用于模数转换器的自动增益控制系统

摘要

用于控制自动增益控制（AGC）电路的方法和电路，其中，AGC电路用于调整输入至模数转换器的信号的增益。所述方法包括从模数转换器的输出获得多个样本，确定每一个样本的幅度是否大于阈值幅度值。如果样本的幅度大于阈值幅度值，则递增计数器值。随后基于计数器值，周期性地调整自动增益控制电路的目标平均幅度。

说明书

背景技术

模数转换器（ADC）接收模拟输入信号，并将其转换为数字信号。该 转换包括模拟输入信号的量化，其将模拟信号的几乎无限可变的幅度映射 为一系列有限的离散级之一。这个多对一映射总是在数字信号中引入误差。 输入模拟信号与输出数字信号之间的差称为量化误差或噪声。

为了使得量化噪声最小，自动增益控制（AGC）常常用于在模拟信号 输入到ADC之前，调整模拟信号的幅度。

通常，AGC电路被配置为在预定数量的样本（例如10或100个样本） 上计算ADC输出的平均幅度，并将其与目标平均幅度相比较。AGC电路 随后调整施加到输入信号的增益，以使得ADC输出的平均幅度等于目标平 均幅度。

然而，难以选择对各种输入信号都起作用的单一目标平均幅度。

以下说明的实施例不限于解决已知系统的任何或全部缺点的实现方 式。

发明内容

提供本发明内容在于以简化的形式介绍概念的选择，在以下的详细说 明中进一步对其加以说明。本发明内容并非旨在确定所要求主题的关键特 征或基本特征，也不是旨在用于确定所要求主题的范围。

本文说明的是用于控制自动增益电路的方法和电路，自动增益电路用 于调整模数转换器输入信号的增益。所述方法包括从模数转换器的输出获 得多个样本。随后对于每一个样本，确定样本的幅度是否大于阈值幅度值， 其中，阈值幅度值小于模数转换器的饱和点。如果样本的幅度大于阈值幅 度值，则递增计数器值。随后基于计数器值，周期性地调整自动增益控制 电路的目标平均幅度。

第一方面提供了一种控制自动增益控制电路的方法，自动增益控制电 路用于调整输入至模数转换器的信号的增益，所述方法包括(a)对模数转换 器的输出采样；(b)确定样本的幅度是否大于阈值幅度值，阈值幅度值小于 模数转换器的饱和点；(c)如果样本的幅度大于阈值幅度值，则递增计数器 值；(d)重复步骤(a)到(c)；及(e)基于计数器值，周期性地调整自动增益控制 电路的目标平均幅度。

第二方面提供了一种用于动态控制自动增益电路的电路，自动增益电 路用于调整输入至模数转换器的信号的增益，所述电路包括：比较器电路， 被配置为：获得模数转换器的输出的多个样本；对于每一个样本，确定样 本的幅度是否大于阈值幅度值，阈值幅度值小于模数转换器的饱和点；以 及如果样本大于阈值幅度值，则输出样本大于阈值幅度值的指示；计数器 电路，耦合到比较器电路，计数器电路被配置为从比较器电路接收指示， 并针对接收的每一个指示，递增计数器值；以及目标控制电路，耦合到计 数器电路，目标控制电路被配置为从计数器电路周期性地接收计数器值， 并基于计数器值，调整自动增益控制电路的目标平均幅度。

本文所述的方法可以由在实体存储介质上的机器可读形式的软件来执 行，例如以计算机程序的形式，包括计算机程序代码模块，当程序在计算 机上运行，并且计算机程序可以包含在计算机可读介质上的情况下，适于 执行本文所述任何方法的全部步骤。实体（或非暂时）存储介质的实例包 括磁盘、拇指驱动器、存储卡等，并且不包括传播的信号。软件可以适合 于在并行处理器或串行处理器上执行，使得可以以任何适合的顺序或同时 执行方法步骤。

这承认固件和软件可以是有价的、可单独交易的商品。其意图是包含 软件，软件运行或控制“沉默”或标准硬件，以完成预期的功能。其意图 还在于包含软件，软件“说明”或定义硬件的结构，例如HDL（硬件描述 语言）软件，如用于设计硅芯片，或者用于配置通用可编程芯片一样，以 完成预期的功能。

优选的特征可以按照需要结合，如对于技术人员显然的，并可以与本 发明的任何方面结合。

附图说明

将借助实例并参考以下附图来说明本发明的实施例，其中：

图1是用于模数转换器的已知的自动增益控制回路的示意图；

图2是宽幅度分布信号和窄幅度分布信号的幅度分布图；

图3是用于模数转换器的示例性自动增益控制回路的示意图，其中， 目标平均幅度是动态选择的；

图4是具有高斯幅度分布的信号相对于ADC回退（backoff）电平的信 号与量化噪声比的曲线图；及

图5是用于动态调整自动增益控制目标平均幅度的方法的流程图。

共同的参考标号在全部附图中用于指示相似的特征。

具体实施方式

以下仅借助实例来说明本发明的实施例。这些实例表示申请人目前已 知的实现本发明的最佳方式，尽管它们不是可以实现其的仅有方式。说明 阐述了实例的功能和用于构造并操作实例的步骤的顺序。然而，可以由不 同实例来完成相同或等效的功能或顺序。

如本领域技术人员已知的，模数转换器（ADC）接收模拟输入信号， 将其转换为数字信号。转换包括模拟输入信号的量化，其将模拟信号的几 乎无限可变的幅度映射为一系列有限的离散级之一。这个多对一映射总是 在数字信号中引入误差。输入模拟信号与输出数字信号之间的差称为量化 误差或噪声。

常常按照其信噪比（SNR）来测量ADC的质量。SNR是在给定时间下 输入信号的幅度与量化噪声的幅度的关系。通常以分贝（dB）来测量SNR， 并由等式（1）给出：

为了使得量化噪声最小，并由此提高SRN，自动增益控制（AGC）常 常用于在模拟信号输入到ADC之前，调整模拟信号的幅度。

现在参考图1，其示出已知的AGC回路100的示意图，其用于调整至 ADC的模拟信号输入的幅度。AGC回路100包括增益放大器102、ADC104 和AGC电路106。

增益放大器102接收模拟输入信号108，将增益施加到模拟输入信号 108，以产生增益调整的模拟信号110。如果增益是1，模拟输入信号108 保持不变；如果增益高于1，则放大模拟输入信号108；如果增益低于1， 则减小模拟输入信号108。

增益调整的模拟输入信号110提供给ADC104。ADC104随后使用量 化将增益调整的模拟信号110转换为数字信号112。

AGC电路106测量数字信号112的幅度，并相应地调整由增益放大器 102施加的增益。在一些情况下，AGC电路106通过产生控制信号来调整 由增益放大器102施加的增益，控制信号控制由增益放大器102施加的增 益。

通常，AGC电路106被配置为在预定数量的样本（例如10个或100 个样本）上计算数字信号112的平均幅度，并将其与目标平均幅度相比较。 AGC电路106随后调整由增益放大器102施加的增益，尝试使数字信号112 的平均幅度等于目标平均幅度。例如，如果数字信号112的平均幅度高于 目标平均幅度，则AGC电路106会减小由增益放大器102施加的增益。相 反，如果数字信号112的平均幅度低于目标平均幅度，则AGC电路106会 增大由增益放大器102施加的增益。

在已知的AGC回路中，例如图1所示的，目标幅度值是预定的且固定 的。

为了使得量化噪声最小，理想上选择目标平均幅度，以使得到ADC104 的输入（即增益调整的模拟信号110）的幅度最大，同时避免ADC104饱 和。每一个ADC均具有其运行其中的电压范围（例如，+/-10,000mV）。 如果ADC接收这个范围以外的信号（例如，+/-15,000mV），ADC会将其 解释为该范围中的最小/最大值（例如+/-10,000mV），这会出现误差。这个 误差称为ADC的饱和。因此，理想上，到ADC的信号输入（即增益调整 的模拟信号110）尽可能大地跨越电压范围，而不使ADC104饱和，因为 这增大了SNR。

因此，理想的目标平均幅度取决于输入模拟信号的幅度分布。例如， 小目标平均幅度可以与具有宽幅度分布的信号一起使用，以避免ADC104 的饱和。相反，较高目标平均幅度可以与具有充分受限的或窄幅度分布的 信号一起使用。现在参考图2，其示出宽幅度分布信号202和充分受限的或 窄幅度分布信号204的幅度分布。如图2中所见的，第一信号202的幅度 比第二信号204更宽大地变化（例如覆盖更大的范围）。

由于模拟信号的幅度分布可以随时间改变，难以选择对于所有条件都 起作用的单一目标平均幅度。因此，使用单一固定的目标平均幅度使得难 以将ADC104的动态范围充分用于具有变化的幅度分布的输入模拟信号。

本文所述的实施例涉及用于基于输入信号自动调整AGC目标平均幅度 的电路和方法。具体地，在本文所述的电路和方法中，监测ADC的输出（例 如数字信号112），以确定高于阈值幅度值的样本的数量或百分比。随后基 于高于和/或低于阈值幅度值的样本的数量/百分比来调整AGC目标平均幅 度，以使得仅有少量的样本高于阈值幅度值。例如，在一些情况下，如果 存在高于阈值幅度值的多于阈值数量的样本，则可以降低目标平均幅度， 如果存在高于阈值幅度值的少于阈值数量的样本，则可以增大目标平均幅 度。

本文所述的方法和电路允许AGC目标平均幅度适应于输入信号的变化 （例如幅度分布的变化），所以AGC电路106使ADC104的动态电压范围 最大，并减小量化噪声。选择适当的AGC目标平均幅度使ADC104处的 信号饱和最小，而使信号的幅度最大。

现在参考图3，其示出AGC回路300，其中基于输入信号来自动且动 态地调整AGC目标平均幅度。AGC回路300包括图1的增益放大器102； ADC104；和AGC电路106。但代替AGC目标平均幅度是固定的，其由 AGC目标选择电路302适应性地选择。具体地，AGC目标选择电路302监 测数字信号112，以确定其每隔多久超过阈值幅度值，并相应地调整AGC 目标平均幅度。

图3的AGC目标选择电路302包括比较电路304、计数器电路306和 目标控制电路308。比较电路304对数字信号112采样，并将样本与阈值幅 度值相比较。如果样本的幅度超过阈值幅度值，比较电路304向计数器电 路306提供样本超过阈值幅度值的指示。

在一些情况下，比较电路304可以被配置为如果样本超过阈值幅度值， 则仅提供输出。在这些情况下，存在输出的事实表明样本的幅度超过阈值 幅度。在其他情况下，比较电路304可以被配置为在每一个样本后提供输 出，输出的内容表明样本的幅度是否超过阈值幅度值。例如，比较电路304 可以被配置为在每一样本后提供二进制输出（例如1/0、是/否、真/假），表 明样本是否超过阈值幅度值。例如，如果样本的幅度超过阈值幅度值，比 较电路可以输出“是”，如果样本的幅度没有超过阈值幅度值，则输出“否”。

将阈值幅度值选择为低于但接近于ADC104的饱和点。在一些情况下， 阈值幅度值是固定的。在其他情况下，阈值幅度值可以是可调的。

阈值幅度值可以可替换地由阈值回退电平来表示。阈值回退电平以dB 为单位，表示阈值幅度低于饱和点有多远。阈值幅度值可以使用以下所示 的公式（2）由阈值回退电平和饱和点来计算：

每一次计数器电路306从比较电路304接收到样本超过阈值幅度值的 指示，计数器电路306就递增计数器值。在已经得到预定数量的样本后， 或者经过预定时间后，计数器电路306向目标控制电路308提供计数器值， 随后重置计数器值。

如上所述，在一些情况下，比较电路304可以被配置为在每一个样本 后提供输出，表明样本的幅度是否超过阈值幅度值。在这些情况下，比较 电路304可以包括两个计数器值。第一计数器值记录超过阈值幅度值的样 本的数量。例如，每一次计数器电路306接收到样本超过阈值幅度值的指 示，就可以递增第一计数器值。第二计数器值（样本计数器值）记录得到 的样本的数量。例如，每一次计数器电路306从比较电路304接收到输出， 就可以递增样本计数器值。一旦样本计数器值达到样本的预定数量，计数 器电路306可以被配置为向目标控制电路308提供计数器值，并重置计数 器值和样本计数器值。

在其他情况下，计数器电路306可以以计时器电路来配置，一旦计时 器指示已经经过预定时间段，计数器电路306可以被配置为向目标控制电 路308提供计数器值，并重置计数器值和计时器电路。

在另外的其他情况下，目标控制电路308可以被配置为记录得到的样 本的数量或经过的时间段。例如，在比较电路304被配置为在每一样本后 提供输出，表明样本的幅度是否超过阈值幅度值的情况下，目标控制电路 308可以被配置为接收比较电路304的输出，并使用它来记录得到的样本的 数量。可替换地，目标控制电路308可以以计时器电路来配置，以确定经 过的时间量。在这些情况下，一旦目标控制电路308确定已经得到预定数 量的样本或者经过预定的时间段，目标控制电路308可以被配置为从计数 器电路306请求计数器值。在从目标控制电路308接收到请求后，计数器 电路306可以被配置为向目标控制电路308提供计数器值，并重置计数器 值。

可以选择样本的预定数量，以使得由目标控制电路308使用的阈值计 数器值大于1。由于样本的预定数量确定每隔多久调整或更新目标平均幅 度，并从而确定收敛速度，可以通过选择样本的最小可接受预定数量来改 进性能。

一旦目标控制电路308从计数器电路306接收到计数器值，目标控制 电路308基于计数器值适应性地调整AGC目标平均幅度。

在一些情况下，适应性地调整AGC目标平均幅度包括将计数器值与第 一和第二阈值计数器值相比较。如果计数器值大于第一阈值计数器值，则 目标控制电路308可以减小目标平均幅度值。相反，如果计数器值小于第 二阈值计数器值，那么目标控制电路308可以增大目标平均幅度。如果计 数器值在阈值计数器值之间或等于阈值计数器值，那么目标控制电路308 不对目标平均幅度做出任何改变（增大/减小）。

在一些情况下，第一和第二阈值相同。因此，在这些情况下，如果计 数器值大于阈值计数器值，那么目标控制电路308可以减小目标平均幅度 值。相反，如果计数器值小于阈值计数器值，那么目标控制电路308可以 增大目标平均幅度值。如果计数器值等于阈值计数器值，那么目标控制电 路308不对目标平均幅度做出任何改变（增大/减小）。

可以基于由比较电路304使用的阈值幅度值来选择触发目标平均幅度 值减小的阈值计数器值（例如第一阈值计数器值）。例如，在一些情况下， 阈值幅度值与ADC饱和点越接近，阈值计数器值就越低。相反，阈值幅度 值与ADC饱和点越远，阈值计数器值就越高。

较低的阈值幅度值（及因此较高的阈值计数器值）可以更快速地收敛。 相反，较高的阈值幅度值（及因此较低的阈值计数器值）会花费较多时间 来收敛，但可以产生可能使ADC饱和的样本数量的更准确的估计。但应注 意，为阈值计数器值选择过低的值会导致目标平均幅度的不对称特性。具 体地，为阈值计数选择过低的值会导致目标平均幅度相比于其减小更快地 增大，造成其收敛到不同于预期的值，并使得回路噪声更多。

在一些情况下，阈值计数器值可以表达为得到的样本数量的百分比。 阈值计数器值于是可以从以下所示的等式（3）由百分比值计算：

其中，X是得到的样本的预定数量。

可以基于ADC所用于的应用来选择阈值幅度值（及相应的阈值计数器 值）。例如，一些应用会需要快速收敛，而其他的会需要可能使ADC饱和 的样本的数量的更准确的估计。

在示例性情况下，ADC用于电视接收机中，可以使用1.6dB的阈值回 退电平。这将产生具有合理的收敛速度的准确结果。因此，使用公式（2）， 其中ADC的饱和点是2048mV，1704mV的阈值幅度值可以用于实现1.6 dB的阈值回退电平。在这个实例中，可以设定阈值计数器值，以使得当 0.02%的样本超过阈值幅度值时，减小AGC目标平均幅度。

在一些情况下，可以以数字方式实现比较电路304、计数器电路306和 /或目标控制电路308。在这些情况下，可以使用一个或多个数字信号处理 器（DSP）单元、一个或多个专用集成电路（ASIC）、任何其他适合的数字 技术、或其任意组合来实现比较电路304、计数器电路306和/或目标控制 电路308。

在一些情况下，代替始终使用单一阈值幅度值，AGC回路300可以被 配置为使用第一低阈值幅度值来实现快速收敛，随后在预定时间段后，切 换到第二较高的阈值幅度值来得到更准确的AGC目标平均幅度。选择使用 第一低阈值幅度的预定时间段，以便为目标平均幅度提供时间来收敛。例 如，最初可以使用从ADC饱和点回退3.0dB的第一低阈值幅度和0.1%阈 值计数器值，随后在经过来预定时间段后，可以使用从ADC饱和点回退 1.6dB的第二低阈值幅度和0.02%阈值计数器值。

现在参考图4，其示出作为对于具有高斯幅度分布的输入信号的ADC 回退电平的函数的ADC量化噪声（由在ADC输出处的SNR表示）402。 ADC回退电平表示饱和点与以dB为单位的ADC输入信号的RMS（均方 根）值之间的差。可以使用等式（4）由饱和点与ADC输入信号的RMS来 计算ADC回退电平：

随着ADC回退电平增大，阈值幅度值和增益调整的信号110的幅度减 小。从图4可以见到，当由于ADC的饱和，ADC回退电平从13dB减小时， 在左侧，SNR急剧降低（即，量化噪声增大）；而当ADC回退电平从13dB 增大时，其仅是逐渐降低。因此，理想上，应在不引入由于ADC饱和造成 可见降级的情况下，将ADC回退电平选择为尽可能高。在图4所示的情况 下，理想的ADC回退电平为13dB。

注意，图4中所示的曲线特定于具有高斯幅度分布的输入信号，具有 另一幅度分布的信号将产生不同的SNR曲线。

现在参考图5，其示出用于动态调整AGC目标平均幅度的方法500。 在步骤502，重置计数器值。如上所述，计数器值用于对幅度超过阈值幅度 值的样本的数量计数。一旦重置计数器值，方法500前进到步骤504。

在步骤504，对由ADC104输出的数字信号112采样。数字信号112 可以由比较电路采样，例如图3的比较电路304。一旦已对数字信号112采 样，方法500前进到步骤506。

在步骤506，确定在步骤504中得到的样本的幅度是否大于阈值幅度值。 该确定可以由比较电路来执行，例如图3的比较电路304，其将样本的幅度 与阈值幅度值相比较。如果样本的幅度大于阈值幅度值，则方法500前进 到步骤508。而如果样本的幅度不大于阈值幅度值，则方法前进到步骤510。

在步骤508，递增计数器值。在一些情况下，当诸如图3的计数器电路 306的计数器电路从诸如图3的比较电路304的比较电路接收到样本超过阈 值幅度值的指示时，计数器值可以由计数器电路来递增。一旦已经递增计 数器值，方法前进到步骤510。

在步骤510，确定是否已经得到预定数量的样本。在一些情况下，计数 器电路，例如计数器电路306，可以被配置为确定何时得到了预定数量的样 本。在其他情况下，目标控制电路，例如目标控制电路308可以被配置为 确定何时得到了预定数量的样本。如果没有得到预定数量的样本，则方法 返回到步骤504。但是如果得到了预定数量的样本，则方法500前进到步骤 512。

在步骤512，基于计数器值计算新的AGC目标平均幅度。在一些情况 下，目标控制电路，例如图3的目标控制电路308，在从诸如图3的计数器 电路306的计数器电路接收到计数器值后，计算新的AGC目标平均幅度。

在一些情况下，如果计数器值大于阈值计数器值，则减小AGC目标平 均幅度。相反，如果计数器值小于阈值计数器值，则增大AGC目标平均幅 度。如果计数器值等于阈值计数器值，则不改变AGC目标平均幅度。

在一些情况下，计算新的AGC目标值包括首先计算误差值，该误差值 表示阈值计数器值与计数器值之间的差。

例如，可以根据以下所示的公式（5）来计算误差值：

误差=阈值计数器值–计数器值  （5）

一旦计算了误差值，可以根据以下所示的公式（6）来计算新的AGC 目标平均幅度：

新的AGC目标=当前AGC目标+k*误差   （6）

其中，误差是根据等式（5）计算的误差值，k是回路增益（例如，k=1/64）。 如本领域技术人员已知的，回路增益是由反馈回路控制的系统的增益的测 量值。在具有反馈的放大器中，回路增益是反馈回路的增益与该回路中反 馈因子的乘积。回路增益控制由控制值（AGC目标平均幅度）实施多大的 变化。它还控制反馈回路中在残余噪声电平与回路的跟踪（和收敛）速度 之间的折衷（trade-off）。较大的回路增益给予较快的跟踪（收敛）速度， 但产生更多噪声的结果。相反，较小的回路增益给予较慢的跟踪（收敛） 速度，但产生更准确的结果。一旦已经计算出新的AGC目标平均幅度，将 其提供给AGC电路106，方法500返回到步骤502。

本文使用术语“处理器”和“计算机”来指代具有处理能力以使得其 可以执行指令的任何设备。本领域技术人员应认识到，这种处理能力包含 在许多不同的设备中，因此术语“计算机”包括机顶盒、媒体播放器、数 字收音机、PC、服务器、移动电话、个人数字助理和许多其他设备。

本领域技术人员应认识到，用于存储程序指令的存储设备可分布在网 络中。例如，远程计算机可以存储描述为软件的过程的实例。本地或终端 计算机可以访问远程计算机并下载部分或全部软件以运行程序。可替换地， 本地计算机可以按需要下载几段软件，或在本地终端执行一些软件指令， 在远程计算机（或计算机网络）执行一些软件指令。本领域技术人员还应 认识到，通过利用本领域技术人员已知的传统技术，全部或部分软件指令 可以由专用电路执行，例如DSP、可编程逻辑阵列等。

对于本领域技术人员，显然，在不丧失所寻求的效果的情况下，可以 扩展或改变本文给出的任何范围或设备值。

应理解，上述的益处和优点可以与一个实施例相关或者可以与几个实 施例相关。实施例不限于解决任一或全部所述问题的那些实施例，或者具 有任一或全部所述益处和优点的那些实施例。

对“一个”项目的任何提及指代一个或多个项目。本文使用术语“包 括”来表示包括确定的方法块或元件，但这种块或元件不包括排他的列表， 方法或装置可以包含额外的块或元件。

本文所述的方法的步骤可以以任何适合的顺序，或者在适当的情况下 同时执行。另外，在不偏离本文所述的主题的精神和范围的情况下，可以 从任何方法删除单个块。在不丧失所寻求的效果的情况下，上述的任何实 例的方案可以与所述的任何其他实例的方案组合，以形成进一步的实例。 在图中的元件显示为由箭头连接的情况下，应理解，这些箭头仅表示元件 之间的通信的一个示例性流向（包括数据和控制消息）。元件之间的流向可 以在任意一个方向上或者在双向上。

应理解，仅借助实例给出了优选实施例的以上说明，本领域技术人员 可以做出多种修改。尽管以上以某种程度的特定性，或者参考一个或多个 单独的实施例说明了多个实施例，但在不偏离本发明的精神或范围的情况 下本领域技术人员可以对公开的实施例做出许多变化。