朱璐, 鄒波, 江利中

（1.92941部隊(duì)第120研究所,遼寧 葫蘆島 125001；2.上海無線電設(shè)備研究所,上海 200090）

脈沖雷達(dá)自適應(yīng)步進(jìn)數(shù)字AGC設(shè)計(jì)與仿真

朱璐1, 鄒波2, 江利中2

（1.92941部隊(duì)第120研究所,遼寧 葫蘆島 125001；2.上海無線電設(shè)備研究所,上海 200090）

模擬AGC數(shù)字化設(shè)計(jì)在雷達(dá)上的應(yīng)用已成為必然趨勢。文章在研究模擬AGC數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,提出自適應(yīng)步進(jìn)、可調(diào)AGC帶寬、兼具快速性和穩(wěn)健性的脈沖雷達(dá)數(shù)字AGC控制算法。仿真和分析結(jié)果表明,算法響應(yīng)速度快、性能較好,且通過調(diào)整增益衰減因子可以實(shí)現(xiàn)欠阻尼控制、調(diào)整α-β濾波的系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)AGC帶寬控制。

雷達(dá)；模擬；數(shù)字；自適應(yīng)步進(jìn)

0 引言

自動(dòng)增益控制（AGC）是雷達(dá)中頻接收的重要組成部分[1]。中頻接收機(jī)設(shè)置自動(dòng)增益控制的目的在于使接收機(jī)的增益隨著信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行調(diào)整,或者保持接收機(jī)的輸出恒定在一定范圍[2]。

AGC按實(shí)現(xiàn)方法分類,可分為模擬AGC和數(shù)字AGC[3]。模擬AGC由于模擬器件如檢波器和RC電路的原因,在窄脈沖、高重頻或環(huán)境溫度變化條件下輸出歸一化電平難以控制、快速響應(yīng)和穩(wěn)定性不能兼顧。與模擬AGC相比,數(shù)字AGC可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制算法,并且數(shù)字AGC的響應(yīng)和收斂速度更快、穩(wěn)定性更好[2]。因此,隨著雷達(dá)性能要求的提高和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,模擬AGC的數(shù)字化設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用到各型雷達(dá)[3-5]。

數(shù)字AGC的基本原理是對中頻模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,然后估計(jì)信號(hào)的幅度,反過來控制前端中頻放大電路中的可編程數(shù)控衰減器或模擬衰減器,將信號(hào)輸出調(diào)整到適合檢測的幅值范圍內(nèi),或者控制輸出的數(shù)字信號(hào)幅度穩(wěn)定在一個(gè)恒定的值。本文在研究模擬AGC數(shù)字化的基礎(chǔ)上提出自適應(yīng)步進(jìn)、可調(diào)AGC帶寬、兼具快速性和穩(wěn)健性的AGC控制算法。

1 模擬AGC的數(shù)字化設(shè)計(jì)

模擬AGC的控制產(chǎn)生部分采用模擬電路實(shí)現(xiàn),如圖1（a）所示,主要由輸入放大器、檢波器、低通濾波器和輸出放大器幾個(gè)部分構(gòu)成。輸入放大器有兩個(gè)輸入,其中一個(gè)輸入信號(hào)Sin為接收機(jī)的輸出,另一個(gè)輸入信號(hào)為歸一化電平U。檢波器檢出信號(hào)的功率,濾波器用來平滑檢波輸出信號(hào)中變化較大的部分[3]。

圖1 模擬AGC和數(shù)字AGC原理框圖

數(shù)字AGC的數(shù)字化設(shè)計(jì)如圖1（b）所示,其增益控制執(zhí)行部分與模擬AGC沒有太大區(qū)別,主要區(qū)別是采用數(shù)字信號(hào)處理得到可控增益衰減器的控制電壓（或信號(hào)）。所以模擬AGC數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)增益控制算法。

2 數(shù)字AGC的算法實(shí)現(xiàn)

通過與模擬AGC的比較可知,數(shù)字AGC設(shè)計(jì)需要解決的主要問題有三個(gè)：

a）中頻信號(hào)幅度/功率的估計(jì)；

b）增益控制策略；

c）AGC帶寬控制。

2.1 中頻信號(hào)幅度的估計(jì)

雷達(dá)中頻接收機(jī)輸出信號(hào)給信號(hào)處理機(jī)后,信號(hào)處理機(jī)需要通過數(shù)字檢波方法估計(jì)該中頻信號(hào)的幅度或功率,才能實(shí)時(shí)給中頻接收機(jī)反饋相應(yīng)的增益控制電壓。

2.1.1 數(shù)字檢波方法

中頻信號(hào)幅度/功率的估計(jì)方法有兩種：

a）直接處理中頻數(shù)字信號(hào)得到信號(hào)的幅度/功率（中頻信號(hào)數(shù)字檢波）；

b）通過信號(hào)處理過程中的基帶I路和Q路信號(hào)檢波得到信號(hào)的幅度/功率（數(shù)字基帶數(shù)字檢波）。

2.1.1.1 中頻信號(hào)數(shù)字檢波

直接處理ADC采樣后的數(shù)字中頻信號(hào)得到信號(hào)幅度/功率類似于模擬AGC的模擬檢波,用數(shù)字檢波的方法得到信號(hào)的包絡(luò),通常采用平方律檢波[6]。

設(shè)數(shù)字中頻信號(hào)為

式中：A為信號(hào)幅度；w為信號(hào)數(shù)字角頻率；T為信號(hào)采樣周期；φ為信號(hào)的初始相位；n為采樣點(diǎn)。

平方檢波即可得到直流分量

通過C（n）即可估計(jì)中頻接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)的幅度/功率。

2.1.1.2 基帶信號(hào)數(shù)字檢波

基帶信號(hào)數(shù)字檢波通常用信號(hào)處理過程中得到的基帶I路和Q路信號(hào)平方和來估計(jì)信號(hào)的幅度/功率。設(shè)信號(hào)處理過程中得到的正交基帶信號(hào)分別為I（n）和Q（n）,則平方檢波后得到

通過C（n）即可估計(jì)中頻接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)的幅度/功率。

值得注意的是兩種方法在處理的過程中都有濾波器等帶來相應(yīng)增益,但增益是固定的,可以通過數(shù)字補(bǔ)償來直接得到模擬中頻信號(hào)幅度/功率的估計(jì)值。

2.1.2 均衡濾波

上述兩種方法估計(jì)的信號(hào)幅度/功率受噪聲影響較大,如果直接利用估計(jì)結(jié)果得到AGC控制電壓,則控制電壓起伏較大,影響AGC的穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間。通常采用均衡濾波器滑動(dòng)濾波每個(gè)采樣點(diǎn)估計(jì)的信號(hào)幅度/功率[2]。對于脈沖雷達(dá)來說,可以取一個(gè)距離門（重頻）內(nèi)的最大值作為信號(hào)幅度/功率的估計(jì)值,如圖2所示。

圖2 信號(hào)幅度/功率估計(jì)的均衡濾波

圖2中,左半部分為m階的滑動(dòng)均衡濾波器,右半部分為一個(gè)取最大值比較器。其中, x（n）為輸入的采樣信號(hào)幅度/功率,y（n）為對應(yīng)的m采樣點(diǎn)信號(hào)幅度/功率估計(jì)的最大值。

圖3 滑動(dòng)均衡濾波器設(shè)計(jì)

圖3（a）為不同階數(shù)滑動(dòng)均衡濾波器對疊加噪聲的正弦信號(hào)濾波后的結(jié)果,從圖可以看出32階的濾波器濾除效果比較接近原始信號(hào),且濾波器的階數(shù)相對較小。

圖3（b）為32階滑動(dòng)均衡濾波器（系數(shù)為32：-1：1間隔-1歸一化后取數(shù)）的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng),從圖可以看出該濾波器為一線性相位的低通濾波器。

2.2 自適應(yīng)步進(jìn)的增益控制

得到中頻信號(hào)的幅度/功率估計(jì)值后,需要根據(jù)此估計(jì)值和輸出門限得到AGC的控制電壓。設(shè)第k個(gè)回波（重頻）中頻信號(hào)功率估計(jì)值為,中頻接收機(jī)要求的輸出歸一化信號(hào)功率為Pth（輸出門限）,則功率差為

設(shè)接收機(jī)輸出信號(hào)功率為Pth時(shí)接收的中頻回波信號(hào)功率為Pin,則對應(yīng)的門限增益為

為將信號(hào)功率估計(jì)為P?k的信號(hào)通過AGC控制后輸出為Pth的信號(hào),增益變化為

設(shè)k時(shí)刻到k+1時(shí)刻增益調(diào)節(jié)為ΔGk+1,則k+1時(shí)刻的增益為

其中：

式中：λ′、λ為增益調(diào)節(jié)衰減因子,控制增益調(diào)節(jié)步進(jìn),避免信號(hào)變化較大時(shí)出現(xiàn)過沖調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)欠阻尼控制,同時(shí)可以抑制信號(hào)在門限附近時(shí)的振蕩幅度。

通過式（8）,可以在AGC控制過程中,根據(jù)回波信號(hào)功率自適應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算增益調(diào)節(jié)步進(jìn),達(dá)到快速和穩(wěn)健的增益控制。

為避免信號(hào)在門限附近振蕩,可選用雙門限,將信號(hào)控制在一定的范圍內(nèi)。但信號(hào)起伏較大時(shí),雙門限會(huì)將信號(hào)進(jìn)行矩形脈沖調(diào)制,信號(hào)在頻譜分析時(shí)會(huì)出現(xiàn)多譜峰,影響雷達(dá)根據(jù)多普勒頻率測量速度的性能。這種方法可應(yīng)用在通信系統(tǒng)等對多普勒頻率檢測要求不高的系統(tǒng)。

2.3 AGC帶寬控制

如果根據(jù)每次回波估計(jì)的信號(hào)幅度/功率即一步到位調(diào)節(jié)增益控制電壓,則AGC帶寬太大,會(huì)出現(xiàn)中頻接收機(jī)輸出信號(hào)不穩(wěn)定,且影響AGC控制環(huán)路的穩(wěn)定性。為有效控制AGC帶寬,可以對每次輸出的增益Gk進(jìn)行α-β濾波。

輸出的增益Gk進(jìn)行α-β濾波分兩個(gè)步驟,一步預(yù)測和一步更新：

其中：T為增益更新周期；Vk+1為k+1時(shí)刻增益更新速度,且有

式中：α、β為α-β濾波因子。

為降低算法復(fù)雜度,將Vk和β均設(shè)為零,通過仿真α=0.5性能最佳,此時(shí)α-β濾波器對應(yīng)的3 dB帶寬為114.7 Hz,如圖4所示。

3 數(shù)字AGC設(shè)計(jì)仿真與分析

仿真中采用中頻信號(hào)數(shù)字檢波方法,均衡濾波采用32階系數(shù)間隔1遞減的滑動(dòng)均衡濾波器,增益控制過程中增益調(diào)節(jié)衰減因子λ=0.25,α-β濾波器因子α=0.5,β=0。

圖4 數(shù)字AGC環(huán)路濾波α-β濾波器幅頻響應(yīng)

仿真中,脈沖信號(hào)重頻為1 k,每個(gè)脈沖為13位巴克碼,子碼寬度2 us,距離門寬度180 us,信號(hào)中頻60 MHz。中頻接收機(jī)歸一化輸出電平Pth=0 dB（0.632 V）,雷達(dá)開機(jī)時(shí)設(shè)置AGC初始增益-20 dB。方案中,得到增益Gk+1后,查找AGC電壓-增益曲線,再通過內(nèi)插法得到較為精確的AGC電壓輸出值。

3.1 典型幅度變小階躍信號(hào)數(shù)字AGC仿真

仿真中假設(shè)信號(hào)幅度從2 V階躍變化到0.8 V,分別仿真信號(hào)疊加噪聲和無噪聲兩種情況下的數(shù)字AGC性能。數(shù)字AGC控制后中頻接收機(jī)輸出的信號(hào)仿真結(jié)果,如圖5所示。

從圖5可以看出,信號(hào)幅度由大信號(hào)突然減小1.2 V時(shí),數(shù)字AGC在15個(gè)重頻內(nèi)即可將接收機(jī)輸出控制到歸一化輸出電平信號(hào),而且在輸出歸一化信號(hào)時(shí),歸一化幅度起伏較小。

圖5 信號(hào)（無噪聲）幅度2 V階躍變化至0.8 V時(shí)數(shù)字AGC輸出仿真結(jié)果

圖6 信號(hào)（0.2 V噪聲）幅度2 V階躍變化至0.8 V時(shí)數(shù)字AGC輸出仿真結(jié)果

圖6為信號(hào)疊加均值為0 V,標(biāo)準(zhǔn)差為0.2 V的高斯隨機(jī)噪聲后的仿真結(jié)果,從圖可看出數(shù)字AGC仍具有良好的性能。其中,圖中（a）顯示信號(hào)幅度為2.5 V,其實(shí)不是,因?yàn)閳D中每個(gè)重頻都是一個(gè)脈沖,每個(gè)脈沖由13個(gè)子脈沖組成,里面有60 M的中頻調(diào)制信號(hào),此中頻調(diào)制信號(hào)的幅度是均值為2 V,標(biāo)準(zhǔn)差為0.2 V的高斯信號(hào)。但縮小后,整體看,表現(xiàn)的是整個(gè)脈沖內(nèi)中頻信號(hào)幅度的最大值,接近2.5 V。同理,對圖（b）也是表現(xiàn)出控制后的信號(hào)幅度大于門限電壓0.632 V。另外,圖（b）中右半部分得到的信號(hào)幅度比左半部分高,其實(shí)是相應(yīng)噪聲放大倍數(shù)大的原因造成。

3.2 典型幅度增大階躍信號(hào)數(shù)字AGC仿真

仿真中假設(shè)信號(hào)幅度從0.8 V階躍變化到2 V,信號(hào)無疊加噪聲時(shí)通過數(shù)字AGC控制后中頻接收機(jī)輸出的信號(hào)仿真結(jié)果如下圖所示。

從圖7可以看出,信號(hào)幅度由小信號(hào)突然增大1.2 V時(shí),數(shù)字AGC在7個(gè)重頻內(nèi)即可將接收機(jī)輸出控制到歸一化輸出電平,而且沒有出現(xiàn)輸出信號(hào)阻尼振動(dòng)的現(xiàn)象。

圖7 信號(hào)（無噪聲）幅度0.8 V階躍變化至2 V時(shí)數(shù)字AGC輸出仿真結(jié)果

4 結(jié)論

通過數(shù)字信號(hào)處理估計(jì)信號(hào)的功率/幅度并實(shí)時(shí)計(jì)算估計(jì)值與歸一化輸出電平的增益,然后調(diào)節(jié)增益衰減因子和α-β濾波器系數(shù),可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)步進(jìn)的欠阻尼穩(wěn)健AGC和其帶寬的控制。仿真結(jié)果可以看出,合適地選擇衰減因子和α系數(shù),可以使數(shù)字AGC兼具響應(yīng)和收斂速度快、穩(wěn)健性高的特點(diǎn)。

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Adaptive Step Digital AGC Design and Simulation for Pulse Radar

ZHU Lu1, ZOU Bo2, JIANG Li-zhong2
（1.92941 forces 120th Research Institute,Huludao Liaoning,125001；2.Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

It is an inevitable trend that digital design for analog AGC applicated on radar. Based on the study of digital design for analog AGC,an AGC control arithmetic for pulse radar with adaptive-step,adjustable AGC bandwidth and combination of speed and robustness is proposed on this paper.Simulation and analysis results indicate that the arithmatic has good performance and fast response ability.Besides,underdamped control can be implemented by adjusting the gain attenuation factor and AGC bandwidth control can be implemented by modificating the coefficient ofα-βfilter.

radar；analog；digital；adaptive step

TN958

A

1671-0576（2014）02-0022-06

2013-05-06

朱 璐（1981-）,女,工程師,主要從事制導(dǎo)控制技術(shù)研究。