摘要：為解決短波通信中衰落帶來(lái)的輸入信號(hào)起伏不定的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種用于短波接收機(jī)的模數(shù)混合AGC（Automatic Gain Control，自動(dòng)增益控制），介紹了AGC的組成和FPGA設(shè)計(jì)方案。該方法采用自然對(duì)數(shù)算法，通過(guò)檢測(cè)輸入信號(hào)的幅度與門(mén)限電平比較，輸出控制信號(hào)分別控制模擬增益調(diào)節(jié)電路和數(shù)字增益調(diào)節(jié)電路。實(shí)際測(cè)試表明，該AGC電路可以控制較大范圍的射頻輸入信號(hào)，正確解調(diào)并輸出穩(wěn)定的音頻信號(hào)，同時(shí)具有快充慢放功能。

關(guān)鍵詞：短波；AGC；FPGA

中圖分類號(hào)：TN858 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）20-0059-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.013

0 引言

短波通信是采用天波傳播，利用電離層反射實(shí)現(xiàn)超視距通信的方式。由于短波信道是一個(gè)多徑衰落信道，其多徑時(shí)延可達(dá)5 ms。多徑干擾會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的碼間串?dāng)_和頻率選擇性衰落，導(dǎo)致接收信號(hào)起伏不定，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量[1]。因此，在短波通信系統(tǒng)的接收機(jī)端通常采用自動(dòng)增益控制（AGC）方法，使最終輸出的信號(hào)幅值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，從而提升接收效果。自動(dòng)增益控制能力是短波接收機(jī)性能的一個(gè)重要衡量指標(biāo)。

1 AGC電路的分類

AGC電路有多種分類方式。按照AGC的電路結(jié)構(gòu)可以分成開(kāi)環(huán)AGC和閉環(huán)AGC兩種類型，它們的區(qū)別就在于是否存在輸出電壓對(duì)輸入的反饋，閉環(huán)AGC輸出電壓會(huì)對(duì)輸入有反饋影響，而開(kāi)環(huán)AGC則不存在這種反饋[2]。按照AGC的實(shí)現(xiàn)形式劃分，可以分為模擬AGC、數(shù)字AGC以及模數(shù)混合AGC。顧名思義，模擬AGC電路是用各種有源、無(wú)源器件通過(guò)處理模擬信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)的；數(shù)字AGC電路通過(guò)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行分析，并以此信號(hào)為控制信號(hào)，達(dá)到控制AGC環(huán)路增益的目的；模數(shù)混合型AGC既包括模擬電路又包括數(shù)字電路，是一種綜合了兩者優(yōu)點(diǎn)的電路實(shí)現(xiàn)方式[2-3]。

2 閉環(huán)AGC的原理

一個(gè)典型的閉環(huán)AGC電路包括可變?cè)鲆娣糯笃?、峰值檢測(cè)器、比較放大器和濾波器等部分，其組成如圖1所示。輸入信號(hào)進(jìn)入可變?cè)鲆娣糯笃?，調(diào)整幅度后輸出。同時(shí)輸出信號(hào)進(jìn)入峰值檢測(cè)器進(jìn)行檢波，檢波的結(jié)果與參考電平進(jìn)行比較，比較結(jié)果經(jīng)過(guò)濾波器濾波后控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯恼{(diào)整參數(shù)。

在輸入信號(hào)較小時(shí)，AGC環(huán)路調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆孀兇?；而?dāng)輸入電壓較大時(shí)，AGC環(huán)路調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆鏈p小。最終使得輸出信號(hào)的幅值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。

數(shù)字閉環(huán)AGC有線性調(diào)整算法、對(duì)數(shù)調(diào)整算法、混合調(diào)整算法等幾種算法，本設(shè)計(jì)選取對(duì)數(shù)調(diào)整算法。典型的自然對(duì)數(shù)AGC算法如圖2所示，其中：X（n）為輸入信號(hào)；Y（n）為輸出信號(hào)；k（n）為對(duì)應(yīng)的AGC調(diào)整因子；L為輸出信號(hào)的電平；T為輸出音頻信號(hào)的參考門(mén)限電平；α為AGC環(huán)路的衰減因子，用于控制AGC的調(diào)整時(shí)間[4]。

輸入的信號(hào)X（n）與AGC調(diào)整因子相乘，得到輸出信號(hào)：

Y（n） =X（n）×k（n） （1）

同時(shí)計(jì)算輸出信號(hào)的均方根值即電平L并求出L的自然對(duì)數(shù)值，然后與參考電平值比較，計(jì)算出電平誤差值，誤差值乘以環(huán)路衰減因子α，再送入積分器積分，得到：

k′（n+1）=α[ln T-ln（）] （2）

之后再計(jì)算k′（n）的指數(shù)，得到最終的AGC調(diào)整因子：

k（n）=exp（k′（n）） （3）

3 數(shù)模混合AGC的設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)短波接收機(jī)來(lái)說(shuō)，一方面要保證正確接收較大動(dòng)態(tài)范圍的射頻輸入信號(hào)，另一方面要保證音頻輸出信號(hào)穩(wěn)定在較小的范圍內(nèi)。典型短波接收機(jī)射頻輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍通常在-120～0 dBm，在輸入射頻為小信號(hào)時(shí)，希望接收系統(tǒng)具有足夠高的增益；而輸入射頻信號(hào)較大時(shí)，又要求接收機(jī)不會(huì)因?yàn)轱柡投鹗д?。同時(shí)，目前ADC輸入動(dòng)態(tài)在60 dB左右，也不能滿足如此大的動(dòng)態(tài)輸入要求[5]。因此，在短波接收機(jī)中設(shè)計(jì)AGC調(diào)整進(jìn)入ADC的射頻信號(hào)和輸出音頻信號(hào)。

圖1所示的AGC只調(diào)整了接收信號(hào)下變頻之后的音頻信號(hào)幅度，為了克服接收到的射頻信號(hào)劇烈變化的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)ADC電路的影響，設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)控制模擬和數(shù)字兩部分增益放大器的AGC。具體方法是在圖1的AGC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加一次電平比較來(lái)判斷射頻輸入信號(hào)是否在ADC的動(dòng)態(tài)范圍，輸出控制信號(hào)調(diào)整模擬電路增益調(diào)節(jié)，其組成如圖3所示。從天線接收下來(lái)的射頻信號(hào)首先進(jìn)入一個(gè)模擬增益調(diào)節(jié)電路，然后由ADC采樣為數(shù)字射頻信號(hào)進(jìn)入FPGA。在FPGA中完成下變頻和數(shù)字增益調(diào)節(jié)，最終輸出穩(wěn)定的音頻信號(hào)。

4 AGC詳細(xì)設(shè)計(jì)

數(shù)?；旌螦GC相對(duì)于典型的自然對(duì)數(shù)算法AGC，增加一次誤差檢測(cè)，算法如圖4所示。其中：X（n）為輸入信號(hào)；Y（n）為輸出信號(hào)；k（n）為對(duì)應(yīng)的AGC調(diào)整因子；L為輸出信號(hào)的電平；T1為ADC最大可輸入射頻信號(hào)電平；T2為輸出音頻信號(hào)參考門(mén)限電平；α為AGC環(huán)路的衰減因子，用于控制AGC的調(diào)整時(shí)間。

AGC的主要部分在FPGA中實(shí)現(xiàn)。采用公式（4）得到輸出信號(hào)電平的近似均方根值：

L=≈max（|YI（n）|，|YQ（n）|）+

min（|YI（n）|，|YQ（n）|） （4）

式中：YI（n）和YQ（n）分別為輸出音頻信號(hào)在n時(shí)刻I路和Q路的值。

利用FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)空間大的特點(diǎn)，輸出信號(hào)的自然對(duì)數(shù)值ln L和AGC調(diào)整因子k（n）=exp（k′（n））都采用查表法實(shí)現(xiàn)。具體做法是把將要用到的自然對(duì)數(shù)值量化保存在FPGA自帶的RAM中，計(jì)算時(shí)根據(jù)變量值找到最近的結(jié)果輸出。這種實(shí)現(xiàn)方法降低了計(jì)算難度，同時(shí)節(jié)省了FPGA的乘法器資源的使用。

同時(shí)在模擬端設(shè)計(jì)一個(gè)兩檔可調(diào)的增益可調(diào)節(jié)放大電路。當(dāng)接收信號(hào)較小時(shí)，射頻模擬電121920c60c2c583fcf71de375b16e5d2f2ba82d655dc8ec61bc9e5773a2bede5路增益為20 dB；當(dāng)接收信號(hào)超過(guò)ADC最大輸入電平T1時(shí)，AGC輸出的控制信號(hào)控制射頻電路增益為-15 dB。

考慮到輸出音頻信號(hào)實(shí)際使用時(shí)人耳的感受，輸出音頻信號(hào)的調(diào)整采取了“快充慢放”的原則。即輸入射頻信號(hào)增大時(shí)，快速壓縮輸出音頻信號(hào)；輸入射頻信號(hào)減小時(shí)，慢速放大輸出音頻信號(hào)。該功能由AGC的環(huán)路調(diào)整因子α來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5 測(cè)試結(jié)果

對(duì)本文介紹的數(shù)模混合AGC進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，射頻信號(hào)從3倍靈敏度起增加100 dB，音頻輸出信號(hào)變化幅度小于0.5 dB。另外，觀察測(cè)量了AGC控制信號(hào)快充慢放的效果。射頻輸入信號(hào)從-10 dBm降低到-38 dBm時(shí)，音頻信號(hào)的放電時(shí)間約為4.4 s，如圖5所示。

射頻輸入信號(hào)從-38 dBm增大到-10 dBm時(shí)，音頻信號(hào)的充電時(shí)間約為15.6 ms，如圖6所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合短波通信中信道的特點(diǎn)，本文給出了一種用于短波接收機(jī)的數(shù)?；旌螦GC實(shí)現(xiàn)方法。使用該AGC方法的短波接收機(jī)，可實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍射頻輸入信號(hào)的增益控制，并保證高穩(wěn)定音頻信號(hào)輸出，同時(shí)具有“快充慢放”的特點(diǎn)，適應(yīng)短波接收機(jī)實(shí)際使用的需求。該電路的檢測(cè)和控制功能主要由FPGA實(shí)現(xiàn)，電路體積小、功耗低、方便參數(shù)更改，系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)變得更加方便和可行。

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收稿日期：2024-06-12

作者簡(jiǎn)介：馬競(jìng)（1979—），女，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，工程師，研究方向：通信技術(shù)。