許　飛，郭強(qiáng)勝,張　雷,隋天宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川 成都 610041)

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4G系統(tǒng)中數(shù)字AGC技術(shù)研究與FPGA實(shí)現(xiàn)*

許飛，郭強(qiáng)勝,張雷,隋天宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川 成都 610041)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61174025)

摘要：在4G無線通信系統(tǒng)中，需要自動(dòng)增益控制 (Automatic Gain Control，AGC) 模塊來擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)保證系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。提出了一種基于4G下行同步碼平均功率檢測的數(shù)字AGC算法，在同步信號(hào)的控制下，此算法運(yùn)用滑動(dòng)窗方法在一定時(shí)間內(nèi)來提取相關(guān)運(yùn)算平均功率的最大值，然后在查找表內(nèi)查找出此時(shí)的控制字，最后經(jīng)過運(yùn)算后送入數(shù)控衰減器。此算法運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證，然后在FPGA內(nèi)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。測試結(jié)果表明，該算法功能正確，且系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快速。

關(guān)鍵詞：AGC；同步碼；查找表；FPGA

0引言

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog Digital Converter，ADC)在數(shù)字接收機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，4G通信不斷采用的新技術(shù)，對(duì)接收機(jī)的ADC采樣速度和動(dòng)態(tài)范圍提出了更高的要求。在實(shí)際使用中，由于量化噪聲、孔徑抖動(dòng)、差分非線性失真、熱噪聲等誤差源的影響，引起ADC輸入動(dòng)態(tài)范圍及有效輸出位數(shù)的下降，從而限制了中頻信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍，無法同時(shí)滿足4G系統(tǒng)處理速度和動(dòng)態(tài)范圍的需求[1-2]。為了提高4G系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，在接收機(jī)中普遍采用自動(dòng)增益控制電路(Automatic Gain Control，AGC)[3-4]。在大多數(shù)情況下，由于路徑的衰落，AGC通常用來測量輸入解調(diào)器的有效信號(hào)電平,并且通過反饋控制電路把信號(hào)電平控制在要求的范圍內(nèi)[5]。

本文提出一種快速響應(yīng)反饋式AGC技術(shù)，此技術(shù)充分利用4G系統(tǒng)中用于幀同步的同步ZC序列，計(jì)算出此序列的功率，然后進(jìn)行查表操作，得出的控制字作用于數(shù)調(diào)可控的可變?cè)鲆娣糯笃?，?shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)的增益，把信號(hào)電平控制在要求的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，滿足ADC優(yōu)化采樣的要求，提高4G系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，減少量化誤差帶來的影響。同時(shí)快速收斂的此AGC模塊保證信號(hào)分析具有一定的實(shí)時(shí)性，非常適合移動(dòng)速度不大于90 km/h動(dòng)中通的應(yīng)用場景?；诓檎冶淼目刂品绞奖ＷC了AGC調(diào)整的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，有效的避免了突發(fā)包下AGC的抖動(dòng)效應(yīng)，極大的提高了系統(tǒng)性能。

1AGC總體方案設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，射頻前端通過模擬下變頻后產(chǎn)生模擬中頻信號(hào)，然后該中頻信號(hào)經(jīng)過數(shù)控衰減器進(jìn)行增益的縮放處理，最后數(shù)控衰減器輸出的中頻信號(hào)經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，經(jīng)FPGA內(nèi)部的數(shù)字下變頻DDC模塊后轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號(hào)，送入同步信號(hào)處理模塊來進(jìn)行同步峰值的查找。此AGC模塊通過計(jì)算同步信號(hào)的功率來控制數(shù)控衰減器的增益，使ADC工作在理想的幅值區(qū)間。AGC增益控制算法在數(shù)字部分來實(shí)現(xiàn)，通過此AGC模塊，可以有效的提高4G通信接收機(jī)鏈路的動(dòng)態(tài)范圍(+10 dBm～-98 dBm)。

AGC系統(tǒng)組成圖如圖1所示，基帶信號(hào)經(jīng)過同步信號(hào)處理模塊后送入信號(hào)幅值提取模塊，在該模塊中設(shè)置了信號(hào)提取窗，窗的大小根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用場景來確定，本文設(shè)計(jì)1 ms的提取窗，在該窗內(nèi)完成信號(hào)幅值的平均值計(jì)算和最大值的提取。然后進(jìn)入查找表模塊查找出當(dāng)前情況下的衰減器控制字送入控制字生成模塊。在該模塊中利用當(dāng)前的控制字和前一個(gè)時(shí)刻的控制字相加的結(jié)果來作為本次調(diào)整的最終控制字，然后作用于數(shù)控衰減器，完成一次AGC的調(diào)整，使ADC始終工作在最佳電平值，減少量化誤差帶來的不良影響。

圖1　AGC系統(tǒng)組成圖

上圖中ADC的溢出指示信號(hào)需要送入查找表模塊，當(dāng)溢出指示信號(hào)有效時(shí)，查找表控制算法進(jìn)入特殊處理流程，迅速進(jìn)行大跨度的向下調(diào)節(jié)，第一時(shí)間迅速擺脫ADC的飽和狀態(tài)，然后再以正常的查找表流程來調(diào)節(jié)數(shù)控衰減器，達(dá)到ADC最佳工作電平。

2AGC系統(tǒng)的MATLAB仿真

下面分析AGC模塊閉環(huán)環(huán)路仿真情況。本設(shè)計(jì)輸入信號(hào)為單頻信號(hào)，頻率為fi=3 MHz，采樣率fs=60 MHz，即每周期20個(gè)樣本。數(shù)控放大器模擬為乘法器。信號(hào)幅值提取電路采用上文介紹的模塊設(shè)計(jì)，也就是說，輸出信號(hào)的能量不是輸入信號(hào)在時(shí)刻n的絕對(duì)值，而在提取窗內(nèi)的最大值平均值。查找表根據(jù)目標(biāo)參考平均值0.2設(shè)計(jì)成具有108檔的查找表。輸入信號(hào)幅度設(shè)計(jì)為[0.3、0.9、0.6、0.3]，如下圖所示。設(shè)定誤差門限為Ei=0.005，當(dāng)誤差小于該值時(shí)不作調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)參考平均值為0.2。

取窗寬N=3，圖2為經(jīng)過此模塊后調(diào)節(jié)后的輸入和輸出信號(hào)?？梢?，經(jīng)過AGC環(huán)路調(diào)節(jié)后，輸出信號(hào)幅值較穩(wěn)定，波形失真小，收斂速度快。收斂后系數(shù)在小范圍內(nèi)波動(dòng)，誤差變化值不大。由于每個(gè)周期的樣本數(shù)為20，而滑動(dòng)窗寬度僅為3，輸出信號(hào)的能量以窗內(nèi)絕對(duì)值均值最大值表示，該值隨樣本點(diǎn)有一定的波動(dòng)，導(dǎo)致收斂后的誤差值周期性變化，并進(jìn)一步引起增益系數(shù)的變化。

圖2　窗寬為3的調(diào)節(jié)前后的信號(hào)

滑動(dòng)窗寬度影響信號(hào)能量的檢測，當(dāng)點(diǎn)數(shù)N=round(fs/2fi)時(shí)，絕對(duì)值的均值具有代表性，其中round表示取整數(shù)。在本例中，N=10正好是半個(gè)周期。輸入信號(hào)與上面相同，輸出信號(hào)和增益系數(shù)如上圖3所示。以半周期點(diǎn)數(shù)為窗寬度，逐點(diǎn)滑動(dòng)時(shí)，信號(hào)絕對(duì)值之和為固定值，當(dāng)系數(shù)調(diào)節(jié)該值與參考值之差小于門限盡后，增益系數(shù)不再變動(dòng)。圖3的信號(hào)幅度同上，樣本數(shù)略有增加。噪聲使增益系數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但均值仍然符合規(guī)律。

對(duì)于一般的調(diào)制信號(hào)，此時(shí)的滑窗寬度應(yīng)該為N=round(fs/2fo)，其中fo是調(diào)制頻率。如果本例中以窗內(nèi)平均運(yùn)算的最大值為輸出，則相當(dāng)于求信號(hào)包絡(luò)。在模擬AGC中，信號(hào)檢測單元也常采用包絡(luò)檢波器。但是，最大值易受噪聲和干擾影響，仿真結(jié)果不穩(wěn)定，因此本系統(tǒng)采用滑窗內(nèi)同步信號(hào)絕對(duì)值的最大平均值為調(diào)節(jié)依據(jù)。

圖3　窗寬為10的調(diào)節(jié)前后的信號(hào)

3AGC系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

根據(jù)AGC所實(shí)現(xiàn)的功能，再結(jié)合FPGA的特點(diǎn)和FPGA的設(shè)計(jì)思想，我們?cè)贔PGA中將AGC模塊分為如下幾個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)：

3.1同步碼平均功率計(jì)算

計(jì)算下行同步信號(hào)功率是AGC中最為重要的一個(gè)算法。4G系統(tǒng)中每個(gè)幀結(jié)構(gòu)具有10個(gè)子幀，每個(gè)子幀有14個(gè)OFDM符號(hào)。在一幀10 ms的時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)是連續(xù)的，但數(shù)據(jù)在幀與幀之間不一定是連續(xù)的。當(dāng)數(shù)據(jù)不連續(xù)時(shí)，只能求出下行同步碼的功率值，以此為依據(jù)控制數(shù)控衰減器。

由4G系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)可知，下行同步碼在特殊子幀S進(jìn)行發(fā)送，此同步碼PSS序列占用62個(gè)子載波，其左右兩側(cè)各保留5個(gè)空閑子載波作為保護(hù)間隔。在FPGA中，通過相干檢測法檢測出此同步序列的精確位置，并將此同步指示信號(hào)送入AGC模塊。在AGC模塊接收到此指示信號(hào)后，提取1ms內(nèi)最大的同步平均功率值作為此時(shí)同步碼的功率。具體方法如下圖4所示。

圖4同步碼功率提取過程

上圖中的信號(hào)幅值提取電路也是決定數(shù)字AGC性能的關(guān)鍵電路之一，在信號(hào)功率提取電路部分,為了滿足AGC系統(tǒng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定性的要求，主要采用數(shù)字雙斜率濾波技術(shù)。由于噪聲的擾動(dòng)，反饋環(huán)路輸人的信號(hào)x(n)抖動(dòng)是比較大的，如果輸入不經(jīng)過處理就會(huì)影響AGC的穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間，所以求同步序列功率之后和送入比較器之前首先提取信號(hào)的包絡(luò)，這樣進(jìn)人比較器的值就會(huì)變化起比小也更能實(shí)際反應(yīng)信號(hào)的功率。

此電路分為兩部分，圖上半部分是功率網(wǎng)絡(luò)，按照AGC控制要求對(duì)輸人同步信號(hào)功率進(jìn)行計(jì)算，圖下半部分的網(wǎng)絡(luò)是取大電路，經(jīng)過功率計(jì)算的輸出保留M個(gè)輸出值，然后從中選擇最大的作為信號(hào)功率提取電路的輸出，各部分信號(hào)之間的關(guān)系為：

(1)

V(n)=max{p(n),p(n-1),…,p(n-M+1)}

(2)

由FPGA根據(jù)傳過來的數(shù)據(jù),通過相干檢測法檢測出同步信號(hào)的精確位置，并記錄下位置參數(shù)。FPGA收到這一點(diǎn)的位置后，立即停止使用其自身檢波法求出的功率值，并產(chǎn)生圖中的同步指示信號(hào)。根據(jù)傳過來的同步指示信號(hào)的位置， 開關(guān)模塊的具體過程如下圖5所示。每次當(dāng)同步指示信號(hào)有效后，開關(guān)打開，1 ms計(jì)數(shù)器開始工作，將平均值數(shù)據(jù)流送入求最大值單元。當(dāng)1 ms計(jì)算器計(jì)滿后，開關(guān)關(guān)閉，輸出在1 ms時(shí)間的最大平均值V(n)，同時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)0.5 s的計(jì)數(shù)器。在兩個(gè)計(jì)數(shù)器工作的時(shí)間內(nèi)，屏蔽同步指示信號(hào)對(duì)本模塊的作用。需要注意的是，本模塊0.5 s的時(shí)間除了作為AGC模塊的控制字在系統(tǒng)上的響應(yīng)時(shí)間，另一方面也有效的避免了AGC模塊的頻繁動(dòng)作帶來的不良后果。

圖5　開關(guān)單元的示意圖

3.2查找表控制算法

同步碼平均功率計(jì)算模塊通過平方、緩存、累加、右移鎖存、最大值比較等一系列操作，最終得出32位同步碼平均功率值，送至AGC查找表控制算法模塊。在ADC溢出指示的控制下，此模塊通過將32位同步碼平均功率值與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出系統(tǒng)所需要的增益值。

下圖a為預(yù)設(shè)的功率00000000H～FFFFFFFFH的劃分，劃分區(qū)間4(EB9822AH～ 1798A64AH單元)為最佳功率區(qū)間，當(dāng)輸入信號(hào)平均功率落在區(qū)間4時(shí)，此時(shí)的功率值滿足系統(tǒng)的要求，不需要在此時(shí)的控制字上進(jìn)行放大或衰減。當(dāng)輸入信號(hào)功率落在其他區(qū)間時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)的放大或衰減。需要注意的是，本文設(shè)置了一個(gè)虛擬區(qū)間0，當(dāng)ADC的溢出指示信號(hào)有效后，認(rèn)為輸入信號(hào)的平均功率落在區(qū)間0內(nèi)，然后按照區(qū)間0設(shè)計(jì)的規(guī)則，進(jìn)行大跨度的向下調(diào)節(jié)，以達(dá)到迅速調(diào)整的目的。

圖6　查找表算法流程圖

上圖b為AGC控制算法流程圖，圖中示出了當(dāng)輸入信號(hào)功率落在不同的區(qū)間時(shí)需要提供的放大或衰減倍數(shù)，值得注意的是，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，區(qū)間4應(yīng)在保證合理的情況下盡量的寬松，為抖動(dòng)提供一定的緩存空間，可有效的預(yù)防由于抖動(dòng)帶來的不良影響。根據(jù)不同的ADC設(shè)計(jì)不同的最佳電平區(qū)間，本文設(shè)計(jì)的區(qū)間為-15 dBm～-25 dBm，其他區(qū)間以5 dBm作為電壓增量值。從圖a及圖b可以看出，經(jīng)過相關(guān)放大或衰減后，輸入信號(hào)功率被調(diào)整至最佳功率區(qū)間。

3.3控制字生成

經(jīng)過查找表控制算法得出的控制字并不能實(shí)際作用于數(shù)控衰減，需要送入控制字生成模塊來完成實(shí)際控制字的計(jì)算。本文采用的衰減量的控制位數(shù)為6位，對(duì)應(yīng)62 dB的調(diào)節(jié)量。當(dāng)控制字為“000000”時(shí)，對(duì)應(yīng)為全放大62 dB，當(dāng)控制字為“111110”時(shí)，對(duì)應(yīng)為0 dB放大。當(dāng)系統(tǒng)初始上電時(shí)，初始控制字為“000000”，當(dāng)一個(gè)新的控制字到來時(shí)，與前一時(shí)刻的控制字進(jìn)行補(bǔ)碼加法運(yùn)算，作為當(dāng)前時(shí)刻的控制字。如下圖7所示，當(dāng)當(dāng)前時(shí)刻控制字小于0時(shí)，則取值為0；當(dāng)相加后當(dāng)前時(shí)刻控制字大于62時(shí)，則取值為62；當(dāng)相加后當(dāng)前時(shí)刻控制字小于0時(shí)，則取值為0；當(dāng)相加后當(dāng)前時(shí)刻控制字在0與62中間時(shí)，按原值輸出。

圖7　控制字生成流程圖

4結(jié)語

在4G通信中采用快速響應(yīng)反饋式AGC技術(shù)具有重要意義，它可以最大程度保證信號(hào)工作在ADC最佳區(qū)間內(nèi)，大大提高4G系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。本文研究了同步碼平均功率計(jì)算、查找表控制計(jì)算、控制字生成等算法，并運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證，然后在FPGA內(nèi)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。測試結(jié)果表明，該AGC模塊可以有效提高4G通信接收機(jī)鏈路的動(dòng)態(tài)范圍，且系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快速。通過對(duì)滑動(dòng)窗寬度、查找表功率區(qū)間、控制字進(jìn)行適應(yīng)性參數(shù)調(diào)整，可以將該數(shù)字AGC算法應(yīng)用在雷達(dá)接收機(jī)、電子對(duì)抗、電子戰(zhàn)等需要提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的通信系統(tǒng)中。

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許飛(1979—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信和硬件設(shè)計(jì)；

郭強(qiáng)勝(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信和硬件設(shè)計(jì)；

張雷(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信；

隋天宇(1983—)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

術(shù)語百科Technical Terms

網(wǎng)絡(luò)彈性

網(wǎng)絡(luò)彈性就是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所具備的一種即使在系統(tǒng)遭受破壞的情況下也能正常安全運(yùn)行的能力。提高網(wǎng)絡(luò)彈性并不是追求建立一種完美無暇的系統(tǒng)來對(duì)抗攻擊，而是綜合運(yùn)用防御、偵查、自適應(yīng)、操作響應(yīng)設(shè)計(jì)策略和技術(shù)來動(dòng)態(tài)響應(yīng)當(dāng)前和未來的網(wǎng)絡(luò)攻擊。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)威脅愈演愈烈、無處不在，而且具有復(fù)雜性、自適應(yīng)和持續(xù)性等特點(diǎn)，期望完全抵御各種威脅已不再可能，網(wǎng)絡(luò)防御重點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)保護(hù)向遭受攻擊后仍能確保任務(wù)的有效性方向轉(zhuǎn)變，即開展網(wǎng)絡(luò)彈性研究。網(wǎng)絡(luò)彈性不僅解決網(wǎng)絡(luò)抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力，更加側(cè)重事前主動(dòng)解決網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的承受能力、吸收能力和恢復(fù)能力。網(wǎng)絡(luò)彈性是網(wǎng)絡(luò)空間安全的一道更具寬度和厚度的閘門，包含了原來的防御和應(yīng)急響應(yīng)，變事后為事前，化被動(dòng)為主動(dòng)。更重要的是，它為戰(zhàn)勝高級(jí)持續(xù)性威脅(APT)攻擊提供了有效方法。網(wǎng)絡(luò)彈性的研究當(dāng)前面臨的主要問題是如何獲得彈性，包括如何在彈性特征是有限的、未知的或可能未知的系統(tǒng)組件上構(gòu)建彈性系統(tǒng)；如何表示彈性特征，然后在系統(tǒng)的研究生命周期內(nèi)評(píng)價(jià)和度量這些彈性特征。

Digital AGC Technology and Its FPGA Implementation in 4G System

XU Fei，GUO Qiang-sheng，ZHANG Lei，SUI tian-yu

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041,China)

Abstract：In 4G wireless communication system, AGC (Automatic Gain Control) module is needed to expand dynamic range of the receiver while maintain response time of the system. A digital AGC algorithm based on 4G downlink synchronization codes detected by the average power is proposed. Under the control of synchronization signal, this algorithm extracts the maximum average power of correlation operation within a certain time via a sliding window method, then finds the control word at the very time in the lookup table and finally sends it into the digital-controlled attenuator after calculation. This algorithm is verified with MATLAB simulation, and its design and implementation is successfully done in the FPGA. Test result indicates the correctness of this algorithm and fast response time of the system.

Key words：AGC; synchronization code; lookup table; FPGA

作者簡介：

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2015)07-0865-05

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(No.61174025)

收稿日期：修回日期：2015-05-19Received date:2015-03-11；Revised date：2015-05-19

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.023