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一種快速數(shù)字AGC結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計
一種快速數(shù)字AGC結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計
摘要 本文提出一種起控時間短、控制信號效果好的數(shù)字AGC的實現(xiàn)方法，并通過仿真對其進行了驗證。 關(guān)鍵字 數(shù)字AGC；數(shù)字信號處理 1 引言 衛(wèi)星信號在空間傳播中存在衰落現(xiàn)象，在接收機輸入端的信號強度會有很大的變化和起伏。為保證后續(xù)解調(diào)和處
摘要 本文提出一種起控時間短、控制信號效果好的數(shù)字AGC的實現(xiàn)方法，并通過仿真對其進行了驗證。 關(guān)鍵字 數(shù)字AGC；數(shù)字信號處理
1 引言 衛(wèi)星信號在空間傳播中存在衰落現(xiàn)象，在接收機輸入端的信號強度會有很大的變化和起伏。為保證后續(xù)解調(diào)和處理的正常進行，一般要在接收機前端加上一個模擬信號的自動增益控制(AGC)系統(tǒng)，使接收機自動適應(yīng)輸入信號的變化，確保通信系統(tǒng)正常工作。但是前端模擬AGC只是將信號電平控制在AD的接入范圍內(nèi)，要使數(shù)字信號得到正常的處理，后端需要數(shù)字AGC將不同的信號保持在一定的功率上，本文先介紹一般實現(xiàn)數(shù)字AGC的方法，然后提出在DSP或FPGA中的一種設(shè)計實現(xiàn)。 2 數(shù)字AGC環(huán)的一般方法 AGC通過匹配濾波器輸出與用戶定義的參考電平值比較產(chǎn)生誤差信號，誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波生成調(diào)整信號，調(diào)整信號被送往乘法器以控制跟蹤緩沖器的輸出。有兩種AGC環(huán)，一種是基于接收信號與參考值的線性關(guān)系，另一種是基于兩者的對數(shù)關(guān)系。下面通過計算機仿真分別介紹這兩種AGC環(huán)路及其不同之處。 3 基于碼元幅度線性關(guān)系的 AGC 算法
圖1 AGC 環(huán)路濾波的線性實現(xiàn)
基于碼元幅度線性關(guān)系的 AGC 如圖1所示。該環(huán)路計算AGC輸出的電平值并與一個固定的門限值比較產(chǎn)生誤差信號，誤差信號乘以加權(quán)因子a（小于1）控制電路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。 這種傳統(tǒng)方法的一個根本問題是：如果AGC環(huán)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)不是由a控制, 而是由輸入信號的電平變化控制，則將造成不穩(wěn)定的沖擊與釋放時間, 導(dǎo)致接收機性能的惡化。圖1所示的AGC環(huán)的輸出信號由下式給出： （1） 其中A(n)為AGC控制信號。 （2） 展開合并可得： （3） 看看接收信號電平是如果突跳的：假設(shè)輸入信號是幅度為C的階躍信號， 即：，則控制信號為： （4） 使用標準差分方程表示，環(huán)路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為： （5） 其穩(wěn)態(tài)時間響應(yīng)為： （6） 此響應(yīng)具有我們期望的穩(wěn)態(tài)值。但不足的是環(huán)路時常數(shù)與成正比, 是信號振幅量階的函數(shù)。這表明如果信號有小幅度的跳變，則AGC環(huán)具有很大的時常數(shù)，從而需要很長時間才能到達穩(wěn)定狀態(tài)；這種現(xiàn)象可從圖2看出。在樣值數(shù)為1800到2200的跳變時，可清晰地看到系統(tǒng)響應(yīng)很慢；而在樣值為3600 到 4200時, 我們看到環(huán)路具有較小的時常數(shù)而導(dǎo)致過沖的發(fā)生。仿真環(huán)境是利用matlab中的Simulink工具完成的，構(gòu)造的輸入信號樣點速率為250sps，帶寬為600Hz的QPSK信號。 圖2 QPSK且a=0.1的線性 AGC 環(huán)的仿真結(jié)果
4 基于碼元幅值對數(shù)的 AGC 算法 圖2的固有問題可以通過對誤差修正信號進行對數(shù)加權(quán)的方法予以克服。圖3是用輸出電平的對數(shù)函數(shù)修正圖1所示的AGC環(huán)的情形。 圖3 基于對數(shù)幅度的AGC 環(huán)
在這里的輸出增益信號為： （7） 展開上式可得： 于是有： 同樣，設(shè)x(n) 為單位階躍函數(shù)，其振幅為C, 或者x(n) =cu(n) , 則增益信號為： （8） 進一步簡化可得： （9） 這表明穩(wěn)態(tài)值是，而正是我們所期望的。圖3所示的環(huán)路的最終穩(wěn)態(tài)值與成正比，故獨立于輸入信號電平。所以環(huán)路具有穩(wěn)定的時常數(shù)。圖4是圖3所示的環(huán)路的仿真結(jié)果。與圖2所示的不同，這里的AGC控制電壓（底部圖形）具有一致的上升和下降時間，它并不是輸入振幅跳變的函數(shù)。 圖4 QPSK 且a=0.1的對數(shù)AGC環(huán)仿真圖 5 指數(shù)AGC算法 另一種環(huán)路通過對修正信號進行指數(shù)加權(quán)可具有與圖4所示的環(huán)路相同的響應(yīng)。這種算法通過用一個非線性函數(shù)衰減控制電壓而達到在環(huán)路動態(tài)范圍內(nèi)降低小幅信號跳變的影響的效果。該算法的表達如下： y(n 1) = x(n)*exp(a(n)) （10） 其中：y(n) 是 AGC 輸出，x(n) 是 AGC 輸入，a(n) 是 AGC 控制電壓。于是誤差信號為： e(n) = r-abs(y(n)) （11） 其中 r 是參考電平。應(yīng)用式（10）和（11），增益控制為： a(n 1) = a(n) a*e(n) （12） 其中 a 是小于1的收斂因子。這里的非線性體現(xiàn)在a(n)的指數(shù)表達。圖5是對a=0.1的 QPSK 信號應(yīng)用此算法的性能仿真。
圖5 QPSK且a=0.1的指數(shù)AGC 算法性能分析
6 數(shù)字AGC的設(shè)計實現(xiàn) 根據(jù)對以上環(huán)路算法的分析及仿真，我們提出了基于碼元幅值對數(shù)AGC算法的實現(xiàn)方法，如圖6，利用輸出信號作為對數(shù)變換Rom的地址，對信號取對數(shù)，然后與門限電平R相減得到誤差電平，再乘以增益a得到補償值，并將該值累加后作為反對數(shù)變換Rom的地址，取其反對數(shù)，最后于輸入信號相乘，調(diào)整輸入信號的電平，使其保持穩(wěn)定的幅度，其中的門限R和增益a根據(jù)具體需要設(shè)定。 圖6 基于碼元幅值對數(shù)AGC算法的實現(xiàn)框圖
7 結(jié)束語 該結(jié)構(gòu)已在Xilinx Virtex 2V 3000型FPGA中實現(xiàn)，AGC的起控時間較短，能夠很好發(fā)地起到控制信號電平的效果。 參考文獻 [1] 張賢達，保錚. 通信信號處理. 北京：國防工業(yè)出版社，2000.12 [2] 姚天任，孫洪. 現(xiàn)代數(shù)字信號處理. 武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.6
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