一种基于过采样信号信噪比估计的自动增益控制方法与流程

本发明涉及数字无线通信传输技术领域，特别涉及一种基于过采样信号信噪比估计的自动增益控制(agc)方法。

背景技术：

在无线通信系统中，信号强度随信号发射端功率的强弱、信道环境、远近效应、接收条件等因素的不同会有很大的动态范围。为了保证信号在进行接收解调之前的有效性和可靠性，常设计采用自动增益控制(automaticgaincontrol，agc)电路进行调整。

一般的，agc电路有前馈、反馈和混合环路等三种实现方式。反馈环路agc常采用输出信号包络检波法、平方检测法或功率误差检测法等算法获得误差电压与控制电压，再进行线性对数增量增益调整，例如在“khouryjm,onthedesignofconstantsettlingtimeagccircuits[j],ieeetransactionsoncircuitsandsystems,1998,45(3):283-294.”中设计的信号峰值增益调控；在“周三文,卢满宏,黄建国.恒定建立时间数字agc环路设计[j].飞行器测控学报,2013,32(4):316-320.”中设计的基于平方功率误差检测法的恒定建立时间agc方法；在“liua,anj,wanga.performanceanalysisofadigitalfeedbackagcwithconstantsettlingtime[c].ieee12thinternationalconferenceoncommunicationtechnology,2010.”中对qpsk信号的数字agc环设计；在“刘曦,冯文全,李春升,朱楠.卫星测控接收机相干自动增益控制设计与仿真[j].信息与电子工程,2012,10(6):654-658.”中基于相干解调后的agc方法。其信号功率估计主要有p1～p5：

p1＝i²(n)+q²(n)

p3＝|i(n)|+|q(n)|

这些方法常将信号功率估算为接收信号的总功率，即有用信号功率与噪声功率的总和。在信噪比较低的情况下，即便对a/d采样前的信号进行了调整，a/d采样后有用信号的功率仍然不能达到预期要求。数字相干agc方法、基于数据判决与基于数据辅助的agc方法可以准确估计有用信号功率，然而，这些方法均需要先对信号进行解调，增加了处理时延。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于过采样信号信噪比估计的自动增益控制(agc)方法，该方法可以消除噪声干扰，相对于传统方法更准确的提升过采样信号的自动增益控制准确度，让系统功耗更高效，减小处理时延，同时提高解调同步的性能。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于过采样信号信噪比估计的自动增益控制方法，包括：

计算过采样信号的二阶矩和四阶矩；

根据所述过采样信号的二阶矩和四阶矩计算过采样信号的有用信号功率估计；

根据所述有用信号功率估计获得过采样信号的信噪比估计；

将所述过采样信号的信噪比估计与信噪比门限进行对比，若过采样信号的信噪比估计大于或等于信噪比门限，则过采样信号的功率误差为过采样信号的二阶矩与参考信号电平的平方做差；若过采样信号的信噪比估计小于信噪比门限，则过采样信号的功率误差为所述有用信号功率估计与参考信号电平的平方做差。

在上述自动增益控制方法中，所述过采样信号为y(n)，表达式如下：

其中：ps为有用信号功率，pn为噪声功率，w(n)为加性高斯白噪声，θ为载波相位偏差，x(n)为发送信号。

在上述自动增益控制方法中，所述发送信号x(n)表示如下：

x(n)＝∑ia(i)h(nts-it-τ)

其中：h()为滚降系数为α的升余弦滤波器函数，t为符号周期，ts为采样周期，τ为定时偏差，a(i)为发射端信号。

在上述自动增益控制方法中，所述过采样信号的二阶矩m2和四阶矩m4分别表示如下：

其中：e[]为期望。

在上述自动增益控制方法中，根据所述过采样信号的二阶矩和四阶矩计算过采样信号的有用信号功率估计的具体方法如下：

对于mpsk和mqam信号，有用信号功率估计为：

其中：γ定义为：

γ＝e[|a(i)|⁴]r(0)+2λm∑m≥1r(m)

r(m)表示相关函数，具体为：

其中：h(v)为h()的频域函数；λm为不同调制方式对应的参数；a(i)为发射端信号，α为滚降系数，m为大于或等于0的整数。

在上述自动增益控制方法中，对于mpsk和mqam信号，λm的取值如下：

在上述自动增益控制方法中，根据所述有用信号功率估计获得过采样信号的信噪比估计的具体方法如下：

对于mpsk和mqam信号，过采样信号的信噪比估计具体如下：

其中：为噪声功率的估计。

在上述自动增益控制方法中，将所述过采样信号的信噪比估计与信噪比门限进行对比，

若满足：

则：

其中：为过采样信号的信噪比估计；ρth为信噪比门限；ep为过采样信号的功率误差；m2为过采样信号的二阶矩；aref为参考信号电平；

若满足：

则：

其中：为有用信号功率估计。

在上述自动增益控制方法中，对于mpsk和mqam信号，信噪比门限ρth取值为10db。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明提供基于过采样信号信噪比估计的自动增益控制(agc)方法，首先设计一种过采样信号的有用信号功率估计算法和信噪比估计算法，然后将其应用到数字agc环路中，根据snr估计值在中低信噪比、中高信噪比分别切换agc环路中功率误差检测器为新功率估计算法与传统功率估计算法，该方法可以准确控制信号增益。

(2)、本发明基于过采样信号信噪比估计的agc方法，适用于低信噪比下mpsk、mqam调制信号，可以消除噪声干扰，相对于传统方法更准确的提升自动增益控制准确度；

(3)、本发明基于过采样信号信噪比估计的agc方法，基于过采样信号的信噪比估计来切换采用新方法和传统方法计算功率误差函数，可以让系统功耗更高效；

(4)、本发明基于过采样信号信噪比估计的agc方法，基于过采样信号估计信号功率与信噪比，不需要相干解调，减小处理时延，同时提高解调同步的性能。

附图说明

图1为本发明基于过采样信号信噪比估计的agc方法框图；

图2为本发明实施例1中基于过采样信号信噪比估计的agc方法的信号功率估计偏差性能；

图3为本发明实施例1中基于过采样信号信噪比估计的agc方法与传统方法的幅度增益收敛性能。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示为本发明基于过采样信号信噪比估计的agc方法框图，由图可知本发明基于过采样信号信噪比估计的agc方法，主要包括如下步骤：

步骤(一)、计算过采样信号y(n)的二阶矩和四阶矩。接收信号y(t)为发射端信号a(i)成形滤波后，经过awgn信道并在接收机匹配接收的信号，经采样后表示为：

其中，ps为有用信号功率，pn为噪声功率，w(n)为零均值、方差为1的加性高斯白噪声，θ为载波相位偏差，x(n)为发送信号，表示为：

x(n)＝∑ia(i)h(nts-it-τ)

其中，h(t)为滚降系数为α的升余弦滤波器函数，t＝nts-it-τ；t为符号周期，ts为采样周期，τ为定时偏差，|τ|≤t/2。

过采样信号y(n)的二阶矩m2、四阶矩m4分别计算为：

其中，e[]为期望，可通过累加平均np个数据符号来得到近似结果。

步骤(二)、将步骤(一)得到的二阶矩、四阶矩值用于过采样信号的有用信号功率估计，其中对于mpsk和mqam信号，有用信号功率估计方法为：

其中，γ定义为：

γ＝e[|a(i)|⁴]r(0)+2λm∑m≥1r(m)

其中，对于mpsk和mqam信号，λm的取值如下：

r(m)(m为大于等于0的整数)表示相关函数，具体为：

其中：h(v)为h(t)的频域函数；λm为不同调制方式对应的参数；a(i)为发射端信号，α为滚降系数。

在计算γ值时对r(m)累加求和，m的取值范围可以用有限个数近似。滚降系数α＝0.25、0.35、0.5时，对于bpsk信号γ的值分别为γ≈1.331、1.215、1.066；对于m-psk，m≥4，γ的值分别为γ≈1.106、1.022、0.920；对于16qam信号，γ的值分别为γ≈1.316、1.235、1.120。

步骤(三)、将步骤(二)中有用信号功率估计的结果用于过采样信号的信噪比估计，其中对于mpsk和mqam信号，信噪比估计方法为：

其中：为噪声功率的估计。

步骤(四)、将过采样信号的有用信号功率估计结果与参考信号比较提取功率误差，agc环路中的功率误差检测函数可表示为：

其中，aref为参考信号电平。

同理，当应用到恒定建立时间数字agc环路或简化恒定建立时间数字agc环路时，功率误差函数分别表示为：

步骤(五)、将过采样信号的信噪比估计与信噪比门限进行对比，若过采样信号的信噪比估计大于或等于信噪比门限，则过采样信号的功率误差为过采样信号的二阶矩与参考信号电平的平方做差；若过采样信号的信噪比估计小于信噪比门限，则过采样信号的功率误差为所述有用信号功率估计与参考信号电平的平方做差。即：

若满足：

则：

其中：为过采样信号的信噪比估计；ρth为信噪比门限；ep为过采样信号的功率误差；m2为过采样信号的二阶矩；aref为参考信号电平；

若满足：

则：

其中：为有用信号功率估计。对于mpsk和mqam信号，本发明实施例中ρth取值为10db。

该步骤中，也就是将步骤(三)中信噪比估计方法结合步骤(四)中的功率误差检测函数得到基于信噪比估计的agc方法，用于进一步提升通信系统的工作效率，该方法的误差检测函数为：

该步骤根据snr估计值在中低信噪比、中高信噪比分别切换agc环路中功率误差检测器为新功率估计算法与传统功率估计算法，可以准确控制信号增益。

实施例1

将现有技术的定时恢复方法和本发明定时恢复方法的处理结果进行比较。

(一)信号功率估计性能

信号功率估计的仿真性能，采用qpsk信号，过采样4倍，滚降系数为α＝0.25，设信号功率为ps＝1，np＝1000，即在10m符号速率时平滑周期为0.1ms。如图2所示为本发明实施例1中基于过采样信号信噪比估计的agc方法的信号功率估计偏差性能；由图2分析可知，与模值平方率(msl)方法相比，在本发明中低信噪比新算法可获得准确的信号功率估计性能。

(二)agc幅度增益收敛性能

新算法与采用(2)式信号功率估计的agc环路的收敛性能，环路归一化带宽为blt＝5×10^-3，信噪比snr＝5db，参考信号功率与有用信号功率比值(pref/ps)分别设为3db、-6db，即信号幅度比为ra＝aref/as≈1.4、0.5，如图3所示为本发明实施例1中基于过采样信号信噪比估计的agc方法与传统方法的幅度增益收敛性能，由图3分析可知，传统msl方法的幅度增益收敛后约为1.13、0.44，而本发明新算法可以较准确地将幅度增益收敛到1.4和0.5，而且算法放大信号比缩小信号时的影响更大。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。