短波接收机模数混合AGC设计

0引言

短波通信是采用天波传播,利用电离层反射实现超视距通信的方式。由于短波信道是一个多径衰落信道,其多径时延可达5 ms。多径干扰会引起数据传输过程中的码间串扰和频率选择性衰落,导致接收信号起伏不定,严重影响通信质量^[1]。因此,在短波通信系统的接收机端通常采用 自动增益控制(AGC)方法,使最终输出的信号幅值稳定在一定范围内,从而提升接收效果。自动增益控制能力是短波接收机性能的一个重要衡量指标。

1AGC电路的分类

AGC电路有多种分类方式。按照AGC的电路结构可以分成开环AGC和闭环AGC两种类型,它们的区别就在于是否存在输出电压对输入的反馈,闭环 AGC输出电压会对输入有反馈影响,而开环AGC则不存在这种反馈^[2]。按照AGC的实现形式划分,可以分为模拟AGC、数字AGC以及模数混合AGC。顾名思义,模拟AGC电路是用各种有源、无源器件通过处理模拟信号的方式实现的;数字AGC电路通过对模数转换器ADC处理过的信号进行分析,并以此信号为控制信号,达到控制AGC环路增益的目的;模数混合型AGC既包括模拟电路又包括数字电路,是一种综合了两者优点的电路实现方式^[2—3]。

2 闭环AGC的原理

一个典型的闭环AGC电路包括可变增益放大器、峰值检测器、比较放大器和滤波器等部分,其组成如图1所示。输入信号进入可变增益放大器,调整幅度后输出。同时输出信号进入峰值检测器进行检波,检波的结果与参考电平进行比较,比较结果经过滤波器滤波后控制可变增益放大器的调整参数。

在输入信号较小时,AGC环路调整可变增益放大器的增益变大;而当输入电压较大时,AGC环路调整可变增益放大器的增益减小。最终使得输出信号的幅值稳定在一定范围内,达到自动增益控制的目的。

数字闭环AGC有线性调整算法、对数调整算法、混合调整算法等几种算法,本设计选取对数调整算法。典型的自然对数AGC算法如图2所示,其中:X(n)为输入信号;Y(n)为输出信号;k(n)为对应的AGC调整因子;L为输出信号的电平;T为输出音频信号的参考门限电平;α为AGC环路的衰减因子,用于控制 AGC的调整时间^[4]。

输入的信号X(n)与AGC调整因子相乘,得到输出信号:

Y(n)=X(n)×k(n)    (1)

同时计算输出信号的均方根值即电平L并求出L的自然对数值,然后与参考电平值比较,计算出电平误差值,误差值乘以环路衰减因子α,再送入积分器积分,得到:

之后再计算k'(n)的指数,得到最终的AGC调整因子:

k(n)=exp(k'(n))     (3)

3数模混合AGC的设计

对于一个短波接收机来说,一方面要保证正确接收较大动态范围的射频输入信号,另一方面要保证音频输出信号稳定在较小的范围内。典型短波接收机射频输入信号的动态范围通常在—120~0 dBm,在输入射频为小信号时,希望接收系统具有足够高的增益;而输入射频信号较大时,又要求接收机不会因为饱和而引起失真。同时, 目前ADC输入动态在60 dB左右,也不能满足如此大的动态输入要求^[5]。因此,在短波接收机中设计AGC调整进入ADC的射频信号和输出音频信号。

图1所示的AGC只调整了接收信号下变频之后的音频信号幅度,为了克服接收到的射频信号剧烈变化的动态范围对ADC电路的影响,设计一个同时控制模拟和数字两部分增益放大器的AGC。具体方法是在图1的AGC设计的基础上,增加一次电平比较来判断射频输入信号是否在ADC的动态范围,输出控制信号调整模拟电路增益调节,其组成如图3所示。从天线接收下来的射频信号首先进入一个模拟增益调节电路,然后由ADC采样为数字射频信号进入FPGA。在FPGA中完成下变频和数字增益调节,最终输出稳定的音频信号。

4AGC详细设计

数模混合AGC相对于典型的自然对数算法AGC,增加一次误差检测,算法如图4所示。其中:X(n)为输入信号;Y(n)为输出信号;k(n)为对应的AGC调整因子;L为输出信号的电平;T₁为ADC最大可输入射频信号电平;T₂为输出音频信号参考门限电平;α为 AGC环路的衰减因子,用于控制AGC的调整时间。

AGC的主要部分在FPGA中实现。采用公式(4)得到输出信号电平的近似均方根值:

式中:Y_I(n)和Y_Q(n)分别为输出音频信号在n时刻I路和Q路的值。

利用FPGA内部存储空间大的特点,输出信号的自然对数值lnL和AGC调整因子k(n)=exp(k'(n))都采用查表法实现。具体做法是把将要用到的自然对数值量化保存在FPGA自带的RAM中,计算时根据变量值找到最近的结果输出。这种实现方法降低了计算难度,同时节省了FPGA的乘法器资源的使用。

同时在模拟端设计一个两档可调的增益可调节 放大电路。当接收信号较小时,射频模拟电路增益为20 dB;当接收信号超过ADC最大输入电平T₁时,AGC输出的控制信号控制射频电路增益为—15 dB。

考虑到输出音频信号实际使用时人耳的感受,输出音频信号的调整采取了“快充慢放”的原则。即输入射频信号增大时,快速压缩输出音频信号;输入射频信号减小时,慢速放大输出音频信号。该功能由 AGC的环路调整因子α来实现。

5测试结果

对本文介绍的数模混合AGC进行实际测量,射频信号从3倍灵敏度起增加100 dB,音频输出信号变化幅度小于0.5 dB。另外,观察测量了AGC控制信号快充慢放的效果。射频输入信号从—10dBm降低到—38dBm时,音频信号的放电时间约为4.4S,如图5所示。

射频输入信号从—38dBm增大到—10dBm时,音频信号的充电时间约为15.6 mS,如图6所示。

6结束语

结合短波通信中信道的特点,本文给出了一种用于短波接收机的数模混合AGC实现方法。使用该 AGC方法的短波接收机,可实现大动态范围射频输入信号的增益控制,并保证高稳定音频信号输出,同时具有“快充慢放”的特点,适应短波接收机实际使用的需求。该电路的检测和控制功能主要由FPGA实现,电路体积小、功耗低、方便参数更改,系统的维护和升级变得更加方便和可行。

[参考文献]

[1]任国春.短波通信原理与技术[M].北京:机械工业出版社,2020.

[2] 陆锋雷.zigBee接收机中数字自动增益控制电路的设计[D].西安:西安电子科技大学,2014.

[3] 赵中阳.zigBee接收机数字控制AGC和LNA的设计研究[D].西安:西安电子科技大学,2015.

[4]宋斌斌,金慧琴,田伟,等.对数混合的短波信道数字AGC 算法[J].兵工自动化,2018,37(4):18—22.

[5]孙丹.基于数—模混合的AGC电路设计[J].信息技术与信息化,2021(5):208—210.

2024年第20期第13篇