短波接收機中自動增益技術(shù)的研究與實現(xiàn)

曹永銀 王高山

（正德職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 南京 211106）

0 引言

隨著傳輸距離的變化，以及其它的一些因素，接收機輸入端的信號強度有很大的變化和起伏。當有用信號相當強時，接收機中的放大器可能將其放大得過多，以至使后續(xù)處理造成失真。這會降低話音的可懂度和可辨認性，或者增加數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的差錯。因此在有用信號增強時，必須采用一種辦法來降低系統(tǒng)的增益。同時，為提高對微弱信號的接收能力，有時又需要增大系統(tǒng)的增益。增益控制可以用操作員來實現(xiàn)，即 Manual-gain Control（MGC）；也可以根據(jù)信號電平自動實現(xiàn)，即Auto-gain Control（AGC）。

1 AGC控制原理

短波接收機在接收信號時，由于電離層的變化、衰落和接收信號條件等不同，其輸入端信號電平在很大范圍內(nèi)變化。這樣接收機的輸出功率是隨外來信號的大小而變化的，接收機的輸出端會出現(xiàn)強弱非常懸殊的信號功率。同時，還會超出AD轉(zhuǎn)換器件的輸入信號動態(tài)范圍，造成A/D轉(zhuǎn)換器件的過載，導致分辨率降低和數(shù)據(jù)通信誤碼率增加。因此，短波接收機中非常強調(diào)自動增益控制(AGC)。上述這部分功能就是由模擬AGC來完成。

模擬AGC實際上是一個閉環(huán)反饋環(huán)路，利用VGA、A/D、DDC、DSP、D/A構(gòu)成控制回路。模擬AGC電路的基本原理是在DDC中對信號電平進行檢測，在DSP內(nèi)部與門限值比較，對模擬增益大小進行調(diào)整，并完成低通濾波、求積分等數(shù)值運算，從而得到模擬AGC的控制電壓。由D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號后，去控制模擬前端中的可變增益放大器（VGA）的增益。使接收機總增益按照一定規(guī)律而變化，達到保證送到AD轉(zhuǎn)換芯片的信號電平處于AD芯片的工作范圍內(nèi)的目的。

目前，在短波接收機模擬AGC的控制方法主要有兩種。一種是改變放大器本身的參數(shù)，使增益發(fā)生變化，典型的是采用雙柵場效應(yīng)管，通過改變其中某一柵的直流偏置電壓使增益發(fā)生變化；另一種是在放大器級間插入可變衰減器，控制衰減量，使增益發(fā)生變化，典型的是各種集成的可變增益放大器。本機模擬AGC的原理方框圖如圖1所示：

圖1 AGC原理方框圖

接收機內(nèi)部有一個由硬件實現(xiàn)的輸入信號電平檢測單元。采用該輸入電平檢測功能，檢測出輸入信號的電平大小，它代表了A/D轉(zhuǎn)換器件的輸入電平的大小，再輸入到DSP芯片內(nèi)部與模擬AGC的門限比較并進行軟件運算，進而確定模擬AGC的增益控制量的大小。由DSP輸出的模擬AGC控制電壓(數(shù)字形式)經(jīng)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬電壓，去控制增益可控的中頻放大器。這樣就保證輸入到AD轉(zhuǎn)換器件的模擬中頻信號電平處在AD轉(zhuǎn)換器件的動態(tài)范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)過載。

1.1 輸入信號電平的檢測

輸入到DSP芯片的數(shù)據(jù)速率為39.0625kHz，相鄰樣點之間的間隔為TS=25.6uS,在DSP內(nèi)部每間隔4個樣點進行一次AGC檢測，也就是說AGC的檢測間隔為4TS=102.4uS。由于接收機內(nèi)部輸入信號電平的檢測間隔可以設(shè)定為從2個樣點到65537樣點之間。所以，在內(nèi)部進行電平檢測的樣點數(shù)可以用下式計算：

取N=1000，為了提高AGC電平檢測的可靠性，我們再間隔一次進行檢測，這樣AGC的檢測節(jié)拍為102。4uS*2=204。 8uS=0。 2mS

1.2 AGC控制中的“快充慢放”

本機的兩種AGC控制方式即數(shù)字AGC和模擬AGC都具有保持時間的概念，都是“快拉慢放”式。當輸入信號超過設(shè)定的定值后，很快的將放大增益降低下來，防止堵塞信號通道。而當信號低于設(shè)定的門限時，不立即調(diào)整增益，而是經(jīng)保持一段時間后，再作調(diào)整，并且這兩種情況下對增益的調(diào)整量是不同的。

1.3 模擬增益(dB)轉(zhuǎn)換為電平

在AGC的軟件算法中，為了提高對增益調(diào)整的平滑效果，除了對模擬增益(dB)的整數(shù)部分進行了保持和調(diào)整外，還運用其小數(shù)部分對最終輸出的模擬增益進一步實施修正。先用調(diào)整后的模擬增益 (dB)數(shù)值進行查表，獲得對應(yīng)的模擬AGC電平數(shù)值，再用模擬增益(dB)的小數(shù)部分乘以相鄰的模擬AGC電平之差得到修正量。例如模擬增益(dB)為10.25dB,首先查表獲得對應(yīng)的電平數(shù)值，不妨用(10dB)表示，結(jié)合間接尋址方式獲得(11dB)，再用與指令取出模擬增益(dB)的小數(shù)部分即0.25，最終送到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的電平大小為

A=(10dB)+0.25*[(11dB)-(10dB)]

經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器將數(shù)字形式的模擬AGC控制電壓轉(zhuǎn)換為模擬控制電壓后，送到接收機模擬前端中的可變增益中頻放大器實現(xiàn)模擬AGC控制。

2 AGC增益分配及算法

2.1 AGC增益分配

設(shè)接收機的靈敏度電平為 -113dBm，要求最終輸出信號電平能穩(wěn)定在7dBm。經(jīng)測定，模擬前端的增益大小為54dB，所以數(shù)字AGC的增益大小為120dB-54dB=66dB，模擬AGC的起控電平為：-113dBm-(-66)dBm=-47dBm。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器滿度輸入5Vp-p，即16dBm(最大輸入上限)。我們?nèi)藶榭刂谱畲筝斎肷舷逓?dBm,這樣為ADC留出9dBm的 “靜空”。AGC增益分配如圖2所示。

圖2 AGC增益分配情況

隨著輸入信號由靈敏度電平起逐漸增大，模擬和數(shù)字AGC聯(lián)合控制保證輸出信號的恒定。AGC控制性能如圖3所示。

2.2 AGC算法流程

本接收機采用的模擬AGC和數(shù)字AGC兩種控制方式都是“快拉慢放”式，都具有保持時間的概念。當輸入信號增大時，不保持而是立即進行增益修正，減小增益；當輸入信號減小時，經(jīng)過適當?shù)谋３种螅艑υ鲆孢M行拉升。模擬AGC的控制實現(xiàn)粗調(diào)，精度不高，只要確保輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬中頻信號幅度大致穩(wěn)定即可。數(shù)字AGC則是進行精確調(diào)整，確保輸出到DSP的信號相當穩(wěn)定，從而保證解調(diào)輸出的信號恒定。

圖3 AGC工作方式時的算法流程圖

如果在A/D轉(zhuǎn)換器的帶寬內(nèi)接收到一個強信號，同時數(shù)字信號處理環(huán)節(jié)內(nèi)有用信號很弱，就必須降低模擬增益防止A/D轉(zhuǎn)換器過載，增加數(shù)字中頻處理增益，達到保持輸出信號為一固定值。DSP控制數(shù)字下變頻器的四個AGC參數(shù)為：輸出額定值、最大增益、最小增益、信號增大時的控制斜率（attack值gain value）、信號減小時的控制斜率 （decay gain value）。

當接收機天線端接收到的信號十分微弱或者沒有輸入信號輸入時，AGC控制會將系統(tǒng)的增益抬得很高。在這種情況下，人耳聽到的是很強的噪聲。這時，可以由人工來設(shè)定接收機的總增益大小，避免系統(tǒng)增益過高。人為設(shè)定的總增益量采用軟件算法分配給模擬AGC和數(shù)字AGC。上述的控制過程稱為人工增益控制MGC。

在AGC和MGC兩種工作情況下，接收機增益分配和控制的算法流程如圖4和圖5所示。

圖4 AGC控制性能曲線

圖5 MGC工作方式時的算法流程圖

3 結(jié)論

AGC電路是短波接收機中不可缺少的輔助電路，它擴大了接收機的動態(tài)范圍，提高了接收機的靈敏度。本文介紹了短波接收機中的AGC電路組成及功能。詳細闡述了AGC的組成和控制原理，對AGC電路的組成工作原理進行了論述。并對自動增益控制（AGC）和人工增益控制（MGC）兩種控制方式進行了介紹，分析了整機AGC增益的分配及控制算法。

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