短波接收機(jī)中自動(dòng)增益技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

曹永銀 王高山

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 211106）

0 引言

隨著傳輸距離的變化，以及其它的一些因素，接收機(jī)輸入端的信號(hào)強(qiáng)度有很大的變化和起伏。當(dāng)有用信號(hào)相當(dāng)強(qiáng)時(shí)，接收機(jī)中的放大器可能將其放大得過(guò)多，以至使后續(xù)處理造成失真。這會(huì)降低話(huà)音的可懂度和可辨認(rèn)性，或者增加數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的差錯(cuò)。因此在有用信號(hào)增強(qiáng)時(shí)，必須采用一種辦法來(lái)降低系統(tǒng)的增益。同時(shí)，為提高對(duì)微弱信號(hào)的接收能力，有時(shí)又需要增大系統(tǒng)的增益。增益控制可以用操作員來(lái)實(shí)現(xiàn)，即 Manual-gain Control（MGC）；也可以根據(jù)信號(hào)電平自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，即Auto-gain Control（AGC）。

1 AGC控制原理

短波接收機(jī)在接收信號(hào)時(shí)，由于電離層的變化、衰落和接收信號(hào)條件等不同，其輸入端信號(hào)電平在很大范圍內(nèi)變化。這樣接收機(jī)的輸出功率是隨外來(lái)信號(hào)的大小而變化的，接收機(jī)的輸出端會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱非常懸殊的信號(hào)功率。同時(shí)，還會(huì)超出AD轉(zhuǎn)換器件的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，造成A/D轉(zhuǎn)換器件的過(guò)載，導(dǎo)致分辨率降低和數(shù)據(jù)通信誤碼率增加。因此，短波接收機(jī)中非常強(qiáng)調(diào)自動(dòng)增益控制(AGC)。上述這部分功能就是由模擬AGC來(lái)完成。

模擬AGC實(shí)際上是一個(gè)閉環(huán)反饋環(huán)路，利用VGA、A/D、DDC、DSP、D/A構(gòu)成控制回路。模擬AGC電路的基本原理是在DDC中對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行檢測(cè)，在DSP內(nèi)部與門(mén)限值比較，對(duì)模擬增益大小進(jìn)行調(diào)整，并完成低通濾波、求積分等數(shù)值運(yùn)算，從而得到模擬AGC的控制電壓。由D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，去控制模擬前端中的可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）的增益。使接收機(jī)總增益按照一定規(guī)律而變化，達(dá)到保證送到AD轉(zhuǎn)換芯片的信號(hào)電平處于A(yíng)D芯片的工作范圍內(nèi)的目的。

目前，在短波接收機(jī)模擬AGC的控制方法主要有兩種。一種是改變放大器本身的參數(shù)，使增益發(fā)生變化，典型的是采用雙柵場(chǎng)效應(yīng)管，通過(guò)改變其中某一柵的直流偏置電壓使增益發(fā)生變化；另一種是在放大器級(jí)間插入可變衰減器，控制衰減量，使增益發(fā)生變化，典型的是各種集成的可變?cè)鲆娣糯笃鳌１緳C(jī)模擬AGC的原理方框圖如圖1所示：

圖1 AGC原理方框圖

接收機(jī)內(nèi)部有一個(gè)由硬件實(shí)現(xiàn)的輸入信號(hào)電平檢測(cè)單元。采用該輸入電平檢測(cè)功能，檢測(cè)出輸入信號(hào)的電平大小，它代表了A/D轉(zhuǎn)換器件的輸入電平的大小，再輸入到DSP芯片內(nèi)部與模擬AGC的門(mén)限比較并進(jìn)行軟件運(yùn)算，進(jìn)而確定模擬AGC的增益控制量的大小。由DSP輸出的模擬AGC控制電壓(數(shù)字形式)經(jīng)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬電壓，去控制增益可控的中頻放大器。這樣就保證輸入到AD轉(zhuǎn)換器件的模擬中頻信號(hào)電平處在A(yíng)D轉(zhuǎn)換器件的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)過(guò)載。

1.1 輸入信號(hào)電平的檢測(cè)

輸入到DSP芯片的數(shù)據(jù)速率為39.0625kHz，相鄰樣點(diǎn)之間的間隔為T(mén)S=25.6uS,在DSP內(nèi)部每間隔4個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行一次AGC檢測(cè)，也就是說(shuō)AGC的檢測(cè)間隔為4TS=102.4uS。由于接收機(jī)內(nèi)部輸入信號(hào)電平的檢測(cè)間隔可以設(shè)定為從2個(gè)樣點(diǎn)到65537樣點(diǎn)之間。所以，在內(nèi)部進(jìn)行電平檢測(cè)的樣點(diǎn)數(shù)可以用下式計(jì)算：

取N=1000，為了提高AGC電平檢測(cè)的可靠性，我們?cè)匍g隔一次進(jìn)行檢測(cè)，這樣AGC的檢測(cè)節(jié)拍為102。4uS*2=204。 8uS=0。 2mS

1.2 AGC控制中的“快充慢放”

本機(jī)的兩種AGC控制方式即數(shù)字AGC和模擬AGC都具有保持時(shí)間的概念，都是“快拉慢放”式。當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)設(shè)定的定值后，很快的將放大增益降低下來(lái)，防止堵塞信號(hào)通道。而當(dāng)信號(hào)低于設(shè)定的門(mén)限時(shí)，不立即調(diào)整增益，而是經(jīng)保持一段時(shí)間后，再作調(diào)整，并且這兩種情況下對(duì)增益的調(diào)整量是不同的。

1.3 模擬增益(dB)轉(zhuǎn)換為電平

在A(yíng)GC的軟件算法中，為了提高對(duì)增益調(diào)整的平滑效果，除了對(duì)模擬增益(dB)的整數(shù)部分進(jìn)行了保持和調(diào)整外，還運(yùn)用其小數(shù)部分對(duì)最終輸出的模擬增益進(jìn)一步實(shí)施修正。先用調(diào)整后的模擬增益 (dB)數(shù)值進(jìn)行查表，獲得對(duì)應(yīng)的模擬AGC電平數(shù)值，再用模擬增益(dB)的小數(shù)部分乘以相鄰的模擬AGC電平之差得到修正量。例如模擬增益(dB)為10.25dB,首先查表獲得對(duì)應(yīng)的電平數(shù)值，不妨用(10dB)表示，結(jié)合間接尋址方式獲得(11dB)，再用與指令取出模擬增益(dB)的小數(shù)部分即0.25，最終送到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的電平大小為

A=(10dB)+0.25*[(11dB)-(10dB)]

經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器將數(shù)字形式的模擬AGC控制電壓轉(zhuǎn)換為模擬控制電壓后，送到接收機(jī)模擬前端中的可變?cè)鲆嬷蓄l放大器實(shí)現(xiàn)模擬AGC控制。

2 AGC增益分配及算法

2.1 AGC增益分配

設(shè)接收機(jī)的靈敏度電平為 -113dBm，要求最終輸出信號(hào)電平能穩(wěn)定在7dBm。經(jīng)測(cè)定，模擬前端的增益大小為54dB，所以數(shù)字AGC的增益大小為120dB-54dB=66dB，模擬AGC的起控電平為：-113dBm-(-66)dBm=-47dBm。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)度輸入5Vp-p，即16dBm(最大輸入上限)。我們?nèi)藶榭刂谱畲筝斎肷舷逓?dBm,這樣為ADC留出9dBm的 “靜空”。AGC增益分配如圖2所示。

圖2 AGC增益分配情況

隨著輸入信號(hào)由靈敏度電平起逐漸增大，模擬和數(shù)字AGC聯(lián)合控制保證輸出信號(hào)的恒定。AGC控制性能如圖3所示。

2.2 AGC算法流程

本接收機(jī)采用的模擬AGC和數(shù)字AGC兩種控制方式都是“快拉慢放”式，都具有保持時(shí)間的概念。當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，不保持而是立即進(jìn)行增益修正，減小增益；當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)谋３种螅艑?duì)增益進(jìn)行拉升。模擬AGC的控制實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，精度不高，只要確保輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬中頻信號(hào)幅度大致穩(wěn)定即可。數(shù)字AGC則是進(jìn)行精確調(diào)整，確保輸出到DSP的信號(hào)相當(dāng)穩(wěn)定，從而保證解調(diào)輸出的信號(hào)恒定。

圖3 AGC工作方式時(shí)的算法流程圖

如果在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換器的帶寬內(nèi)接收到一個(gè)強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理環(huán)節(jié)內(nèi)有用信號(hào)很弱，就必須降低模擬增益防止A/D轉(zhuǎn)換器過(guò)載，增加數(shù)字中頻處理增益，達(dá)到保持輸出信號(hào)為一固定值。DSP控制數(shù)字下變頻器的四個(gè)AGC參數(shù)為：輸出額定值、最大增益、最小增益、信號(hào)增大時(shí)的控制斜率（attack值gain value）、信號(hào)減小時(shí)的控制斜率 （decay gain value）。

當(dāng)接收機(jī)天線(xiàn)端接收到的信號(hào)十分微弱或者沒(méi)有輸入信號(hào)輸入時(shí)，AGC控制會(huì)將系統(tǒng)的增益抬得很高。在這種情況下，人耳聽(tīng)到的是很強(qiáng)的噪聲。這時(shí)，可以由人工來(lái)設(shè)定接收機(jī)的總增益大小，避免系統(tǒng)增益過(guò)高。人為設(shè)定的總增益量采用軟件算法分配給模擬AGC和數(shù)字AGC。上述的控制過(guò)程稱(chēng)為人工增益控制MGC。

在A(yíng)GC和MGC兩種工作情況下，接收機(jī)增益分配和控制的算法流程如圖4和圖5所示。

圖4 AGC控制性能曲線(xiàn)

圖5 MGC工作方式時(shí)的算法流程圖

3 結(jié)論

AGC電路是短波接收機(jī)中不可缺少的輔助電路，它擴(kuò)大了接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，提高了接收機(jī)的靈敏度。本文介紹了短波接收機(jī)中的AGC電路組成及功能。詳細(xì)闡述了AGC的組成和控制原理，對(duì)AGC電路的組成工作原理進(jìn)行了論述。并對(duì)自動(dòng)增益控制（AGC）和人工增益控制（MGC）兩種控制方式進(jìn)行了介紹，分析了整機(jī)AGC增益的分配及控制算法。

［1］Mitola J.Software Radio Architecture：a Mathematical Perspective[M].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1999,17(4).

［2］McCloskey J.Application of VHDL to Software Radio Technology[J].Verilog HDL Conference and VHDL International Users Forum,1998.

［3］KramerB.Advancesin SemiconductorTechnology-Enabling Software Radio[J].Software Radio Workshop,European Commission,Brussels,Belgium,1997.

［4］楊小年，樓才義.軟件無(wú)線(xiàn)電原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.