一種基于FPGA的信道多級(jí)AGC控制方法

蘇鋒 李飛 陳佳鑫

摘? 要：通信系統(tǒng)接收機(jī)的信號(hào)接收單元一般采用自動(dòng)增益控制（AGC），文章針對(duì)通信系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)需具備大動(dòng)態(tài)接收范圍的發(fā)展需求，提出了一種基于FPGA的信道多級(jí)AGC控制方法。該方法主要由大信號(hào)抑制控制單元、開環(huán)AGC控制單元和閉環(huán)AGC控制單元串聯(lián)組成多級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信系統(tǒng)接收機(jī)信道大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)強(qiáng)度的有效AGC控制。試驗(yàn)驗(yàn)證表明：該控制方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收機(jī)接收信號(hào)高控制精度和快速反應(yīng)時(shí)間的可靠控制。該控制方法，具有防止大信號(hào)失真、輸出信號(hào)電壓穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、大動(dòng)態(tài)范圍和抗干擾性能較好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：通信系統(tǒng)；接收機(jī)；大動(dòng)態(tài)范圍；自動(dòng)增益控制；多級(jí)串聯(lián)

中圖分類號(hào)：TN85? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）07-0062-03

Abstract： The signal receiving unit of communication system receiver generally adopts Automatic Gain Control （AGC）. This paper proposes a channel multi-level AGC control method based on FPGA to meet the development requirements of communication system receiver design with large dynamic receiving range. This method mainly consists of a large signal suppression control unit， an open loop AGC control unit and a closed loop AGC control unit in series to form a multi-level control system， which can realize the effective AGC control of signal strength of the communication system receiver channel in a large dynamic range. The experimental results show that this control method can achieve reliable control of high control accuracy and fast response time of the received signal of the receiver. The control method has the advantages of preventing large signal distortion， stable output signal voltage， fast response speed， large dynamic range and good anti-interference performance.

Keywords： communication system; receiver; large dynamic range; automatic gain control; multi-level series connection

0? 引? 言

在無線通信系統(tǒng)中，接收信號(hào)容易受障礙物、發(fā)射機(jī)功率大小、發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間距離及接收機(jī)位置變化等多因素的影響，使得天線接收到的信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)較大的起伏變化，以致信號(hào)過小造成有用信號(hào)丟失，過大會(huì)過載失真，接收機(jī)可能無法正常解調(diào)信號(hào)，降低了接收機(jī)的性能[1]。隨著軟件無線電技術(shù)的快速發(fā)展，需要無線通信系統(tǒng)接收機(jī)的射頻接收單元提供更高的靈敏度、更大的接收動(dòng)態(tài)范圍，以及更好的抗干擾能力。信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的增大對(duì)接收機(jī)的設(shè)計(jì)提出更高的要求，而自動(dòng)增益控制（AGC）是一種很好的增大信號(hào)接收動(dòng)態(tài)范圍的手段[2]。在接收機(jī)信號(hào)接收的過程中，接收機(jī)自動(dòng)增益控制（AGC）策略的優(yōu)劣將直接影響到接收機(jī)靈敏度、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)的性能優(yōu)劣。

自動(dòng)增益控制（AGC）系統(tǒng)作為通信設(shè)備的重要組成[3]，在前端接收到的信號(hào)較微弱，不能直接滿足后端處理的情況下，AGC系統(tǒng)通過相應(yīng)的響應(yīng)為接收機(jī)提供較高的信號(hào)放大能力，提高其信道總增益；在前端接收到的信號(hào)較大時(shí)，超出后端處理所能承受的情況下，AGC系統(tǒng)通過相應(yīng)的響應(yīng)及時(shí)降低接收機(jī)的增益，確保接收機(jī)線性工作，減小輸出失真，避免因大信號(hào)的輸入造成接收機(jī)的堵塞[4]。因此，在通信系統(tǒng)接收機(jī)模塊中，自動(dòng)增益控制（AGC）的控制策略，直接影響到系統(tǒng)接收機(jī)的性能指標(biāo)。

1? 通信系統(tǒng)接收機(jī)信道AGC控制過程

1.1? 接收機(jī)信號(hào)接收通路接收AGC的組成

接收機(jī)信號(hào)接收組成框圖如圖1所示。由圖可知，接收機(jī)的接收通路主要包括：濾波器單元、混頻單元、模擬AGC單元、數(shù)字AGC單元、AGC控制算法單元和基帶處理單元。接收機(jī)AGC控制單元主要分為：模擬AGC控制和數(shù)字AGC控制兩部分。接收機(jī)信道AGC的控制主要是設(shè)計(jì)AGC控制算法，通過合理的算法對(duì)模擬AGC單元和數(shù)字AGC單元進(jìn)行合理的控制，最終輸出低延時(shí)、穩(wěn)定不失真的數(shù)字信號(hào)供基帶處理單元處理。

隨著集成電路的技術(shù)發(fā)展，高性能的A/D和D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換器不斷地推陳出新，目前應(yīng)用于通信系統(tǒng)的A/D和D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了50 dB甚至更高，同時(shí)內(nèi)部集成了數(shù)字AGC技術(shù)，在芯片內(nèi)部就可以根據(jù)檢測的信號(hào)場強(qiáng)完成AGC過程。但是在信號(hào)強(qiáng)度接收動(dòng)態(tài)范圍要求較大的通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般要求在-120 dBm～0 dBm之間，因此在接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在接收信道上，要求通過對(duì)模擬AGC的控制達(dá)到通信系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。

1.2? 接收機(jī)模擬AGC控制方式

常見的AGC控制系統(tǒng)分為前饋型AGC控制系統(tǒng)和反饋型AGC控制系統(tǒng)[4]。反饋型AGC控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，控制通道通過檢測可變?cè)鲆娣糯笃鬏敵鲂盘?hào)的場強(qiáng)作為增益控制的輸入信號(hào)，產(chǎn)生控制信號(hào)，調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆鎱?shù)，完成反饋型AGC環(huán)路控制。前饋型AGC控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，控制通道通過檢測射頻輸入前端信號(hào)的場強(qiáng)作為增益控制的輸入信號(hào)，產(chǎn)生控制信號(hào)，調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆鎱?shù)，完成前饋型AGC環(huán)路控制。

在兩種AGC控制系統(tǒng)中，反饋型AGC系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是能以一定的準(zhǔn)確度保持系統(tǒng)輸出電壓幅度穩(wěn)定，并且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變換具有魯棒性，但是反饋型AGC系統(tǒng)存在抗干擾性差、控制穩(wěn)定所需時(shí)間長等缺點(diǎn)，開環(huán)AGC系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是在輸入信號(hào)幅度發(fā)生一些變化時(shí)，電路仍然可以做到輸出幅度的不變，并且這種結(jié)構(gòu)具有時(shí)間建立迅速的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化敏感[5]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單一方式的AGC控制方案，很難滿足接收機(jī)接收信道的低噪聲、抗干擾和大動(dòng)態(tài)范圍等各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，因此，本文提出了一種由兩種AGC控制方式串聯(lián)組成的多級(jí)AGC控制方法。

2? 基于FPGA的接收機(jī)信道AGC控制方法

2.1? 基于FPGA的信道AGC控制方案實(shí)現(xiàn)

基于FPGA的信道多級(jí)AGC控制方案原理框圖如圖4所示。整個(gè)接收信道主要分為射頻前端接收單元、一中頻接收單元和二中頻接收單元。射頻前端接收單元主要由電調(diào)濾波器、射頻場強(qiáng)檢測、可控增益控制和數(shù)控衰減器組成了一組前饋型AGC控制單元，實(shí)現(xiàn)了一定程度的大信號(hào)抑制和小信號(hào)的放大；一中頻接收單元主要由混頻器、低噪放、晶體濾波器和數(shù)控衰減器組成了一組反饋型AGC控制單元，實(shí)現(xiàn)了信道低噪聲的放大和線性控制；二中頻接收單元主要由混頻器、低通濾波器和可控低噪聲放大器器組成了一組反饋型AGC控制單元，實(shí)行接收機(jī)中頻輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。

2.2? 信道AGC控制算法設(shè)計(jì)

根據(jù)前面分析，接收機(jī)整個(gè)接收機(jī)由射頻前端AGC模塊、一中頻AGC模塊和二中頻AGC模塊組成了三級(jí)AGC控制系統(tǒng)。每一級(jí)的方法及增益控制范圍如圖5所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬輸入信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍為66 dB，ADC最大不失真輸入信號(hào)強(qiáng)度為-28 dBm。AGC控制目標(biāo)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC信號(hào)強(qiáng)度為-30 dBm。

根據(jù)前面分析，整個(gè)信道的AGC控制算法如下：

在二中頻控制單元，理想的ADC模擬信號(hào)輸入強(qiáng)度為-30 dBm，二中頻可控增益放大器的動(dòng)態(tài)控制范圍為0～42 dBm，所以可控增益放大器前端輸入信號(hào)強(qiáng)度的起控范圍為：-72～-30 dBm。整個(gè)控制過程中FPGA通過讀取AD9364寄存器內(nèi)的場強(qiáng)值2IF_RSSI，作為控制回路的反饋信號(hào)，F(xiàn)PGA根據(jù)反饋信號(hào)輸出數(shù)字控制信號(hào)至DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器，DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出0～1 V的控制電壓控制可控增益放大器的增益，放大器增益和控制電壓程線性關(guān)系。

在一中頻控制單元，根據(jù)系統(tǒng)增益分配圖可知，一中頻理想的信號(hào)輸出范圍為：-64～-22 dBm，為了提高信號(hào)質(zhì)量，一中頻控制單元中的增益放大器都是固定增益的低噪放，整個(gè)控制單元鏈路的固定增益為21 dB，所以在一中頻的AGC控制中，F(xiàn)PGA根據(jù)一中頻的場強(qiáng)信號(hào)IF_RSSI強(qiáng)度輸出ATT_CONT2控制信號(hào)控制數(shù)控衰減器2，衰減器的衰減范圍為-30～0 dBm，所以一中頻信號(hào)強(qiáng)度的起控輸入范圍為-85～-13 dBm。

在射頻前端控制單元，為了防止大信號(hào)輸入造成后端信號(hào)阻塞和信號(hào)輸入過小造無法達(dá)到后端處理信號(hào)的最小線性信號(hào)輸入要求，F(xiàn)PGA通過檢測RF_RSSI的場強(qiáng)控制AGC_RF1和AGC_RF2的組合電平選擇是否旁路固定增益23 dB的低噪放，數(shù)控衰減器1的衰減范圍為-30～0 dBm，所以射頻前端信號(hào)強(qiáng)度輸入的起控范圍為-104～21 dBm。

在微小信號(hào)輸入的情況下，整個(gè)接收機(jī)接收通路增益為74 dB，所以當(dāng)輸入信號(hào)強(qiáng)度為-120 dBm時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸入信號(hào)強(qiáng)度為-46 dBm，完全滿足器件輸入要求的信號(hào)強(qiáng)度，所以輸入信號(hào)強(qiáng)度在-120～21 dBm的范圍內(nèi)時(shí)，通過多級(jí)AGC的控制完全能實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的穩(wěn)定輸出。

3? 分析及驗(yàn)證

通過以上分析，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度小于-104 dBm時(shí)接收機(jī)接收通路增益完全放開，當(dāng)信號(hào)在-104～21 dBm范圍內(nèi)時(shí)接收機(jī)中頻輸出信號(hào)強(qiáng)度可以穩(wěn)定地控制在-30 dBm，當(dāng)射頻信號(hào)強(qiáng)度大于21 dBm時(shí)輸出中頻信號(hào)將大于-30 dBm超出可控范圍。為驗(yàn)證系統(tǒng)的控制效果，用信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)強(qiáng)度為-110、-100、-80、-50、-20 dBm和20 dBm的信號(hào)作為系統(tǒng)射頻信號(hào)的輸入，按照超短波頻段分別選擇30 MHz、55.25 MHz和87.975 MHz三個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行測試，通過頻譜儀觀測中頻信號(hào)的輸出，判斷輸入輸出信號(hào)是否符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。測試結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在輸入信號(hào)強(qiáng)度為-110 dBm時(shí)，AGC控制放開所有通路的衰減，各放大器設(shè)置到最大值，信道總的增益達(dá)到最大值，確保信號(hào)在靈敏度附近時(shí)有足夠的增益；在輸入信號(hào)強(qiáng)度范圍在-100～20 dBm的范圍時(shí)，處于接收機(jī)的起控范圍，中頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出，確保接收信號(hào)不失真。測試結(jié)果數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)AGC控制的誤差范圍能夠控制在1 dBm以內(nèi)，達(dá)到了較好的穩(wěn)定性。

4? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于FPGA的信道多級(jí)AGC控制方法。該方法由接收機(jī)射頻前端前饋型AGC、一中頻反饋型AGC和二中頻反饋型AGC模塊組成串聯(lián)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)兼顧了前饋型AGC和反饋型AGC的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)規(guī)避了兩種AGC的缺點(diǎn)，具有大動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整能力和防止大信號(hào)輸入造成接收通路阻塞的控制能力。試驗(yàn)表明，該控制方法的實(shí)測結(jié)果均與號(hào)各項(xiàng)參數(shù)值與理論計(jì)算值相符，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。與單一的前饋型AGC和反饋型AGC系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍大和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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作者簡介：蘇鋒（1986—），男，漢族，廣西北海人，工程師，碩士研究生，研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。