数字通信系统中新型自动增益控制方法设计

陈家旭，管恩义，李　文，王　杰，姚宜东

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

数字通信系统中新型自动增益控制方法设计

陈家旭，管恩义，李文，王杰，姚宜东

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

设计了一个新型的自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）方法。针对某数字通信系统的需求，所设计的AGC可以充分利用ADC量化位数，并能够处理LTE多种传输模式（TM2和TM3）信号。仿真结果表明，本AGC能够同时适用于TM2和TM3信号，能够在充分利用ADC量化位数的同时避免过饱和现象，能够准确判断输入信号功率变化状态并迅速调整，从而对稳定功率的输入信号给出恒定的增益。

自动增益控制；数字通信系统；传输模式

0 引言

在某数字通信系统中，由于设备距离、设备数量、设备本身信号质量等一系列原因，系统接收到的信号功率变化范围很大。当信号输入系统转换为数字信号，即经过ADC之后，功率小的信号所占用的数字量化位数很低。然而，该数字通信系统中使用了李仝昀等发明的压缩算法［1］，压缩算法需要充分利用ADC的量化位数来提高动态范围，即要求压缩算法的输入信号在ADC位数的二进制数的表示范围内且足够大。因此，系统在ADC模块与算法模块之间需要一个新型的自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）单元完成该功能。此外，压缩算法具有根据AGC输出的信号和增益来还原出输入信号的需求，因此要求该AGC应保证控制前后信号的峰均比不变。总之，该AGC需要能够使输出信号足够大且避免输出信号超出ADC位数的二进制数的表示范围即过饱和现象，并且保持输入信号的峰均比不变。同时，该新型通信系统为LTE系统，因此需要该AGC能够处理LTE，主要是TM2和TM3信号。

由于该新型通信系统的需求有别于传统意义上的自动增益控制，因此现有的AGC控制方法不能满足该新型通信系统的需求。传统的AGC［2⁃4］是一个反馈系统，输出信号经过一个平均滤波器得到平均功率；将输出信号的平均功率与AGC的目标功率进行比较，得到误差信号；再根据当前增益值与误差信号对下一时刻的增益值进行调整，最终使输出功率逐渐收敛至目标功率。传统AGC控制方法会出现输出信号功率大于目标功率的现象，使用在本系统中会出现过饱和，输出信号将产生失真；传统AGC控制方法将输出功率向目标功率调整，使得输出信号功率经常处于发生变化的状态，不能保持信号的峰均比；而TM2和TM3信号在特性上存在显著差异，就我们所知，目前尚无AGC可以同时满足这三种需求。

本文针对这些需求，设计了一种新型AGC方法，并通过仿真验证了本AGC能够同时适用于TM2和TM3信号，能够在充分利用ADC量化位数的同时避免过饱和现象，能够准确判断输入信号功率变化状态并迅速做出调整，从而对稳定功率的输入信号给出恒定的增益。

1 系统需求分析

该新型通信系统主要处理LTE信号。LTE信号有9种传输模式TM1～TM9［5］。其中，与该系统相关的部分为对TM2和TM3信号的控制。

如引言所述，系统对AGC的需求如下：

1）在不发生过饱和现象的前提下尽量充分利用ADC的量化位数；

2）保持信号的峰均比不变；

3）同时适用于TM2和TM3信号。

从系统的观点看，进行自动增益控制的目的是为了充分利用ADC的量化位数，因此需要AGC的输出无过饱和现象。对于k位的ADC，应确保经过AGC的输出信号的绝对值不超过2k-1-1。过饱和的输出将导致信号失真，不能被压缩算法还原为输入信号。同时，为了定量地描述“充分利用”，对ADC的量化位数设置了余量参数i，即要求经过AGC的输出信号的绝对值不小于2k-i-1-1。

这就要求AGC能够仅凭输入信号生成符合输出要求的增益，因此启发本AGC采用前馈式设计。同时，为了能够估算出输入信号的功率，需要不同模式下的LTE信号作为参考。当输入信号为参考信号时，能够推导出适合于当前输入的增益值，而真正输入信号的增益值可由参考信号增益值的相对值得出。因此，基于需求1），本AGC应采用基于参考信号的前馈式设计。

压缩算法有对信号在AGC前后峰均比保持不变的需求，换言之，对于稳定功率的信号，AGC应输出恒定的增益。这种需求反过来可以降低系统的EVM［6］，有助于提升系统性能。具体地说，这要求本AGC能够准确判断输入信号功率变化的时刻，并迅速做出调整，同时对于恒定功率的输入给出恒定的增益。基于此，需要AGC在设计时：1）能够准确判断输入信号功率是处于稳定状态还是发生了变化；2）对于处于变化状态的功率，给出变化之后应具有的增益；3）迅速调整增益，应为阶跃式调整而非逐步调整。

LTE系统要求AGC可控制TM2与TM3信号，这要求AGC模型参数在取值的时候要在两种情况中做出权衡，以便能同时满足TM2与TM3两种传输模式。第2节将根据本节针对系统需求所做的分析给出具体的AGC设计方案。

2 AGC设计

基于第1节的分析，本AGC应：1）能够估算输入信号的功率；2）具有判断输入信号功率是稳定还是变化的方法；3）准确计算出当前功率下应具有的增益，以便在应改变增益的时候迅速给出值。在参数设置时应基于参考信号给出，同时权衡TM2与TM3两种情况。

在实际系统中，AGC的输入信号是ADC的输出信号，代表量化的电平值，而不是功率值。然而电平与功率有平方的关系，可以使用电平的稳定与变化情况代表功率的相应情况。输入信号经过滑动平均滤波器（Moving Average Filter，MAF）［7］模块可以得到一段时间内的均值，用以估算当前信号的平均功率。使用均方根（Root Mean Square，RMS）［8］测量平均值。即：

其中，RMSTD是动态均方根值，t代表当前时刻，x（t）代表输入信号，TD代表一段时间的长度。在输入信号功率稳定的情况下，RMSTD也表现出稳定。然而实际情况中，因对LTE终端设备（如4G手机）的遮挡或距离改变，很容易对设备接入系统的信号造成20dB或30dB以上的衰减。因此，在衰减的时刻，接入系统的信号的功率值会产生成百上千倍的变化，换算成电压为几十至上百倍的变化。这种幅度较为剧烈的变化，会影响到该时刻RMSTD的值，表现为RMSTD的值与上一时刻差距较大。设置2个参数upper和lower来检测这种变化，使得RMSTD与的比值大于upper时，认为当前信号正处于功率增大状态；RMSTD与的比值小于lower时，认为当前信号正处于功率衰减状态；而RMSTD与的比值介于upper和lower两者之间时，认为当前信号是功率稳定状态。显然，对于功率变化状态，应给出适用于当前输入信号的增益，设计增益的估算方法。

为使当前信号经过增益后的值能够充分利用量化位数，同时避免过饱和现象，设ADC的位数为k，当前信号的峰值为peak，则有：peak×gaincal＜2k-1-1。其中，gaincal为增益的估算值。

为表达充分利用量化位数，预留i位的余量（i≥1），即要求peak×gaincal>2k-i-1-1。因此，2k-i-1-1＜peak×gaincal＜2k-1-1。

由于本AGC保持信号峰均比不变，因此可通过RMSTD与参考信号的峰均比PAR估算出当前信号峰值peak，即2k-i-1-1＜PAR×RMSTD×gaincal＜2k-1-1，即：

注意到式（2）中，2k-1、2k-i-1和PAR均为已知量，而RMSTD为需动态获取的量。因此，定义dcdp为增益决定因子，dcdp=gaincal×RMSTD，且应满足：

考虑到以RMSTD代替LTE信号均值的误差，为避免过饱和现象，gaincal应取所在范围内的最小值，相应地dcdp也应取所在范围内的最小值，并且：

于是，判断出当前输入信号处于功率变化状态时，以gaincal代替当前系统的增益值；判断出当前输入信号处于功率稳定状态时，继续保持当前系统的增益值不变。

然而，直接使用式（4）估算当前时刻的增益值会产生误差。当输入信号功率从小变大，输入信号的RMSTD也将从小变大，但是与输入信号相比表现出一定（TD）的延迟。因此在判断出输入信号发生变化（从小变大）的时刻时，计算gaincal所采用的RMSTD尚未达到信号功率变化后稳定的RMS值，计算所得的gaincal大于当前系统最佳增益值，应适度降低其值，即对计算结果做反向补偿。同理，当输入信号从大变小时，应对计算结果做正向补偿。

于是，当RMSTD与的比值大于upper时，生成正向补偿信号cpst=1，当RMSTD与的比值小于lower时，生成反向补偿信号cpst=-1，并令cpst参与到gaincal的计算中去，修改之后的增益计算方法为：

其中，cv为增益的补偿值，正向补偿体现为将式（4）中的gaincal乘以一个大于1的数；反向补偿体现为将式（4）中的gaincal乘以一个小于1的数。因此，令：

其中，init为初始补偿因子，p为正向补偿系数，m为反向补偿系数。表1总结了本AGC所涉及的参数，本AGC的逻辑图如图1所示。

表1　AGC参数及含义Table 1 AGC parameters and meanings

图1　AGC逻辑图Fig.1 Logical diagram of AGC

如图1所示，增益控制部分主要由3个模块组成。RMS模块是一个滑动平均滤波器，将输入信号转化为TD内信号的平均值，以便于之后的定量控制；功率判断模块则根据RMS模块的输出来判断是否要调整当前增益（当前处于输入信号功率变化沿）还是继续保持之前增益不变（当前是稳定功率的输入信号）。功率判断模块除了判断出当前是否应该调整增益之外，还给出增益补偿信号，帮助后面的增益计算模块输出适合于当前信号的增益。

3 仿真结果

本节对所设计的AGC在Simulink环境下分别对LTE的TM2和TM3信号进行了仿真。将所采用14337个采样的TM2和TM3信号视为参考信号，分别如图2和图3所示。仿真中对TM2和TM3信号所做的衰减都是在图2和图3的参考信号基础上进行。经分析，图2的TM2信号的PAR为4．8dB，图3中TM3信号的PAR为5．76dB。以这2个参考信号为基础调整AGC的参数取值，具体如表2所示。

表2　AGC参数取值Table 2 AGC parameter values

图2　参考信号TM2Fig.2 Reference signal of TM2

图3　参考信号TM3Fig.3 Reference signal of TM3

在上述参数设置下，将LTE的TM2与TM3参考信号分段做不同的衰减作为输入进行仿真，以参考信号为基准，分别对其衰减10dB、20dB和30dB，连同参考信号共生成4段信号。值得注意的是，由于本文中所有描绘LTE信号的图都是信号电平值的量化，因此所做衰减均是相对信号电平值而言。对未衰减、衰减10dB、衰减20dB和衰减30dB四种衰减方式进行任意组合，可生成24种输入，对这24种输入数据全部进行仿真，可得到相同的结论，为便于描述，随机选取了2种分别作为TM2和TM3的输入，仿真结果分别如图4和图5所示。

图4　AGC的输入、输出、增益及过饱和（TM2）Fig.4 AGC input，output，gain and oversaturation of TM2

图5　AGC的输入、输出、增益及过饱和（TM3）Fig.5 AGC input，output，gain and oversaturation of TM3

在图4和图5中，自上而下分别是AGC的输入、输出、增益和过饱和现象的判断。图4选用4段LTE TM2信号共14337×4=57348个采样作为AGC的输入信号。其中，第一段是衰减了20dB的信号，第二段是未衰减的参考信号，第三段是衰减了30dB的信号，第四段是衰减了10dB的信号，纵坐标的范围是［-2500，2500］。AGC的输出信号纵坐标的范围是［-32767，32767］，增益纵坐标的范围是［0，1500］，最下面的图监控整个模拟过程是否产生了过饱和现象，0表示未产生，1表示在当前时刻产生。图4的结果表明，本方法能够使AGC的输出信号在理想范围内足够大。虽然在图4上看，输出信号还有继续增大的空间，可通过提高dcdp（或p）的值实现，但是结合TM3信号的情况即图5来看，更大的dcdp（或p）值将导致TM3信号输出过饱和。因此，这里表明本模型参数的取值是权衡了TM2和TM3两种信号的情况。

图4的第三行表明，本AGC输出的增益是阶跃性变化，与传统的AGC的逐步变化相比延迟更小，同时表明了本AGC可迅速判断输入信号功率发生变化的时刻，并对稳定功率的信号给出恒定的增益，因而信号的峰均比不变。结合图4第二行各阶段的信号输出值可见，本AGC对增益的计算是准确的。在图4的第四行中，产生了极小的一段过饱和现象，这是由AGC固有的延迟产生的，本方法中虽然可通过减小dcdp（或m）实现消除这段过饱和，然而减小dcdp（或m）将导致整个第三段信号的增益降低，总体上看性能的损失更大。因为即使保证了过饱和时刻的输出值回到了数字ADC能表示的范围内，该值仍无法表示实际输出信号的情况，并导致其后的信号对ADC位数占用率降低。

图5与图4的不同之处在于，图5使用的是TM3信号作为输入（后两段衰减方式是相同的），并且图5第一行的纵坐标范围是［-6500，6500］，图5第二行的纵坐标范围是［0，550］，除此之外与TM2均相同。图4和图5共同证明了本方法能够同时适用于LTE的TM2和TM3信号。此外，图4所指出的本方法对输入信号为TM2时的性能优势在输入信号为TM3的图5中依然存在。

4 结论

针对某LTE数字通信系统核心算法的输入需求，本文提出了一个新型的数字自动增益控制算法。在Simulink环境下的仿真结果表明，本AGC能够同时适用于TM2和TM3信号，能够在充分利用ADC量化位数的同时避免过饱和现象，能够准确判断输入信号功率变化状态并迅速做出调整，从而对稳定功率的输入信号给出恒定的增益，从各方面满足了核心算法的需求。

［1］李仝昀，M·克里斯普，R·彭蒂，等．有线通信链路上的RF信号发送［P］．WO2013156770，2013．LI Tong⁃yun，Crisp M，Penty R，et al．Transmission of an RFsignaloverawiredcommunicationslink［P］．WO2013156770，2013．

［2］Shen Y Y，Wang Y Q，Sheng D W，et al．Digital AGC based on coherent adjustment cycle for DSSS receiver［J］．China Communications，2015，12（2）：95⁃106．

［3］王经典．通信接收机中数字自动增益放大器模块的设计［J］．航空电子技术，2010，41（1）：37⁃40+44．WANG Jing⁃dian．Design of a digital automatic gain con⁃troller used for communication receivers［J］．Avionics Technology，2010，41（1）：37⁃40+44．

［4］黄维，周世军，杨浩．一种LTE终端接收机自动增益控制实现方法［P］．CN103841633A，2015⁃07⁃08． HUANG Wei，ZHOU Shi⁃jun，YANG Hao．An automatic gain control method for LTE terminal receiver［P］．CN103841633A，2015⁃07⁃08．

［5］董智红，崔嵬，吴嗣亮．全数字式前馈AGC设计与FPGA实现［J］．北京理工大学学报，2008，28（12）：1093⁃1096．DONG Zhi⁃hong，CUI Wei，WU Si⁃liang．Design and FP⁃GA implementation of full⁃digital feed forward AGC［J］．Journal of Beijing Institute of Technology，2008，28（12）：1093⁃1096．

［6］LTE 3GPP TS 36．213 V10．8．0［EB／OL］．［2012⁃12］．http：／／www．3gpp．org．

［7］McKinley M D，Remley K A，Myslinski M，et al．EVM calculation for broadband modulated signals［C］．64thARFTG Conference Digest，2004：45⁃52．

Design of a Novel Automatic Gain Control Method for Digital Communication System

CHEN Jia⁃xu，GUAN En⁃yi，LI Wen，WANG Jie，YAO Yi⁃dong
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

A novel automatic gain control（AGC）method is designed．Aiming at satisfying the requirement of some certain digital communication system，the digitalizing bits of ADC can be fully utilized with the designed AGC，and it is a⁃ble to handle with several transmission modes of LTE（such as TM2 and TM3）signal．It is shown from simulation results that by utilizing the proposed AGC，LTE TM2 and TM3 signal can be well handled，the digitalizing bits of ADC can get fully utilized while avoiding the oversaturation phenomenon，the power status of input signal can be estimated accurately and the gain can be adjusted rapidly，by this means，for input signal with stable power，constant gain can be generated by the proposed AGC．

automatic gain control（AGC）；digital communication system；transmission modes

V19

A

1674⁃5558（2016）01⁃01217

10．3969／j．issn．1674⁃5558．2016．06．010

2015⁃12⁃22

陈家旭，男，工程师，博士，研究方向为网络通信、移动无线网络和数字通信算法设计。