OFDM电力线通信的自动增益控制装置的制作方法

本发明是关于ofdm电力线通信领域，特别是关于一种ofdm电力线通信的自动增益控制装置。

背景技术：

电力线通信是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式，因其建设成本低、覆盖范围广等优势，在智能家居、用电信息采集与电气设备监控与等领域得到了广泛的应用。然而电力线最初是为输送电能设计的，信道特性很不理想，表现为噪声显著、信号衰减厉害，且具有时变性。为此目前主流的电力线载波通信系统都采用ofdm(正交频分复用)技术，通过采用较长的循环前辍，并结合分集拷贝与信道编码技术，来有效对抗电力线上的频率选择性衰落、多径干扰及各种噪声，在电力线上实现高速可靠的数据传输。

ofdm通信系统的性能比较容易受接收信号的功率影响，当接收信号功率过大时，会导致模数转换器的输出信号溢出，产生截断效应降低接收机的性能；信号过小时则会增加量化失真，降低接收机的灵敏度。因此需要自动增益控制来调整接收机的增益放大器，使adc(模数转换器)的输入信号幅度调整到适合解调的最佳位置，充分利用adc的动态范围、减少量化失真，提高接收机性能。

目前使用的电力线通信自动增益控制技术大多过分关注增益调整精度与动态范围，没有考虑到电力线环境噪声显著、突发传输帧长较短(大多在几毫秒，最长一般也只有20～30毫秒)与信道慢变的因素，具有运算复杂度高、处理时延大等问题，不适合工程应用。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种ofdm电力线通信的自动增益控制装置，其能够大大降低增益控制的运算复杂度，提高抗脉冲干扰能力，且处理时延小，非常适合电力线通信工程应用。

为实现上述目的，本发明提供了一种ofdm电力线通信的自动增益控制装置，所述自动增益控制装置用于对ofdm接收机接收的电力线载波信号进行增益控制，其包括：模拟前端、增益控制器、数字滤波器。模拟前端包括可编程增益放大器、低通滤波器以及模数转换器，用于将自身接收的电力线载波模拟信号进行放大或缩小、滤波，以及对所述电力线载波模拟信号进行模数转换。增益控制器的输入端与所述模拟前端的输出端相连接，所述增益控制器的输出端与所述模拟前端的输入端相连接，所述增益控制器用于产生增益控制字从而控制所述模拟前端对所述电力线载波模拟信号的放大倍数，还用于对其自身接收的电力线载波数字信号进行脉冲干扰的检测以及抑制。数字滤波器的输入端与所述增益控制器的输出端相连接，用于滤除自身接收的电力线载波数字信号的带外噪声与窄带干扰。

其中，所述增益控制器包括：第一数字增益放大器、脉冲干扰检测与抑制器、第一功率估计器、第一环路滤波器、增益分解器。第一数字增益放大器用于根据所述增益控制器输入的增益值选择相应的放大倍数，然后将自身接收的电力线载波数字信号按照所述放大倍数进行放大后输出。脉冲干扰检测与抑制器的输入端与所述第一数字增益放大器的输出端相连接，用于对实时接收的电力线载波数字信号进行脉冲干扰检测以及抑制。第一功率估计器的输入端与所述脉冲干扰检测与抑制器的输出端相连接，用于对所述自动增益控制装置设定的目标调整功率与自身接收的电力线载波数字信号的每个采样点的信号功率相减从而得到所述每个采样点的功率误差。第一环路滤波器的输入端与所述第一功率估计器的输出端相连接，用于对所述每个采样点的功率误差先进行积分操作，然后进行比例操作，之后对所述比例操作之后的值进行移位，去除分数部分的增益值，最终获得整数增益值。增益分解器的输入端与所述第一环路滤波器的输出端相连接，所述增益分解器的输出端分别连接所述第一数字增益放大器的输入端以及所述模拟前端的可编程增益放大器的输入端，所述增益分解器用于根据所述第一环路滤波器输出的增益值产生第一增益值和第二增益值，所述增益分解器将所述第一增益值直接输出至所述第一数字增益放大器，所述增益分解器将所述第二增益值转换为所述增益控制字再输出至所述可编程增益放大器，所述可编程增益放大器根据所述增益控制字选择相应的放大倍数对自身接收的电力线载波模拟信号进行调整。

在一优选的实施方式中，所述第一环路滤波器对所述每个采样点的功率误差先进行积分操作，所述积分操作采用如下关系式：pacc(n)＝pacc(n-1)+perr(n)*ki，其中，pacc(n)表示第n个采样点的功率积分值，perr(n)表示第n个采样点的功率误差，ki表示自定义的积分系数；所述然后进行比例操作，之后对所述比例操作之后的值进行移位，去除分数部分的增益值，最终获得整数增益值，该操作采用如下关系式：pgain(n)＝(pacc(n)+perr(n)*kp)>>lfrac，其中，pacc(0)＝0，kp为自定义的比例系数，lfrac为分数字长。

在一优选的实施方式中，所述增益分解器产生第一增益值和第二增益值包括：所述增益分解器判断所述第一环路滤波器输出的整数增益值是否在所述可编程增益放大器的有效增益范围内，若在所述有效增益范围内则所述第一增益值为0db，所述第二增益值为所述第一环路滤波器输出的增益值；若不在所述有效增益范围内，则所述第一增益值为所述第一环路滤波器输出的增益值超出所述有效增益范围的超出部分的数值，所述第二增益值为所述第一环路滤波器输出的增益值未超出所述有效增益范围的部分的数值。

在一优选的实施方式中，所述自动增益控制装置还包括数字增益补偿器，所述数字增益补偿器的输入端与所述数字滤波器的输出端相连接，所述数字增益补偿器用于补偿所述数字滤波器造成的信号功率损失。

在一优选的实施方式中，所述数字增益补偿器包括：第二数字增益放大器、第二功率估计器、第二环路滤波器。第二数字增益放大器的输入端与所述数字滤波器的输出端相连接，用于将自身接收的电力线载波数字信号按照自身的放大倍数进行放大后输出。第二功率估计器的输入端与所述第二数字增益放大器的输出端相连接，用于对所述自动增益控制装置的目标调整功率与所述第二功率估计器自身接收的电力线载波数字信号的每个采样点的信号功率相减从而得到所述每个采样点的功率误差p′err(n)。第二环路滤波器的输入端与所述第二功率估计器的输出端相连接，用于对所述每个采样点的功率误差p′err(n)进行加权平均以及积分操作，即采用如下关系式：p′avg(n)＝p′avg(n-1)*(1-ka)+p′err(n)*ka和p′acc(n)＝p′acc(n-1)+p′avg(n)*ki′，其中，p′avg(0)＝0，p′acc(0)＝1；ka表示自定义的加权平均系数，k′i为自定义积分系数，所述p′avg(n)表示所述第二功率估计器接收的电力线载波数字信号的第n个采样点的功率的加权平均值，所述p′acc(n)表示所述第二功率估计器接收的电力线载波数字信号的第n个采样点的功率的加权平均积分值，该加权平均积分值最终输出至所述第二数字增益放大器作为所述第二数字增益放大器的放大倍数。

在一优选的实施方式中，所述自动增益控制装置还包括：定时同步模块，其输入端与所述数字增益补偿器相连接，其输出端与所述增益控制器的输入端以及所述数字增益补偿器的输入端均相连接，所述定时同步模块用于确定所述接收机接收的帧的起始位置，首先进行粗同步，然后进行精同步，当在粗同步过程中检测到所述帧的初始起始位置，则所述增益控制器以及所述数字增益补偿器停止增益更新，即所述第一功率估计器和所述第一环路滤波器停止工作，且所述第二功率估计器和所述第二环路滤波器停止工作。

在一优选的实施方式中，所述脉冲干扰检测与抑制器还用于在检测到脉冲干扰后置位脉冲检测标志，否则复位脉冲检测标志，脉冲检测标志置位时，所述增益控制器的所述第一功率估计器和所述第一环路滤波器停止工作。

在一优选的实施方式中，所述脉冲干扰检测与抑制器还用于在检测到脉冲干扰后置位脉冲检测标志，否则复位脉冲检测标志，脉冲检测标志置位时，所述增益控制器的所述第一功率估计器和所述第一环路滤波器停止工作，并且所述数字增益补偿器的所述第二功率估计器和所述第二环路滤波器可软件配置停止工作。

在一优选的实施方式中，所述自动增益控制装置还包括：解调和解码模块，其输入端与所述定时同步模块的输出端相连接，用于对自身接收的所述电力线载波数字信号进行时频变换、频域处理以及比特级处理。

在一优选的实施方式中，所述模拟前端用模拟电路实现，所述增益控制器、所述数字滤波器、所述数字增益补偿器、所述定时同步模块以及所述解调与解码模块均用数字电路实现，各个模块均能集成到ofdm电力通信基带芯片中。

与现有技术相比，根据本发明的ofdm电力线通信的自动增益控制装置设置了增益控制器，增益控制器中通过对采样点进行积分比例的控制实现自动增益控制，该过程实时进行计算，无需缓存接收数据以及进行对数运算等复杂运算，该自动增益控制装置大大降低了运算复杂度，提高了运算效率，在ofdm电力线通信中，对接收帧的处理时延变短，该装置的实现更加简单，节约了成本；在增益控制器基础上还设置了数字增益补偿器，对数字滤波器造成的信号功率进行了补偿，可以进一步提高输出信号的稳定性；另外还设置了脉冲检测以及抑制装置、定时同步装置，减少脉冲干扰对增益调整的抖动并且使得自动增益控制更加快速稳定。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的ofdm电力线通信的自动增益控制装置的组成示意图。

图2是根据本发明一实施方式的模拟前端与增益控制器的内部结构的连接关系示意图。

图3是根据本发明一实施方式的数字增益补偿器的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

针对现有的电力线通信自动增益控制技术普遍存在的运算复杂度高、处理时延大等问题，发明人做出了如下思考：目前国内外电力线通信标准的帧结构基本都由前导、帧控制和载荷数据组成。前导是一个特殊的周期性序列，具有极好的相关性，通常由多个重复的正向同步符号(syncp)和反向同步符号(syncm)组成。电力线通信是一种突发传输模式，且考虑到时电力信道是一种慢变信道，故在帧控制和载荷数据的ofdm符号中一般无导频或参考信号，接收机中的自动增益控制、定时同步与信道估计都是通过前导进行。电力线具有环境噪声显著、突发传输帧长较短(大多在几毫秒，最长一般也只有20～30毫秒)与信道慢变的特点。因此发明人利用上述特点提供了一种电力线通信自动增益控制装置，抗噪声能力强、计算延迟小、复杂度低，能够更适合工程应用。

图1是根据本发明一实施方式的ofdm电力线通信的自动增益控制装置的组成示意图。图2是该实施方式的模拟前端与增益控制器的内部结构的连接关系。该自动增益控制装置包括模拟前端10、增益控制器11、数字滤波器12，优选地，还包括数字增益补偿器13、定时同步模块14以及解调与解码模块15。

模拟前端10包括可编程增益放大器10a、低通滤波器10b、模数转换器10c。可编程增益放大器10a典型的有效增益范围为-20db～63db，其实际增益范围可外部设置，若输入增益超出实际增益范围，则取最大或最小值。可编程增益放大器10a通过增益控制字对输入的模拟信号进行放大或缩小。低通滤波器10b用于滤除带外高频信号。模数转换器10c把电力线模拟载波信号转换为数字信号，便于后续进行复杂的数字信号处理。

增益控制器11先根据输入的信号功率与设定的目标功率的差，产生相应的增益控制信息来调整可编程增益放大器10a的放大倍数，同时会对输入信号进行脉冲干扰检测与抑制操作。具体地，增益控制器11包括第一数字增益放大器11a、脉冲干扰检测与抑制器11b、第一功率估计器11c、第二环路滤波器11d、增益分解器11e。

第一数字增益放大器11a典型的输入有效增益范围为0～63db，实际增益范围可外部设置，若输入增益超出实际增益范围，则取最大或最小值，用一个固定的查找表来实现增益值到放大倍数的转换。输入信号乘上放大倍数，再进行饱和操作后即为第一数字增益放大器11a的输出。

脉冲干扰检测与抑制器11b基于输入的实时采样数据进行脉冲计数，根据脉冲幅度与宽度及相应阈值来实时检测脉冲，并进行相应的限幅或置零。脉冲干扰会扩散到频域所有的子载波上，其幅度远高于背景噪声，增加对解调与解码中时频变换fft字长的要求，通过对其限幅或置零，可有效减少fft变换饱和的概率，提高接收机性能。一旦检测到脉冲干扰，将会置位脉冲检测标志，否则会复位脉冲检测标志。

第一功率估计器11c将目标功率ptarget与每个输入采样点的功率psig(n)相减，得到功率误差perr(n)，即：perr(n)＝ptarget-psig(n)。

第一环路滤波器11d对功率误差perr(n)先进行积分操作，对积分结果，pacc(n)进行比例操作，对比例操作后的增益值进行移位，去除分数部分增益得到整数增益值pgain(n)，即：pacc(n)＝pacc(n-1)+perr(n)*ki以及pgain(n)＝(pacc(n)+perr(n)*kp)＞＞lfrac。其中，pacc(0)＝0，ki、kp分别为可配置的环路积分系数和比例系数，lfrac为分数字长。

增益分解器11e对第一环路滤波器11d输出pgain(n)进行分解，如pgain(n)在可编程增益放大器10a的有效增益范围内，则数字增益为0db，否则，超出部分为数字增益值。数字增益值直接输出给第一数字增益放大器11a。模拟增益值经过一个可编程的查找表进行增益值到可编程增益放大器10a的增益控制字的转换后输出给模拟前端10的可编程增益放大器10a。

在增益控制器11控制过程中，增益控制器11中通过对采样点进行积分比例的控制实现自动增益控制，该过程实时进行计算，无需缓存接收数据以及进行对数运算等复杂运算，使得自动增益控制装置大大降低了运算复杂度，提高了运算效率，降低帧处理时延。并且在增益控制器11控制过程中，若当脉冲检测标志为1，则第一功率估计器11c和第二环路滤波器11d停止工作，增益分解器11e输出保持不变，防止正常接收过程中干扰与噪声影响自动增益控制器的稳定，有效地抵抗了信号噪声。

数字滤波器12由数字带宽/低通滤波器与级联的二阶格型iir陷波器组构成。用于滤除带外噪声与窄带干扰，从而提高输出信号的信噪比。

可选地，该自动增益控制装置还包括数字增益补偿器13，其用于补偿数字滤波器12造成的信号功率损失。具体地，数字增益补偿器13的内部结构如图3所示，其包括第二数字增益放大器13a、第二功率估计器13b、第二环路滤波器13c。

数字增益补偿器13主要对数字滤波器12造成的信号功率损失进行补偿，增益补偿范围相对较小。第二数字增益放大器13a、第二功率估计器13b采用与增益控制器11的第一数字增益放大器11a以及第一功率估计器11c相似的结构，第二环路滤波器13c采用加权平均+积分的两级结构，稳定性好。

第二环路滤波器13c的算法如下：p′avg(n)＝p′avg(n-1)*(1-ka)+p′err(n)*ka和p′acc(n)＝p′acc(n-1)+p′avg(n)*ki′，其中，p′avg(0)＝0，p′acc(0)＝1；ka表示自定义的加权平均系数，k′i表示自定义的积分系数，所述p′avg(n)表示第二功率估计器13b接收的电力线载波数字信号的第n个采样点的功率的加权平均值，所述p′acc(n)表示第二功率估计器13b接收的电力线载波数字信号的第n个采样点的功率的加权平均积分值，该加权平均积分值最终输出至第二数字增益放大器13a作为第二数字增益放大器的放大倍数。

可选地，该自动增益控制装置还包括定时同步模块14，其用于确定帧的起始位置，分粗同步与精同步两个过程。为了获得较好的性能与减少计算延迟，采用互相关的方式；为减少滑动互相关计算的复杂度，粗同步时采用压缩的本地互相关序列，且其表示方式采用二进制指数方式。

解调与解码模块15包括时频变换(fft)及后续的频域处理与比特级处理。

在该ofdm电力线通信的自动增益控制装置的增益控制过程中，若定时同步模块14的粗同步找到，或脉冲干扰检测与抑制器11b检测到脉冲干扰，即脉冲检测标志为1，则第一功率估计器11c、第一环路滤波器11d以及第二功率估计器13b、第二环路滤波器13c停止工作，第一环路滤波器11d和第二环路滤波器13c的输出保持不变，防止正常接收过程中干扰与噪声影响信号的稳定，能够使得自动增益快速且稳定。

综上，根据本实施方式的ofdm电力线通信的自动增益控制装置设置了增益控制器，增益控制器中通过对采样点进行积分比例的控制实现自动增益控制，该过程实时进行计算，无需缓存接收数据以及进行对数运算等复杂运算，该自动增益控制装置大大降低了运算复杂度，提高了运算效率，在ofdm电力线通信中，对接收帧的处理时延变短，该装置的实现更加简单，节约了成本；在增益控制器基础上还设置了数字增益补偿器，对数字滤波器造成的信号功率进行了补偿，可以进一步提高输出信号的稳定性；另外还设置了脉冲检测以及抑制装置、定时同步装置，减少脉冲干扰对增益调整的抖动并且使得自动增益控制更加快速稳定。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。