CN100372343C

CN100372343C - 数字脉冲成型滤波器输出增益的控制装置

Info

Publication number: CN100372343C
Application number: CNB2004100704082A
Authority: CN
Inventors: 董霄剑
Original assignee: Beijing T3G Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing T3G Technology Co Ltd
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2024-08-02
Also published as: CN1588930A

Abstract

本发明涉及一种无线通信***，特别是涉及一种在TD-SCDMA***(移动通信***时分同步码分多址)中对RRC(根升余旋)数字滤波器进行输出增益控制的装置。本发明的增益控制装置包括输出增益装置，选择自适应调节所需的有效位。自动增益控制是建立在无线帧的基础之上，通过计算目前及以前帧的某个时隙的功率或幅度来预测下0一个帧的功率或时隙然后为下一帧设定一个增益。本发明可以要有效地减小运算规模，降低存储空间。

Description

数字脉冲成型滤波器输出增益的控制装置

技术领域

本发明涉及一种无线通信***，特别是涉及一种在TD-SCDMA***(移动通信***时分同步码分多址)中对RRC(根升余旋)数字滤波器进行输出增益控制的装置。

背景技术

随着无线通信事业的发展和普及，移动通信用户数量在成倍地增长，尤其是中国的移动用户这几年来一直以150％以上的速度在增长。用户对通信的速度和质量要求也越来越高。

在无线通信***中，快速衰落的无线传输信道对信号的恶化是非常严重的，对于数字接收机而言，AGC(自动增益控制)可以对衰落起到抑制作用并使接收的基带信号相对稳定，但是在数字接收机中，尤其在第二代(2G)及第三代移动通信***中(3G)，邻道也即多个相邻载频的信号而引起的接收信号的变化也是非常严重的：按标准的要求，邻道干扰比本载频信号最恶劣时要大40dB左右。对于TD-SCDMA，还有很强的FDD的带外信号。通常地，无论对于已广泛地应用于3G的基站及手机接收中的零中频的射频接收机或超外差射频接收机，在数字接收机端的基带通过脉冲成型匹配滤波器RRC(根升余旋滤波器)来滤除大部分的邻道干扰。

但是，现有技术中AGC的测量是在RRC之前。这样设置的主要目的是为了保证本载频的信号不会饱和溢出，因为这时本载频及邻频信号还没有分离。量化比特的长度有较大的动态范围是分配给了相邻载频信道，而数字RRC滤波器的定点实现设计又是以这时的采样信号幅度而设计的，它需要保证在滤波的过程中累加器不会溢出饱和。由于定点运算并没有考虑到滤波特性，而仅从数学的乘法、加法这些数学运算本身考虑。从运算的角度考虑，它相当于全通滤波器的字长预留。

因而，现有技术的增益控制具有需要使用较大的存储空间存储中间数据及运算结果，造成芯片面积大的缺陷。

另外，在邻道干扰外还有噪声的滤波，但由于噪声与信号相比是较弱的，因此分析时不作主要考虑，但其效果仍可归并到邻道干扰中。在后文中，我们邻道的干扰信号及噪声的叠加通称为干扰信号。

发明内容

本发明的主要目的就是为了提高RRC滤波器后定点数据对本载频的表示精度，避免无效比特的传递。提高接收机的性能和减小硬件实现的数字字长和存储空间，从而缩小芯片面积。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种数字脉冲成型滤波器输出增益控制装置：输出增益控制装置选择自适应调节所需的有效位，利用RRC滤波器之前的功率估计值与RRC滤波器之后的功率估计值计算移位值，所述输出增益控制装置包括：RRC滤波器、RRC前信号功率估计器、RSSI估计器、相乘控制RRC滤波输出器，其中，

RRC前信号功率估计器用来估计RRC滤波器前的信号功率，并从模数转换器接收信号；RRC前信号功率估计器在估计完本帧的特定时隙的信号总功率后，将信号输出到相乘控制RRC滤波输出器，相乘控制RRC滤波输出器控制RRC滤波输出的定点数字；

用来估计接收有用信号的功率的RSSI估计器设置在后端接收数字处理装置与相乘控制RRC滤波输出器之间；

RSSI估计器在估计完本帧的特定时隙的有用信号功率估计后输出到相乘控制RRC滤波输出器，移位控制RRC滤波输出；

相乘控制RRC滤波输出器接收从RRC滤波器传送来的数据，在这里要进行控制的移位截位输出。

从以上所述可以看出，本发明提供的数字脉冲成型滤波器输出增益控制装置，通过避免无效比特的传递，可以提高接收机的性能和减小硬件实现的数字字长和存储空间，从而缩小芯片面积。

附图说明

图1是本发明射频前端及AGC及自适应有效位调节***框图；

图2是增益控制RRC滤波输出的分解图；

图3是TD-SCDMA子帧结构图；

图4是RRC滤波器的原理图；

图5是移位控制RRC滤波输出分解图的简化实现结构图。

具体实施方式

为了缩小芯片面积，首先从以下两方面进行分析：

一方面，在某个功能运算模块中，设有如下运算

Y = Σ_{n = 1}^{N} X^{2}

其中，X是从RRC的输出得到的数据，Y是本功能模块的一个变量，为简单描述起见，若X∈[-1，1)用Q+1比特的定点数据表示一个符号位。如表1所示，为RRC滤波器的输出说明。

表1

符号位

无效位

有效位

…

符号位

无效位

有效位

…

定点运算的数学表示的Y不损失精度的表示位是2Q+1。如此，若X的定点表示在符号位之后有2个无效位(对于正数，无效位是“0”，对于负数，无效位是“1”)，则Y的输出就有4个无效位，这样就造成了定点表示的浪费，而且，若有进一步的对于Y的计算，为了能够使用Y的有效位数据，就要扩大硬件的运算规模。例如，要使用Y的4位有效位，就要用8位数据位来计算。

但如果Y的数据在符号位之后就是有效位，则只用4位来进行计算。这样，提高了有效位，就可降低运算规模。以上的举例以平方为例，但在接收机的***设计时，加法、乘法等等的运算在有效位的预留考虑是完全相同的。

另一方面，在许多功能模块的输出都是作为另一个功能模块的输入，而在输出前，如果存在数据的缓冲存储，则可大大缩减存储空间。仍以上面的模型举例，若我们运算的结果要存储700×8比特有效位，而如果有4位无效位，则我们的存储空间要700×12比特，就扩大了存储空间。造成资源浪费，提高了成本。

从上面的分析可知，要有效地减小运算规模，存储空间，就要提高数据定点表示的效率，而RRC的输出是所有后续计算的源头，因此，为了实现本发明的目的，主要是对RRC提高输出的有效位。

本发明为自适应有效位调节，由增益乘法器(可变比特移位控制器)构成，通过计算来重新选择所需的有效位。正如上面所说，它是由邻道及干扰信号的强度来控制的。如果干扰信号信号较强，对ADC(模数转换)来讲实际上是压缩有用信号来保证有用信号加干扰信号不在采样时溢出并且这个信号不会工作在射频的非线性区间。例如，比有用信号强12dB的干扰信号将占用最高2比特的量化空间。在经过RRC滤波器后，大部分的干扰信号(带外信号)被滤除了，因此其输出就可以提高两个有效位。如果没有干扰，则输出的数据将保持不变。

另外一个需要考虑的就是在时延要求较严格的***中应用时，这种计算也是要建立在预测的基础之上。

本发明的装置可用于所有具有脉冲波束成型的无线数字通信***，尤其是第三代无线通信***中的基站及终端接收。在终端中的应用将能提高***的接收性能，缩小终端解调芯片的规模。

本发明的一个具体实施例如图1所示，设置在射频前端及AGC及自适应有效位调节***中。该***由诸如射频端模拟信号放大器1、自动增益控制器3、模数转换器2、后端接收数字处理8等无线通信***尤其是3G的接收机***的典型部件组成，另外，还包括本发明还包括由RRC前信号功率估计器4、RRC滤波器6、RSSI估计器5、相乘控制RRC滤波输出器7构成的输出增益装置。

图1中，AGC(自动增益控制器)3能够保证在进行模数转换时能够最大可能地利用预设的转换位而且同时又把溢出饱和的比例控制在很小的范围。这种控制是通过给射频前端的放大器增益值来进行的。以TD-SCDMA终端为例，AGC是建立在无线帧的基础之上，通过计算目前及以前帧的某个时隙的功率(或幅度)来预测下一个帧的功率或时隙然后为下一帧设定一个增益。

本发明是为保证在包括RRC滤波器之后的数字接收解调单元能够使用尽可能少的字长来进行乘积、但累加的运算结果能保证接收机的性能。另外一方面，本发明在使用相同比特的字长时能提高接收机的运算精度，从而提高其性能。

下面，详细描述本发明实施例的装置。

从上述描述可见，本发明实施例的装置主要是为了尽最大的可能使用RRC输出的有效位。因为在数模转换后，信号是包括干扰信号的，因此从估计出的RSSI(接收有用信号强度)是不可能得到移位值的。

本发明具体实施例的装置是利用RRC滤波器之前的功率估计值与RRC滤波器之后的功率估计值的数学计算来计算幅度增益值(移位值)。

以下以第三代移动通信***的标准之一TD-SCDMA的终端中的应用来介绍此装置及其使用。

由于本发明实施例是在TD-SCDMA中的应用是建立在帧、子帧及时隙的基础之上，因此为了能更清楚地描写本发明装置的工作原理，首先简要介绍TD-SCDMA的帧结构，如图3所示，TD-SCDMA是以5ms为一个子帧的时间单位。每一个TD-SCDMA的子帧分为7个普通时隙(TS0～TS6)和三个特殊时隙。

本发明主要针对每个时隙来进行处理的。因为在TD-SCDMA中各个时隙的功率是不相同的，因此就如自动增益控制要针对每一个子帧中相同位置的时隙来处理一样，本发明也是针对每一个子帧中相同位置的时隙。

以下结合图1、2来介绍本发明的各个装置及其实现方法。

无线接收机射频前端首先是射频端模拟信号放大器1，该装置控制中频信号(超外差接收机)或模拟基带信号的增益。其控制可以是单级放大也可以是多级放大。在图1中用单级放大来表述。其放大的增益控制值是由自动增益控制器输出的。

放大后的信号传送到模数转换器(ADC)2。模数转换器2是将模拟基带信号采样后量化为数字信号，以便后面的数字信号处理。对于模数转换器有如下几个重要特征值：满幅度电压、转化速率、量化比特数。

满幅度电压有对应于相应的满幅度信号功率，其对应关系取决于输入到模数转换器的信号的取值范围(非随机信号)或随机特性(随机信号)。一般来讲，无线通信中，经过射频前端的信号都是高斯分布的，但也决不局限于高斯分布。以下我们设模数转换器满幅度功率为P_ref。

转换速率取决于输入信号的频谱特性，本发明不涉及ADC的转换速率。

量化比特数：这是ADC的最主要的特性，量化比特数的不同，决定了ADC后信号的量化精度、量化噪声及对输入模拟信号适应的动态范围。在图1中，经过射频端模拟信号放大器的信号，包括了有用信号及干扰，这些和信号将被转换为M比特的数字信号。

无线通信的接收端中，还设置有自动增益控制器3，控制模拟信号放大的增益。自动增益控制器3的输入端与模数转换器2的输出端相连，其输出端连接到模拟信号放大器上。这是由于对于所接收的无线信号，其接收幅度/功率不仅很小而且是时变的。这就要求在进行处理时不仅要将接收信号放大，而且放大的倍数(增益)要尽可能的跟上接收信号强度的变化。信号向小改变时，相应地提高放大增益，信号向大改变时，相应地减小放大增益。而这个跟随信号强度改变得跟踪过程是通过自动增益控制器来进行的。AGC不仅存在于超外差接机中，也存在于零中频接收机中。它把信号放大的目标准则是与模数转换器的满幅度电压和满幅度功率有关的。这取决于自动增益控制的算法。

以下结合图1及图2来具体描述自适应有效位调节装置及算法。

如图所示，本发明的输出增益装置包括：RRC前信号功率估计器4、RRC滤波器6、RSSI估计器5、相乘控制RRC滤波输出器7。

用来估计RRC滤波器前的信号功率的RRC前信号功率估计器4设置成接收经模数转换器2的信号：

这里的信号包括了本用户所需的信号以及干扰信号。设从模数转换器来的输入信号为r(n)，n＝1，2，...，N。N是我们估计信号功率的采样点总个数。在TD-SCDMA中，N是每个时隙的数据或Midamble数据长度的P倍，这里P是过采样的倍数。则此信号的功率估计P_r为(也可以用其它的功率估计方法，例如加平滑滤波估计，但P_r的估计方法并不影响本发明专利的整体装置)：

P_{r} = \frac{1}{N} Σ_{n = 1}^{N} {| r (n) |}^{2} - - - (1)

RRC前信号功率估计器4在估计完本帧的特定时隙的信号总功率后，将信号输出到相乘控制RRC滤波输出器7，相乘输出器7控制RRC滤波输出的定点数字。

用来估计接收有用信号的功率的RSSI估计器5设置在后端接收数字处理装置8与相乘控制RRC滤波输出器7之间。这里的信号输入是RRC滤波器6的输出。此装置的输入信号包括了有用信号及经RRC滤波后残留的带外信号及噪声即残留的干扰信号。

设从RRC滤波器6来的输入信号为s(n)，n＝1，2，...，L。L是我们估计有用信号的采样点数总和。在TD-SCDMA中，L是每个时隙的数据或Midamble数据长度的Q倍，这里Q是RRC滤波后的信号速率除以码片速率。则此信号的功率估计P_s为(也可以用其它的功率估计方法，例如加平滑滤波估计，但P_s的估计方法并不影响本发明的整体装置)

P_{s} = \frac{1}{L} Σ_{l = 1}^{L} {| s (l) |}^{2} - - - (2)

RSSI估计器5在估计完本帧的特定时隙的有用信号功率估计后输出到相乘控制RRC滤波输出器7，移位控制RRC滤波输出。

RRC滤波器6完成无线通信***的波束成型滤波。在3G移动通信***中对此滤波器的频率响应作了规定，在***实现中均是以数字滤波器的形式实现的。其最后一步的截位输出由相乘控制RRC滤波输出器7来完成。

下面介绍某种RRC滤波器的定点实现方案，如图4所示。

从RRC滤波器的推导可以看出，由于定点运算并没有考虑到滤波特性，而仅从数学的乘法，加法这些数学运算本身。从运算的角度考虑，它相当于全通滤波器的字长预留。

相乘控制RRC滤波输出器7接收从RRC滤波器6传送来的数据，在这里要进行控制的移位截位输出。其算法原理分解如图2所示。

相乘控制RRC滤波输出器7包括用户信号功率比率计算器701、累加平均器702、控制系数产生器703、延时Z帧705、相乘输出器704。

用户信号功率比率计算器701接收来自RSSI估机器5输出的估计值P_s和RRC前信号功率估机器4输出的滤波前功率估计值P_r，并完成计算接收计信号中用户信号占总接收信号的功率比率。本装置完成如下运算：

B_P＝P_s/P_r (3)

式中，B_P表示我们需要计算的用户功率占总功率的比率。其中P_r，P_s如公式(1)和公式(2)所示。因此1-B_P约等于带外干扰功率占总功率的比率。我们将要根据这个干扰功率的估计值来计算截位移位数值。

累加平均器702设置在用户信号功率比率计算器701之后，用来平均计算用户信号功率比率计算器701对每一帧中相同时隙的B_P的连续几帧的平均值。这种计算可以用滑动平均，也可以用卡尔曼滤波的方式。其功能都是试图滤除噪声的影响和快速衰落的影响。举例说明

{\overset{&OverBar;}{B}}_{P} (n) = \frac{1}{L} Σ_{l = 0}^{L - 1} B_{P} (n - l) - - - (4)

式中

表示第n帧的平均结果值。L表示滑动平均的平均长度，当然也可以是取L＝1。这时

{\overset{&OverBar;}{B}}_{P} (n) = B_{P} (n) .

控制系数产生器703设置在累加平均器702之后，计算对RRC输出的幅度的乘法系数，这个系数小于1。在这里信号的幅度和信号的功率的关系主要与信号的分布有关系，这里为了充分保证接收的信号不被破坏，本实施例以信号的功率是幅度的平方(二点零均值分布)

{\overset{&OverBar;}{B}}_{A} = \frac{1}{\sqrt{{\overset{&OverBar;}{B}}_{P}}} - - - (5)

式中，

是我们需计算的幅度增益系数。在数字实现时，尤其在用硬件实现定点运算时，取

上式中

表示取小于的最大的2次幂分之一(0≤k≤1og₂(累加器长度)，k取整数)。这样在实际实现时就可以直接进行定点小数移位的方法达到相乘的效果。

相乘输出器704，完成对RRC滤波的信号进行相乘输出的功能。其乘法系数是

如果取近似值

则相乘运算就可以用移位运算来代替，大大简化了装置的实现复杂度。

综合用户信号功率比率计算器701、累加平均器702、控制系数产生器703、相乘输出器704，图2所示的装置也可以简化为如图5所示的简化装置。其中，移位输出的数字简化过程及移位过程如表2所示。在移位的过程中，数字的符号位始终是保持不变的，而其具体的整数及小数表示是由控制移位产生器703来控制。由控制移位产生器703产生的移位控制将无效位去除，提高了数字的定点表示精度。

表2

符号位

0

有效位

…

↓ 控制移位

符号位

有效位

…

另外，在某些实时处理要求比较严格的场合，对本帧的控制位产生后再去控制本帧的移位输出将不能满足***的时间要求，因此本帧产生的控制位将用于下一帧的移位输出，只要其产生的条件及数值是关连的，及可预测的。事实上在许多***中，这个条件是成立的。对于TD-SCDMA的不同子帧的相同位置的时隙，其带内功率与带外功率的比值是几乎相同的，因此可以用于延时控制，设置延时Z帧705。当然，对于实时处理不是严格要求的***，延时Z可以是0，即本帧产生的移位值控制本帧。

后端接收数字处理装置8，将完成对数据的接收，由于不是本发明所要解决的问题，因而省略对其详细说明。

Claims

1.一种数字脉冲成型滤波器输出增益控制装置，其特征在于：输出增益控制装置选择自适应调节所需的有效位，利用RRC滤波器之前的功率估计值与RRC滤波器之后的功率估计值计算移位值，所述输出增益控制装置包括：RRC滤波器、RRC前信号功率估计器、RSSI估计器、相乘控制RRC滤波输出器，其中，

2.根据权利要求1所述的数字脉冲成型滤波器输出增益控制装置，其特征在于：输出增益控制装置设置在包括如下部件的***中：射频端模拟信号放大器，控制中频信号或模拟基带信号的增益；

模数转换器，经放大后的信号传送到模数转换器；

自动增益控制器，控制模拟信号放大的增益，其输入端与模数转换器的输出端相连，其输出端连接到模拟信号放大器上；

后端接收数字处理装置。

3.根据权利要求2所述的数字脉冲成型滤波器输出增益控制装置，其特征在于：自动增益控制器是建立在无线帧的基础之上，通过计算目前及以前帧的某个时隙的功率或幅度来预测下一个帧的功率或时隙然后为下一帧设定一个增益。

4.根据权利要求1所述的数字脉冲成型滤波器输出增益控制装置，其特征在于：相乘控制RRC滤波输出器包括：用户信号功率比率计算器、累加平均器、控制系数产生器、相乘输出器；

用户信号功率比率计算器接收来自RSSI估机器输出的估计值和RRC前信号功率估机器输出的滤波前功率估计值；

累加平均器设置在用户信号功率比率计算器之后，用来平均计算用户信号功率比率计算对每一帧中相同时隙的的连续几帧的平均值；

控制系数产生器设置在累加平均器之后，计算对RRC输出的幅度的乘法系数；

相乘输出器，完成对RRC滤波的信号进行相乘输出。

5.根据权利要求4所述的数字脉冲成型滤波器输出增益控制装置，其特征在于：相乘控制RRC滤波输出器还包括延时Z帧，在实时处理要求严格的场合用于延时控制。

6.根据权利要求4所述的数字脉冲成型滤波器输出增益控制装置，其特征在于：控制系数产生器中产生的幅度增益系数取2的幂次方分之一。

7.根据权利要求1所述的数字脉冲成型滤波器输出增益控制装置，其特征在于：用户信号功率比率计算器、累加平均器、控制移位产生器、移位输出器。