一种基于积分判定的低功耗蓝牙系统接收机自动增益控制方法与流程

本发明属于自动增益控制设计领域，具体涉及一种基于积分判定的低功耗蓝牙系统接收机自动增益控制方法，可应用于无线通信领域、高速DSP(数字信号处理器)领域等。

背景技术：

在无线通信系统中，随着传输距离的变化以及其他一些因素的影响，电波在空间传播过程中存在明显衰落，在接收机输入端的信号强度有很大的变化。因此在接收机前端必须加上一个幅度控制系统，即自动增益控制(Automatic Gain Control)环路，从而保证接收机在接收信号强弱十分悬殊的情况下，输出功率保持恒定，从而使后面的调制解调器和信号处理单元稳定地工作而不致饱和或电平不够。AGC环路有两种，分别为模拟AGC和数字AGC。前者多用于射频或中频，而后者更多地用于中频或基带。所以在低功耗蓝牙系统中，一般采用数字AGC，数字AGC相对于模拟AGC具有测量更准确、增益控制能力更强、使用更灵活等优点。

传统的自动增益控制很难做到实现速度快，资源消耗少，同时精度又高，因此不适合低功耗蓝牙系统中只有8个前导码的情况。因而设计一种既快速，精度又高，消耗资源又少的新型AGC是十分必要的。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于积分判定的低功耗蓝牙系统接收机自动增益控制方法，该方法具有计算低延迟、消耗资源少、抗干扰能力强、易实现、精度高等优点，适用于低功耗蓝牙系统中前导码比较短的情况，且过程简单，开发成本低。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明设计了一种基于积分判定的低功耗蓝牙系统接收机自动增益控制方法，该方法包括以下过程：接收机接收传输的信号并通过模数转换器ADC转换成数字信号；对接收转换后的信号按设定周期进行能量积分，当检测到信号的能量积分值增大时，就判定这段能量积分值增大的信号之后，即将接收到低功耗蓝牙系统数据包的前导码序列(10101010或01010101序列)；从数据包的前导码序列开始对信号进行能量计算；将计算出的能量值与理想值比较得出差值，进而通过差值补偿来调节可变增益放大器VGA(Variable Gain Amplifier)的增益值，实现低功耗蓝牙系统接收机的自动增益控制。

优选的，该方法包括以下过程模块：

(a)判定模块：在前导码序列被接收之前，接收机会先接收到一段载波，这段载波的绝对值比前导码序列的绝对值小；因此每隔N个时间单位对接收信号的能量进行一次积分，如果后一次的能量积分值U_k为前一次能量积分值U_k-1的factor倍，则判定t_k时刻后即将接收到低功耗蓝牙数据包的前导码序列，并延时delay_time来等待信号稳定，即t_k+delay_time时刻进入能量计算模块(b)；否则继续进行能量积分。

(b)能量计算模块：计算t_k+delay_time时刻之后每个时间单位的信号能量均值A_q，将计算出的能量均值A_q转化成dB(分贝)值B_q，并逐个传递给差值补偿模块(c)。

(c)差值补偿模块：根据模块(b)生成的dB值B_q进行可变增益放大器VGA参数的调节：如果生成的dB值B_q与理想值C相等，则产生VGA参数正确信号，进入误判模块(d)；否则通过公式(2)进行VGA参数值D_q即VGA增益值的调整，调整后产生配置使能信号，进入串行外设接口SPI配置模块，实现对VGA增益值的配置；公式(2)为

VGA参数值D_q＝VGA寄存器中参数值D_q-1+(理想值C-dB值B_q) (2)。

(d)误判模块：模块(a)所述的判定机制出现误判情况的概率很小，但还是难免会发生，比如有时会出现类似于信号到来的噪声。此时因为前端的判定系统误将VGA寄存器中的参数值调节成了理想的dB值，所以如果不及时对VGA寄存器中的参数值进行重配置，有效包到来后不一定能正确接收解调。

为了确认模块(a)所述的判定机制没有产生误判，根据低功耗蓝牙系统中8个前导码之后紧接着的是32位接入地址这一事实，检测在设定时间(即接收前导码与接入地址的时间)内接收到的32位接入地址信号是否有效，如果设定时间内接收到的32位接入地址信号有效，则认为没有发生误判，产生判断正确信号，进入空闲状态(即继续进行差值补偿模块)；如果超出设定时间一直无效，则认为产生误判，产生判断错误信号，重新生成误判前的VGA参数值(上一次配置的VGA参数存储在寄存器中，用以误判发生时重新读取配置)并将其重新置入VGA寄存器中，结束后产生重新配置完成信号，重新进入判定模块(a)检测数据包的到来。

优选的，接收信号的能量值通过平方公式I²+Q²来估算，其中I为同相分量，Q为正交分量。这种计算方法既快速，精度又高，消耗资源又少。

优选的，所述判定模块(a)中N的值由公式(1)确定，其中，1Mbps为低功耗蓝牙系统的码率；factor为寄存器配置值，需要上层芯片出厂后进行测试并在使用中由软件配置相关寄存器；delay_time为寄存器配置值，理论上，delay_time越长，所计算得出的能量平均值越稳定；公式(1)为：

N＝AD采样率/1Mbps (1)。

有益效果：本发明提供的一种基于积分判定的低功耗蓝牙系统接收机自动增益控制方法，相对于现有技术，具有以下优点：1、本发明基于积分方法判定有效信号的到来，利用平方公式估算信号的能量值，实现速度快，准确度高，开发成本低；2、本发明设计了可重配置的误差补偿电路，实现精度高，抗干扰能力强，消耗资源少；3、本发明通过差值补偿来调节可变增益放大器VGA寄存器中的增益值，能量补偿一步到位，反应快，延迟低，消耗资源少。

附图说明

图1为本发明一种基于积分判定的低功耗蓝牙系统接收机自动增益控制方法的原理框图；

图2为无线通信系统中自动增益控制(AGC)环路的原理框图；

图3为典型数字自动增益控制(AGC)环路结构模型；

图4为本发明在前导码到来时的宏观信号图；

图5为本发明在前导码到来时的微观信号图；

图6为本发明的状态转移图；

图7为本发明产生误判时的信号图；

图8为本发明在仿真软件modelsim上的仿真结果；

图9为本发明在FPGA在线逻辑分析仪上的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于积分判定的低功耗蓝牙系统接收机自动增益控制方法，该方法包括以下过程：接收机接收传输的信号并通过模数转换器ADC转换成数字信号；对接收转换后的信号按设定周期进行能量积分，当检测到信号的能量积分值增大时，就判定，这段能量积分值增大的信号之后即将接收到低功耗蓝牙系统数据包的前导码序列；从数据包的前导码序列开始对信号进行能量计算；将计算出的能量值与理想值比较得出差值，进而通过差值补偿来调节可变增益放大器VGA的增益值，实现低功耗蓝牙系统接收机的自动增益控制。

本实施例中，具体实施过程如下：

(a)判定模块：在前导码序列被接收之前，接收机会先接收到一段载波，这段载波的绝对值比前导码序列的绝对值小；因此每隔8个时间单位(ADC采样率一般为8Mbps)对接收信号的能量即I²+Q²进行一次积分，如果后一次的能量积分值U_k为前一次能量积分值U_k-1的factor倍，则判定t_k时刻后即将接收到低功耗蓝牙数据包的前导码序列，并延时2μs来等待信号稳定，即t_k+2μs时刻进入能量计算模块(b)；否则继续进行能量积分。

(b)能量计算模块：计算t_k+2μs时刻之后每个时间单位的信号能量均值A_q，信号能量值通过平方公式I²+Q²来估算，并将计算出的能量均值A_q转化成dB值B_q，逐个传递给差值补偿模块(c)。

(c)差值补偿模块：根据模块(b)生成的dB值B_q进行可变增益放大器VGA参数的调节：如果dB值B_q与理想值C相等，则产生VGA参数正确信号，进入误判模块(d)；否则通过公式(2)进行VGA参数值D_q即VGA增益值的调整，调整后产生配置使能信号，进入串行外设接口SPI配置模块，实现对VGA增益值的配置；公式(2)为

VGA参数值D_q＝VGA寄存器中参数值D_q-1+(理想值C-dB值B_q) (2)。

(d)误判模块：为了确认模块(a)所述的判定机制没有产生误判，根据低功耗蓝牙系统中8个前导码之后紧接着的是32位接入地址这一事实，检测在设定时间40us内接收到的32位接入地址信号是否有效(通过比对接入地址和规定的接入地址是否一致来判断)，如果设定时间内接收到的32位接入地址信号有效，则认为没有发生误判，产生判断正确信号，进入空闲状态(即继续进行差值补偿模块)；如果超出设定时间一直无效，则认为产生误判，产生判断错误信号，重新生成误判前的VGA参数值并将其重新置入VGA寄存器中，结束后产生重新配置完成信号，重新进入判定模块(a)检测数据包的到来。

判定模块(a)何时开始和结束判定、各个模块的承接转换都由状态机模块来控制。

图2所示为无线通信系统中自动增益控制(AGC)环路的原理框图，其中LNA代表低噪声放大器，VGA代表可变增益放大器。AGC环路为通过可变增益放大器VGA实现的闭环控制系统，其输出经检波器和低噪声放大器处理后与参考电压通过比较器进行比较，由此产生对VGA的控制电压控制其输出。

图3所示为典型数字自动增益控制(AGC)环路结构模型，detector检测到输出信号y后，和参考信号Pref之间比较。由比较结果可知增益需要调整的值，去控制VGA的增益实现可变增益放大。其中x为输入信号。

图4所示为本实施例在前导码到来时的宏观信号图，图上两个波形为接收到的I，Q两路信号；图5所示为本实施例在前导码到来时的微观信号图，图上两个波形为接收到的I，Q两路信号。

图6所示为本实施例的状态转移图。复位时为IDLE空闲态，当rx_on接收信号使能时进入ENERGY_COMPUTING能量计算状态。再接收到energy_avg_vld信号，即检测到包到来后进入DB_COMPUTING分贝计算状态，分贝值计算完之后置位db_valid信号。当db_valid置位之后进入VGA_RAPA_GENERATING状态计算VGA可变增益放大器的增益值，计算完之后置位vga_set_en信号，进去VGA_SETING增益设置状态。增益设置完之后进入SIGNAL_JUDGING信号判断状态，信号判断正确置位judge_right信号，信号判断错误置位judge_wrong信号。Judge_right信号置位时，进入IDLE状态。Judge_wrong信号置位时，进入VGA_RESETING状态，重新将VGA配置为误判前的值，结束后产生重新配置完成信号vga_reset_done。

图7所示为本实施例产生误判时的信号图，如图可以看到judge_wrong信号有一个高脉冲。

图8所示为本发明在仿真软件modelsim上的仿真结果，adc_mod模拟了载波信号发出来后的I、Q的平方和，即信号能量大小。由图可知计算出的dB值大小为33。由于理想dB值被设为31，所以能量值VGA_para从31被调节至29，并且随后的judge_right信号显示了调节的正确。

图9所示为本发明在FPGA在线逻辑分析仪上的测试效果，由图可知当信号能量上升时幅值被调节适中，开始信号的振幅较小，在上升之后AGC的作用下，信号的振幅增大，大到了一个适中的程度，而能量下方的判断正确信号judge_right随后出现的高脉冲说明了没有发生误判，调节合适，可以正确解调。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。