代延村+張淼丹

摘要：增益放大器是對接收的微弱信號進行自適應(yīng)地調(diào)整，以便通信系統(tǒng)的正常工作。軟件無線電技術(shù)采用全數(shù)字技術(shù)，使得系統(tǒng)通用性強，可靠性高等特點?；谲浖o線電技術(shù)，針對通信系統(tǒng)中的微弱數(shù)字基帶信號，設(shè)計一種低復(fù)雜度自動增益放大器。此放大器具有實現(xiàn)簡單、靈活性高、反應(yīng)速率快等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：自動增益放大器；軟件無線電；數(shù)字信號；FPGA

中圖分類號：TN911.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0177-02

Abstract：Automatic gain amplifier is applied to adjust adaptively the weak signals amplitude to ensure the telecommunication operate normally. The software radio technology which adopts digital signal technique makes the system with high universality and high reliability. Based on software radio technology， this paper designs a low complexity automatic gain control for the weak digital baseband signals. The controller has advantages of simple realization， high flexibility， high reaction speed and so on.

Key Words：automatic gain amplifier； software radio； digital signals； FPGA

在移動通信系統(tǒng)中，接收信號由于受到干擾和噪聲影響，幅度發(fā)生變化。為了保證通信的正常，需要設(shè)計一個隨著輸入信號強度的改變而改變的自動增益控制器[1]來實時調(diào)整接收信號幅度的變化。軟件無線電技術(shù)[4]突破了傳統(tǒng)系統(tǒng)以硬件為核心的設(shè)計模式，將寬帶A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近射頻端，將模擬信號盡可能早地轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。以數(shù)字信號處理為核心，克服了硬件擴展性差的局限性。軟件無線電可實現(xiàn)完全的可編程性，實現(xiàn)通信中的各種調(diào)制方式。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展和FPGA的廣泛使用，逐漸將傳統(tǒng)硬件實現(xiàn)的功能模塊由軟件編程來實現(xiàn)。在四相移鍵控調(diào)制（QPSK）通信系統(tǒng)中，接收信號經(jīng)過A/D采樣、數(shù)字下變頻和匹配濾波后，數(shù)字基帶信號位寬截取會導(dǎo)致幅度下降，對后續(xù)的信號均衡產(chǎn)生不良影響。本文基于軟件無線電技術(shù)，將幅度下降的幅度信號進行放大，提出一種簡單可行的可變增益放大器（VGA）設(shè)計。

1 基本原理

1.1 自動增益控制器（AGC）

傳統(tǒng)的AGC系統(tǒng)是模擬AGC系統(tǒng)，采用模擬電路方法實現(xiàn)自動增益控制功能。根據(jù)系統(tǒng)是否存在反饋電路，可分為閉環(huán)AGC系統(tǒng)和開環(huán)AGC系統(tǒng)兩種。開環(huán)AGC系統(tǒng)[2]的優(yōu)點是動態(tài)范圍大，缺點是精度較低、慣性大、反應(yīng)遲緩，對系統(tǒng)參數(shù)敏感等。閉環(huán)AGC系統(tǒng)由于反饋環(huán)路的引入，其響應(yīng)時間會有所延遲，響應(yīng)速度適中、對系統(tǒng)參數(shù)敏感度低。閉環(huán)AGC電路由比較電路、控制電路、可控增益放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)四部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。比較電路的作用是產(chǎn)生誤差信號。比較算法越合理，比較器性能越好。比較算法主要有逐次比較、中值比較等，常用的方法是直接用反饋輸入信號與參考量作差?？刂齐娐肥怯烧`差信號得到控制信號，達到控制可控增益放大器的目的?？刂菩盘柗譃橛糜谥甘菊{(diào)整增益方向和增益調(diào)整大小的信號兩種?？勺冊鲆娣糯箅娐稟GC電路的核心部件，用于完成增益值的產(chǎn)生和信號的參數(shù)調(diào)整。反饋網(wǎng)絡(luò)的作用是提取反饋信號，提取反饋信號幅度方法[3]有：包絡(luò)檢波算法、電平檢測算法等。在具體應(yīng)用時，需根據(jù)實際情況來選擇。

1.2 軟件無線電技術(shù)

軟件無線電技術(shù)是一種無線電廣播通信技術(shù)，它基于軟件定義的無線通信協(xié)議而非通過硬連線實現(xiàn)。可以通過軟件更新和下載來升級空中接口協(xié)議和功能及頻帶，而不需要更換硬件電路。軟件無線電技術(shù)是一種典型的綜合性技術(shù)，需要許多基本技術(shù)的支撐。對于一個較為成熟的軟件無線電平臺來說，它所涉及的技術(shù)主要包含以下技術(shù)：射頻/微波技術(shù)、智能天線技術(shù)、采樣技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、軟件設(shè)計技術(shù)和信息安全技術(shù)等。軟件無線電技術(shù)可解決由于新技術(shù)改革帶來系統(tǒng)間兼容問題，可以降低由于系統(tǒng)設(shè)備升級改造的投入成本。減少傳統(tǒng)的軟件無線電系統(tǒng)射頻部分以及其他模擬部件，通過可編程數(shù)字信號處理器件來提高系統(tǒng)的靈活性，簡化了開發(fā)研制的過程。

軟件無線電的基本思想是把寬帶ADC及DAC盡量靠近射頻天線。在這個硬件平臺上要盡量用軟件技術(shù)來實現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)中用硬件實現(xiàn)的各種功能模塊。軟件無線電技術(shù)有可重構(gòu)性、靈活性和模塊化等特點，很好解決了硬件設(shè)備升級、兼容性等問題。軟件無線電系統(tǒng)由四個主要部分組成：接收和發(fā)射信號的天線部分、射頻前端部分、模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分和數(shù)字信號處理部分。在現(xiàn)代無線電通信領(lǐng)域中，軟件無線電作為一種新的技術(shù)，將實現(xiàn)以太網(wǎng)、藍牙、無線網(wǎng)絡(luò)和廣電網(wǎng)之間的互相兼容和無縫連接，使新一代移動通信技術(shù)提供更多有效的業(yè)務(wù)。

2 設(shè)計與仿真

2.1 系統(tǒng)模型

數(shù)字相移鍵控調(diào)制技術(shù)是一類性能優(yōu)良的調(diào)制方式，這種調(diào)制方式由于頻帶利用率而廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。其中，最為常用的是四相相移鍵控（QPSK）。本文是基于FPGA平臺，數(shù)字下變頻是和匹配濾波都是要進行定點運算，在運算過程中必然會進行數(shù)據(jù)位寬的截短，以便降低FPGA占用資源。中頻頻率為20MHz，經(jīng)過A/D采樣后，變?yōu)?6位寬的數(shù)字信號，數(shù)字下變頻在FPGA中使用ROM查表法，位寬為11bits。圖2和圖3給出了QPSK解調(diào)端[5]（Eb/N0=15dB）數(shù)字下變頻后經(jīng)過截短后的時域波形圖和信號星座圖。

由圖2和圖3可以看出，經(jīng)過數(shù)字下變頻后，基帶信號幅度不再是恒定包絡(luò)，存在幅度變小的現(xiàn)象。這就需要對其進行放大，以便解調(diào)端正確解調(diào)出數(shù)據(jù)。QPSK信號解調(diào)時，分為I和Q兩路，要兩路同時進行方法，避免發(fā)生兩路信號不平衡。

對I和Q路基帶信號，分別計算每幀信號最大模值A(chǔ)max，有兩種方法進行控制增益放大器。第一種是對上幀數(shù)據(jù)按進行歸一化，這種方法需要運用除法運算，占用FPGA資源多和計算精度低，因而本文不采用歸一化方法來控制增益放大器。第二種方法如圖4所示，根據(jù)幅度值A(chǔ)max前幾位為零，來控制增益放大器的放大倍數(shù)。這種方法在FPGA中，實現(xiàn)十分簡單，直接進行兩路同時左移放大信號。

2.2 仿真結(jié)果

對上面提出的基帶信號增益放大器進行仿真，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，具體仿真條件與上節(jié)相同。由圖6可以看出，基帶信號時域波形接近橫幅，無明顯幅度畸變。同時，由圖6可以看出，經(jīng)過增益放大器后，基帶信號的星座圖更緊湊。

3 結(jié)語

本文所提的數(shù)字基帶信號增益放大器，通過軟件無線電技術(shù)，在FPGA內(nèi)部通過軟件補償由于數(shù)字下變頻的定點運算對信號幅度產(chǎn)生的衰減。這種方法具有實現(xiàn)簡單，復(fù)雜度低，相應(yīng)速率快等特點。但是，這種增益放大器不具有衰減功能，由數(shù)據(jù)超出滿量程而造成的畸變，無法進行補償。

參考文獻

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[3]李磊，朱長根.全數(shù)字接收機中的 AGC 設(shè)計與數(shù)字化實現(xiàn)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報，2008，10（2）：1-4.

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[5]劉翠海，溫東，姜波，李詮娜.無線電通信系統(tǒng)仿真及軍事應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.