一種大動態(tài)范圍數(shù)字AGC 快速控制算法*

王 棟

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

在無線通信系統(tǒng)中，接收信道的增益和射頻信號的功率決定了中頻信號的功率[1]。受傳輸距離、天氣環(huán)境及地理等因素的影響，無線信號在空間傳播過程中存在不同程度的衰減，天線口接收到的射頻信號強弱會有很大的變化[2]。如果射頻接收信道的增益不變，則射頻信號太強會造成射頻接收信道飽和或阻塞，甚至使其損壞，而射頻信號太弱又可能導致射頻信號被丟失。為了保證無線射頻信號位于信道可接收的動態(tài)范圍內(nèi)，必須實時地對接收信道的增益進行動態(tài)快速調整，以保證中頻信號不失真[3]。傳統(tǒng)的方式是采用模擬自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）電路來實現(xiàn)射頻信道單元增益的放大或者衰減[4-9]，這種方式存在模擬AGC 收斂速度慢和收斂過程容易受環(huán)境影響的問題，從而引起接收信道增益誤調整。于是出現(xiàn)了數(shù)字AGC 調整接收信道的增益[10-15]，這種方式一定程度上彌補了模擬AGC 電路調整接收信道增益的缺陷，但其仍存在收斂速度較慢和動態(tài)范圍較小的問題，難以適應大動態(tài)范圍的復雜通信系統(tǒng)。因此，設計一種大動態(tài)范圍的數(shù)字AGC 快速控制算法，用于保證復雜通信系統(tǒng)中射頻前端和模數(shù)轉換（Analog to Digital Converter，ADC）不飽和顯得尤為重要。

本文提出了一種大動態(tài)范圍數(shù)字AGC 快速控制算法，該算法采用射頻峰值檢波和中頻平均功率聯(lián)合檢測方式，對接收信道的增益進行分配以及快速控制，使得射頻信號經(jīng)過射頻單元后始終位于ADC 的動態(tài)范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)射頻信號的穩(wěn)定接收。

1 數(shù)字AGC 算法

1.1 總體框圖

在大動態(tài)范圍的復雜通信系統(tǒng)中，數(shù)字AGC的主要作用是確保射頻信號經(jīng)過射頻單元的跳頻濾波器、變頻鏈及放大器等器件后的中頻信號處于ADC 的動態(tài)范圍內(nèi)。該數(shù)字AGC 控制算法系統(tǒng)如圖1 所示。

數(shù)字AGC 系統(tǒng)由射頻單元和AGC 算法組成。其中，射頻單元由射頻衰減器1、射頻衰減器2、中頻衰減器和射頻檢波器等組成；AGC 算法由平均功率、峰值功率檢測、AGC、增益控制和增益分配組成。

射頻信號進入射頻單元后，首先，經(jīng)過跳頻濾波器、射頻衰減器1、射頻衰減器2 到達射頻檢波器，產(chǎn)生大信號指示和射頻功率檢波電壓，輸入到數(shù)字AGC 算法模塊；其次，經(jīng)過射頻衰減器2 的輸出信號經(jīng)過中頻衰減器后，再經(jīng)過放大器輸出到數(shù)字AGC 算法模塊，數(shù)字AGC 算法對當前射頻檢波信號功率和中頻信號平均功率進行綜合判斷，產(chǎn)生射頻單元總增益；再次，增益控制和增益分配模塊根據(jù)當前射頻單元總增益以及增益分配策略，產(chǎn)生射頻衰減1、射頻衰減2 以及中頻衰減信號；最后，數(shù)字AGC 算法對射頻單元的增益進行循環(huán)迭代控制，使得中頻信號收斂到ADC 的動態(tài)范圍內(nèi)，并達到穩(wěn)定輸出狀態(tài)。

1.2 平均功率

平均功率是對中頻信號的功率進行平均，由于中頻信號為I，Q正交基帶信號[3]，因此中頻信號的功率P為：

為了精準獲取中頻信號通帶內(nèi)能量，中頻信號采用功率分段平均方式，采樣一段時間窗口內(nèi)的信號功率進行平滑處理[15]，即對中頻信號進行分段，每段大小為窗w，再對窗口內(nèi)的值進行累加，得到平均值作為平滑輸出。設ADC 的采樣率為fs，第i個信號功率輸出為p(i)，該時間窗內(nèi)共有采樣點數(shù)為N=fs×w，所以第k段平滑輸出pm(k)可表示為：

1.3 峰值功率檢測

峰值功率檢測是對當前射頻輸入信號的峰值功率進行快速檢測的過程。為了盡可能減少射頻器件對射頻信號的失真影響，本文設計了射頻檢波電壓與功率轉換關系，用線性曲線對射頻峰值功率進行擬合；設計了射頻大信號指示，當射頻信號峰值功率超過射頻門限值后產(chǎn)生大信號指示。

1.3.1 曲線擬合

為了使數(shù)字AGC 算法快速獲取當前射頻信號的峰值功率，將射頻檢波器的輸出電壓和射頻輸入信號功率的對應關系進行曲線擬合。根據(jù)硬件射頻檢波器件特性和實測射頻功率、射頻檢波電壓及檢波電壓數(shù)值得出射頻功率與檢波電壓的對應關系，如表1 所示。

表1 射頻功率與檢波電壓對應關系

將表1 數(shù)據(jù)繪制成射頻曲線，如圖2 所示，發(fā)現(xiàn)射頻功率處于-25 dBm 到-5 dBm 的區(qū)間內(nèi)，檢波電壓與射頻輸入信號功率呈線性關系。因此，利用線性區(qū)間能精準量化輸入射頻信號的功率和非線性區(qū)間之外的射頻信號功率，達到快速檢測射頻信號峰值功率的目的。

1.3.2 大信號指示

對于超大射頻信號輸入到射頻系統(tǒng)中，為了能讓系統(tǒng)更快速地檢測到射頻輸入信號，解決非線性區(qū)間量化誤差問題，本文使用大信號指示離散線對射頻大信號進行快速檢測。大信號指示產(chǎn)生的邏輯如圖3 所示。

圖3 大信號指示檢測

門限值為硬件配置，當耦合器輸出的射頻信號功率超過門限值后，大信號指示離散線拉高，反之，則拉低。

1.4 算法設計

數(shù)字AGC 算法的關鍵在于快速檢測射頻信號功率以及中頻信號的平均功率，結合中射頻增益分配策略對射頻單元增益快速控制。下文就數(shù)字AGC算法的射頻門限、中頻門限、射頻檢波、超門限檢測、中頻功率檢測及AGC 控制進行詳細設計。

1.4.1 射頻門限

射頻門限是開始對射頻衰減器1 或者射頻衰減器2 進行衰減控制的門限值。射頻門限分為射頻粗衰減門限、射頻細衰減門限和射頻無衰減門限3 個門限區(qū)間。射頻門限調整如圖4 所示。

圖4 中頻門限調整

射頻門限1 和射頻門限2 分別為射頻衰減的兩個門限值，且當射頻門限1 最大時，射頻門限2 最小。對于大于射頻門限1 的射頻信號進行大步進衰減，使粗衰減后的射頻信號功率處于射頻門限1 和射頻門限2 范圍內(nèi)；然后對此范圍內(nèi)的射頻信號進行小步進衰減；當射頻信號處于射頻門限2 以下時，則不對其進行衰減調整。

1.4.2 中頻門限

中頻門限是開始對中頻衰減器進行衰減或放大的門限值。中頻門限分為中頻粗調整門限、中頻細調整門限以及中頻無調整門限3 個門限區(qū)間。中頻門限大信號指示檢測如圖5 所示。

圖5 大信號指示檢測

中頻門限1～4 分別為中頻設置的4 個門限值，且當門限1 最大時，門限4 最小。對于大于門限1或者小于門限4 區(qū)間內(nèi)的中頻信號進行大步進衰減或者放大，使粗調整后的中頻信號處于門限1 和門限4 區(qū)間內(nèi)，然后對此范圍內(nèi)的中頻信號進行小步進衰減或者放大，當信號處于門限2 和門限3 之間時，則不對中頻信號進行調整。

1.4.3 射頻檢波

射頻檢波是通過峰值功率中的曲線擬合得到天線端口輸入的射頻信號功率，并通過和射頻門限進行比較得到射頻衰減步進值的過程。為了使該數(shù)字AGC 算法適應不同的應用場景，本文設計了自動步進和手動步進兩種模式。當前模式為自動步進并且射頻功率大于射頻門限2 時，產(chǎn)生射頻衰減步進值；當前模式為手動步進并且射頻功率大于射頻門限1時，產(chǎn)生射頻衰減步進值；當前模式為手動步進并且射頻功率大于射頻門限2 時，產(chǎn)生射頻衰減步進值。否則，不產(chǎn)生射頻衰減步進值。射頻檢波步驟如圖6 所示。

圖6 射頻功率檢測步驟

1.4.4 超門限檢測

超門限檢測通過射頻功率檢波和大信號指示綜合判斷得到射頻大衰減步進和超門限指示。當檢測到大信號指示后，立即產(chǎn)生射頻大步進衰減，超門限指示拉高；否則根據(jù)當前射頻衰減步進是否有效，產(chǎn)生超門限指示。超門限檢測步驟如圖7 所示。

圖7 超門限檢測步驟

1.4.5 中頻功率檢測

在營利性養(yǎng)老服務機構里，入住老年人不僅需要日常生活照顧、疾病診治、身體康復訓練，還需要健康咨詢、心理安慰、營養(yǎng)指導、臨終關懷等，因此需要有大量的專業(yè)人才來提供專業(yè)服務。但是目前廣西此類人才相當缺乏，具有養(yǎng)老護理職業(yè)資格證書的服務人員更少。目前廣西養(yǎng)老機構服務人員多數(shù)為40歲以上婦女，她們的文化程度普遍較低，沒有受過正規(guī)的專業(yè)護理培訓，提供的服務基本屬于簡單的日常照料和護理。

中頻功率檢測通過中頻平均功率和中頻最小門限進行比較得到中頻衰減或增加步進值。當中頻平均功率大于中頻門限2 時，產(chǎn)生中頻衰減步進；當中頻平均功率小于中頻門限4 時，產(chǎn)生中頻衰減步進；否則，中頻信號不進行衰減或放大。中頻功率檢測步驟如圖8 所示。

圖8 中頻功率檢測步驟

1.4.6 AGC 控制

AGC 控制通過獲取超門限指示、射頻大步進衰減及中頻平均功率等信息綜合判斷得出射頻單元增益衰減或放大步進值。當超門限指示拉高時，產(chǎn)生當前衰減步進值；否則，當中頻收斂為自動模式并且中頻步進值大于0 時，產(chǎn)生當前衰減步進；否則，當中頻功率大于中頻門限1 時，產(chǎn)生當前衰減步進；否則，當中頻功率小于中頻門限4 時，產(chǎn)生當前放大步進；否則，當中頻功率大于中頻門限2 時，產(chǎn)生當前衰減步進；否則當中頻功率小于中頻門限3時，產(chǎn)生當前放大步進；否則，不進行放大和衰減。AGC 控制算法步驟如圖9 所示。

圖9 AGC 控制算法

1.4.7 增益控制

增益控制是根據(jù)該數(shù)字AGC 算法計算出的衰減步進或放大步進對射頻單元總增益進行動態(tài)調整的控制過程。增益控制調整步驟如圖10 所示。

圖10 增益控制調整

總增益調整模塊根據(jù)當前數(shù)字AGC 算法輸出的衰減或放大值，產(chǎn)生放大后或衰減后的總增益，總增益輸出模塊根據(jù)當前數(shù)字AGC 算法計算出的衰減指示或放大指示并結合當前總增益給出射頻單元總增益輸出。

1.4.8 增益分配

增益分配是對增益控制輸出的射頻單元總增益在射頻單元上的分配結果，總增益將分配到射頻衰減器1、射頻衰減器2 及中頻衰減器。增益分配如圖11 所示。

圖11 增益分配

2 算法仿真與分析

2.1 仿真條件

仿真測試選取射頻和中頻都可調整的射頻信號為測試條件。仿真條件設置如表2 所示。

表2 仿真條件設置

2.2 仿真結果

按照仿真條件中的參數(shù)對本文中的數(shù)字AGC算法參數(shù)進行設置。仿真結果表明，中頻信號經(jīng)過射頻單元的逐級放大及數(shù)字AGC 算法的多次衰減，逐漸收斂到中頻門限3 到中頻門限2 區(qū)間內(nèi)部，中頻信號穩(wěn)定輸出。手動步進收斂仿真結果如圖12所示，自動步進收斂仿真結果如圖13 所示。

圖12 手動步進收斂仿真

圖13 自動步進收斂仿真

根據(jù)仿真結果可知，手動步進收斂方式中頻信號幅度呈緩慢下降，采樣639 個點后趨于穩(wěn)定，收斂時間約為19.968 μs；自動步進收斂方式中頻信號幅度呈急速下降，采樣446 個點后趨于穩(wěn)定，收斂時間約為13.937 μs。

2.3 射頻收斂

射頻信號經(jīng)過射頻單元的逐級放大，以及經(jīng)過射頻兩級衰減器和數(shù)字AGC 算法的多次衰減，逐漸收斂到射頻門限2 以下，射頻信號功率穩(wěn)定輸出。手動步進射頻收斂仿真結果如圖14 所示，自動步進射頻收斂仿真結果如圖15 所示。

圖14 手動步進射頻收斂仿真

圖15 自動步進射頻收斂仿真

根據(jù)仿真結果可知，手動射頻收斂射頻信號功率呈緩慢下降，收斂次數(shù)為11 次；自動射頻收斂射頻信號功率呈急速下降，收斂次數(shù)為7 次。

2.4 中頻收斂

中頻信號經(jīng)過射頻單元的逐級放大，以及經(jīng)過射頻兩級衰減器、中頻衰減器和數(shù)字AGC 算法的多次衰減過程，逐漸收斂到中頻門限3 到中頻門限2 區(qū)間內(nèi)。手動步進中頻收斂仿真結果如圖16 所示，自動步進中頻收斂仿真結果如圖17 所示。

圖16 手動步進中頻收斂仿真

圖17 自動步進中頻收斂仿真

根據(jù)仿真結果可知，手動步進中頻收斂方式中頻信號平均功率呈緩慢下降，大步進收斂到中頻門限1 后以小步進精調至中頻門限2 以下，達到穩(wěn)定態(tài)；自動步進中頻收斂方式中頻信號平均功率呈急速下降，大步進快速收斂到中頻門限2 以下，達到穩(wěn)定態(tài)。

2.5 衰減曲線

射頻信號經(jīng)過射頻單元的逐級放大，射頻兩級衰減器、中頻衰減器以及數(shù)字AGC算法的多次衰減，射頻單元的增益隨之變化，最終收斂到穩(wěn)定態(tài)。手動步進衰減曲線仿真結果如圖18 所示，自動步進衰減曲線仿真結果如圖19 所示。

圖18 手動步進衰減曲線仿真

圖19 自動步進衰減曲線仿真

根據(jù)仿真結果可知，手動步進衰減曲線衰減值呈緩慢上升，射頻單元總增益緩慢下降，最終收斂到穩(wěn)定增益輸出；自動步進衰減曲線衰減值呈急速上升，射頻單元總增益急速下降，最終收斂到穩(wěn)定增益輸出。

2.6 動態(tài)范圍

文中的數(shù)字AGC 算法采用射頻峰值檢波和中頻平均功率聯(lián)合檢測方式，射頻峰值檢波采用線性曲線擬合和大信號指示的方式精準量化射頻輸入信號功率，提高了射頻峰值功率檢波范圍。根據(jù)實測值，射頻峰值檢波范圍為-30～10 dBm；中頻平均功率檢波采用滑動平均功率檢波的方式對高精度ADC 采樣的中頻信號進行量化，動態(tài)范圍為-55～6 dBm。根據(jù)射頻單元整個鏈路的總增益可知，該數(shù)字AGC 算法增益可調范圍為-130～10 dBm。因此，在大動態(tài)范圍的復雜通信系統(tǒng)中，該數(shù)字AGC算法完全滿足要求。

3 結語

本文針對大動態(tài)范圍的復雜通信系統(tǒng)的動態(tài)范圍以及收斂速度兩大關鍵指標，提出了一種大動態(tài)范圍數(shù)字AGC 快速控制算法。該算法采用射頻峰值檢波和中頻平均功率聯(lián)合檢測方式，對射頻單元的增益進行快速檢測及控制，確保輸出的中頻信號快速收斂到中頻門限區(qū)間內(nèi)，使得中頻信號快速收斂到ADC 的動態(tài)范圍內(nèi)，并達到穩(wěn)定輸出狀態(tài)。仿真結果表明，自動步進或手動步進收斂方式下，射頻及中頻信號收斂次數(shù)、收斂時間均快速達到穩(wěn)定狀態(tài)，收斂時間從傳統(tǒng)方法的毫秒級提高到微秒級，動態(tài)范圍大幅提升，從而驗證了該數(shù)字AGC算法具有良好的性能。