一種L波段的模數(shù)混合快速AGC

陳寶文，韓 軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

自動(dòng)增益控制模塊(AGC)是無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分。由于無線信道環(huán)境及遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響，造成接收機(jī)接收端信號(hào)強(qiáng)度差異很大。因此接收機(jī)的AGC 就必須滿足動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快且輸出信號(hào)電平維持在一個(gè)最佳解調(diào)電平上。而在高速突發(fā)通信中，AGC的響應(yīng)速度及動(dòng)態(tài)范圍是最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)[1-2]。

傳統(tǒng)的模擬AGC主要采用閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它利用輸出信號(hào)與解調(diào)所需最佳信號(hào)之間的誤差來動(dòng)態(tài)調(diào)整可變增益放大器的增益，從而將信號(hào)放大到一定電平[3-4]。通常該誤差信號(hào)需要經(jīng)過一個(gè)環(huán)路濾波器來濾除高頻分量，因此收斂時(shí)間通常在毫秒量級(jí)[5-6]。而全數(shù)字AGC雖然可以較快收斂(通常為幾百微秒)，但是其動(dòng)態(tài)范圍依靠AD的有效位數(shù)來實(shí)現(xiàn)，這就需要高精度、寬位寬的AD，增加成本[7-8]。本文綜合以上2種AGC的特點(diǎn)，提出了一種工作在L波段的模數(shù)混合AGC，它有效克服了以上2種傳統(tǒng)AGC的局限，不僅能夠快速收斂，且具有較大的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。

1 基本原理

工作在L波段的模數(shù)混合AGC基本原理就是利用突發(fā)傳輸幀信號(hào)中的循環(huán)序列，首先計(jì)算信號(hào)的延遲相關(guān)值與能量值，當(dāng)延遲相關(guān)值與能量值比值大于某一閥值時(shí)即啟動(dòng)AGC[9-10]。AGC啟動(dòng)后首先進(jìn)行粗調(diào)整，即計(jì)算一個(gè)循環(huán)序列長度符號(hào)的平均能量，將計(jì)算值與解調(diào)需要的最佳電平相比較，計(jì)算出的數(shù)控衰減量送給數(shù)控衰減器，從而快速將接收信號(hào)電平調(diào)整到最佳電平附近。在粗調(diào)整之后，再進(jìn)行一次細(xì)調(diào)整，即再計(jì)算連續(xù)2個(gè)循環(huán)序列長度符號(hào)的平均能量，并與最佳電平比較，將計(jì)算出的衰減量送給數(shù)控衰減器，最終將接收電平調(diào)整到最佳解調(diào)電平上。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

L波段的模數(shù)混合AGC基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模數(shù)混合AGC基本結(jié)構(gòu)

由圖1可知，工作在L波段的模數(shù)混合AGC主要由模擬部分及數(shù)字部分組成[11-12]。模擬部分主要由工作在L波段(1.75 GHz)的兩級(jí)數(shù)控衰減器和三級(jí)模擬放大器組成，每一級(jí)數(shù)控衰減器衰減量為31.5 dB，而每一級(jí)放大器增益為20 dB，這樣可以保證模擬部分總的動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到60 dB。 數(shù)字部分主要由幀探測、粗調(diào)整和細(xì)調(diào)整模塊組成。射頻前端輸出的L波段中頻信號(hào)首先輸入模數(shù)混合AGC中的模擬部分，經(jīng)信號(hào)衰減放大后，經(jīng)過帶通濾波器濾除雜波后送給下變頻器再送入AD，實(shí)現(xiàn)零中頻數(shù)字采樣。采樣后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)幀探測后啟動(dòng)AGC，再經(jīng)3次粗調(diào)整及1次細(xì)調(diào)整后達(dá)到解調(diào)需要的最佳電平[13]。

2.1 幀探測

由于接收端接收信號(hào)是突發(fā)的，因此就必須知道每一突發(fā)信號(hào)幀是什么時(shí)候到達(dá)并啟動(dòng)AGC[14-15]。發(fā)端突發(fā)信號(hào)幀格式如圖2所示。

圖2 突發(fā)信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

信號(hào)幀中采用10個(gè)長度為32符號(hào)的重復(fù)PN序列作為幀探測的幀頭。由于PN序列具有較好的延遲相關(guān)特性，因此可以利用接收中頻信號(hào)做延遲相關(guān)。當(dāng)延遲相關(guān)值與當(dāng)前窗口的能量值比值大于某一閥值λn時(shí)，認(rèn)為一幀突發(fā)信號(hào)的到達(dá)，并給出到達(dá)指示flag。延遲相關(guān)Cn的計(jì)算如下：

(1)

式(1)為當(dāng)前接收到的L個(gè)數(shù)據(jù)與D個(gè)時(shí)刻前收到的L個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的互相關(guān)。

接收信號(hào)能量Pn的值可表示為：

(2)

延遲相關(guān)算法的判決閥值可表示為：

(3)

當(dāng)接收信號(hào)中只有噪聲時(shí)，理想情況下輸出的延時(shí)相關(guān)值Cn為0，因此在突發(fā)信號(hào)幀到來前λn值很小。當(dāng)接收到第2個(gè)重復(fù)訓(xùn)練序列時(shí)，λn值開始明顯增加，當(dāng)λn大于某一值時(shí)即認(rèn)為突發(fā)信號(hào)幀到達(dá)，通常該值取0.7左右。

2.2 粗調(diào)整

當(dāng)探測到某一突發(fā)信號(hào)幀到來時(shí)，幀探測模塊給出到達(dá)指示即flag置1，AGC啟動(dòng)。為了提高信號(hào)檢測率及靈敏度，AGC初始增益值可以設(shè)置為最大值。這樣初始信號(hào)有可能達(dá)到ADC的飽和區(qū)域，因此需要檢測AD的信號(hào)輸出，快速調(diào)整信號(hào)強(qiáng)度，使信號(hào)進(jìn)入線性范圍[16-17]。在此粗調(diào)整階段，可以先統(tǒng)計(jì)64個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)的信號(hào)能量，并與最佳電平目標(biāo)值相比較，計(jì)算出AGC應(yīng)該調(diào)整值，并送給數(shù)控衰減器1與數(shù)控衰減器2做相應(yīng)調(diào)整，而后再等待16個(gè)樣點(diǎn)，直到AGC穩(wěn)定。如此重復(fù)3次，完成粗調(diào)整過程，此時(shí)ADC的輸出信號(hào)強(qiáng)度與最佳電平差距縮小到一定范圍內(nèi)。

64個(gè)采樣點(diǎn)平均能量的計(jì)算公式為：

(4)

2.3 細(xì)調(diào)整

接收信號(hào)經(jīng)過3次粗調(diào)整后，信號(hào)電平已經(jīng)在最佳電平附近。由于較大的信號(hào)電平波動(dòng)會(huì)對解調(diào)器解調(diào)性能產(chǎn)生影響，因此還需要2次AGC的細(xì)調(diào)整過程。

在細(xì)調(diào)整過程中，可以統(tǒng)計(jì)128個(gè)采樣點(diǎn)的平均信號(hào)能量，并與最佳電平進(jìn)行比較，得到AGC需要調(diào)整的值，之后等待32個(gè)采樣點(diǎn)，直到AGC穩(wěn)定即完成細(xì)調(diào)整過程。此過程調(diào)整時(shí)間比粗調(diào)整過程時(shí)間長，但AGC調(diào)整更精確，信號(hào)電平波動(dòng)更小[18]。

128個(gè)采樣點(diǎn)平均能量的計(jì)算公式為：

(5)

當(dāng)AGC經(jīng)細(xì)調(diào)整后，電平值達(dá)到解調(diào)器需要的最佳電平上，此時(shí)送給數(shù)控衰減器的衰減量保持不變，直到完整一幀突發(fā)信號(hào)結(jié)束。而后AGC釋放，重新進(jìn)入突發(fā)幀信號(hào)探測階段。

2.4 數(shù)控衰減器

數(shù)控衰減器采用NI公司推出的DAT31R5芯片，它提供0.5～31.5 dB范圍的衰減增益和一個(gè)6位的并行控制接口。芯片采用+3V的單極性供電電壓，是基于硅的CMOS工藝制成，具有優(yōu)良的射頻性能。2片數(shù)控衰減器級(jí)聯(lián)，可以保證63 dB的信號(hào)衰減范圍。

2.5 信號(hào)放大器

信號(hào)放大器則采用AD公司的ADL5523。該芯片可以在400～4 000 MHz之間工作，采用3 ～5 V單端供電，在L波段噪聲系數(shù)僅為0.8 dB，放大器典型增益值為20 dB，具有優(yōu)良的放大性能。采用三級(jí)放大器級(jí)聯(lián)方式，可以保證60 dB的放大增益。

3 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該模數(shù)混合快速AGC的性能，對該AGC進(jìn)行了Matlab仿真及系統(tǒng)實(shí)測。接收信號(hào)為單載波QPSK信號(hào)，載波頻率為1 750 MHz，輸入信號(hào)電平為-40～ -5 dBm之間。每一突發(fā)幀信號(hào)長度為350 μs。數(shù)字信號(hào)采樣率為120 Mbps，符號(hào)速率為30 Mbps。

幀探測模塊中信號(hào)延遲相關(guān)值與當(dāng)前窗口的能量值比值與采樣點(diǎn)數(shù)的仿真如圖3所示，可以看出，由于受噪聲的影響，信號(hào)延遲相關(guān)值與能量值比值在0.65之下波動(dòng)，為了減少信號(hào)誤捕與漏捕的概率，通常選擇閾值λn為0.7左右。

圖3 信號(hào)相關(guān)值與能量的比值與采樣點(diǎn)數(shù)關(guān)系

圖4給出了輸入信號(hào)電平為-5 dBm時(shí)AGC的調(diào)整關(guān)系。

圖4 輸入電平為-5 dBm時(shí)AGC調(diào)整關(guān)系

從圖4可以看出，在突發(fā)信號(hào)幀到來之前，AGC增益值初始化為最大值，即數(shù)控衰減值設(shè)為最小。當(dāng)突發(fā)幀信號(hào)到來時(shí)，最初第1個(gè)PN序列信號(hào)被放大飽和，能量值開始增大，在第2個(gè)PN序列到達(dá)時(shí)，信號(hào)自相關(guān)值也開始增大。當(dāng)信號(hào)相關(guān)值與能量值比值大于閾值時(shí)即認(rèn)為信號(hào)到達(dá)，將flag置1，啟動(dòng)AGC。AGC啟動(dòng)后經(jīng)歷3次快速的粗調(diào)整后，信號(hào)電平快速下降到最佳電平附近。圖中agc_new為當(dāng)前時(shí)刻需要調(diào)整的總衰減值，dout1及dout2為數(shù)控衰減器1與數(shù)控衰減器2各自的數(shù)控衰減量，target為最佳電平信號(hào)值。從圖中可以看出，信號(hào)從開始到達(dá)到最終調(diào)整穩(wěn)定后大約經(jīng)歷了1 280個(gè)樣點(diǎn)，折算到信號(hào)時(shí)間大約為10.67 μs。

圖5為輸入信號(hào)電平為-40 dBm時(shí)AGC的調(diào)整關(guān)系，可以看出，當(dāng)輸入接收信號(hào)電平為-40 dBm時(shí)，接收信號(hào)延遲相關(guān)值及信號(hào)能量值均開始顯著減小，文中算法依然能夠正確進(jìn)行幀探測并最終將信號(hào)快速調(diào)整到解調(diào)需要的最佳電平上。

圖5 輸入電平為-40 dBm時(shí)AGC調(diào)整關(guān)系

4 結(jié)束語

主要介紹了工作在L波段的模數(shù)混合快速AGC，該AGC在可靠捕獲突發(fā)幀后經(jīng)歷粗調(diào)整及細(xì)調(diào)整后快速將接收信號(hào)調(diào)整到解調(diào)器需要的最佳電平上。經(jīng)系統(tǒng)實(shí)測，當(dāng)接收信號(hào)輸入電平在-60～ 0 dBm之間時(shí)，該AGC均能在11 μs內(nèi)快速收斂。該AGC尤其適合對收斂時(shí)間有較高要求的高速突發(fā)通信系統(tǒng)中，具有較好的工程實(shí)踐價(jià)值。