曹愛玲，范 紅，2，倪 林，2，嚴 杰，唐 俊

(1.東華大學 信息科學與技術學院，上海201620；2.東華大學 數(shù)字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海201620；3.東方明珠傳輸有限公司，上海200052)

基于SoC的無線調(diào)頻廣播收發(fā)信機的AGC

曹愛玲1，范 紅1，2，倪 林1，2，嚴 杰3，唐 俊1

(1.東華大學 信息科學與技術學院，上海201620；2.東華大學 數(shù)字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海201620；3.東方明珠傳輸有限公司，上海200052)

描述了一種基于SoC的軟件無線電收發(fā)信機，利用該收發(fā)信機來實現(xiàn)對廣播信號的實時處理，實現(xiàn)隧道中無線調(diào)頻廣播收發(fā)信機的自動增益控制，使隧道放大器前的接收信號的電平控制在一定的范圍之內(nèi)，改善隧道內(nèi)調(diào)頻廣播信號的質量。該系統(tǒng)的特點是具有很好的可重構性、靈活性及穩(wěn)定性。

SoC；無線調(diào)頻廣播；自動增益控制(AGC)

0 引言

自動增益控制(AGC)是一種自動幅度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要用于收發(fā)信機中，因為收發(fā)信機所處的環(huán)境較復雜，所以接收到的信號起伏較大。為了提高收發(fā)信機的性能，一般都需要采用AGC來實現(xiàn)對于不同輸入電平的處理，以保證輸出電平的基本恒定。本文實現(xiàn)的是基于SoC的無線調(diào)頻廣播收發(fā)信機的自動增益控制，它將軟件無線電系統(tǒng)的射頻前端部分集成在一個芯片內(nèi)，這樣代替了傳統(tǒng)的分立式結構，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且該系統(tǒng)是軟件可編輯的，使其能夠接收不同參數(shù)的無線信號，在不用更換硬件系統(tǒng)的情況下便可以完成不同信號的收發(fā)和處理[1]。當然，AGC的應用在一些需要穩(wěn)定輸出幅度的系統(tǒng)中也有相當普遍的應用[2-3]。

1 AD9361捷變收發(fā)器的性能

AD9361是一款高集成度的射頻(RF)收發(fā)器，可進行配置以實現(xiàn)廣泛應用，在單個器件中集成了提供所有收發(fā)器功能的所有必要RF、混合信號和數(shù)字模塊。AD9361提供了自我校準和AGC系統(tǒng)，可以在不同輸入信號條件下維持高性能水平。它的主要特性包括以下幾個方面:集成12位DAC和ADC的RF 2×2收發(fā)器；頻段：70 MHz～6.0 GHz；可調(diào)諧通道帶寬：200 kHz～56 MHz；雙通道接收器：6路差分或12路單端輸入；出色的接收器靈敏度，噪聲系數(shù)為2 dB(800 MHz，本振(LO))；RX增益控制：實時監(jiān)控和控制信號用于手動增益，獨立的自動增益控制[4]。

每個接收(RX)子系統(tǒng)都擁有獨立的AGC、直流失調(diào)校正、正交校正和數(shù)字濾波功能，從而消除了在數(shù)字基帶中提供這些功能的必要性。每個通道搭載兩個高動態(tài)范圍ADC，先將收到的I信號和Q信號進行數(shù)字化處理，然后將其傳過可配置抽取濾波器和128抽頭有限脈沖響應(FIR)濾波器，結果以相應的采樣率生成12 bit輸出信號。

2 基于SoC的自動增益控制的解決方案

本文使用的是ADI公司提供的基于AD9361芯片的板卡AD-FMCOMMS3-EBZ，它將芯片引腳引出到FMC插口，以便與SoC連接[5]。SoC分為集成了雙核ARM9的微處理器和FPGA兩部分，微處理器總是先啟動，即ARM部分，這就是啟動Linux，然后ARM芯片通過多口高性能接口AXI總線與FPGA之間進行信息傳遞，控制FPGA中AD9361的驅動模塊，以達到控制AD9361的目的[6-7]。AD9361與SoC的連接圖如圖1所示。

AD9361是射頻捷變收發(fā)器，它集成了射頻前端部分的芯片，有兩路接收與發(fā)射，其接收信號的增益控制與檢測如圖2所示。LMT是低噪聲放大器、混頻器、跨阻抗放大器的簡稱。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 接收信號的增益控制與檢測

模擬增益是低噪聲放大器、混頻器、跨阻抗放大器、低通濾波器的增益總和，模擬增益控制是把采樣前信號電平控制在A/D轉換器的輸入動態(tài)范圍內(nèi)，以防止A/D轉換器過載。數(shù)字增益控制的作用是濾除帶外的信號和噪聲，且對小信號提供一定的增益，以確保解調(diào)輸出信號的分辨率和穩(wěn)定。數(shù)字增益控制是將信號乘以一個因子，這樣噪聲和信號都改變，從而對信噪比是沒有影響的。對于許多應用場合，并不需要數(shù)字增益控制，然而在某些情況下，基帶處理器要求接收到的信號功率等于一些額定值，一些特別功率級別信號的最大模擬增益還沒有高到足以達到這一目的，就可以使用數(shù)字增益來達到，但是通過犧牲模擬增益來增加更多的數(shù)字增益將降低系統(tǒng)性能，很低的信號級別的最大模擬增益還沒有高到足以達到這一目的，或者，設置寄存器0x10E和0x10B中的第D5位來支持這個功能?；鶐幚砥髟诩拇嫫?x10B(Rx1)和0x10E(Rx2)中寫數(shù)字增益索引值，但是如果D5位被設置，數(shù)字增益永不改變。

當信號平均功率超過一個閾值時，增益不一定立即改變。AD9361的增益只有在“增益更新計數(shù)器”溢出后才會更新存儲在寄存器0x124和0x125中。計數(shù)器的深度等于這些寄存器中的值的兩倍?；蛘?，如果寄存器0x128[D5]位被設置，它等于這些寄存器中的值的4倍。AD9361計數(shù)特定超載事件發(fā)生的次數(shù)，只有在事件的發(fā)生比一個可編程的次數(shù)多時才會使增益改變。即使這些峰值過載，增益只改變在增益更新計數(shù)器溢出時。計數(shù)器都存儲在寄存器0x121(LMT)和0x122(ADC)中。AD9361對于計數(shù)器沒有默認值，因此基帶處理器必須設定好所有的這些值。在增益變化事件期間，最高優(yōu)先級給大的LMT檢測器，緊隨其后的是大的ADC檢測器，最后的功率檢測器使用的是二階窗控制回路。

使用二階控制回路滯后改變增益，使平均信號的功率保持在一個可編程的窗口之內(nèi)，在半帶濾波器與Rx FIR濾波器之間測量功率。AGC控制回路限制和步長如圖3所示。

內(nèi)部高閾值存儲在寄存器0x101中，內(nèi)部低閾值存儲在寄存器0x120中(單位為-dBFS)；內(nèi)部高閾值和外部高閾值之間差異的絕對值存儲在寄存器0x129[D7:D4](單位為dB)中；內(nèi)部低閾值和外部低閾值之間差異的絕對值存儲在寄存器0x129[D3:D0](單位為dB)中。

圖3 AGC控制回路限制和步長

A、B、C和D步長大小存儲在寄存器0x12A[D7:D4]、0x123[D6:D4]、0x123[D2:D0]和0x12A[D3:D0]中。在平均信號功率超過其中一個閾值之后，由增益索引指針的改變大小來確定步長的大小。AD9361沒有默認閾值或步長大小，基帶處理器必須設定這些值，使增益控制在合理范圍之內(nèi)。

3 測試和分析

利用上海地區(qū)的調(diào)頻廣播信號對系統(tǒng)進行了測試，本系統(tǒng)是在零中頻進行處理的，改變接收信號的本振值即可實現(xiàn)信號的頻譜搬移，所以先設定好最重要的3個參數(shù)：本振、信號帶寬和采樣率。接收的是87 MHz～108 MHz的廣播信號，所以將本振設為87 MHz，信號帶寬為21 MHz；為保證信號的不失真采樣率至少為信號帶寬的兩倍，所以采樣率設為50 MHz。打開Linux中的iio-oscilloscope軟件，可看到接收到的調(diào)頻廣播信號的頻域波形，如圖4所示，其中，橫軸是帶寬，單位為MHz；縱軸是頻譜幅度，單位為-dBFS。

圖4 調(diào)頻廣播信號頻域波形圖和頻點

設置AGC的高低閾值：寄存器0x101=18，0x120=31，0x129=24(十六進制)；設置步長A、B、C和D：0x12A=33(十六進制)，0x123=22(十六進制)。信號調(diào)整后的頻譜圖如圖5所示。

圖5 增益改變后的頻譜圖

由圖4可見，未經(jīng)處理前的接收信號的峰值范圍為-15.34 dBFS～-38.17 dBFS；由圖5可見，經(jīng)過處理后信號的峰值范圍為-25.01 dBFS～-36.68 dBFS，通過頻譜分析，調(diào)頻廣播信號的頻譜在一定程度上實現(xiàn)了均衡。從接收到廣播信號來看，在AGC范圍內(nèi)，確實使廣播信號更加清晰。

4 結論

本文對AD9361芯片進行了詳細的介紹，它將其他平臺的分立式器件集成到一塊芯片上，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；再者是SoC平臺的應用，既有FPGA，又有完整的嵌入式平臺，提高了系統(tǒng)的集成度。與傳統(tǒng)復雜的AGC放大器電路相比，本文使用的AGC是軟件可編程的，使用二階控制回路滯后改變增益，使平均信號的功率保持在一個可編程的窗口之內(nèi)。隨著該系統(tǒng)的進一步完善，相信它可以在調(diào)頻廣播信號的應用上發(fā)揮很大的作用。

[1] 余蓮. AD9361:基于突破性技術促進軟件定義無線電應用[J]. 電子技術應用,2013, 39(11):1.

[2] 劉幸福,龔曉峰. 中頻數(shù)字接收機在SoC上的實現(xiàn)[J]. 電子技術應用,2014,40(9):21-23.

[3] 丁革媛,高寶芹,孫強，等. 無線通信技術的發(fā)展研究[J]. 微型機與應用,2014,33(10):1-3,6.

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[7] 陸佳華,潘祖龍,鵬競宇. 嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計實戰(zhàn)指南:基于Xilinx ZYNQ[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2014.

AGC of wireless FM RF transceiver based on SoC

Cao Ailing1, Fan Hong1,2, Ni Lin1,2, Yan Jie3, Tang Jun1

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University,Shanghai 201620,China; 2.Engineering Research Center of Digitized Textile & Fashion Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China; 3.Oriental Pearl Co., Ltd., Shanghai 200052, China)

This paper introduces a wide-bandwidth signal transceiver sub-system based on SoC, uses the system to realize nearly real-time process of the FM RF signals and realize the automatic gain control of wireless FM RF signals in the tunnel.What’s more,the signal level that in front of the tunnel amplifier can be controlled within a certain range,and improve the quality of the tunnel FM RF signals.The feature of the system is the good reconfigurability ,flexibility and the stability.

SoC;wireless FM broadcasting;automatic gain control(AGC)

TN93

A

1674-7720(2016)02-0060-03

曹愛玲，范紅，倪林，等. 基于SoC的無線調(diào)頻廣播收發(fā)信機的AGC[J].微型機與應用，2016,35(2)：60-62,69.

2015-09-18)

曹愛玲(1990-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：無線通信與信息處理。E-mail:794399474@qq.com。

范紅(1976-)，女，博士，副教授，主要研究方向：光電信息獲取與處理。

嚴杰(1972-)，男，學士，高級工程師，主要研究方向：廣播信號中繼傳輸?shù)臄?shù)字化處理。