1快速AGC控制的實(shí)現(xiàn)和性能分析

隨著數(shù)字器件技術(shù)水平的提高，通信的AD采樣頻率逐步提高，但前端濾波、放大和混頻器件還是要依賴模擬器件。后端信號(hào)處理及運(yùn)算單元的動(dòng)態(tài)范圍小于ADC的動(dòng)態(tài)范圍，ADC的動(dòng)態(tài)范圍小于模擬前端的動(dòng)態(tài)范圍。自動(dòng)增益控制是一個(gè)典型的在模擬域?qū)π盘?hào)進(jìn)行限幅操作的手段，因?yàn)锳D變換器有一個(gè)限定的動(dòng)態(tài)范圍。如果接收信號(hào)的強(qiáng)度過大，AD變換器將會(huì)引入一個(gè)飽和失真。如果信號(hào)強(qiáng)度過低，信號(hào)的變化只會(huì)觸發(fā)AD僅僅幾位的變化，而且嚴(yán)重的量化問題也會(huì)引起失真。

在現(xiàn)代數(shù)字接收機(jī)中，AGC一般是對(duì)接收機(jī)的前端射頻信號(hào)或中頻信號(hào)進(jìn)行增益控制，保證后端的ADC及信號(hào)處理模塊都工作在線性動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)。AGC分為模擬控制方式和模擬數(shù)字混合控制方式兩種，模擬控制方式一般對(duì)前端射頻信號(hào)做幅度檢波處理，以獲得的幅度信息去控制AGC反饋環(huán)路獲得穩(wěn)定的幅度輸出。模擬數(shù)字的混合控制方式一般對(duì)ADC采樣后的信號(hào)進(jìn)行幅度提取運(yùn)算，獲得幅度信息控制中頻可變?cè)鲆娣糯笃鳌１疚乃P(guān)注的AGC控制方法是后一種方法，主要原因是基于對(duì)前端的模擬控制方法為了增加環(huán)路的穩(wěn)定性防止出現(xiàn)控制震蕩和自激，選用的環(huán)路參數(shù)較為保守，收斂速度較慢，少則幾十毫秒到幾百毫秒，多則數(shù)秒。本文給出的AGC控制方式是，使用FPGA輸出的脈沖疏密表征輸入信號(hào)的幅度，將脈沖通過一個(gè)二極管和RC檢波濾波器，將濾波器輸出控制變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆婵刂齐娖剑{(diào)節(jié)放大器增益達(dá)到控制信號(hào)幅度的目的。

2數(shù)字檢波器設(shè)計(jì)

AD將低中頻數(shù)字信號(hào)輸入到FPGA，AD輸入的信號(hào)為原碼信息，將其轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼形式。下一步對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行檢波，檢波可以采取絕對(duì)值檢波方法和平方率檢波，絕對(duì)值檢波是將IQ兩路信號(hào)分別取絕對(duì)值后相加，絕對(duì)值檢波得到不是一條等幅度曲線。設(shè)輸入的IQ兩路信號(hào)分別為Acos（棕t+茲）+nI（t）和Asin（棕t+茲）+ nQ（t），對(duì)兩路信號(hào)分別取平方然后相加得檢波輸出為：A2+n（t）。由此可以看出只要輸入的兩路信號(hào)滿足正交性，那么平方檢波的輸出就是信號(hào)的能量。平方率檢波輸出為一個(gè)等幅度曲線，但是因?yàn)镕PGA內(nèi)部的運(yùn)算都是整數(shù)運(yùn)算，所以平方率檢波放大了噪聲的方差。

由于FPGA內(nèi)部的運(yùn)算數(shù)據(jù)類型為整型類型，平方率檢波將噪聲的方差放大了，如果運(yùn)算數(shù)據(jù)類型為小數(shù)，則可以進(jìn)一步優(yōu)化檢波性能?？梢酝ㄟ^將平方率檢波結(jié)果在開方的方式來是消除平方率檢波對(duì)噪聲的放大作用。工程應(yīng)用中使用如下辦法來近似求模：如果I路絕對(duì)值較大，則取輸出為abs（I）+1 2噪聲的能量來改變信噪比，得到上述三種檢波結(jié)果的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差和信噪比關(guān)系。三張檢波方式的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨信噪比的增加都趨于減小，在信噪比低于25dB時(shí)絕對(duì)值檢波的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差小于平方率檢波歸一化標(biāo)準(zhǔn)差。在信噪比大于25dB時(shí)絕對(duì)值檢波的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差增大。除了信噪比特別大的情況下（超過35dB），改進(jìn)的平方率檢波方法的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差都有小于另外兩種檢波方法的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差。

乘法器輸出與門限值比較，每個(gè)時(shí)鐘周期比較一次。當(dāng)檢波幅度小于信號(hào)幅度時(shí)，輸出正脈沖否則輸出0電平。3.3V的脈沖信號(hào)輸出到RC充放電電路，這里可以把RC看成一個(gè)低通濾波器，RC低通濾波器幅頻特性漫長的過渡帶是我們需要的，它可以將輸入的脈沖根據(jù)其疏密轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的直流電平。檢波器無脈沖輸出時(shí)，控制端的電壓為-0.7V，此時(shí)為混頻器的最小輸出增益。在檢波器輸出為直流高電平時(shí)，控制端的電壓為2.6V，此時(shí)為混頻器的最大增益。相對(duì)于模擬的AGC控制環(huán)路，這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制速度快，硬件體積小，只需要一個(gè)在原有電路基礎(chǔ)上增加電阻電容和二極管即可。

2AGC控制的性能分析

使用TEK公司的AFG3252任意波形發(fā)生器將此中頻信號(hào)發(fā)送給接收機(jī)。接收機(jī)輸出的噪聲基底是基本不變，而信噪比的變化主要是由于有用信號(hào)的幅度變化引起的。我們希望經(jīng)過AGC控制后從AD采樣器處采樣獲得的信號(hào)幅度處于AD輸出幅度的中間范圍，這樣就給后即的處理環(huán)路和其他邏輯提供了一個(gè)可靠穩(wěn)定信號(hào)幅度保證。通過示波器捕獲的AD采樣處信號(hào)波形與控制電壓波形，可以看出從信號(hào)抵達(dá)到幅度穩(wěn)定的時(shí)間為5us，完全可以滿足系統(tǒng)使用。

結(jié)論

本文給出的快速AGC控制方法結(jié)構(gòu)簡單，控制速度快，從信號(hào)抵達(dá)到幅度穩(wěn)定的時(shí)間為5us，完全可以滿足系統(tǒng)使用。