基于帧同步的多级自动增益控制算法

本发明涉及数字信号处理领域和自动控制领域，具体涉及的是机载数据链协同组网项目的多级自动增益控制算法。

背景技术：

1、在通信领域的实际应用场景下，发射机发出的电磁波信号空间的不断传播过程中，受自由空间传输损耗、遮挡物、空气质量、气候等因素影响，导致接收机接收到的信号幅度也就是功率不断的变化着。而接收机接收到的信号功率对后级信号处理有着较大的影响，当功率过大时，接收机饱和，导致出现削波现象；当接收功率过小时，有效信号淹没在噪声里。无论接收机功率过大还是过小，都会对接收端的解调译码性能产生较大影响。为了使得接收机在不同的通信距离下都可以准确的做信号处理，接收机往往需要引入自动增益控制电路，以此来对接收到的信号实现功率上的增益或者衰减。传统的自动增益控制包含模拟自动增益控制和数字自动增益控制，随着eda(电子设计自动化)软件和fpga(现场可编程门阵列)等可编程逻辑器件的发展，数字自动增益控制以其灵活性、通用性、可配置性、高速性等优异性能取得了较多的应用。

2、在机载数据链协同组网的背景下，机机之间的高速移动和相对较远的通信距离都会对接收机的功率产生很大影响，同时受通信速率的影响要求接收端能够以较快的速度实现高精度的功率捕捉和收敛，传统的一些算法难以满足机载数据链下的自动增益控制的要求。基于此，需要设计一种高动态、高速率、高精度的数字自动增益控制算法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种针对机载数据链特征的基于帧同步的的多级自动增益控制算法，能够满足机载数据链协同组网的高速率、长通信距离的要求，并可以实现较高精度的功率捕捉和调整。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

3、步骤1、发射端在fpga上设置若干位m序列初始化数据，通过移位异或操作生成伪随机序列组成冗余序列帧，提高抗干扰特性，并平滑噪声。

4、步骤2、发射端设计组帧状态机，按照冗余序列帧、同步分帧、数据分帧的顺序生成若干组通信数据帧。

5、步骤3、进入第一级功率检测模块，对adc采集进来的多路数据并行平方、移位若干积分长度、当前值与积分长度个时钟前的值相减、多路相减后的数据相加作为第一级功率检测的输出。

6、步骤4、进入第一级功率控制模块，根据第一级功率检测模块的功率输入值以及其与期望功率值的范围的比值做不同步进的功率调整(衰减或增益若干db)。

7、步骤5、重复步骤3和步骤4，在进行若干次的调整后，功率值初步收敛，满足帧同步的需求，此时锁存功率控制字，并传递至第二级功率控制模块。

8、步骤6、第二级功率检测模块使用一级fifo对接收到的数据做流水缓存操作；并行的进行帧同步操作，对iq路数据做量化卷积操作，当卷积值超过所设立的阈值tthershold时，接收端认为有效帧到来，触发帧同步信号。

9、步骤7、检测到帧同步到来信号，第二级功率检测模块从缓存数据的fifo中提取出同步分帧的长度的数据z(由实部i，和虚部q组成)，并计算z的共轭z*,利用z×z*计算出第二级功率积分值。

10、步骤8、第二级功率检测模块根据步骤5和步骤7的输入，对功率进一步做最小步进为0.5db的精细调整，以此满足后续的解调译码等信号处理流程。

11、有益效果：

12、1、本发明针对机载数据链的高移动速率、长通信距离导致的高动态提出了一种基于帧同步的多级自动增益控制算法，算法对帧结构做了一定调整，创新性的复用了同步分帧的数据做第二级功率检测和控制，并由于数据复用提高了数据帧的传输效率。

13、2、本发明对原有功率积分方法做了一定的改进。传统功率积分方法为对adc采集进来的数据平方、求和、相减，但数据平方累加后，往往会由于数据较大而发生溢出，导致出现错误的结果。本发明采用平方、相减、求和的方法交换了相减和求和的顺序，通过该方法可以极大的减少接收端的寄存器资源耗用量并避免了数据过大溢出的可能。

14、3、本发明通过不同步进的粗功率调整实现了快速的第一级功率捕获和收敛，且满足帧同步的需求，进一步通过0.5db的精功率调整，将功率控制在最佳的解调译码功率范围，既实现了快速捕捉，又满足了高精度的要求。

技术特征：

1.一种基于帧同步的多级自动增益控制算法，算法包括帧结构设计、第一级功率检测、第一级功率控制、帧同步、第二级功率检测、第二级功率控制。

2.如权利要求1所述的基于帧同步的多级自动增益控制算法，其特征在于采用冗余数据分帧和帧同步头数据做功率检测和调整。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于复用了帧同步头数据，即该数据既用于接收端做非合作方接收通信的帧同步操作，又用于后续的功率检测和功率调整。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于采用m序列生成所需要的冗余数据分帧和同步分帧，以此来提高系统的抗干扰性能。

5.如权利要求1所述的帧结构设计方法，其特征在于采用冗余分帧、同步分帧和数据分帧的帧结构。

6.如权利要求1所述的第一级功率检测方法，其特征在于交换传统积分顺序，采用先相减后求和的积分方法标定功率，以此来减少接收端的资源占用量。

7.如权利要求1所述的第一级功率控制方法，其特征在于采用了反馈式多步进调整方法，根据输入功率大小与所需功率范围做不同步进的功率控制，以此来提高agc收敛速度。

8.如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于对gmsk调制采用了半符号采样点相位量化操作，该方法使得本帧同步方法对功率要求较宽泛。

9.如权利要求1所述的第二级功率控制模块，其特征在于复用了帧同步数据，做精细功率调整，从而达到高精度功率控制。

技术总结
本发明提供了一种针对机载数据链的基于帧同步的多级自动增益控制算法，考虑了机载数据链高动态范围、高移动速率的应用场景，以大估计范围、高精度、快速捕捉实现功率调整为设计准则，针对算法提出了一种由冗余数据、同步分帧和数据分帧组成的帧结构，并提出一种实用性强、资源耗用量小的功率检测方法来完善算法。算法的核心点在于与解调译码相比，本帧同步算法对功率范围要求较为粗糙，因此可以先用帧前冗余数据做粗功率调整，实现帧同步，随后使用帧同步头数据做二次功率检测和功率精细调整，以此来达到更好的解调译码性能。

技术研发人员：周建明,郭德淳,张宪威,陈宁,管艳霞,赵阳
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13