ES2273514T3 - Metodo y aparato para control automatico de ganancia. - Google Patents
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Abstract
Método para implementar un control automático de ganancia en un sistema en el que una señal analógica se convierte en una señal digital y en el que se realiza un control automático de ganancia de la señal ajustable de una manera analógica usando un paso de control de ganancia de una magnitud predeterminada y en el que se realiza un control de ganancia inverso de la señal digitalizada de tal manera que, después del ajuste digital, la potencia de la señal es la misma que antes del ajuste analógico, caracterizado porque se determina la energía máxima de la señal durante un periodo de medición predeterminado, se compara la energía máxima determinada con unos valores de umbral fijados previamente, y en el caso de que el valor medido supere el umbral, se realiza un control automático de ganancia de la señal analógica y se compensa el control de ganancia en la señal digital.
Description
Método y aparato para control automático de
ganancia.
La presente invención se refiere a un método y a
un aparato para implementar un control automático de ganancia en un
sistema en el que una señal analógica se convierte en una señal
digital.
La presente invención se refiere a sistemas y
aparatos que usan conversores
analógicos-a-digitales. Los
conversores analógicos-a-digitales
comprenden un cierto área dinámica específica del conversor, la cual
debería ser utilizada en su totalidad si se desea un rendimiento
óptimo. Si la intensidad de una señal que llega a un conversor varía
mucho, surgen problemas con la utilización del área dinámica del
conversor. Las señales demasiado intensas se recortan y las señales
de baja potencia no utilizan adecuadamente la capacidad del
conversor. Por esta razón, la potencia de la señal en la entrada del
conversor se ajustará dinámicamente. En relación con esto, al
ajuste de potencia se le denomina en general Control Automático de
la Ganancia AGC.
El documento US 4.851.842 da a conocer una
solución de la técnica anterior para implementar un control
automático de ganancia en relación con un conversor
analógico-a-digital. Se monitoriza y
ajusta una señal analógica por medio de un preamplificador ajustable
y se realiza una compensación del control automático de ganancia
sobre la señal digital en la salida del conversor.
El documento US 3.813.609 da a conocer otra
solución de la técnica anterior para implementar un control
automático de ganancia en relación con un conversor
analógico-a-digital. Basándose en
una señal de salida digital del conversor, en la entrada de dicho
conversor se ajusta el nivel de potencia de una señal analógica.
El documento US 5.365.233 da a conocer una
solución más de la técnica anterior para implementar un control
automático de ganancia en relación con un conversor
analógico-a-digital. Basándose en el
valor absoluto de una señal de salida digital del conversor, en la
entrada de dicho conversor se ajusta el nivel de potencia de una
señal analógica.
La presente invención se puede aplicar
preferentemente, de forma particular, a las telecomunicaciones
digitales. Cuando se usa el tráfico basado en intervalos de tiempo
para la transmisión de datos, es preferible que la potencia de una
señal recibida por un receptor permanezca constante durante todo el
intervalo de tiempo. Esta opción es esencial para el funcionamiento
de un corrector de frecuencia. En los sistemas AGC conocidos,
aplicados a sistemas GSM, por ejemplo, la potencia se ajusta una
vez durante un intervalo de tiempo. En general, el control
automático de ganancias se ha basado en la potencia de los primeros
bits de los intervalos de tiempo. No obstante, como la potencia de
una señal proveniente de una antena puede variar mucho durante un
intervalo de tiempo, en los sistemas conocidos la potencia media se
fija de manera que es tan baja que incluso se encuentran posibles
picos de potencia dentro del área dinámica de un conversor A/D. Por
esta razón, por término medio el área dinámica del conversor A/D se
utilizará de forma deficiente, ya que los bits más significativos
apenas se usan. En ese caso la resolución del conversor será
deficiente.
Uno de los inconvenientes de los métodos
conocidos usados en sistemas digitales es también que los mismos
funcionan de forma deficiente en combinación con ráfagas de
establecimiento de conexiones. Las ráfagas de establecimiento de
conexiones, es decir, ráfagas de acceso, se pueden ubicar en un
lugar aleatorio de un intervalo de tiempo, en cuyo caso el control
automático de ganancia no puede funcionar eficazmente.
Por consiguiente, uno de los objetivos de la
invención es implementar un método y un aparato para realizar el
método de tal manera que se puedan resolver los problemas
mencionados. Esto se alcanza con el método de la invención para
implementar un control automático de ganancia en un sistema en el
que una señal analógica se convierte a una señal digital y en el
que se realiza un control automático de ganancia de la señal
ajustable de una manera analógica usando un paso de control de
ganancia de una magnitud predeterminada y en el que se realiza un
control de ganancia inverso de la señal digitalizada de tal manera
que, después del ajuste digital, la potencia de la señal es la
misma que antes del ajuste analógico. En el método de la invención,
se determina la energía máxima de la señal durante un periodo de
medición predeterminado, se compara la energía máxima determinada
con unos valores de umbral fijados previamente, y en el caso de que
el valor medido supere el umbral, se realiza un control automático
de ganancia de la señal analógica y se compensa el control de
ganancia en la señal digital.
Otro de los objetos de la invención es un
aparato para implementar un control automático de ganancia en un
sistema en el que una señal analógica se convierte a una señal
digital y comprendiendo dicho sistema medios para realizar un
control automático de ganancia de la señal ajustable de una manera
analógica usando un paso de control de ganancia de una magnitud
predeterminada y medios para realizar un control inverso de ganancia
de la señal digitalizada de tal manera que, después del ajuste
digital, la potencia de la señal es la misma que antes del ajuste
analógico. El aparato de la invención comprende medios para
determinar la energía máxima de la señal durante un periodo de
medición predeterminado, medios para comparar la energía máxima
determinada con valores de umbral fijados previamente y medios para
iniciar un control automático de la ganancia de la señal analógica
y una compensación del control de ganancia en la señal digital, si
el valor medido supera el
umbral.
umbral.
En las reivindicaciones subordinadas se exponen
formas de realización preferidas de la invención.
Con el método y el aparato según la invención se
obtienen varias ventajas. Gracias a que, en la solución de la
invención, el control automático de ganancia se realiza
continuamente usando un periodo de medición para promediar
resultados de las mediciones, la solución de la invención es capaz
de reaccionar a una potencia que varíe durante un intervalo de
tiempo. Por medio de la solución, la potencia se puede mantener
constante durante un intervalo de tiempo de una manera
esencialmente mejor que antes. En una forma de realización
alternativa preferida de la invención, es posible mitigar este
efecto de vibración del nivel de potencia que se produce en el
control del nivel de potencia.
A continuación se describirá la invención más
detalladamente por medio de formas de realización preferidas,
haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que
la Figura 1 muestra un intervalo de tiempo de un
sistema GSM y un ejemplo de un periodo de medición,
la Figura 2 ilustra un receptor, en el cual se
puede aplicar la invención,
la Figura 3 ilustra una disposición para
implementar el AGC,
la Figura 4 muestra un ejemplo de un aparato
según la invención,
la Figura 5 ilustra el tiempo de ajuste de la
potencia de la señal en el control, y
la Figura 6 presenta otro ejemplo del aparato de
la invención.
La presente invención se puede aplicar a
cualquier disposición que use conversores
analógicos-a-digitales, aunque las
ventajas de la invención se ponen más claramente de manifiesto
cuando la misma se aplica a sistemas digitales de transmisión de
datos, tales como el sistema GSM.
La Figura 1 ilustra la estructura de un
intervalo de tiempo GSM. Un intervalo de tiempo 100 comprende bits
de inicio y parada 102, 104, una secuencia de entrenamiento 106 en
mitad del intervalo de tiempo y dos campos de datos 108, 110 que
contienen la información real a transferir. La secuencia de
entrenamiento 106 se usa para realizar una estimación de una
respuesta impulsional de un canal de transmisión y, por lo tanto, la
potencia debería permanecer constante durante el intervalo de
tiempo. En soluciones de la técnica anterior, la potencia de un
intervalo de tiempo se ha ajustado basándose en los bits de inicio
102. No obstante, esta situación no ha conducido a un resultado
final satisfactorio.
En la solución de la presente invención, el
control automático de ganancia utiliza un periodo de medición de
una duración predeterminada. En una forma de realización preferida
de la invención, la duración del periodo de medición es
sustancialmente menor que la duración de un intervalo de tiempo. La
Figura 1 ilustra esta situación con un segmento de línea 112, que
representa periodos de medición sucesivos. La duración de un periodo
de medición 114 es considerablemente menor que el intervalo de
tiempo.
En la solución de la invención, se determina la
energía máxima de una señal recibida durante un periodo de medición
predeterminado, y se realiza un ajuste AGC basándose en el resultado
de esta medición. La energía máxima determinada del periodo de
medición se compara con valores de umbral fijados previamente. En
una de las formas de realización preferidas de la invención, se
usan dos valores de umbral, uno para incrementar y el otro para
decrementar la potencia. Los valores de umbral pueden ser de
magnitudes diferentes. Si un valor determinado de la energía máxima
de un periodo de medición supera uno de los dos umbrales, se realiza
un control automático de ganancia de la señal analógica y,
respectivamente, se compensa el control de ganancia en la señal
digital.
Como ejemplo, a continuación se estudia un
receptor de un sistema digital de telecomunicaciones por medio de
la Figura 2, pudiéndose aplicar a dicho receptor la invención. El
receptor comprende una antena 200, mediante la cual se recibe una
señal deseada. La señal se lleva a las partes de radiofrecuencia
202, en las que la señal se filtra y se convierte a una frecuencia
intermedia. Desde las partes de radiofrecuencia, la señal 204 se
lleva a un circuito AGC 206, el cual ajusta la potencia de la señal
antes que un conversor
analógico-a-digital 208. Desde el
conversor, la señal digitalizada se lleva a las partes de banda base
210, en las que se mide la potencia de la señal, se controla el
circuito AGC y se compensa el control de ganancia automático
realizado por el circuito AGC. Desde las partes de banda base 208,
la señal se lleva adicionalmente a las otras partes del receptor,
tales como un detector. Las mismas no se muestran en las figuras, ya
que no son relevantes para la invención.
La Figura 3 ilustra más detalladamente una
disposición para implementar el AGC en el receptor de la Figura 2.
En primer lugar, una señal 204 proveniente de las partes de
radiofrecuencia se lleva a un amplificador controlado por voltaje
300 que amplifica la señal según una señal de control 302. La señal
amplificada se lleva a un filtro pasabanda 304 y desde allí
adicionalmente hacia un conversor
analógico-a-digital 208, en el que
la señal analógica recibida por una antena se convierte a formato
digital. La señal digitalizada 306 se lleva a las partes de banda
base 210, en las que se mide la potencia de la señal según la forma
que se describe posteriormente y se ajusta el AGC. Desde las partes
de banda base 210, la señal de control 302 avanza hacia el
amplificador controlado por voltaje 300. Desde las partes de banda
base, la señal se lleva a un módulo de compensación 308 para el
ajuste AGC, con lo cual se anula el control de ganancia del
amplificador controlado por voltaje para situar la señal en el
formato original. Desde las partes de banda base llega una señal de
control 310 a través de un elemento de retardo 312 hacia el módulo
de compensación 308 para el control de ganancia. El retardo tendrá
la misma duración que lo que tarda la señal en avanzar desde el
amplificador controlado por voltaje hasta las partes de
compensación.
En la Figura 4, un diagrama de bloques ilustra
un ejemplo de una implementación de la solución de la invención. En
una de las formas de realización preferidas de la invención,
inicialmente una señal de frecuencia intermedia 204 proveniente de
las partes de radiofrecuencia se lleva hacia un conversor de
frecuencia 400, el cual, controlado por un oscilador controlado
numéricamente 402, convierte la señal en una señal de banda base
404. La señal 404 es una señal compleja que comprende una rama
tanto I como Q 406, 408. En la solución de la invención, cada rama
406, 408 está conectada a un módulo independiente de cálculo 410,
412, que determina el cuadrado del valor absoluto de la señal. Los
valores obtenidos se llevan a un sumador 414, y la suma 418,
obtenida de esta manera y que representa la potencia de la señal,
se lleva a un comparador 420. En el comparador 420 se introduce
también la duración 422 de un periodo de medición. Durante un
periodo de medición, el comparador determina la potencia máxima de
la señal y la transfiere a su salida 424. El valor de la potencia
máxima se lleva a un primer y un segundo detector de umbral 426,
428. En el primer detector de umbral 426 se introduce también un
valor de umbral de límite superior fijado previamente 430. En el
primer detector de umbral 426, la potencia máxima se compara con el
valor umbral 430 determinado, y si se supera el límite, una señal de
reducción del control de ganancia 434 se conecta a una unidad de
control 436. En el segundo detector de umbral 428 se introduce
también un valor de umbral de límite inferior fijado previamente
432. En el segundo detector de umbral 428, se compara la potencia
máxima con el valor de umbral determinado 432, y si está por debajo
del límite, se conecta una señal de incremento de control de
ganancia 438 a la unidad de control 436. Basándose en las señales
de los detectores de umbral, la unidad de control 436 envía una
orden de modificación de potencia 440 al amplificador controlado
por voltaje. De forma correspondiente, la unidad de control 436
envía una señal de compensación del control de ganancia 442.
Por consiguiente, un amplificador controlado por
voltaje ajusta una señal analógica en la entrada de un conversor
analógico-a-digital. En la solución
de la invención, el control automático de ganancia se realiza usando
un paso de control de ganancia de una magnitud predeterminada. En
una de las formas de realización preferidas de la invención, el
paso de control es 6 dB. A continuación, se puede realizar
preferentemente una compensación en la señal digital como una
transferencia de bits. Transfiriendo los bits en sentido descendente
en un bit (es decir, descartando el bit menos significativo), se
proporciona una caída de potencia de 6 dB.
Consecuentemente, en la solución de la
invención, en primer lugar se lleva una señal de compensación de
control de ganancia hacia un elemento de retardo 444, en el que la
señal de compensación se retarda tanto tiempo como el que necesite
la señal ajustable para moverse desde el amplificador controlado por
voltaje a los medios de compensación. El retardo del elemento de
retardo también puede ser ajustable por medio de una señal de
control 452. Desde el elemento de retardo 444, el control avanza
hacia los registros de desplazamiento 446, 448, disponiéndose de
uno de ellos para cada rama. En los registros, la señal digital se
desplaza a una de las direcciones basándose en el control, con lo
cual se puede compensar el control automático de ganancia. Desde
los registros 446, 448, la señal 450 se lleva adicionalmente a las
otras partes del receptor.
En la forma de realización preferida de la
invención, los módulos de cálculo 410, 412 utilizan únicamente los
bits más significativos de la señal para determinar la energía
máxima. De este modo, en el caso ilustrativo de la figura, hacia
los módulos de cálculo se llevan únicamente los ocho bits más
significativos.
Por consiguiente, el amplificador controlado por
voltaje ajusta una señal analógica en la entrada de un conversor
analógico-a-digital preferentemente
en pasos de 6 dB. La Figura 5 ilustra el comportamiento de la
potencia en el control automático de ganancia. En el ejemplo de la
figura, representando el eje horizontal el tiempo y el eje vertical
la potencia, dicha potencia se incrementa en un paso. En el instante
de tiempo 0, se da una orden de control de ganancia, y la potencia
se eleva 6 dB. A causa de las propiedades del amplificador, en el
control de ganancias se produce frecuentemente una vibración, antes
que la potencia alcance el nivel de potencia superior deseado en el
instante de tiempo T1.
En una forma de realización alternativa y
preferida de la invención, es posible mitigar este efecto de la
vibración del nivel de potencia. En el método de la invención,
después de un control analógico de la ganancia (en el instante de
tiempo 0 en el ejemplo de la Figura 5), la señal digital se mantiene
constante a su valor anterior durante la vibración y la señal
digital compensada en ganancia no se conecta en el sentido de avance
hasta el instante de tiempo T1, cuando ha descendido la vibración
del nivel de potencia.
Esta forma de realización alternativa de la
invención se ilustra en la Figura 6. En dicha Figura 6, las señales
de salida 434, 438 de un primer y un segundo detectores de umbral
426, 428 se llevan, además de a una unidad de control 436, también
a un circuito de control de retención de voltaje 600. El circuito de
control 600 envía una orden de retención y una orden que anula la
retención 602 hacia los circuitos de retención 604, 606 de las
ramas I y Q. Las órdenes pasan a través de un segundo elemento de
retardo 608. En el elemento de retardo 608, la señal se retarda el
tiempo que necesite la señal ajustable para moverse desde un
amplificador controlado por voltaje a los medios de compensación.
El retardo del elemento de retardo también puede ser ajustable
mediante una señal de control 610. En el circuito de control de
retención se introducen también una señal de control 612, que
informa sobre si se usa o no la retención, y una información 614
sobre la duración necesaria de la retención. Los circuitos de
retención se pueden implementar por métodos conocidos para los
expertos en la materia.
En otra forma de realización alternativa de la
invención, no se usa la retención, sino que durante la vibración
las muestras se ajustan a cero. En otros aspectos, el funcionamiento
es similar al anterior, excepto que en este caso los circuitos de
retención 604, 606 son elementos de ajuste a cero. La implementación
se puede producir según métodos conocidos para los expertos en la
materia.
En otra de las formas de realización
alternativas de la invención, no se usa ni la retención ni el ajuste
a cero, sino que durante la vibración se interpola la señal digital.
En este caso, el circuito de control 600 interpola la señal por
medio de las primeras y posiblemente también las últimas muestras de
la señal. La interpolación puede tener lugar usando métodos
matemáticos. El funcionamiento es como el anterior, excepto que en
este caso los circuitos de retención 604, 606 son elementos de
compensación de la muestra. La implementación se puede producir por
métodos conocidos para los expertos en la materia.
Aunque la invención se ha descrito anteriormente
haciendo referencia al ejemplo de los dibujos adjuntos, resulta
evidente que la invención no se limita a los mismos, sino que se
puede variar de muchas maneras dentro de la idea de la invención
expuesta en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (19)
1. Método para implementar un control automático
de ganancia en un sistema en el que una señal analógica se
convierte en una señal digital y en el que se realiza un control
automático de ganancia de la señal ajustable de una manera
analógica usando un paso de control de ganancia de una magnitud
predeterminada y en el que se realiza un control de ganancia
inverso de la señal digitalizada de tal manera que, después del
ajuste digital, la potencia de la señal es la misma que antes del
ajuste analógico, caracterizado porque
se determina la energía máxima de la señal
durante un periodo de medición predeterminado,
se compara la energía máxima determinada con
unos valores de umbral fijados previamente, y
en el caso de que el valor medido supere el
umbral, se realiza un control automático de ganancia de la señal
analógica y se compensa el control de ganancia en la señal
digital.
2. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque los umbrales para la reducción de
potencia y el incremento de potencia son de una magnitud
diferente.
3. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque la transformación de frecuencia de la
señal digitalizada se realiza antes que las mediciones de control
de ganancia.
4. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque el método se aplica a un sistema digital
de transmisión de datos y porque el control automático de ganancia
de una señal compleja se produce en la banda base.
5. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque la energía de la señal se determina
calculando el cuadrado del valor absoluto de la señal.
6. Método según la reivindicación 5,
caracterizado porque la señal comprende ramas I y Q y porque
la energía de la señal se determina calculando el cuadrado de los
valores absolutos de las ramas independientes y sumando los valores
obtenidos.
7. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque para la determinación de la energía
máxima se utilizan únicamente los bits más significativos de la
señal.
8. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque la señal ajustable comprende intervalos
de tiempo y porque la duración del periodo de medición
predeterminado es sustancialmente menor que el intervalo de
tiempo.
9. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque la señal digital se mantiene constante
en el control automático de ganancia, hasta que haya descendido la
vibración del control de ganancia.
10. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque la señal digital se mantiene a cero en
el control automático de ganancia, hasta que haya descendido la
vibración del control de ganancia.
11. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque la señal digital se interpola en el
control automático de ganancia, hasta que haya descendido la
vibración del control de ganancia.
12. Método según la reivindicación 11,
caracterizado porque para la interpolación se utilizan las
primeras o las últimas muestras digitales de la señal digital o
ambas.
13. Aparato para implementar un control
automático de ganancia en un sistema en el que una señal analógica
se convierte en una señal digital y comprendiendo dicho sistema unos
medios (208) para realizar un control automático de ganancia de la
señal ajustable de una manera analógica usando un paso de control de
ganancia de una magnitud predeterminada y unos medios (446, 448)
para realizar un control inverso de ganancia de la señal
digitalizada de tal manera que, después del ajuste digital, la
potencia de la señal es la misma que antes del ajuste analógico,
caracterizado porque el aparato comprende
unos medios (410, 412, 214, 420) para determinar
la energía máxima de la señal durante un periodo de medición
predeterminado,
unos medios (426, 428) para comparar la energía
máxima determinada con valores de umbral fijados previamente (430,
432), y
unos medios (436) para iniciar un control
automático de ganancia de la señal analógica y una compensación del
control de ganancia en la señal digital, si el valor medido supera
el umbral.
14. Aparato según la reivindicación 13,
caracterizado porque, antes de los medios de medición del
control de ganancia, el aparato comprende unos medios (400, 402)
para realizar una transformación de frecuencia de la señal
digitalizada.
15. Aparato según la reivindicación 13,
caracterizado porque la señal comprende ramas I y Q y porque
el aparato comprende los medios (410, 412) para calcular el
cuadrado de los valores absolutos de las ramas independientes y los
medios (414) para sumar los valores calculados.
16. Aparato según la reivindicación 13,
caracterizado porque el aparato comprende unos medios (600,
604, 606) para mantener la señal digital constante, hasta que haya
descendido la vibración del control de ganancia.
17. Aparato según la reivindicación 13,
caracterizado porque el aparato comprende unos medios (600,
604, 606) para mantener la señal digital a cero, hasta que haya
descendido la vibración del control de ganancia.
18. Aparato según la reivindicación 13,
caracterizado porque el aparato comprende unos medios (600,
604, 606) para interpolar la señal digital, hasta que haya
descendido la vibración del control de ganancia, utilizando las
primeras o últimas muestras digitales de la señal digital o
ambas.
19. Receptor de un sistema digital de
telecomunicaciones, que comprende el aparato según la reivindicación
13.
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