柯樂樂，方 圓，王 毅，呂迎春

（1.同方電子科技有限公司，江西 九江 332002；2.軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐鎮(zhèn)江地區(qū)軍事代表室，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

在短波電臺(tái)通信中，基帶信號(hào)傳輸距離、音頻源的不穩(wěn)定性等因素都會(huì)使進(jìn)入發(fā)射機(jī)前端的音頻信號(hào)幅度變化比較大[1]。為了使得激勵(lì)單元能夠接收到幅值穩(wěn)定的音頻信號(hào)，需要對(duì)射頻輸出之前的音頻信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益控制（Automatic Generation Control，AGC）算法處理。為了減小運(yùn)算量，一般會(huì)在采樣率較低的階段進(jìn)行AGC 處理。AGC 處理除了使輸出的音頻幅值相對(duì)穩(wěn)定，還有一定的噪音處理功能。音頻AGC 必須實(shí)時(shí)跟蹤輸入音頻信號(hào)的幅值變化，一方面要減小不期望因素的干擾，另一方面要較準(zhǔn)確地反映音頻信號(hào)的幅度變化，同時(shí)還要平衡AGC 處理帶來的信號(hào)抖動(dòng)和信號(hào)延時(shí)。運(yùn)用數(shù)字化處理技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）器件上實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻AGC 算法，可以使得AGC 控制更加精確，運(yùn)行更加穩(wěn)定[2]。

1 AGC 原理和分類

AGC 作為自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究對(duì)象，在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用，比如語(yǔ)音系統(tǒng)中對(duì)聲音大小的調(diào)節(jié)，電機(jī)控制中對(duì)功率的調(diào)節(jié)等[2]。在通信領(lǐng)域中，AGC 是無線接收系統(tǒng)重要的組成部分，它會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)的幅值大小動(dòng)態(tài)調(diào)整接收系統(tǒng)的增益，從而提高接收系統(tǒng)的性能[3-6]。根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方式，AGC 可分為模擬AGC 和數(shù)字AGC。

模擬AGC 電路結(jié)構(gòu)主要包括檢波器、濾波器、比較器、增益控制和可變?cè)鲆娣糯笃鳌＝?jīng)過檢波和濾波后可以得到輸出信號(hào)的幅值，然后與參考電平進(jìn)行比較得到電平誤差，增益控制電路根據(jù)電平誤差產(chǎn)生信號(hào)控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嬷?，從而完成?duì)輸入信號(hào)的調(diào)節(jié)。

數(shù)字AGC 分為數(shù)控AGC 和全數(shù)字 AGC。數(shù)控AGC 包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）、可變?cè)鲆娣糯笃?、?shù)字信號(hào)處理單元。數(shù)控AGC 輸出的信號(hào)經(jīng)過ADC 采樣后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字信號(hào)處理單元根據(jù)輸出信號(hào)計(jì)算出信號(hào)幅值，并與設(shè)定的參考信號(hào)幅值進(jìn)行比較從而得到誤差值，再通過增益控制算法計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的增益值，最后通過DAC 將增益值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)控制可變?cè)鲆娣糯笃鳌Ｈ珨?shù)字AGC 包括ADC、數(shù)字乘法器和數(shù)字信號(hào)處理，ADC 對(duì)輸入信號(hào)采樣，然后與增益值相乘后得到輸出信號(hào)，并將輸出信號(hào)反饋到數(shù)字信號(hào)處理單元，從而得到下一次的增益值。

模擬AGC 電路器件極易受外界因素影響，對(duì)干擾信號(hào)比較敏感，導(dǎo)致其穩(wěn)定性和可靠性都比數(shù)字AGC 差。數(shù)字AGC 對(duì)信號(hào)的調(diào)整更加精確，實(shí)現(xiàn)方式靈活，電路集成度和成本都比模擬AGC 低。因此，數(shù)字AGC 更符合軟件無線電的發(fā)展要求，會(huì)逐漸取代模擬AGC。

2 數(shù)字AGC 指標(biāo)參數(shù)

AGC的指標(biāo)參數(shù)是衡量AGC性能的重要依據(jù)，數(shù)字AGC 的指標(biāo)參數(shù)主要包括動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)定時(shí)間和環(huán)路穩(wěn)定性[6-7]。

AGC 電路的動(dòng)態(tài)范圍是表示對(duì)輸入信號(hào)控制能力的參數(shù)。因?yàn)锳GC 的作用是將變化很大的輸入信號(hào)調(diào)節(jié)到輸出穩(wěn)定在固定范圍內(nèi)，所以當(dāng)輸入信號(hào)的幅值變化越大且輸出信號(hào)的變化范圍越小時(shí)，AGC 的動(dòng)態(tài)范圍就越好。

穩(wěn)定時(shí)間是指輸入信號(hào)幅值發(fā)生階躍變化時(shí)，輸出信號(hào)從階躍時(shí)刻到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間的選取非常關(guān)鍵，不但要考慮信道的特性，還要考慮接收信號(hào)的某些參數(shù)，比如調(diào)制速率、信號(hào)功率變化速率等。實(shí)際工程應(yīng)用中，數(shù)字AGC 的穩(wěn)定時(shí)間一般要可控，這不僅和控制算法有關(guān)，還和信號(hào)的采樣周期有關(guān)。

理論上，數(shù)字AGC 將輸入信號(hào)幅值調(diào)節(jié)到固定范圍內(nèi)后，數(shù)字增益值將不會(huì)發(fā)生變化。但在實(shí)際工程使用中，由于噪聲信號(hào)干擾或者對(duì)輸入信號(hào)幅值的估計(jì)存在誤差，數(shù)字增益值可能會(huì)在某個(gè)值附近不停變化，導(dǎo)致AGC 輸出信號(hào)幅度在一定范圍內(nèi)抖動(dòng)。如果抖動(dòng)的次數(shù)很頻繁或者信號(hào)抖動(dòng)的幅值比較大，會(huì)影響AGC 后級(jí)處理。

3 短波發(fā)射機(jī)中數(shù)字AGC 設(shè)計(jì)

短波發(fā)射機(jī)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital，AD）芯片采集到的線路音頻和麥克風(fēng)音頻以及外部設(shè)備輸入進(jìn)來的數(shù)字音頻允許的幅值范圍是-20～10 dB，需要經(jīng)過AGC 設(shè)計(jì)后使輸入的信號(hào)穩(wěn)定在0 dB。由于AGC 的期望值是一個(gè)定值，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，輸出信號(hào)會(huì)不斷調(diào)整，造成輸出信號(hào)幅度不穩(wěn)定[8]，因此，在AGC 期望值的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)音頻信號(hào)輸出穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)范圍，即在AGC 期望值的基礎(chǔ)上允許上下浮動(dòng)0.1 dB，輸出音頻信號(hào)幅值在此動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，則認(rèn)為信號(hào)是穩(wěn)定的，不需要再進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)輸入音頻信號(hào)幅值的要求，增益調(diào)整范圍固定在-10～20 dB，為了防止幅值計(jì)算錯(cuò)誤或信號(hào)干擾影響幅值計(jì)算，當(dāng)計(jì)算出來的增益大于一定值時(shí)，以一定值為單位逐次調(diào)整，直至信號(hào)穩(wěn)定在允許的幅值范圍內(nèi)，根據(jù)發(fā)射機(jī)對(duì)AGC 調(diào)整速度的要求，來確定需要進(jìn)行逐次調(diào)整的最小增益值a和單位b。

AGC 算法主要在FPGA 中實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA 采用復(fù)旦微電子公司的FMQL 系列的FMQL45-FFG900，采用FPGA+ARM 體系，不僅擁有豐富的邏輯控制器，而且擁有高性能處理器，其處理器為四核A7處理器，工作頻率可達(dá)1.0 GHz，邏輯資源豐富，邏輯單元為350 000，查找表為218 600，觸發(fā)器為437 200，乘 法 器 為18×25，MACC 為900，4QUAD 高速GTX 收發(fā)器，支持PCIE GEN2×8、2 個(gè)AD 轉(zhuǎn)換器，可以測(cè)量片上電壓、溫度感應(yīng)。模擬AD 采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第24 研究所的SAD7656 音頻AD 芯片，SAD7656 芯片具有6 個(gè)獨(dú)立采樣通道，最大采樣速率為250 kHz，信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）為86 dB@50 kHz，數(shù)據(jù)接口為16 bit 并行接口或串行外部設(shè)備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）。

本方案所采用的數(shù)字AGC 的設(shè)計(jì)原理如圖1所示，主要包括模擬AD 采樣、當(dāng)前信號(hào)平均幅值計(jì)算、平均幅值和期望幅值比較、增益控制、增益值乘當(dāng)前信號(hào)得到輸出信號(hào)。

圖1 數(shù)字AGC 設(shè)計(jì)原理

FPGA 中信號(hào)為并行、流水、定點(diǎn)處理模式。在圖1 中，計(jì)算信號(hào)平均幅值需要采集一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)，并且判斷和計(jì)算都需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，導(dǎo)致計(jì)算出的增益值不能與計(jì)算該值的數(shù)據(jù)同步，造成輸出信號(hào)功率頻繁抖動(dòng)[9]。增益值通過迭代計(jì)算得到，AGC 控制范圍越大，迭代收斂時(shí)間越長(zhǎng)，音頻數(shù)據(jù)與增益值相差越大，輸出信號(hào)功率抖動(dòng)越明顯。

為消除數(shù)據(jù)不同步產(chǎn)生的抖動(dòng)，本文采用的信號(hào)同步處理方法是將輸入的數(shù)字音頻信號(hào)存入RAM中進(jìn)行群延時(shí)處理，信號(hào)緩存長(zhǎng)度等于增益值更新的時(shí)間長(zhǎng)度，這樣就可以得到穩(wěn)定的信號(hào)輸出[10]，原理見圖2 所示。

圖2 加入同步處理的數(shù)字AGC設(shè)計(jì)原理

定點(diǎn)計(jì)算中數(shù)據(jù)相乘可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)位數(shù)溢出，而且計(jì)算精度不高，所以將圖2 中的判斷模塊和增益控制模塊采用浮點(diǎn)運(yùn)算，另外為了加快運(yùn)算時(shí)間，浮點(diǎn)運(yùn)算的時(shí)鐘采用FPGA 的系統(tǒng)時(shí)鐘，浮點(diǎn)AGC 設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

圖3 浮點(diǎn)同步數(shù)字AGC 設(shè)計(jì)原理

4 AGC 算法仿真和實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的AGC 算法流程如圖4 所示。當(dāng)計(jì)算得到的輸入信號(hào)的平均幅值在穩(wěn)定范圍內(nèi)時(shí)，則輸出增益值為1，作用于群延時(shí)后的信號(hào)。當(dāng)計(jì)算得到的輸入信號(hào)的平均幅值大于期望的幅值穩(wěn)定范圍時(shí)，輸出計(jì)算的當(dāng)前增益值，作用于群延時(shí)后的信號(hào)。當(dāng)計(jì)算得到的輸入信號(hào)的平均幅值小于期望的幅值穩(wěn)定范圍時(shí)，與上一次計(jì)算的增益值比較，如果變化超過0.1 dB，則計(jì)算增益值并判斷是否需要逐次調(diào)整增益值，如果不需要，則輸出當(dāng)前計(jì)算的增益值，作用于群延時(shí)后的信號(hào)；如果需要，則逐次調(diào)整增益值，計(jì)算需要逐次調(diào)整的次數(shù)N，判斷是否完成N次調(diào)整，如果已完成，則增益值不變，否則要計(jì)算出第n（n

圖4 短波發(fā)射機(jī)中數(shù)字浮點(diǎn)同步AGC 算法流程

仿真模擬音頻輸入單音和雙音，信號(hào)幅值范圍為-20～10 dB，首先仿真幅值多次改變的單音輸入信號(hào)如圖5 所示，可以觀察到輸入的音頻信號(hào)的幅值隔一段時(shí)間會(huì)改變，仿真進(jìn)入發(fā)射機(jī)前端的音頻信號(hào)幅度忽大忽小。經(jīng)過AGC 算法后，將輸入音頻信號(hào)的平均幅值調(diào)整到0±0.1 dB，在圖5 中，可以觀察到經(jīng)過AGC 處理后信號(hào)的平均幅值一直穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 單音信號(hào)經(jīng)過AGC 算法處理仿真

當(dāng)輸入音頻信號(hào)是幅值多次改變的雙音信號(hào)時(shí)，經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的AGC 算法后，也可以將輸入音頻信號(hào)的平均幅值調(diào)整到0±0.1 dB，仿真如圖6所示，圖中的信號(hào)幅值是指一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)的平均幅值，當(dāng)音頻信號(hào)的平均幅值發(fā)生改變時(shí)，經(jīng)過一段短暫時(shí)間的調(diào)整，AGC 處理后的信號(hào)平均幅值會(huì)穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)，AGC 調(diào)整時(shí)間滿足發(fā)射機(jī)功率穩(wěn)定時(shí)間要求。

圖6 雙音信號(hào)經(jīng)過AGC 算法處理仿真

將此AGC 算法應(yīng)用到某型號(hào)的短波發(fā)射機(jī)平臺(tái)上時(shí)，用綜測(cè)儀接入音頻信號(hào)，不斷改變輸入音頻信號(hào)的幅值，經(jīng)過AGC 算法處理后的信號(hào)的幅值會(huì)快速調(diào)整到一定的范圍內(nèi)，使發(fā)射機(jī)輸出功率穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)；接入麥克風(fēng)，開啟PTT，當(dāng)喊話聲音忽大忽小時(shí)，即輸入信號(hào)幅值波動(dòng)較大的情況下，能在短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)幅值，使其快速收斂，為后級(jí)電路提供穩(wěn)定的輸入信號(hào)，且方案簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)[11]。另外，AGC 處理后輸出信號(hào)幅值的參考值是可調(diào)的，算法靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)AGC 算法的原理、分類、指標(biāo)進(jìn)行了介紹，其次重點(diǎn)分析了浮點(diǎn)同步數(shù)字AGC 算法的設(shè)計(jì)思路，最后通過FPGA 仿真和在某型號(hào)短波發(fā)射機(jī)平臺(tái)上的應(yīng)用驗(yàn)證了此算法的可行性。