一種L波段的模數(shù)混合快速AGC

陳寶文，韓 軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

自動增益控制模塊(AGC)是無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分。由于無線信道環(huán)境及遠近效應(yīng)的影響，造成接收機接收端信號強度差異很大。因此接收機的AGC 就必須滿足動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快且輸出信號電平維持在一個最佳解調(diào)電平上。而在高速突發(fā)通信中，AGC的響應(yīng)速度及動態(tài)范圍是最關(guān)鍵的技術(shù)指標[1-2]。

傳統(tǒng)的模擬AGC主要采用閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，它利用輸出信號與解調(diào)所需最佳信號之間的誤差來動態(tài)調(diào)整可變增益放大器的增益，從而將信號放大到一定電平[3-4]。通常該誤差信號需要經(jīng)過一個環(huán)路濾波器來濾除高頻分量，因此收斂時間通常在毫秒量級[5-6]。而全數(shù)字AGC雖然可以較快收斂(通常為幾百微秒)，但是其動態(tài)范圍依靠AD的有效位數(shù)來實現(xiàn)，這就需要高精度、寬位寬的AD，增加成本[7-8]。本文綜合以上2種AGC的特點，提出了一種工作在L波段的模數(shù)混合AGC，它有效克服了以上2種傳統(tǒng)AGC的局限，不僅能夠快速收斂，且具有較大的信號動態(tài)范圍。

1 基本原理

工作在L波段的模數(shù)混合AGC基本原理就是利用突發(fā)傳輸幀信號中的循環(huán)序列，首先計算信號的延遲相關(guān)值與能量值，當(dāng)延遲相關(guān)值與能量值比值大于某一閥值時即啟動AGC[9-10]。AGC啟動后首先進行粗調(diào)整，即計算一個循環(huán)序列長度符號的平均能量，將計算值與解調(diào)需要的最佳電平相比較，計算出的數(shù)控衰減量送給數(shù)控衰減器，從而快速將接收信號電平調(diào)整到最佳電平附近。在粗調(diào)整之后，再進行一次細調(diào)整，即再計算連續(xù)2個循環(huán)序列長度符號的平均能量，并與最佳電平比較，將計算出的衰減量送給數(shù)控衰減器，最終將接收電平調(diào)整到最佳解調(diào)電平上。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

L波段的模數(shù)混合AGC基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模數(shù)混合AGC基本結(jié)構(gòu)

由圖1可知，工作在L波段的模數(shù)混合AGC主要由模擬部分及數(shù)字部分組成[11-12]。模擬部分主要由工作在L波段(1.75 GHz)的兩級數(shù)控衰減器和三級模擬放大器組成，每一級數(shù)控衰減器衰減量為31.5 dB，而每一級放大器增益為20 dB，這樣可以保證模擬部分總的動態(tài)范圍可以達到60 dB。 數(shù)字部分主要由幀探測、粗調(diào)整和細調(diào)整模塊組成。射頻前端輸出的L波段中頻信號首先輸入模數(shù)混合AGC中的模擬部分，經(jīng)信號衰減放大后，經(jīng)過帶通濾波器濾除雜波后送給下變頻器再送入AD，實現(xiàn)零中頻數(shù)字采樣。采樣后的數(shù)字信號經(jīng)幀探測后啟動AGC，再經(jīng)3次粗調(diào)整及1次細調(diào)整后達到解調(diào)需要的最佳電平[13]。

2.1 幀探測

由于接收端接收信號是突發(fā)的，因此就必須知道每一突發(fā)信號幀是什么時候到達并啟動AGC[14-15]。發(fā)端突發(fā)信號幀格式如圖2所示。

圖2 突發(fā)信號幀結(jié)構(gòu)

信號幀中采用10個長度為32符號的重復(fù)PN序列作為幀探測的幀頭。由于PN序列具有較好的延遲相關(guān)特性，因此可以利用接收中頻信號做延遲相關(guān)。當(dāng)延遲相關(guān)值與當(dāng)前窗口的能量值比值大于某一閥值λn時，認為一幀突發(fā)信號的到達，并給出到達指示flag。延遲相關(guān)Cn的計算如下：

(1)

式(1)為當(dāng)前接收到的L個數(shù)據(jù)與D個時刻前收到的L個數(shù)據(jù)進行的互相關(guān)。

接收信號能量Pn的值可表示為：

(2)

延遲相關(guān)算法的判決閥值可表示為：

(3)

當(dāng)接收信號中只有噪聲時，理想情況下輸出的延時相關(guān)值Cn為0，因此在突發(fā)信號幀到來前λn值很小。當(dāng)接收到第2個重復(fù)訓(xùn)練序列時，λn值開始明顯增加，當(dāng)λn大于某一值時即認為突發(fā)信號幀到達，通常該值取0.7左右。

2.2 粗調(diào)整

當(dāng)探測到某一突發(fā)信號幀到來時，幀探測模塊給出到達指示即flag置1，AGC啟動。為了提高信號檢測率及靈敏度，AGC初始增益值可以設(shè)置為最大值。這樣初始信號有可能達到ADC的飽和區(qū)域，因此需要檢測AD的信號輸出，快速調(diào)整信號強度，使信號進入線性范圍[16-17]。在此粗調(diào)整階段，可以先統(tǒng)計64個連續(xù)采樣點的信號能量，并與最佳電平目標值相比較，計算出AGC應(yīng)該調(diào)整值，并送給數(shù)控衰減器1與數(shù)控衰減器2做相應(yīng)調(diào)整，而后再等待16個樣點，直到AGC穩(wěn)定。如此重復(fù)3次，完成粗調(diào)整過程，此時ADC的輸出信號強度與最佳電平差距縮小到一定范圍內(nèi)。

64個采樣點平均能量的計算公式為：

(4)

2.3 細調(diào)整

接收信號經(jīng)過3次粗調(diào)整后，信號電平已經(jīng)在最佳電平附近。由于較大的信號電平波動會對解調(diào)器解調(diào)性能產(chǎn)生影響，因此還需要2次AGC的細調(diào)整過程。

在細調(diào)整過程中，可以統(tǒng)計128個采樣點的平均信號能量，并與最佳電平進行比較，得到AGC需要調(diào)整的值，之后等待32個采樣點，直到AGC穩(wěn)定即完成細調(diào)整過程。此過程調(diào)整時間比粗調(diào)整過程時間長，但AGC調(diào)整更精確，信號電平波動更小[18]。

128個采樣點平均能量的計算公式為：

(5)

當(dāng)AGC經(jīng)細調(diào)整后，電平值達到解調(diào)器需要的最佳電平上，此時送給數(shù)控衰減器的衰減量保持不變，直到完整一幀突發(fā)信號結(jié)束。而后AGC釋放，重新進入突發(fā)幀信號探測階段。

2.4 數(shù)控衰減器

數(shù)控衰減器采用NI公司推出的DAT31R5芯片，它提供0.5～31.5 dB范圍的衰減增益和一個6位的并行控制接口。芯片采用+3V的單極性供電電壓，是基于硅的CMOS工藝制成，具有優(yōu)良的射頻性能。2片數(shù)控衰減器級聯(lián)，可以保證63 dB的信號衰減范圍。

2.5 信號放大器

信號放大器則采用AD公司的ADL5523。該芯片可以在400～4 000 MHz之間工作，采用3 ～5 V單端供電，在L波段噪聲系數(shù)僅為0.8 dB，放大器典型增益值為20 dB，具有優(yōu)良的放大性能。采用三級放大器級聯(lián)方式，可以保證60 dB的放大增益。

3 結(jié)果分析

為了驗證該模數(shù)混合快速AGC的性能，對該AGC進行了Matlab仿真及系統(tǒng)實測。接收信號為單載波QPSK信號，載波頻率為1 750 MHz，輸入信號電平為-40～ -5 dBm之間。每一突發(fā)幀信號長度為350 μs。數(shù)字信號采樣率為120 Mbps，符號速率為30 Mbps。

幀探測模塊中信號延遲相關(guān)值與當(dāng)前窗口的能量值比值與采樣點數(shù)的仿真如圖3所示，可以看出，由于受噪聲的影響，信號延遲相關(guān)值與能量值比值在0.65之下波動，為了減少信號誤捕與漏捕的概率，通常選擇閾值λn為0.7左右。

圖3 信號相關(guān)值與能量的比值與采樣點數(shù)關(guān)系

圖4給出了輸入信號電平為-5 dBm時AGC的調(diào)整關(guān)系。

圖4 輸入電平為-5 dBm時AGC調(diào)整關(guān)系

從圖4可以看出，在突發(fā)信號幀到來之前，AGC增益值初始化為最大值，即數(shù)控衰減值設(shè)為最小。當(dāng)突發(fā)幀信號到來時，最初第1個PN序列信號被放大飽和，能量值開始增大，在第2個PN序列到達時，信號自相關(guān)值也開始增大。當(dāng)信號相關(guān)值與能量值比值大于閾值時即認為信號到達，將flag置1，啟動AGC。AGC啟動后經(jīng)歷3次快速的粗調(diào)整后，信號電平快速下降到最佳電平附近。圖中agc_new為當(dāng)前時刻需要調(diào)整的總衰減值，dout1及dout2為數(shù)控衰減器1與數(shù)控衰減器2各自的數(shù)控衰減量，target為最佳電平信號值。從圖中可以看出，信號從開始到達到最終調(diào)整穩(wěn)定后大約經(jīng)歷了1 280個樣點，折算到信號時間大約為10.67 μs。

圖5為輸入信號電平為-40 dBm時AGC的調(diào)整關(guān)系，可以看出，當(dāng)輸入接收信號電平為-40 dBm時，接收信號延遲相關(guān)值及信號能量值均開始顯著減小，文中算法依然能夠正確進行幀探測并最終將信號快速調(diào)整到解調(diào)需要的最佳電平上。

圖5 輸入電平為-40 dBm時AGC調(diào)整關(guān)系

4 結(jié)束語

主要介紹了工作在L波段的模數(shù)混合快速AGC，該AGC在可靠捕獲突發(fā)幀后經(jīng)歷粗調(diào)整及細調(diào)整后快速將接收信號調(diào)整到解調(diào)器需要的最佳電平上。經(jīng)系統(tǒng)實測，當(dāng)接收信號輸入電平在-60～ 0 dBm之間時，該AGC均能在11 μs內(nèi)快速收斂。該AGC尤其適合對收斂時間有較高要求的高速突發(fā)通信系統(tǒng)中，具有較好的工程實踐價值。