基于FPGA的自動增益控制算法的設計與實現(xiàn)

楊康

【摘要】在一般的接收機系統(tǒng)中，由于天線接收時信號幅度變化較大，自動增益控制（AGC）算法在整個傳輸控制系統(tǒng)中起著至關重要的作用。在本文中，首先介紹了AGC算法的基本原理和結構，通過對AGC算法在工程中應用的總結，設計一種能夠在工程中使用的快速AGC算法并對其性能進行理論分析，在FPGA中進行編程實現(xiàn)并完成仿真，證明該算法能夠在工程中應用。

【關鍵詞】接收機;AGC;FPGA

在目前的無線通信系統(tǒng)設計過程中，人們趨向于將越來越多的信號處理從模擬域轉(zhuǎn)到數(shù)字域，無論是模擬AGC電路還是數(shù)字AGC算法在接收機中都是重要的組成。在射頻前端，從天線接收的信號由于傳輸環(huán)境變化的影響，其幅度變化范圍比較大，如果射頻前端采用固定增益必然影響到ADC的工作性能。如果信號幅度過大，很可能燒毀ADC器件，如果信號過小，導致信號被噪聲淹沒而無法檢測到有效信號。相對于基帶信號，人們更多關注的是有用信號，其信號帶寬一般遠小于中頻帶寬，數(shù)字下變頻（DDC）以后，大量的無用信號會被濾波器濾除，所以DDC之后的基帶信號幅度可能比較小，這對后續(xù)的處理，像信號特征的提取，調(diào)制解調(diào)等十分不利。因此，在數(shù)字信號處理端添加自動增益控制算法具有相當重要的作用。在一般的工程設計上，自動增益控制成為了保證ADC的動態(tài)范圍和保證良好的信號處理工作進行的重要技術，AGC算法的控制方式可以分為射頻前端模擬控制和數(shù)字采集ADC端的控制兩種，前者工作方式是通過接收機接收到的模擬信號作為控制參量，后者是通過ADC采集以后的數(shù)字信號作為控制參量，并經(jīng)過一定的算法得到實際的控制信號，這是本文研究的重點。

1. AGC算法的基本原理及結構

自動增益控制模塊主要作用于射頻前端，其基本結構如下圖1所示

射頻前端：內(nèi)部放大器主要由功率放大器、低噪聲放大器組成。其中功率放大器主要作用是對發(fā)射通路的信號放大;低噪聲放大器的作用是對接收通道中的小信號進行放大;在工程設計時，一般具有較大的增益調(diào)節(jié)范圍，方便后端進行自動增益控制。

檢波AD：典型的檢波器如包絡檢波器，由中頻或高頻放大器輸入的標準調(diào)幅信號，其經(jīng)過檢波后在負載上產(chǎn)生隨輸入信號的包絡變化的輸出信號，這種檢波器的輸出峰值與輸入信號的峰值成正比例關系，所以也稱為峰值檢波器。檢波AD的作用是將模擬的信號進行數(shù)字化采集，作為后端進行自動增益控制的依據(jù)。

AGC控制算法：在數(shù)字AGC系統(tǒng)中，輸入信號通過射頻前端后，通過包絡檢波電路，獲取信號的幅度信息，再由ADC進行采集量化編碼，通過預先設定合適的門限進行對比輸入信號，調(diào)整射頻前端放大器的增益，讓信號處于一個幅度恒定或者某一范圍內(nèi)小幅變化的信號。

2. AGC算法在工程中的設計與FPGA代碼的實現(xiàn)

在工程設計中，AGC控制算法主要流程設計如下：

（1）首先確定后端需要信號處理的信號門限，此門限有兩個，較大門限記作Thd1，較小的門限記作Thd2。

（2）確定射頻前端的最大增益，并將增益調(diào)至最大，在動態(tài)范圍內(nèi)，為了保證能量小的有用信號能夠被足夠的放大，供后端進行處理。由于AGC控制系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，因此需要通過實際測試獲得增益調(diào)整的線性區(qū)域和非線性區(qū)域（飽和區(qū)域），此目的旨在保證整個AGC控制系統(tǒng)始終保持在線性區(qū)域內(nèi)進行動態(tài)調(diào)整。

（3）由于AGC在控制過程中存在響應時間，所謂的響應時間是指：當檢測到信號超過（1）中門限范圍時，數(shù)字端通過配置射頻前端的增益參數(shù)后，ADC檢測到信號幅度發(fā)生改變的響應時間，這部分時間不同的射頻前端設備差異較大，所以需要通過實際測試來確定參數(shù)的響應時間。

（4）確定AGC算法調(diào)節(jié)策略，因為由天線進來的無線信號處于動態(tài)變化中，然而AGC模塊不可能每時每刻對其進行調(diào)整，因此AGC算法模塊何時開始動作，如何動作，能夠使得信號處于一個合適的幅度范圍內(nèi)至關重要。

本文提供一種可在FPGA中進行使用的AGC算法調(diào)節(jié)策略并對其進行分析：

為了滿足AGC算法模塊調(diào)整的實時性要求，在設計過程中，采用固定周期的方式進行AGC調(diào)整，此處取10us，對于目前的射頻前端的設計水平而言，10us足夠滿足各個設備響應一次調(diào)AGC調(diào)節(jié)的時間。

在檢波AD得到信號幅度后，由于得到的是信號的瞬時值，一般瞬時值變化較大，如果直接控制AGC增益容易出現(xiàn)震蕩導致信號失真，因此，一般將采集的信號幅值進行多次存儲取平均的方式，以消除瞬時值的劇烈變化帶來的不利影響。其作用相當于低通濾波器。

對于AGC控制算法來說，控制增益變化時的步進是否固定，可分為固定步進和可變步進兩種。對于步進控制方法主要有以下三種方式：直接法、二分之一法、精細控制法。

（1）直接法，此方法在執(zhí)行過程中采用固定增益S的方式進行控制，根據(jù)設置的門限增益之差△S，確保S小于等于△S即可，大于較大門限，減小增益S，小于較小門限，增大增益S，處于兩者之間，當前增益保持不變。

（2）二分之一法，此方法在執(zhí)行過程中采用可變增益S（t）的方式進行控制，根據(jù)設置的上下門限，調(diào)整增益的大小，每次調(diào)整的大小分別為前一次增益S（t）的二分之一。

（3）精細控制法，由于每一個ADC均對應一個衰減值，只需要衰減到相應的門限即可。

三種方法對比：

處理速度上：精細控制法速度最快，二分之一法次之，直接法速度最慢。

處理精度上：精細控制法精度最高，二分之一法和直接法精度相當。

實現(xiàn)難度上：二分法和直接法相對比較簡單，精細控制法相對比較麻煩。

在實際工程中，一般在進行AGC算法控制設計時，兼顧性能的基礎上，考慮到實現(xiàn)難易程度，二分之一法和直接法顯然符合要求。由于后端進行信號處理時，無需將任何信號精確控制到某一固定增益上，工程中也不現(xiàn)實，一般只需將信號控制到某個范圍內(nèi)即可，這樣二分之一法和直接法相對就比較合適，由于在設計時，射頻前端的增益采用增量控制方式，因此每次從數(shù)字端控制信號增益時，只需要配置相應的增量，數(shù)值為正，表示接收信號功率較小，外部相應增加相應值即可，數(shù)值為負，表示接收信號功率較大，外部相應減小相應值即可，否則保持不變，以下FPGA仿真以二分之一法和直接法為例，其實現(xiàn)方式類似。

在FPGA進行AGC控制算法實現(xiàn)時，主要由四個個部分組成如圖2所示，AGC控制開關、周期控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、門限比較模塊。

其中，AGC控制開關由外部進行控制的單比特信號，1為開、0為關。

周期控制模塊主要作用是：通過計數(shù)的方式，每10us產(chǎn)生一個脈沖，通過脈沖去響應AGC的增益設置。

數(shù)據(jù)處理模塊主要根據(jù)輸入的外部時鐘和數(shù)據(jù)，對輸入連續(xù)的16個數(shù)據(jù)進行求和求平均，實現(xiàn)過程中采用流水線的方法，每四個數(shù)據(jù)分別相加，再整體相加進行加和，均值計算方法采用移位的方式進行，數(shù)據(jù)右移一位相當于除以2，右移四位可獲得最終的均值。

門限比較模塊：根據(jù)周期控制脈沖每10us取一次均值模塊的值，并與相應的門限進行比較，并確定增益增量值的正負，抑或為0。

具體仿真時序結果如下圖3所示：

3. 結論

隨著無線通信技術的不斷提升，AGC技術在無線通信領域扮演著越來越重要的角色。本文通過對AGC算法結構原理的介紹，提出針對工程應用的AGC控制算法，通過FPGA實現(xiàn)該算法并進行時序驗證，經(jīng)過實際測試確定該算法具備快速實時響應的特點。同時在實際測試中發(fā)現(xiàn)，當信號在AGC算法參考門限的臨近值時，信號幅值會在臨界值附近出現(xiàn)上下抖動，這些問題的發(fā)現(xiàn)，有待后續(xù)進一步的研究。

參考文獻：

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