基于基帶信號(hào)包絡(luò)的數(shù)字AGC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

(中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100012)

1 引 言

在無線通信系統(tǒng)中，由于信道衰落、多徑效應(yīng)和接收機(jī)熱噪聲等因素影響[1]，信號(hào)強(qiáng)度變化范圍較大，因而對接收機(jī)中的器件提出了更高精度和更大動(dòng)態(tài)范圍的要求。對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的接收機(jī)而言，還存在著多用戶干擾，這些干擾信號(hào)將加劇信號(hào)的變化，增加信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。為了保證接收機(jī)輸出信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)質(zhì)量，需要對接收機(jī)功率進(jìn)行自動(dòng)增益控制(AGC)，使輸出信號(hào)穩(wěn)定在一個(gè)確定的線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，這是一種提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的有效方法。AGC分為射頻(RF)端模擬控制和ADC前端數(shù)字控制兩種形式，前者以提取接收機(jī)收到的模擬信號(hào)作為控制參數(shù)，后者提取ADC后端的數(shù)字信號(hào)作為控制參數(shù)，經(jīng)過一定的算法處理得到實(shí)際的控制信號(hào)。對于擴(kuò)頻信號(hào)系統(tǒng)，由于實(shí)際接收信號(hào)遠(yuǎn)低于噪聲信號(hào)，利用接收噪聲信號(hào)電平或者ADC采樣后的噪聲電平作為AGC控制參數(shù)無法確定接收信號(hào)是否滿足擴(kuò)頻信號(hào)捕獲和跟蹤對信噪比的要求，因此需要以滿足最低捕獲門限要求的信號(hào)作為AGC控制信號(hào)的參考依據(jù)。本文設(shè)計(jì)出利用擴(kuò)頻信號(hào)碼相關(guān)處理后的包絡(luò)信號(hào)作為AGC信號(hào)，可以有效防止信號(hào)捕獲過程中多普勒頻移引起的失鎖和誤捕，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的自適應(yīng)控制，并在應(yīng)用電路里實(shí)現(xiàn)了基帶信號(hào)的數(shù)字AGC控制，具有較大的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍和較好的捕獲和跟蹤能力。

2 基于基帶信號(hào)包絡(luò)功率的AGC控制設(shè)計(jì)

數(shù)字?jǐn)U頻基帶通常采用數(shù)字中頻進(jìn)行帶通無混疊采樣。由于ADC的量化效應(yīng)，當(dāng)信號(hào)超過ADC的采樣最大電平時(shí)，輸出的波形將被限幅，ADC的動(dòng)態(tài)范圍定義為量化最大和最小功率電平的比值，經(jīng)過計(jì)算得到ADC的動(dòng)態(tài)范圍為6 dB/bit[2]。因此，ADC的動(dòng)態(tài)范圍與它的量化位數(shù)有關(guān)，當(dāng)接收機(jī)射頻前端的動(dòng)態(tài)范圍超過ADC的動(dòng)態(tài)范圍，會(huì)造成信號(hào)中頻采樣的飽和失真，因此，通常需要得到AGC控制信號(hào)對射頻放大器輸入端進(jìn)行增益控制，以滿足信號(hào)ADC的動(dòng)態(tài)范圍需求?？刂菩盘?hào)可以從后端的ADC輸出采樣信號(hào)提取，但這樣的控制信號(hào)存在一些問題，對于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，由于實(shí)際接收信號(hào)遠(yuǎn)低于噪聲信號(hào)，無法直接獲得實(shí)際信號(hào)測量值。從ADC采樣后直接提取測量控制信號(hào)，對于數(shù)字基帶，本質(zhì)上和從模擬端采樣一樣，而且加入了量化噪聲。由于測量信號(hào)由信號(hào)加量化噪聲和熱噪聲再加多用戶干擾構(gòu)成，必然變化劇烈，窄帶濾波后平滑時(shí)間過長，有可能不能滿足對快衰落的跟蹤，會(huì)造成信號(hào)部分溢出。因此，我們設(shè)計(jì)測量信號(hào)從解擴(kuò)后的基帶信號(hào)包絡(luò)中提取，這時(shí)的信號(hào)由信號(hào)加熱噪聲組成，同時(shí)解擴(kuò)處理基本消除了其它用戶的擴(kuò)頻干擾影響。此時(shí)信號(hào)基本上反映的是信道的變化?；鶐Оj(luò)檢測信號(hào)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 包絡(luò)檢測信號(hào)設(shè)計(jì)原理圖

利用匹配濾波器將本地碼和信號(hào)的偽碼進(jìn)行同步，調(diào)整偽碼相位和本地頻率來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲。輸入信號(hào)為中頻采樣，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

cos[ωIFt+φ(t)]+n(t)

(1)

式中，Ps為信號(hào)功率，C(t)為擴(kuò)頻碼，D(t-τ)為數(shù)據(jù)流。本地載波發(fā)生器輸出兩路正交的本地載波和本地?cái)U(kuò)頻碼，調(diào)整本地?cái)U(kuò)頻碼相位和本地載波頻率來實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲。假設(shè)本地?cái)U(kuò)頻碼與輸入信號(hào)擴(kuò)頻碼的相位差是零，可以得到本地載波頻率的變化對積分器輸出的影響。

(2)

(3)

(4)

下限值可以用ADC采樣信號(hào)的門限值，也就是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)捕獲的門限值，通常設(shè)計(jì)最小包絡(luò)檢測值大于門限的20%左右[3]。

圖2 擴(kuò)頻基帶I-Q支路信號(hào)包絡(luò)

3 擴(kuò)頻接收基帶信號(hào)門限分析

擴(kuò)頻接收基帶處理通常采用非相干延遲鎖相環(huán)對擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行捕獲和跟蹤[4]，擴(kuò)頻碼的同步捕獲一般都需要將其相關(guān)峰值跟一個(gè)門限值進(jìn)行比較，從而判定擴(kuò)頻碼是否同步，因此可以用這個(gè)門限值作為當(dāng)信噪比一定的條件下捕獲信號(hào)的最小功率值。對于單個(gè)數(shù)據(jù)樣本的門限值，如果A/D采樣率為fs,對每一個(gè)樣本的虛警概率為Pfas，那么，在沒有信號(hào)時(shí)，接收機(jī)產(chǎn)生一次虛警所需要的平均時(shí)間為

(5)

若假定噪聲的概率密度函數(shù)P(x)是高斯型，在基帶I、Q兩路的噪聲是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的條件下，包絡(luò)的概率密度為P(x)P(y)，總的概率密度為

(6)

虛警概率可表示為

(7)

式中，r1是門限值，假設(shè)虛警概率為條件已知，可求得門限值與中頻采樣噪聲方差的關(guān)系[5]：

r1=σ(-2ln(Pfas))1/2

(8)

式中，σ為噪聲方差，包括量化噪聲的大小。這里所求的門限值是單采樣值，通常基帶的解擴(kuò)采用一個(gè)符號(hào)周期作為積分積累時(shí)間，對噪聲值進(jìn)行不斷的積累，因此可以求得N個(gè)樣本數(shù)的門限值之和作為最終的判斷門限。因此，從門限值可以得出在輸入信號(hào)載噪比一定的條件下所輸入的最小信號(hào)功率。對于擴(kuò)頻信號(hào)數(shù)字處理可以作為擴(kuò)頻信號(hào)捕獲的門限值。當(dāng)?shù)陀陂T限值時(shí)，擴(kuò)頻信號(hào)將無法完成捕獲和跟蹤，因此它是接收信號(hào)自動(dòng)增益控制的參考門限。

4 仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

從上述分析可以看出，利用擴(kuò)頻基帶相關(guān)積分器輸出包絡(luò)信號(hào)已經(jīng)可以判斷捕獲信號(hào)的準(zhǔn)確性和信號(hào)跟蹤時(shí)跟蹤環(huán)路信號(hào)的穩(wěn)定性，用它作為數(shù)字衰減器的輸入控制信號(hào)，可以認(rèn)定控制信號(hào)的有效性和可行性。根據(jù)上述基帶數(shù)字AGC的控制原理,我們進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，A/D選用ADI公司的8位AD9288，電壓的峰峰值可以達(dá)到500 mV，數(shù)字衰減器采用Peregine半導(dǎo)體的PE4302數(shù)字衰減器，PE4302是32 dB衰減6位可編程衰減器，利用基帶可以對芯片進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。基帶數(shù)字AGC控制原理框圖如圖3所示。

圖3 基帶數(shù)字AGC控制原理框圖

除了利用衰減器的30 dB左右的衰減，AD變換器還有30 dB左右的動(dòng)態(tài)范圍，因此整個(gè)鏈路可以實(shí)現(xiàn)60 dB左右的動(dòng)態(tài)范圍，能滿足信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的要求。同時(shí)，由于鏈路的門限設(shè)計(jì)是以基帶信號(hào)處理后可以捕獲跟蹤信號(hào)為依據(jù)的，因此可以保證在大的輸入射頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍快速完成基帶信號(hào)處理。

5 結(jié) 論

本文利用基帶信號(hào)包絡(luò)功率作為數(shù)字AGC自適應(yīng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻接收機(jī)RF信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)控制。文中提出的基于擴(kuò)頻信號(hào)包絡(luò)檢測信號(hào)和解調(diào)門限的設(shè)計(jì)方法，可以保證在大的輸入射頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍基帶擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)的有效性，克服了直接采樣信號(hào)后提取控制信號(hào)的隨意性。電路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可以實(shí)現(xiàn)較大的射頻信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾一凡,李輝.擴(kuò)頻通信原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

ZENG Yi-fan, LI Hui. The Principle of Spread Spectrum Communications[M].Beijing: Machinery Industry Press,2005.(in Chinese)

[2] 魯郁.GPS全球定位接收機(jī)-原理與軟件實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

LU Yu. GPS global positioning receivers-theory and software implementation[M].Beijing: Publishing House of Electronic Industry,2009.(in Chinese)

[3] 蔣勇,龍曉波.數(shù)字接收機(jī)自動(dòng)增益控制工程實(shí)現(xiàn)方法[J].信息與電子工程,2009,3(7):173-176.

JIANG Yong, LONG Xiao-bo. Engineering implementation method of automatic gain control in digital receiver[J]. Information and Electronic Engineering,2009,3(7):173-176. (in Chinese)

[4] 何世彪,譚曉衡.擴(kuò)頻技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

HE Shi-biao, TAN Xiao-heng. Spread Spectrum Technology and Implementation[M].Beijing: Electronic Industry Press,2007. (in Chinese)

[5] 喻斌,陳軍波,李青俠.數(shù)字AGC的分析和設(shè)計(jì)[J].桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,23(5):35-37.

YU Bin,CHEN Jun-bo,LI Qing-xia. Analysis and Design of Digital AGC[J]. Journal of Guilin Institute of Electronic Technology, 2003,23(5):35-37. (in Chinese)