接收機中數(shù)字AGC的設(shè)計

【摘 要】AGC 系統(tǒng)是一種壓縮動態(tài)范圍的控制系統(tǒng)，根據(jù)接收機接收到的信號電平強弱，自適應(yīng)調(diào)整射頻或中頻通道增益，使信道最終輸出信號強度保持不變或只有很小的變化。本文提出一種數(shù)字AGC的實現(xiàn)方法，并通過仿真與實驗驗證其可行性。

【關(guān)鍵詞】自動增益控制；穩(wěn)定時間；功率檢測；噪聲系數(shù)

0.引言

AGC是典型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，以輸出信號與給定參考信號的誤差調(diào)節(jié)信道增益，當(dāng)輸入信號電平發(fā)生變化時，理想的AGC系統(tǒng)輸出恒定的電平信號。在不同的應(yīng)用中AGC有不同的結(jié)構(gòu)形式，但其基本組成相同，都包含輸出信號檢測、參考信號比較和可控增益放大三部分。若各部分均工作在模擬域，則為模擬AGC；若全部或部分工作在數(shù)字域，則稱為數(shù)字式AGC。

1.AGC環(huán)路設(shè)計

AGC 系統(tǒng)設(shè)計主要要求控制范圍要寬，信號失真要小，要有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時間，對瞬變的輸入信號能盡快地發(fā)生正常的增益調(diào)節(jié)作用同時，不影響接收機的噪聲性能。

常用的負反饋AGC環(huán)路一般包括可控增益，AD采樣，數(shù)字檢波，門限比較，環(huán)路濾波，數(shù)字信號處理這幾部分。如圖1所示。

可控增益用于控制信號的放大或縮小。AD采樣將模擬信號數(shù)字化處理。數(shù)字檢波主要用于提取輸入信號的低頻包絡(luò)分量。門限比較主要將檢波得到的信號與AGC參考門限值作比較。數(shù)字信號處理主要進行誤差信號的累計處理以生成數(shù)控運放的控制量。

常用數(shù)字檢波是采用平方律結(jié)合數(shù)字低通濾波的形式。 這種方法需要使用乘法器，所以在實現(xiàn)時為了保證速度會消耗掉大量的FPGA資源。但如果減少了消耗資源又會降低速度，增加整個AGC環(huán)路的響應(yīng)時間。我們可以采用絕對值檢波結(jié)合低通濾波模型。理論上分析信號取絕對值后，包含了除所需的基頻分量外，還包含了不需要的高頻鏡像和諧波分量，采用低通濾波后同樣可以提取出包絡(luò)。

對于環(huán)路濾波器，可看作為一個誤差量的平滑過程，即等價為簡單的低階，系數(shù)全為1的FIR濾波器。同時在FPGA實現(xiàn)時對低位進行截斷，可以進一步實現(xiàn)對低頻分量的濾波。

數(shù)字信號處理部分主要作誤差信號的累計，類似于模擬AGC中的積分過程。

2.環(huán)路設(shè)計中的幾點考慮

2.1 負反饋環(huán)路階數(shù)考慮

對于鎖相環(huán)，就同一種環(huán)路來講，輸入信號變化越快，跟蹤性能就越差。一階環(huán)可以無誤差的跟蹤相位階躍信號，跟蹤頻率階躍（也就是相位斜升）時就出現(xiàn)了固定的相差，而跟蹤頻率斜升信號（相位加速度信號）就出現(xiàn)了無限大的穩(wěn)態(tài)相差，說明一階環(huán)是不能跟蹤這種信號的。而對于理想二階環(huán)，它能無誤差的跟蹤相位階躍和相位斜升信號，但跟蹤相位加速度時就出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)相位誤差。其次同一信號加入不同的鎖相環(huán)路，其穩(wěn)態(tài)相差是不同的。對于相位階躍信號，各種環(huán)路都能無誤差的跟蹤。對于頻率階躍信號，一階環(huán)或非理想二階環(huán)，將有固定的穩(wěn)定相差，理想的二階環(huán)和三階環(huán)則能無誤差地跟蹤。對于頻率斜升信號，一階環(huán)和非理想二階環(huán)無法跟蹤，理想二階環(huán)跟蹤時有固定的穩(wěn)態(tài)相差，理想三階環(huán)則可無誤差地跟蹤。

類比AGC負反饋環(huán)路，信號幅度大小即對應(yīng)相位，相位階躍則對應(yīng)信號幅度大小階躍，頻率階躍則對應(yīng)信號幅度變化率固定但變化率突然變化，頻率斜升對應(yīng)信號幅度變化率連續(xù)變化的情況。根據(jù)信號的實際情況，若信號幅度不會出現(xiàn)快速大的連續(xù)變化，即信號幅度具有變化率的情況。可考慮使用一階環(huán)對信號幅度進行跟蹤，即使有比較小的幅度變化率，一階環(huán)也可以實現(xiàn)良好的跟蹤。

2.2 環(huán)路的抖動

若可控增益為步進特性時，如以1dB步進進行增益調(diào)整，則在環(huán)路鎖定時會出現(xiàn)增益抖動的情況。這是因為數(shù)字自動增益控制中可控增益量是離散的，因此輸出功率不能鎖定到一點上。這會極大影響幅度調(diào)制信號的保真度。

為解決環(huán)路抖動問題，可以讓環(huán)路不是鎖定到一個固定值而是鎖定到一段功率范圍內(nèi)，也就是一個鎖定區(qū)間。鎖定區(qū)間可用于衡量鎖定后輸出功率的誤差，同時為了防止鎖定后增益抖動，算法可以將輸出功率到達鎖定區(qū)間之內(nèi)作為調(diào)整結(jié)束的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

假設(shè)環(huán)路當(dāng)前已鎖定，此時誤差累計的計算不以一個固定值為參考，而是以鎖定區(qū)間為參考。因為若以固定值為參考，由于環(huán)路不能鎖定在該點上，而是偏離該點值一定范圍，這時環(huán)路的累積誤差是一個逐步增大的趨勢，則環(huán)路勢必會做出增益調(diào)整，而若以區(qū)間為誤差計算的標(biāo)準(zhǔn)，則我們可以認為只要鎖定后的A點值落在區(qū)間內(nèi)，則誤差為0，不做累積，這時環(huán)路保持原狀態(tài)，不做增益調(diào)整，而只有A點值落在區(qū)間外，誤差不為0，此時再進行誤差累積，環(huán)路做出相應(yīng)調(diào)整。具體誤差計算方法如下，假設(shè)鎖定區(qū)間的上限為M，下限為N，當(dāng)前采樣值為A，則誤差量=，若采樣值落在鎖定區(qū)間內(nèi)，即，則誤差量必等于0，若或，則誤差量必大于0。

另外還需考慮負反饋環(huán)路是否應(yīng)該工作的問題。當(dāng)時，可能信道處于小信號狀態(tài)，這時檢查增益是否處于完全放開的狀態(tài)，若其處于完全放開的情況，則環(huán)路不工作；時，檢查程增益是否處于完全衰減的狀態(tài)，若其處于全衰減狀態(tài)，則環(huán)路同樣不工作。同時還要避免進入死循環(huán)，這種情況發(fā)生在鎖定區(qū)間的上限和下限很接近情況。例如輸出功率剛好略小于鎖定區(qū)間下限，增益步長加一后，輸出功率大于鎖定區(qū)間上限，這樣增益會反復(fù)的調(diào)整，進入死循環(huán)。通過記憶上次調(diào)整的時候增益加還是減，可以避免死循環(huán)。如果上次增益加1，這次需要減1，意味著輸出功率不能鎖定到鎖定區(qū)間之內(nèi)，增益調(diào)整可以結(jié)束。同時我們也可以把鎖定區(qū)間設(shè)的較大一些（鎖定區(qū)間大于最小步進即可），這樣就肯定不會進入死循環(huán)。

若要徹底避免抖動，可以在可控增益部分采用PIN管之類連續(xù)增益可變器件完成增益控制過程。

3.環(huán)路仿真

根據(jù)圖1，利用MATLAB進行對一個包絡(luò)調(diào)制信號進行仿真，結(jié)果如圖3所示。其中窗口一為通過AGC控制后的波形，窗口二為進入AGC環(huán)路的波形，窗口三為誤差累計曲線。可以看出信號經(jīng)AGC控制后，信號幅度首先是增長，其后再下降，最后趨于穩(wěn)定，與誤差累計曲線的趨勢是吻合的，也符合負反饋環(huán)路的特性，且可以通過調(diào)節(jié)數(shù)字AGC內(nèi)部的誤差累計長度使該負反饋環(huán)路適應(yīng)不同速率的調(diào)制信號。

4.結(jié)束語

AGC環(huán)路作為接收機設(shè)計中的一個關(guān)鍵，其設(shè)計的好壞直接影響到接收機的性能。本文提出的AGC環(huán)路模型已在工程中獲得驗證，具有響應(yīng)速度可調(diào)、信號失真小、控制精度高的特點，可以為其他接收機實現(xiàn)數(shù)字AGC作為參考。

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作者簡介：

胡來平，男，江西九江人，工程師，主要從事射頻通信電路設(shè)計。