短波接收機射頻前端增益校正設計與實現

劉衛華，王李民，周志文

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短波接收機射頻前端增益校正設計與實現

劉衛華1，王李民2，周志文3

(1. 92403 部隊, 福州 350007；2. 92493 部隊, 遼寧葫蘆島 125000；3.海軍工程大學, 武漢 430033)

在短波數字化接收機中，通過控制射頻前端可變的衰減器或放大器，可以實現模擬增益控制。但無論是壓控還是數控衰減器和放大器，器件的非線性都會引起模擬增益分配的非線性，從而影響解調的質量。本文針對這種非線性設計了一種反饋型的自動增益校正方法，并在DSP和FPGA的硬件平臺上進行效果測試，結果表明校正后增益誤差有了3.2dB的改善。

射頻前端 非線性 反饋型 增益校正

0 引言

在短波數字化接收機中，通過數字處理部分的可編程芯片控制模擬前端的衰減器或放大器，從而實現對前端的自動增益控制[1](AGC，Automatic Gain Control)。典型的反饋型AGC電路[2,3,4]是隨著輸入信號的強弱通過一定的算法控制被控電路，使總增益按照一定的規律變化，輸出穩定或在較小的范圍內變化。

模擬前端的射頻增益[5,6]通常采用的為電調衰減方式，即是通過改變電壓來控制電調衰減量從而實現模擬自動增益控制，其中不同的衰減控制碼對應于不同的增益，而衰減控制碼是由可編程芯片(如DSP，FPGA等)來控制。盡管相對于傳統的模擬增益控制電路，壓控方式衰減器的放大增益電路在精度上有所提高，但由于電路非理想特性的影響，仍存在一定的非線性。電路的非線性會導致壓控方式自動增益控制的非線性，即線性控制碼輸入下輸出非線性的電壓，從而導致模擬增益產生誤差，影響解調質量和指標。在這種情況下，就需要對前端衰減控制碼進行校正，使其達到或者接近線性。

1 增益校正的設計

1.1人工與自動增益校正

本文設計了一種反饋型結構自動衰減控制碼校正，其基本思想為：控制數字接收機的輸出射頻頻率及幅度，反饋進入接收天線端。當進行自動增益校正時，饋入天線的射頻信號經前端放大、混頻、濾波后在數字處理部分進行解調濾波。減小輸出射頻信號幅度，通過增大模擬增益量，使得在數字處理時得到的幅度相同，此時得到的模擬增益量所對應的衰減控制碼即為測到的結果。自動方式校正可重復性強、工作量小、操作簡單，但需要針對特定的硬件結構。

1.2硬件電路設計方案

本文設計的硬件平臺主體是基于DSP和FPGA的，DSP采用的TMS320C6416芯片，FPGA采用EP2CGX60芯片，DSP在本設計中完成對整個信號通路和自動增益校正的控制，以及實現AGC算法。FPGA的主要任務是實現中頻信號下變頻到基帶信號、解調濾波和完成底層復雜的運算。其硬件結構圖如下圖所示。

在本設計中射頻AD9957是關鍵，它可以工作在三種工作模式下，即正交上變頻模式(Qadrature modulation mode)，內插DAC模式(Interpolating DAC mode)和單音模式(Single tone mode)。DSP通過配置AD9957的控制寄存器控制其工作方式，同時AD9957的輔助寄存器會影響輸出幅度和頻率。本文的設計采用內插DAC模式，因為在這種模式下DSP既可控制AD射頻頻率也可控制輸出幅度。DSP根據FPGA中送來的數據調整衰減控制碼去控制前端放大器，同時也判定下一次送給AD9957的幅度。FPGA將基帶處理的幅度值通過音頻D/A轉換器送到示波器，可觀察到整個測量過程。

1.3軟件設計方案

整個自動增益校正的過程為：DSP控制整個數字化接收機工作在等幅報狀態下，拍頻頻率f=1k Hz，增益方式為人工增益。開始校正時，初始化射頻AD9957輸出幅度為RF_IN0，頻率為f_信號，信號反饋進入射頻端，DSP通過增益碼控制模擬前端增益。中頻信號采樣進入FPGA后下變頻到基帶進行解調濾波，FPGA每個64 kHz的節拍速率將計算得到幅值baseband_IN給DSP做運算，DSP將第一次的baseband_IN0作為定標值。將射頻信號減少1dB作為下一次輸入，頻率不變，DSP檢測到此時的幅值為baseband_IN1(應是小于baseband_IN0的)，DSP逐漸增大增益碼Code使得讀到的幅值baseband_IN1等于或者接近定標值。當和定標值誤差較小時，此時的增益碼Code即為當前增益量所對應的控制碼，以此類推可得到總增益所有的控制碼。

對于第一次進入AD9957的幅度，其不能過大但也不能過小，選取主要遵循的原則為：

1）保證射頻端信號足夠大的信噪比，盡可能減小由噪聲導致的誤差。由于中頻 ADC轉換位數為16bit，意味著輸入信號的范圍為0～32767，即由AD9957饋入到射頻端的幅度范圍為0～32767，當選取的幅度較大時可有效的提高射頻端信噪比，減小噪聲干擾；

2）保證在前端滿增益條件下，最小輸入不會導致中頻AD過載，這就要求選取的幅度不能過大；三、為保證射頻增益碼在自加的過程中不至于超過最大值32767以至于射頻前端達到飽和，將第一次反饋讀到的幅度盡量控在AGC額定值范圍內。在本設計中選取第一次作為定標的輸入信號幅度為20000，可滿足所需條件。

由于在本設計中FPGA進行數字解調時濾波器階數為1000階，DSP為了能“實時”讀到幅值，在DSP中至少延時1000/2個節拍才能保證讀到的幅值為瞬時值，本設計中DSP延時1024個節拍，如下圖3所示為FPGA的解調濾波設計圖。

2 效果測試

本文設計的自動增益校正在搭建的基于DSP和FPGA的硬件平臺上進行了測試，仿真軟件采用的為CCS3.3和Quartus II9.1。整個校正的流程主要由DSP來控制，FPGA提供解調通路，將工作在CW工作模式下的幅值送給DSP進行整個校正測量。由于每次射頻輸入到DSP讀到幅度值有一定的延時，所以可以從CCS中明顯地觀察到校正測量過程，同時由于FPGA將解調濾波后的幅值以64 kHz速率從音頻D/A送出，在示波器上同樣可看到在校正過程中幅值的漸變過程。下圖為測量中在CCS畫圖觀察到的輸出幅度隨時間變化曲線。

由上圖可以看出，在校正調整過程中，幅值以固定步長增大到定標值附近后進行下一次調整。同時，小增益的調整過程時間比大增益調整時間短，主要原因在于大增益的校正碼較大，每次調整控制碼到讀到接近定標值的幅度需要時間長。DSP記錄的每次調整的控制碼如圖5所示，圖中只截取CCS中Watch Window記下的增益量為0~20d B的衰減控制碼，事實上在本數字化接收機中模擬增益量共55 dB量。

由圖6可以看出，實測的控制碼并不是理想的線性曲線，而存在一定的誤差，這是由前端壓控放大器器件本身和前端電路的非線性造成的。通過對比理想與實測的衰減控制碼，最大誤差有3.2 dB。經校正后在中頻測得的增益誤差最大為0.3 dB，較不校正時3.5 dB有了明顯的改善。仍存在誤差的主要原因為：1)測量信噪比較小時，外部噪聲(模擬前端及空間的噪聲)帶來的干擾；2)運算過程中乘法造成的精度誤差；3)校正過程中控制碼固定步長的選擇及判決測量值與定標值得條件。

在MATLAB中繪圖對比理想與實測的衰減控制碼特性曲線如圖6所示。

3 結束語

文章針對數字化接收機中模擬前端壓控/數控方式的增益控制器件的非線性設計了一種反饋型自動增益校正的方法，并且在DSP和FPGA為主體的硬件平臺上進行了效果測試。實測數據表明，文章所設計的方法能有效改善前端放大器非線性，校正后在模擬中頻測到的增益誤差較不校正時改善了3.2 dB，從而一定程度上提高了解調質量。

[1] 蘇明．短波接收機前端范圍AGC控制電路的研制[D]．武漢：武漢理工大學, 2012：38-45．

[2] 陳景軍．基于軟件無線電的短波接收機設計與實現[D]．武漢：武漢理工大學, 2012：24-25．

[3] 鄭翔，張文強，周志杰．一種AGC算法的設計與實現[J]．電訊技術，2006，(2)：164-167．

[4] 姜坤．一種改進的數字AGC系統設計與仿真[J]. 科技導報, 2011, 29(33): 42-46．

[5] Cai Xiping, ShangHongbo, Wang Lina, et al. Simulation of automatic gain control method for laser radar receiver[J]. International Society for Optical Engineering, 2009．

[6] 曹鵬, 費元春. 大動態寬帶數字中頻AGC系統的設計[J]. 北京理工大學學報, 2003, 23(5) : 613-616．

Design and Implementation of Gain Correction of RF Leading End in Shortwave Receiver

Liu Weihua1, Wang Limin2, Zhou Zhiwen3

(1. The Unit 92403 of PLA, Fuzhou 350007, China; 2. The Unit 92493 of PLA, Huludao 125000, Liaoning, China;3. Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)

TN924

A

1003-4862（2014）08-0073-04

2014-04-02

劉衛華(1970-),男，工程師。研究方向：通訊工程。