0引言

短波通信是采用天波傳播,利用電離層反射實(shí)現(xiàn)超視距通信的方式。由于短波信道是一個(gè)多徑衰落信道,其多徑時(shí)延可達(dá)5 ms。多徑干擾會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的碼間串?dāng)_和頻率選擇性衰落,導(dǎo)致接收信號(hào)起伏不定,嚴(yán)重影響通信質(zhì)量^[1]。因此,在短波通信系統(tǒng)的接收機(jī)端通常采用 自動(dòng)增益控制(AGC)方法,使最終輸出的信號(hào)幅值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),從而提升接收效果。自動(dòng)增益控制能力是短波接收機(jī)性能的一個(gè)重要衡量指標(biāo)。

1AGC電路的分類

AGC電路有多種分類方式。按照AGC的電路結(jié)構(gòu)可以分成開(kāi)環(huán)AGC和閉環(huán)AGC兩種類型,它們的區(qū)別就在于是否存在輸出電壓對(duì)輸入的反饋,閉環(huán) AGC輸出電壓會(huì)對(duì)輸入有反饋影響,而開(kāi)環(huán)AGC則不存在這種反饋^[2]。按照AGC的實(shí)現(xiàn)形式劃分,可以分為模擬AGC、數(shù)字AGC以及模數(shù)混合AGC。顧名思義,模擬AGC電路是用各種有源、無(wú)源器件通過(guò)處理模擬信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)的;數(shù)字AGC電路通過(guò)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行分析,并以此信號(hào)為控制信號(hào),達(dá)到控制AGC環(huán)路增益的目的;模數(shù)混合型AGC既包括模擬電路又包括數(shù)字電路,是一種綜合了兩者優(yōu)點(diǎn)的電路實(shí)現(xiàn)方式^[2—3]。

2 閉環(huán)AGC的原理

一個(gè)典型的閉環(huán)AGC電路包括可變?cè)鲆娣糯笃?、峰值檢測(cè)器、比較放大器和濾波器等部分,其組成如圖1所示。輸入信號(hào)進(jìn)入可變?cè)鲆娣糯笃?調(diào)整幅度后輸出。同時(shí)輸出信號(hào)進(jìn)入峰值檢測(cè)器進(jìn)行檢波,檢波的結(jié)果與參考電平進(jìn)行比較,比較結(jié)果經(jīng)過(guò)濾波器濾波后控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯恼{(diào)整參數(shù)。

在輸入信號(hào)較小時(shí),AGC環(huán)路調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆孀兇?而當(dāng)輸入電壓較大時(shí),AGC環(huán)路調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆鏈p小。最終使得輸出信號(hào)的幅值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。

數(shù)字閉環(huán)AGC有線性調(diào)整算法、對(duì)數(shù)調(diào)整算法、混合調(diào)整算法等幾種算法,本設(shè)計(jì)選取對(duì)數(shù)調(diào)整算法。典型的自然對(duì)數(shù)AGC算法如圖2所示,其中:X(n)為輸入信號(hào);Y(n)為輸出信號(hào);k(n)為對(duì)應(yīng)的AGC調(diào)整因子;L為輸出信號(hào)的電平;T為輸出音頻信號(hào)的參考門限電平;α為AGC環(huán)路的衰減因子,用于控制 AGC的調(diào)整時(shí)間^[4]。

輸入的信號(hào)X(n)與AGC調(diào)整因子相乘,得到輸出信號(hào):

Y(n)=X(n)×k(n)    (1)

同時(shí)計(jì)算輸出信號(hào)的均方根值即電平L并求出L的自然對(duì)數(shù)值,然后與參考電平值比較,計(jì)算出電平誤差值,誤差值乘以環(huán)路衰減因子α,再送入積分器積分,得到:

之后再計(jì)算k'(n)的指數(shù),得到最終的AGC調(diào)整因子:

k(n)=exp(k'(n))     (3)

3數(shù)?；旌螦GC的設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)短波接收機(jī)來(lái)說(shuō),一方面要保證正確接收較大動(dòng)態(tài)范圍的射頻輸入信號(hào),另一方面要保證音頻輸出信號(hào)穩(wěn)定在較小的范圍內(nèi)。典型短波接收機(jī)射頻輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍通常在—120~0 dBm,在輸入射頻為小信號(hào)時(shí),希望接收系統(tǒng)具有足夠高的增益;而輸入射頻信號(hào)較大時(shí),又要求接收機(jī)不會(huì)因?yàn)轱柡投鹗д妗Ｍ瑫r(shí), 目前ADC輸入動(dòng)態(tài)在60 dB左右,也不能滿足如此大的動(dòng)態(tài)輸入要求^[5]。因此,在短波接收機(jī)中設(shè)計(jì)AGC調(diào)整進(jìn)入ADC的射頻信號(hào)和輸出音頻信號(hào)。

圖1所示的AGC只調(diào)整了接收信號(hào)下變頻之后的音頻信號(hào)幅度,為了克服接收到的射頻信號(hào)劇烈變化的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)ADC電路的影響,設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)控制模擬和數(shù)字兩部分增益放大器的AGC。具體方法是在圖1的AGC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,增加一次電平比較來(lái)判斷射頻輸入信號(hào)是否在ADC的動(dòng)態(tài)范圍,輸出控制信號(hào)調(diào)整模擬電路增益調(diào)節(jié),其組成如圖3所示。從天線接收下來(lái)的射頻信號(hào)首先進(jìn)入一個(gè)模擬增益調(diào)節(jié)電路,然后由ADC采樣為數(shù)字射頻信號(hào)進(jìn)入FPGA。在FPGA中完成下變頻和數(shù)字增益調(diào)節(jié),最終輸出穩(wěn)定的音頻信號(hào)。

4AGC詳細(xì)設(shè)計(jì)

數(shù)模混合AGC相對(duì)于典型的自然對(duì)數(shù)算法AGC,增加一次誤差檢測(cè),算法如圖4所示。其中:X(n)為輸入信號(hào);Y(n)為輸出信號(hào);k(n)為對(duì)應(yīng)的AGC調(diào)整因子;L為輸出信號(hào)的電平;T₁為ADC最大可輸入射頻信號(hào)電平;T₂為輸出音頻信號(hào)參考門限電平;α為 AGC環(huán)路的衰減因子,用于控制AGC的調(diào)整時(shí)間。

AGC的主要部分在FPGA中實(shí)現(xiàn)。采用公式(4)得到輸出信號(hào)電平的近似均方根值:

式中:Y_I(n)和Y_Q(n)分別為輸出音頻信號(hào)在n時(shí)刻I路和Q路的值。

利用FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)空間大的特點(diǎn),輸出信號(hào)的自然對(duì)數(shù)值lnL和AGC調(diào)整因子k(n)=exp(k'(n))都采用查表法實(shí)現(xiàn)。具體做法是把將要用到的自然對(duì)數(shù)值量化保存在FPGA自帶的RAM中,計(jì)算時(shí)根據(jù)變量值找到最近的結(jié)果輸出。這種實(shí)現(xiàn)方法降低了計(jì)算難度,同時(shí)節(jié)省了FPGA的乘法器資源的使用。

同時(shí)在模擬端設(shè)計(jì)一個(gè)兩檔可調(diào)的增益可調(diào)節(jié) 放大電路。當(dāng)接收信號(hào)較小時(shí),射頻模擬電路增益為20 dB;當(dāng)接收信號(hào)超過(guò)ADC最大輸入電平T₁時(shí),AGC輸出的控制信號(hào)控制射頻電路增益為—15 dB。

考慮到輸出音頻信號(hào)實(shí)際使用時(shí)人耳的感受,輸出音頻信號(hào)的調(diào)整采取了“快充慢放”的原則。即輸入射頻信號(hào)增大時(shí),快速壓縮輸出音頻信號(hào);輸入射頻信號(hào)減小時(shí),慢速放大輸出音頻信號(hào)。該功能由 AGC的環(huán)路調(diào)整因子α來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5測(cè)試結(jié)果

對(duì)本文介紹的數(shù)?；旌螦GC進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,射頻信號(hào)從3倍靈敏度起增加100 dB,音頻輸出信號(hào)變化幅度小于0.5 dB。另外,觀察測(cè)量了AGC控制信號(hào)快充慢放的效果。射頻輸入信號(hào)從—10dBm降低到—38dBm時(shí),音頻信號(hào)的放電時(shí)間約為4.4S,如圖5所示。

射頻輸入信號(hào)從—38dBm增大到—10dBm時(shí),音頻信號(hào)的充電時(shí)間約為15.6 mS,如圖6所示。

6結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合短波通信中信道的特點(diǎn),本文給出了一種用于短波接收機(jī)的數(shù)?；旌螦GC實(shí)現(xiàn)方法。使用該 AGC方法的短波接收機(jī),可實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍射頻輸入信號(hào)的增益控制,并保證高穩(wěn)定音頻信號(hào)輸出,同時(shí)具有“快充慢放”的特點(diǎn),適應(yīng)短波接收機(jī)實(shí)際使用的需求。該電路的檢測(cè)和控制功能主要由FPGA實(shí)現(xiàn),電路體積小、功耗低、方便參數(shù)更改,系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)變得更加方便和可行。

[參考文獻(xiàn)]

[1]任國(guó)春.短波通信原理與技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2020.

[2] 陸鋒雷.zigBee接收機(jī)中數(shù)字自動(dòng)增益控制電路的設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.

[3] 趙中陽(yáng).zigBee接收機(jī)數(shù)字控制AGC和LNA的設(shè)計(jì)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2015.

[4]宋斌斌,金慧琴,田偉,等.對(duì)數(shù)混合的短波信道數(shù)字AGC 算法[J].兵工自動(dòng)化,2018,37(4):18—22.

[5]孫丹.基于數(shù)—?；旌系?a href="/tags/AGC" target="_blank">AGC電路設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與信息化,2021(5):208—210.

2024年第20期第13篇