楊康

【摘要】在一般的接收機(jī)系統(tǒng)中，由于天線接收時(shí)信號(hào)幅度變化較大，自動(dòng)增益控制（AGC）算法在整個(gè)傳輸控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。在本文中，首先介紹了AGC算法的基本原理和結(jié)構(gòu)，通過對(duì)AGC算法在工程中應(yīng)用的總結(jié)，設(shè)計(jì)一種能夠在工程中使用的快速AGC算法并對(duì)其性能進(jìn)行理論分析，在FPGA中進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)并完成仿真，證明該算法能夠在工程中應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】接收機(jī);AGC;FPGA

在目前的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，人們趨向于將越來越多的信號(hào)處理從模擬域轉(zhuǎn)到數(shù)字域，無論是模擬AGC電路還是數(shù)字AGC算法在接收機(jī)中都是重要的組成。在射頻前端，從天線接收的信號(hào)由于傳輸環(huán)境變化的影響，其幅度變化范圍比較大，如果射頻前端采用固定增益必然影響到ADC的工作性能。如果信號(hào)幅度過大，很可能燒毀ADC器件，如果信號(hào)過小，導(dǎo)致信號(hào)被噪聲淹沒而無法檢測(cè)到有效信號(hào)。相對(duì)于基帶信號(hào)，人們更多關(guān)注的是有用信號(hào)，其信號(hào)帶寬一般遠(yuǎn)小于中頻帶寬，數(shù)字下變頻（DDC）以后，大量的無用信號(hào)會(huì)被濾波器濾除，所以DDC之后的基帶信號(hào)幅度可能比較小，這對(duì)后續(xù)的處理，像信號(hào)特征的提取，調(diào)制解調(diào)等十分不利。因此，在數(shù)字信號(hào)處理端添加自動(dòng)增益控制算法具有相當(dāng)重要的作用。在一般的工程設(shè)計(jì)上，自動(dòng)增益控制成為了保證ADC的動(dòng)態(tài)范圍和保證良好的信號(hào)處理工作進(jìn)行的重要技術(shù)，AGC算法的控制方式可以分為射頻前端模擬控制和數(shù)字采集ADC端的控制兩種，前者工作方式是通過接收機(jī)接收到的模擬信號(hào)作為控制參量，后者是通過ADC采集以后的數(shù)字信號(hào)作為控制參量，并經(jīng)過一定的算法得到實(shí)際的控制信號(hào)，這是本文研究的重點(diǎn)。

1. AGC算法的基本原理及結(jié)構(gòu)

自動(dòng)增益控制模塊主要作用于射頻前端，其基本結(jié)構(gòu)如下圖1所示

射頻前端：內(nèi)部放大器主要由功率放大器、低噪聲放大器組成。其中功率放大器主要作用是對(duì)發(fā)射通路的信號(hào)放大;低噪聲放大器的作用是對(duì)接收通道中的小信號(hào)進(jìn)行放大;在工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般具有較大的增益調(diào)節(jié)范圍，方便后端進(jìn)行自動(dòng)增益控制。

檢波AD：典型的檢波器如包絡(luò)檢波器，由中頻或高頻放大器輸入的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)，其經(jīng)過檢波后在負(fù)載上產(chǎn)生隨輸入信號(hào)的包絡(luò)變化的輸出信號(hào)，這種檢波器的輸出峰值與輸入信號(hào)的峰值成正比例關(guān)系，所以也稱為峰值檢波器。檢波AD的作用是將模擬的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采集，作為后端進(jìn)行自動(dòng)增益控制的依據(jù)。

AGC控制算法：在數(shù)字AGC系統(tǒng)中，輸入信號(hào)通過射頻前端后，通過包絡(luò)檢波電路，獲取信號(hào)的幅度信息，再由ADC進(jìn)行采集量化編碼，通過預(yù)先設(shè)定合適的門限進(jìn)行對(duì)比輸入信號(hào)，調(diào)整射頻前端放大器的增益，讓信號(hào)處于一個(gè)幅度恒定或者某一范圍內(nèi)小幅變化的信號(hào)。

2. AGC算法在工程中的設(shè)計(jì)與FPGA代碼的實(shí)現(xiàn)

在工程設(shè)計(jì)中，AGC控制算法主要流程設(shè)計(jì)如下：

（1）首先確定后端需要信號(hào)處理的信號(hào)門限，此門限有兩個(gè)，較大門限記作Thd1，較小的門限記作Thd2。

（2）確定射頻前端的最大增益，并將增益調(diào)至最大，在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，為了保證能量小的有用信號(hào)能夠被足夠的放大，供后端進(jìn)行處理。由于AGC控制系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，因此需要通過實(shí)際測(cè)試獲得增益調(diào)整的線性區(qū)域和非線性區(qū)域（飽和區(qū)域），此目的旨在保證整個(gè)AGC控制系統(tǒng)始終保持在線性區(qū)域內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（3）由于AGC在控制過程中存在響應(yīng)時(shí)間，所謂的響應(yīng)時(shí)間是指：當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)超過（1）中門限范圍時(shí)，數(shù)字端通過配置射頻前端的增益參數(shù)后，ADC檢測(cè)到信號(hào)幅度發(fā)生改變的響應(yīng)時(shí)間，這部分時(shí)間不同的射頻前端設(shè)備差異較大，所以需要通過實(shí)際測(cè)試來確定參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間。

（4）確定AGC算法調(diào)節(jié)策略，因?yàn)橛商炀€進(jìn)來的無線信號(hào)處于動(dòng)態(tài)變化中，然而AGC模塊不可能每時(shí)每刻對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，因此AGC算法模塊何時(shí)開始動(dòng)作，如何動(dòng)作，能夠使得信號(hào)處于一個(gè)合適的幅度范圍內(nèi)至關(guān)重要。

本文提供一種可在FPGA中進(jìn)行使用的AGC算法調(diào)節(jié)策略并對(duì)其進(jìn)行分析：

為了滿足AGC算法模塊調(diào)整的實(shí)時(shí)性要求，在設(shè)計(jì)過程中，采用固定周期的方式進(jìn)行AGC調(diào)整，此處取10us，對(duì)于目前的射頻前端的設(shè)計(jì)水平而言，10us足夠滿足各個(gè)設(shè)備響應(yīng)一次調(diào)AGC調(diào)節(jié)的時(shí)間。

在檢波AD得到信號(hào)幅度后，由于得到的是信號(hào)的瞬時(shí)值，一般瞬時(shí)值變化較大，如果直接控制AGC增益容易出現(xiàn)震蕩導(dǎo)致信號(hào)失真，因此，一般將采集的信號(hào)幅值進(jìn)行多次存儲(chǔ)取平均的方式，以消除瞬時(shí)值的劇烈變化帶來的不利影響。其作用相當(dāng)于低通濾波器。

對(duì)于AGC控制算法來說，控制增益變化時(shí)的步進(jìn)是否固定，可分為固定步進(jìn)和可變步進(jìn)兩種。對(duì)于步進(jìn)控制方法主要有以下三種方式：直接法、二分之一法、精細(xì)控制法。

（1）直接法，此方法在執(zhí)行過程中采用固定增益S的方式進(jìn)行控制，根據(jù)設(shè)置的門限增益之差△S，確保S小于等于△S即可，大于較大門限，減小增益S，小于較小門限，增大增益S，處于兩者之間，當(dāng)前增益保持不變。

（2）二分之一法，此方法在執(zhí)行過程中采用可變?cè)鲆鍿（t）的方式進(jìn)行控制，根據(jù)設(shè)置的上下門限，調(diào)整增益的大小，每次調(diào)整的大小分別為前一次增益S（t）的二分之一。

（3）精細(xì)控制法，由于每一個(gè)ADC均對(duì)應(yīng)一個(gè)衰減值，只需要衰減到相應(yīng)的門限即可。

三種方法對(duì)比：

處理速度上：精細(xì)控制法速度最快，二分之一法次之，直接法速度最慢。

處理精度上：精細(xì)控制法精度最高，二分之一法和直接法精度相當(dāng)。

實(shí)現(xiàn)難度上：二分法和直接法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，精細(xì)控制法相對(duì)比較麻煩。

在實(shí)際工程中，一般在進(jìn)行AGC算法控制設(shè)計(jì)時(shí)，兼顧性能的基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)現(xiàn)難易程度，二分之一法和直接法顯然符合要求。由于后端進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，無需將任何信號(hào)精確控制到某一固定增益上，工程中也不現(xiàn)實(shí)，一般只需將信號(hào)控制到某個(gè)范圍內(nèi)即可，這樣二分之一法和直接法相對(duì)就比較合適，由于在設(shè)計(jì)時(shí)，射頻前端的增益采用增量控制方式，因此每次從數(shù)字端控制信號(hào)增益時(shí)，只需要配置相應(yīng)的增量，數(shù)值為正，表示接收信號(hào)功率較小，外部相應(yīng)增加相應(yīng)值即可，數(shù)值為負(fù)，表示接收信號(hào)功率較大，外部相應(yīng)減小相應(yīng)值即可，否則保持不變，以下FPGA仿真以二分之一法和直接法為例，其實(shí)現(xiàn)方式類似。

在FPGA進(jìn)行AGC控制算法實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要由四個(gè)個(gè)部分組成如圖2所示，AGC控制開關(guān)、周期控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、門限比較模塊。

其中，AGC控制開關(guān)由外部進(jìn)行控制的單比特信號(hào)，1為開、0為關(guān)。

周期控制模塊主要作用是：通過計(jì)數(shù)的方式，每10us產(chǎn)生一個(gè)脈沖，通過脈沖去響應(yīng)AGC的增益設(shè)置。

數(shù)據(jù)處理模塊主要根據(jù)輸入的外部時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，對(duì)輸入連續(xù)的16個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和求平均，實(shí)現(xiàn)過程中采用流水線的方法，每四個(gè)數(shù)據(jù)分別相加，再整體相加進(jìn)行加和，均值計(jì)算方法采用移位的方式進(jìn)行，數(shù)據(jù)右移一位相當(dāng)于除以2，右移四位可獲得最終的均值。

門限比較模塊：根據(jù)周期控制脈沖每10us取一次均值模塊的值，并與相應(yīng)的門限進(jìn)行比較，并確定增益增量值的正負(fù)，抑或?yàn)?。

具體仿真時(shí)序結(jié)果如下圖3所示：

3. 結(jié)論

隨著無線通信技術(shù)的不斷提升，AGC技術(shù)在無線通信領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。本文通過對(duì)AGC算法結(jié)構(gòu)原理的介紹，提出針對(duì)工程應(yīng)用的AGC控制算法，通過FPGA實(shí)現(xiàn)該算法并進(jìn)行時(shí)序驗(yàn)證，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試確定該算法具備快速實(shí)時(shí)響應(yīng)的特點(diǎn)。同時(shí)在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)在AGC算法參考門限的臨近值時(shí)，信號(hào)幅值會(huì)在臨界值附近出現(xiàn)上下抖動(dòng)，這些問題的發(fā)現(xiàn)，有待后續(xù)進(jìn)一步的研究。

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