短波接收機模數(shù)混合AGC設(shè)計

0引言

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

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輸入的反饋,閉環(huán) AGC輸出電壓會對輸入有反饋影響,而開環(huán)AGC則不存在這種反饋^[2]。按照AGC的實現(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、無源器件通過處理模擬信號的方式實現(xiàn)的;數(shù)字AGC電路通過對模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC處理過的信號進行分析,并以此信號為控制信號,達到控制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)點的電路實現(xiàn)方式^[2—3]。

2 閉環(huán)AGC的原理

一個典型的閉環(huán)AGC電路包括可變增益放大器、峰值檢測器、比較放大器和濾波器等部分,其組成如圖1所示。輸入信號進入可變增益放大器,調(diào)整幅度后輸出。同時輸出信號進入峰值檢測器進行檢波,檢波的結(jié)果與參考電平進行比較,比較結(jié)果經(jīng)過濾波器濾波后控制可變增益放大器的調(diào)整參數(shù)。

在輸入信號較小時,AGC環(huán)路調(diào)整可變增益放大器的增益變大;而當輸入電壓較大時,AGC環(huán)路調(diào)整可變增益放大器的增益減小。最終使得輸出信號的幅值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),達到自動增益控制的目的。

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

輸入的信號X(n)與AGC調(diào)整因子相乘,得到輸出信號:

Y(n)=X(n)×k(n)    (1)

同時計算輸出信號的均方根值即電平L并求出L的自然對數(shù)值,然后與參考電平值比較,計算出電平誤差值,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

對于一個短波接收機來說,一方面要保證正確接收較大動態(tài)范圍的射頻輸入信號,另一方面要保證音頻輸出信號穩(wěn)定在較小的范圍內(nèi)。典型短波接收機射頻輸入信號的動態(tài)范圍通常在—120~0 dBm,在輸入射頻為小信號時,希望接收系統(tǒng)具有足夠高的增益;而輸入射頻信號較大時,又要求接收機不會因為飽和而引起失真。同時, 目前ADC輸入動態(tài)在60 dB左右,也不能滿足如此大的動態(tài)輸入要求^[5]。因此,在短波接收機中設(shè)計AGC調(diào)整進入ADC的射頻信號和輸出音頻信號。

圖1所示的AGC只調(diào)整了接收信號下變頻之后的音頻信號幅度,為了克服接收到的射頻信號劇烈變化的動態(tài)范圍對ADC電路的影響,設(shè)計一個同時控制模擬和數(shù)字兩部分增益放大器的AGC。具體方法是在圖1的AGC設(shè)計的基礎(chǔ)上,增加一次電平比較來判斷射頻輸入信號是否在ADC的動態(tài)范圍,輸出控制信號調(diào)整模擬電路增益調(diào)節(jié),其組成如圖3所示。從天線接收下來的射頻信號首先進入一個模擬增益調(diào)節(jié)電路,然后由ADC采樣為數(shù)字射頻信號進入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。

4AGC詳細設(shè)計

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

AGC的主要部分在FPGA中實現(xiàn)。采用公式(4)得到輸出信號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在n時刻I路和Q路的值。

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

同時在模擬端設(shè)計一個兩檔可調(diào)的增益可調(diào)節(jié) 放大電路。當接收信號較小時,射頻模擬電路增益為20 dB;當接收信號超過ADC最大輸入電平T₁時,AGC輸出的控制信號控制射頻電路增益為—15 dB。

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

5測試結(jié)果

對本文介紹的數(shù)?；旌螦GC進行實際測量,射頻信號從3倍靈敏度起增加100 dB,音頻輸出信號變化幅度小于0.5 dB。另外,觀察測量了AGC控制信號快充慢放的效果。射頻輸入信號從—10dBm降低到—38dBm時,音頻信號的放電時間約為4.4S,如圖5所示。

射頻輸入信號從—38dBm增大到—10dBm時,音頻信號的充電時間約為15.6 mS,如圖6所示。

6結(jié)束語

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

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2024年第20期第13篇