一種改進(jìn)的數(shù)字AGC及其FPGA實(shí)現(xiàn)

馬 飛，蔣 超，郭年庚

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，四川成都611731;3.北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京100083)

0 引言

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，由于無(wú)線信道存在的各種衰落現(xiàn)象，發(fā)射機(jī)功率的變化以及通信雙方的相互運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致接收端收到的射頻信號(hào)功率在一個(gè)較大的范圍內(nèi)波動(dòng)［1，2］。如果信號(hào)功率過(guò)大，超過(guò)接收機(jī)能夠承受的量值，那么將會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)失真甚至接收機(jī)射頻電路損壞;反之，如果信號(hào)功率過(guò)小，那么很有可能接收機(jī)無(wú)法捕捉到該信號(hào)，造成信號(hào)的丟失［3］。而自動(dòng)增益控制(AGC)模塊可以降低這些情況出現(xiàn)的概率，提高接收信號(hào)的可靠性。因此，AGC電路是無(wú)線通信系統(tǒng)的一個(gè)必不可少的部分。

通常AGC分為2類:外部AGC和內(nèi)部AGC，外部AGC的優(yōu)勢(shì)是調(diào)節(jié)范圍較大。在實(shí)際應(yīng)用中，利用它可以使原本變化較大的射頻信號(hào)處于一個(gè)較小的波動(dòng)范圍之內(nèi)［4，5］。而內(nèi)部AGC的調(diào)節(jié)范圍較小，但是在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)往往具有良好的抗干擾性以及便于調(diào)試的特點(diǎn)，并且功率調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)定［6］。本文重點(diǎn)分析數(shù)字內(nèi)部AGC的改進(jìn)算法。

1 內(nèi)部AGC原理

通常內(nèi)部AGC處于接收機(jī)的數(shù)字下變頻(DDC)之后，通過(guò)反饋的形式［7，8］，以AGC模塊的輸出數(shù)據(jù)的能量為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸入AGC的數(shù)據(jù)幅度進(jìn)行調(diào)整［9，10］，從而達(dá)到控制功率的作用［11，12］，如圖1所示。

圖1 內(nèi)部AGC架構(gòu)

從具體的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)看，內(nèi)部AGC的結(jié)構(gòu)如圖2所示，輸入的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)能量平均模塊，計(jì)算出一段時(shí)間的采樣點(diǎn)的平均能量。設(shè)這段時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為N，那么平均能量表示為:

式中，s(t)表示輸入的信號(hào)，這里需要指出的是N的取值需要滿足一定的條件。為了保證平均能量的準(zhǔn)確估計(jì)，N的值應(yīng)當(dāng)取得足夠大。同時(shí)，為了保證N個(gè)采樣點(diǎn)之間的信號(hào)能量不發(fā)生顯著變化，N的值又應(yīng)當(dāng)取得足夠小。設(shè)計(jì)中可以把該值設(shè)為可調(diào)，根據(jù)實(shí)際情況測(cè)定，這里N=128。

圖2 內(nèi)部AGC原理

接下來(lái)將平均能量輸入對(duì)數(shù)查找表模塊，對(duì)能量值取對(duì)數(shù)之后將該對(duì)數(shù)能量與參考值的對(duì)數(shù)值相減，所得的結(jié)果送入運(yùn)算判決模塊，該模塊的輸出作為指數(shù)查找表的輸入地址，輸出的數(shù)據(jù)就是取2的指數(shù)次方的輸出，然后將該輸出與輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法，實(shí)現(xiàn)功率控制。

對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)部AGC的判決模塊，往往是設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)對(duì)數(shù)能量與參考值的對(duì)數(shù)值之差的模大于該閾值的時(shí)候，將衰減因子coef賦予一個(gè)定值A(chǔ)，當(dāng)差值的模小于該閾值的時(shí)候coef置為0。顯而易見(jiàn)，在這種方式中，無(wú)論輸入數(shù)據(jù)的能量與參考能量相差多少都按照同樣的速率進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，收斂速度過(guò)慢。基于這一點(diǎn)，本文提出一種改進(jìn)算法——雙因子功率控制算法，下面將對(duì)該算法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 快速收斂的內(nèi)部AGC算法

本文提出的快速收斂的內(nèi)部AGC算法流程如圖3所示。AGC首先需要計(jì)算輸入信號(hào)的分段能量平均值Q，這里選取分段的長(zhǎng)度為128個(gè)采樣點(diǎn)。圖中的K0是參考功率，也就是需要最終收斂的功率值，這里K0的取值根據(jù)無(wú)線通信系統(tǒng)接收到的信號(hào)的實(shí)際功率值來(lái)確定。不斷對(duì)參考能量與輸入信號(hào)的平均能量Q取對(duì)數(shù)之后再進(jìn)行減法操作，記所得的差值為e。設(shè)定2個(gè)閾值(閾值1＞閾值2)，如果e的絕對(duì)值≥閾值1，那么說(shuō)明信號(hào)能量與參考能量相差較大，這里采用一個(gè)較大的控制因子coef_h對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行控制，如果e的絕對(duì)值≥閾值2，并且≤閾值1，那么說(shuō)明信號(hào)能量與參考能量相差較小，則采用一個(gè)較小的控制因子coef_l，如果e的絕對(duì)值≤閾值2，則說(shuō)明信號(hào)能量與參考能量相差很小，將控制因子取為0，不對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率控制。得到了控制因子coef之后，將其與e進(jìn)行乘累加運(yùn)算。最后對(duì)乘累加的結(jié)果進(jìn)行2的指數(shù)運(yùn)算得到功率補(bǔ)償?shù)臄?shù)值，再與輸入信號(hào)相乘，以達(dá)到功率控制的目的。本文對(duì)算法進(jìn)行了仿真，AGC模塊的Matlab仿真圖如圖4所示，輸入激勵(lì)為幅度為1的正弦波。

圖3 內(nèi)部AGC的算法

圖4 原始輸入功率恒定的正弦信號(hào)及AGC輸出

3 快速收斂算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

內(nèi)部AGC系統(tǒng)由4個(gè)部分組成:能量平均器、對(duì)數(shù)查找表、運(yùn)算判定器和指數(shù)查找表。能量平均器的實(shí)現(xiàn)方式是首先對(duì)輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部進(jìn)行平方和運(yùn)算，得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行一段時(shí)間的累加操作，然后再取平均。能量平均后的數(shù)據(jù)送入到對(duì)數(shù)查找表的地址輸入端，查找表的輸出即對(duì)數(shù)運(yùn)算后的能量均值。對(duì)數(shù)查找表輸出的數(shù)據(jù)就是圖3中的log2(Q(n－1))，將此數(shù)據(jù)按照?qǐng)D3中的算法進(jìn)行運(yùn)算判定，得出相應(yīng)的控制因子coef，最終得出圖3中ac(n)的大小。接下來(lái)對(duì)ac(n)取2的指數(shù)的操作。采用的方式和取對(duì)數(shù)一樣，利用查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后通過(guò)復(fù)數(shù)乘法器IP核實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的功率控制。圖4為測(cè)試中常用的正弦信號(hào)為輸入時(shí)的AGC的輸出;圖5為AGC模塊的RTL實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖，主要包括:能量平均、對(duì)數(shù)查表、運(yùn)算判定、指數(shù)查表和增益補(bǔ)償?shù)饶K。

圖5 改進(jìn)的內(nèi)部AGC的RTL結(jié)構(gòu)

圖6為內(nèi)部AGC模塊的Modelsim仿真輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab的顯示圖。其中輸入信號(hào)由Matlab產(chǎn)生的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)16 bit量化之后得到。從圖中可以看出，信號(hào)幅度剛開(kāi)始有比較大的調(diào)整，隨后調(diào)整幅度越來(lái)越小，這與算法的預(yù)期效果相一致。

圖6 Modelsim仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab顯示

內(nèi)部AGC的資源量分析如表1所示，F(xiàn)PGA芯片采用的是Xilinx公司的V5SX95T，寄存器占用量為2%，LUT占用量為5%，組合邏輯為5%，存儲(chǔ)器占用量為1%?？梢钥闯霰驹O(shè)計(jì)的資源量消耗不高，可以運(yùn)用到實(shí)際情況中去。

表1 布局布線后的內(nèi)部AGC資源量

4 結(jié)束語(yǔ)

AGC的重要任務(wù)是能夠快速的使接收到的信號(hào)功率穩(wěn)定到一個(gè)參考值。然而傳統(tǒng)的基于單因子的AGC算法往往不能達(dá)到快速收斂的要求。本文提出一種雙因子的AGC算法，這種算法可以根據(jù)實(shí)際情況靈活的調(diào)節(jié)2個(gè)控制因子的大小，加快能量的收斂。該算法在Xilinx V5SX95T開(kāi)發(fā)板上成功實(shí)現(xiàn)。從布局布線后的資源量報(bào)告中可以看出，本設(shè)計(jì)所占資源較少，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

［1］王文博，鄭 侃.寬帶無(wú)線通信 OFDM技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2007:57－61.

［2］田 耘，徐文波，張延偉，等.無(wú)線通信 FPGA設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:23－24.

［3］PROAKIS J G.數(shù)字通信(第4版)［M］.張力軍，張宗橙，鄭寶玉，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008:19－30.

［4］尹長(zhǎng)川，羅 濤，樂(lè)光新.多載波寬帶無(wú)線通信技術(shù)［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2004:1－2.

［5］李志騫，李大鵬，單福悅.基于數(shù)字 AGC的控制算法［J］.無(wú)線電工程，2012，42(6):2 －3.

［6］李宙杰，黃玉學(xué).AGC系統(tǒng)抗干擾方法改進(jìn)［J］.無(wú)線電工程，2009，39(6):1 －2.

［7］史治國(guó)，洪少華，陳抗生.基于Xilinx FPGA的OFDM通信系統(tǒng)基帶設(shè)計(jì)［M］.浙江:浙江大學(xué)出版社，2009:20－21.

［8］楊 佳，吳 丹.數(shù)字AGC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2007，33(2):1 －2.

［9］代 濤，馮 雷.基于FPGA的大動(dòng)態(tài)數(shù)控AGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2010，36(4):1 －2.

［10］隋占菊，路 雯.一種改進(jìn)型AGC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.無(wú)線電工程，2010，40(12):1 －2.

［11］耿新濤，王 鳳.寬帶數(shù)字接收機(jī)AGC設(shè)計(jì)方法分析［J］.無(wú)線電工程，2007，37(10):2 －3.

［12］賀 欣.寬帶大動(dòng)態(tài)AGC電路設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012(8):1－2.