跟蹤雷達接收系統DAGC 技術的工程實現

呂立輝

（西安導航技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

現代戰爭中，跟蹤雷達接收系統將面對更趨復雜化的外部電磁環境。接收機收到的信號混雜很容易導致其飽和，難以正常工作[1]。而能夠解決該問題的有效手段之一是自動增益控制（AGC）技術。AGC技術是一種根據接收信號幅值變化自動調整增益的控制方法。早期跟蹤雷達基本都采用模擬電路設計AGC，但存在反應速度慢和控制不精確問題。隨著數字技術的快速發展，數字自動增益控制（DAGC）成為主流[2]。DAGC設計方法具有控制平坦、體積小以及精度高等優點。本文將闡述DAGC系統的設計框圖，并對該系統進行定量研究，確定系統各模塊的算法。

1 DAGC電路總體框架

設計的DAGC電路應用于雷達接收機中，系統框圖如圖1所示。圖1中，si(t)為輸入PSK信號，so(t)為調幅后的輸出信號，E為參考信號幅度，e為比較產生的誤差信號。在DAGC系統中，控制電壓uc產生的工作原理是：輸入信號通過檢波提取信號幅值，將檢波輸出與參考信號進行比較得出誤差e，應用相應算法處理再產生控制字S，經過模數變換器得到可調控增益的控制電壓，再通過調整放大器增益，使輸出信號保持穩定或小幅度變化。

圖1 DAGC結構框圖

2 DAGC各模塊設計

2.1 幅度檢測模塊設計

幅度檢測模塊負責對輸出信號進行幅值檢測。本接收系統將信號經過數字下變頻后輸出I、Q兩路數據，再根據FSK/PSK的信號特點可知幅度的計算公式為：

式中，A為有效信號幅值；I、Q分別為同相和正交支路的輸出信號模值。要準確計算出信號幅度需要用到開方運算，但是在FPGA中不易實現開方運算，即使實現也需要占用相當多的邏輯單元，因此可進行如下的近似處理：

式中，L=max{|I|,|Q|};S=min{|I|,|Q|}。

在這3種近似方法中，第3等式的計算精度最高，可滿足大多工程應用要求。這樣可以在FPGA中用取反來實現求模，用移位來實現除2運算。

2.2 濾波器設計

為了DAGC系統有效工作，需要數字下變頻、抽取濾波降低數據速率等方法來輸出穩定的數字基帶信號[3]。本文選用級聯積分梳狀（CIC）濾波器實現高效抽取和低通濾波。CIC濾波器是一種高分解速率濾波器，結構簡單，不需乘法器，只需加法器、積分器和少量存儲器即可實現，滿足FPGA的實現要求。CIC濾波器包含數字積分器和梳狀濾波器兩部分，其中H1(ejw)為積分器，H2(ejw)為梳狀濾波器CIC濾波器的頻率響應，則有：

式中，Sa()為抽樣函數，Sa(0)=1，所以CIC濾波器在w=0處的幅值為D，且其幅頻特性曲線如圖2所示，為25/24 MHz采樣率的4級CIC濾波器Matlab仿真結果，主瓣大概40 kHz，其余均為旁瓣。

圖2 CIC濾波器幅頻特性

由圖2可見，單級CIC濾波器的旁瓣電平較大。單級CIC濾波器濾波器的衰減不足，其衰減一般穩定在13.6 dB。要想加大衰減，必須采用多級CIC濾波器級聯的形式。為了進一步降低旁瓣電壓，通常采用多級CIC濾波器級聯的方式實現。當級數為N時，阻帶衰減即為單級的N倍[4]。要同時滿足通帶容限和阻帶容限的誤差，實現起來比較困難。因為要想阻帶衰減大，就要增大濾波器級數，但是會導致通帶容限增大，所以不能無限制增大濾波器級數。在本系統中通過仿真驗證選擇了較穩定的5級CIC濾波器。

2.3 誤差處理模塊設計

誤差處理模塊主要是對比當前信號幅值與理想信號幅值的差值，然后通過時間常數T對差值信號進行階段性統計平均，以此來每隔一段時間對前端的各級增益進行調整控制[5]。

設輸出信號模值為y(i)，AGC比較門限為Ud，則誤差信號err(i)為：

式中，N為時間計數器；err_avg(j)為第g段時間內采樣信號的誤差平均值。同理，y_avg(j)為第g段時間內輸出信號的采樣平均值。通常，為了盡快調整好AGC，可以將計算得出的信號幅值與設定門限的比值作為增益修正量，即：

實際測試中，由于在電平檢測階段存在一定的波動和滯后，會使輸出信號的檢測并沒有發生較大變化，但誤差不可能為零，會在零值左右震蕩。因此，實際工程上需要對增益設定一個門限H，當|Δgain|＜H時不再對增益作調整。

2.4 可變增益放大模塊

可變增益放大器可提供精確的增益控制，主要用于中頻和射頻的發射機和接收機的功率控制。在本中頻接收機中可變增益放大模塊設置以單獨的模塊，AGC通過對AD采樣數據進行以上模塊的濾波和誤差處理等，得到相應的誤差修正量。將當前時刻的誤差修正量通過DA變換形成衰減碼的形式傳輸于可變增益放大模塊來調整放大量，在放大模塊之前還可增加數控衰減器來增加AGC的調控幅度來保證足夠寬的增益調控范圍。

3 結 論

DAGC技術增強了信號處理環節對接收機的控制能力，有利于提高系統的檢測和跟蹤性能，因此研究實現具有良好性能的DAGC系統具有重要意義。文中研究了幅度檢測模塊、CIC濾波器模塊、誤差處理模塊和寬帶高增益可控增益放大模塊的實現和仿真，數字邏輯部分采用大規模可編程邏輯器件（FPGA）實現，在工程實踐中取得了良好效果。