数字接收信号进行幅度判别，若高于幅度高限阈值的个数大于高限允许个数，则用第一种算法确定新的增益系数G，新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)，k(j)＝exp(alpha*mu)，其中mu为高于幅度高限阈值的个数，alpha为一常数，取值范围为-1＜alpha＜0；若高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数，且低于幅度低限阈值的个数大于低限允许个数，则用第二种算法确定新的增益系数G，新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)，k(j)＝exp(beta*nu)，其中nu为低于幅度低限阈值的个数，beta为一常数，取值范围为abs(alpha)＜beta＜1，其中abs(alpha)表示取alpha的绝对值；若高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数，且低于幅度低限阈值的个数小于或等于低限允许个数，且高于幅度中限阈值的个数小于中限允许个数，则用第三种算法确定新的增益系数G，新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)，k(j)＝exp(gama*pu)，其中pu为高于幅度中限阈值的个数，gama为一常数，取值范围为0＜gama＜beta；
(3)继续接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，对信号进行下变频变换，得到基带接收信号，在对基带接收信号进行放大时乘以系统增益系数G，再进行A/D转换，得到增益调整后的基带数字信号；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数、低于幅度低限阈值的个数小于或等于低限允许个数、高于幅度中限阈值的个数大于或等于中限允许个数，对前后两次增益系数G的差的绝对值进行判断，若连续两次该绝对值均小于给定值，增益系数G恒定，则循环终止。
本发明提出地短程无线网络中接收数据的自动增益控制方法，其优点是：
1、本发明的增益调整采用了指数非线性调整：k(j)＝exp(beta*nu)；其中调整的增益值的大小只与高于高限阈值(或低于低限阈值、或高于中限阈值)的采样点个数和一个参数常量有关，从而加快了增益调整的收敛速度；
2、本发明的增益调整接收速度与基于国际标准IEEE802.15.4b短程无线接收机系统的设计要求相当，能够在3个符号周期内完成增益调整，其调整速度很快；
3、本发明的自动增益控制系统对噪声有很好的容忍性。测试结果表明，即使在极低信噪比时，该系统也可以很好的工作。
附图说明
图1是本发明方法的流程框图。
图2是本发明方法中自动增益控制中增益系数G的调整框图。
具体实施方式
本发明提出的短程无线接收机中的自动增益调整方法，其流程框图如图1所示，首先，接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，对信号进行下变频变换，得到基带接收信号，对基带接收信号进行放大和A/D转换，得到基带数字信号。将基带数字信号进行非线性幅度调整，得到经过调整后的系统增益系数G，其过程如图2所示，设定基带数字信号幅度的高、中、低三个阈值，及其高、中、低三个阈值的允许个数，并设定一个允许系数；统计上述基带数字接收信号中高于幅度高限阈值的个数、低于幅度低限阈值的个数和高于幅度中限阈值的个数；对上述基带数字接收信号进行幅度判别，若高于幅度高限阈值的个数大于高限允许个数，则用第一种算法确定新的增益系数G，新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)，k(j)＝exp(alpha*mu)，其中mu为高于幅度高限阈值的个数，alpha为一常数，取值范围为-1＜alpha＜0。若高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数，且低于幅度低限阈值的个数大于低限允许个数，则用第二种算法确定新的增益系数G，新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)，k(j)＝exp(beta*nu)，其中nu为低于幅度低限阈值的个数，beta为一常数，取值范围为abs(alpha)＜beta＜1，其中abs(alpha)表示取alpha的绝对值。若高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数，且低于幅度低限阈值的个数小于或等于低限允许个数，且高于幅度中限阈值的个数小于中限允许个数，则用第三种算法确定新的增益系数G，新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)，k(j)＝exp(gama*pu)，其中pu为高于幅度中限阈值的个数，gama为常数，取值范围为0＜gama＜beta。继续接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，对信号进行下变频变换，得到基带接收信号，在对基带接收信号进行放大时乘以系统增益系数G，再进行A/D转换，得到增益调整后的基带数字信号。重复上述过程，直至高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数、低于幅度低限阈值的个数小于或等于低限允许个数、高于幅度中限阈值的个数大于或等于中限允许个数，对前后两次增益系数G的差的绝对值进行判断，若连续两次该绝对值均小于给定值，增益系数G恒定，则循环终止。
以下为本发明的一个应用实例，以说明本发明接收数据的自动增益控制方法具体过程：
第一步，接收机接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，并对该信号进行下变频变换，得到基带接收信号，对该信号进行放大和A/D转换，得到基带数字信号；
第二步，将上述基带数字信号进行非线性幅度调整，得到经过调整后的系统增益系数G，其过程如下：
1、设定基带数字信号幅度的高限阈值0.9v，低限阈值0.1v和中限阈值0.7v，及高限允许个数3、低限允许个数3，中限允许个数4，并给定一个允许系数10；
2、以每16个基带数字信号采样点为一组(包括8个I路信号和8个Q路信号)，统计高于幅度高限阈值的个数，低于幅度低限阈值的个数和高于幅度中限阈值的个数；
3、对这16个基带数字信号采样点按照如下算法进行幅度判别：
如果高于幅度高限阈值的个数大于高限允许个数，说明信号幅度过高，应将幅度进行大幅度的衰减，由函数
                k(j)＝exp(alpha*mu)                    (1)
确定新的增益值，这里的mu为高于幅度高限阈值的个数，设定alpha＝-0.1；
否则，如果高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数，且低于幅度低限阈值的个数大于低限允许个数，说明信号幅度衰减过大，应将幅度进行大幅度的提高，此时新的增益值由下面的函数来确定：
                k(j)＝exp(beta*nu)                     (2)
其中，nu为低于幅度低限阈值的个数，设定beta＝0.3；
否则，如果高于幅度高限阈值的个数小于或等于高限允许个数，且低于幅度低限阈值的个数小于或等于低限允许个数，且高于幅度中限阈值的个数小于中限允许个数，说明信号未满量程，应将幅度进行小幅度提高，此时当前增益值由下面的函数来确定：
                k(j)＝exp(gama*pu)                            (3)
其中，pu为高于幅度中限阈值的个数，设定gama＝0.02。
根据下式确定新的增益系数G：新的增益系数G＝旧的增益系数G×k(j)
继续接收短程无线网络中发送端的射频发送信号，对信号进行下变频变换，得到基带接收信号，在对基带接收信号进行放大时乘以新的增益系数G，再进行A/D转换，得到增益调整后的基带数字信号；
循环以上步骤二至三，直至某些基带数字信号幅度不满足第二步中3)所述的三个条件，此时再判断新的增益系数new_G与旧的增益系数old_G的差delta_G，即
                delta_G＝new_G-old_G若接下来连续的几个delta_G的绝对值小于给定的允许系数，则说明当前的增益new_G是适当的，循环可以终止，得到系统调整后的增益系数G＝new_G，此时，自动增益控制完成。此后接收到的信号经过放大和A/D转换，即可被调整成幅度在0v至1v之间恒定的信号。
仿真结果表明，该短程无线网络中接收数据的自动增益控制方法能够在很短(小于1.5个)符号周期内完成对信号的幅度调整，且调整后的信号幅度能够接近于满量程。