基于FPGA的大動態數控AGC系統設計 - 全文

隨著軟件無線電技術和FPGA、DSP、AD 等技術的高速發展，數字接收機的應用日益廣泛。為了擴大數字接收機的ADC 動態范圍，廣泛采用了自動增益控制(AGC) ，使接收機的增益隨著信號的強弱進行調整，其性能的好壞直接影響著接收機能否高質量穩定接收。傳統的AGC 電路大都采用模擬電路,但由于模擬AGC 缺乏智能性，難以實現復雜的控制算法，且精度不高，調試復雜。這里介紹了一種基于FPGA 和數控VGA 芯片AD8370 的數字自動增益控制的實現方法，實時地調整中頻接收機的增益，大大增強了系統的動態范圍。

　　1?? 數控AGC 實現方法

　　數控AGC 原理框圖如圖1 所示，在信號數字化后，根據樣本估計出信號功率，與參考值比較后，反饋控制前端的數控VGA 芯片，將信號輸出調整到ADC 的滿量程附近，以獲得全程數字量化和最大輸出信噪比。

圖1? AGC 環路框圖

　　要實現AGC 控制，必須先檢測信號幅度或功率的估計值，通過正交I/Q 的均方值即I2+ Q2 精確得到AGC 信號功率，其中I、Q 為同相正交2 支路的符號峰值采樣點數據。計算機仿真表明，當信號以每符號4 采樣點進行統計平均估計時，得到的估計值與定時恢復無關，即I、Q 值不必為最佳采樣點。

　　由于輸入信號的幅度通常是緩慢變化的，故可通過一段時間樣值的累加進行一次估計，通常將累加值與參考值相比，得到AGC 需放大或縮小的倍數。在這里，將除法運算改為對數運算后的減法實現，通過與參考值的比較，直接對應需放大或縮小的dB數。再通過查表，轉化為數控VGA 芯片的控制字，反饋至前端。這與模擬AGC 相比，由于反饋部分的主要功能由數字方法實現，使得復雜的控制要求用數字信號處理技術能夠較容易的實現，且具有快速收斂和精確的穩態響應等優點。

　　2?? 計算機仿真

　　在Matlab 中，首先生成PN 9 的偽隨機碼作為基帶信號。進行格雷碼的預差分編碼和成型濾波，上變頻、加噪、下變頻后得到正交和同相2 路基帶信號：

　　式中,△ω為載波頻偏,θ0 為載波相位，則：

　　仿真中，設置其中信噪比為12 dB，中頻為70 MHz，符號率2 Mbps，采樣率為64MHz，抽取率為8，信號功率估計時累積長度為1 024 點，即256 個符號。

　　調整前采樣所得的中頻信號如圖2 所示。其中前4 000 點的信號放大倍數為1，4 001 至9 000 點的信號放大倍數為10，9 000 點之后的放大倍數為20,即信號幅度有2 次變化，需通過AGC 進行調整，使信號幅度保持恒定。圖2( a) 為AGC 調整后的中頻信號，其中調整的參考值為前4 000點信號的功率,可以看出在4 000和9 000附近信號有一段抖動，這是調整所需的相應時間; 下圖為AGC 的放大倍數，同樣的，在4 000和9 000點產生了跳變，以響應信號幅度的變化，其中前4 000點的放大倍數為1，4 001至9 000點的放大倍數變為0. 1，而9 000點之后則為0. 05。另外根據仿真結果，信號功率估計值最大偏差小于1 dB，因此，該估計算法和調整控制是準確有效的。

圖2?? 調整前后的信號及放大倍數

　　3?? 硬件實現

　　硬件方案的具體實現如圖3 所示。上面為信號處理板卡，下面為中頻執行板卡。其中控制板卡上AD 轉換由AD9640 芯片完成，輸入信號的峰峰值可設置范圍為1~ 2 V，本系統初始化為2 V; 控制部分在FPGA XC4VLX100 中完成，以產生時鐘、使能和數據三線控制信號; 作為環路執行元件的是前端中頻板上的AD8370，其控制功率增益范圍為- 11~ + 34 dB; 3 dB帶寬為750 MHz; 串行的8 bit 控制信號接口; 提供200Ω差分輸入和100Ω差分輸出。由于本方案動態范圍需達60 dB，故采用了2 級AD8370 級聯，為了讓系統工作穩定，設計時應使2 級的放大倍數盡量接近，以避免第2 級出現飽和，因此在將調整的倍數轉化為AD8370 控制字時，需特別注意。

圖3? 硬件測試板卡

　　系統由微波信號源4438C 產生中頻70 MHz、比特率4 Mbps 的QPSK 信號，采樣時鐘64 MHz，由前端中頻部分的DDS 產生，系統抽取率仍為8，由DDC后的CIC 完成。

　　實現中，I、Q 兩路的均方值由FPGA 中乘法器DSP48 求取，累加器完成均方值的累加，而累加樣本點的個數直接決定了控制調整的相應速度，累加長度太長會使相應速度變慢，無法跟上信號的變化; 但長度太短又會使估計的功率值不準，起伏太大從而引起控制精度的下降，通過實測發現通常數百符號即可得出較準確的信號功率估值，因此對符號率百K 以上量級的信號而言可以在數毫秒甚至更短的時間內完成信號的精確調整。本系統設置為1 ms 進行一次調整，即2 048 個符號得到一次估計值。此外，求對數運算以及信號需調整的倍數到控制字的轉換都通過查表實現，其中增益控制字查找表的可實現增益為- 13~ + 60 dB，其深度為4 096，即每1 dB的變化對應56 個步進，可實現最小0. 02 dB的調整，因此結合之前的準確估計一起實現了較高的控制精度。

　　為避免低信噪比情況下AD 長時間工作在溢出狀態，系統設置的參考值設計為比AD 滿量程小2 dB左右。經測試，當4 dBm 的QPSK 信號直接輸入AD 時,AD 采集信號的量化值為# 6 000 左右，距14位滿量程對應的# 8 192 約2 dB，故以此功率為參考。如圖4 所示，橫軸為輸入信號功率，縱軸為AGC的增益。理論上2 級AD8370 級聯能實現90 dB 的動態，但實測中,在信噪比10 dB 條件下，單級在- 7~ + 28 dB 范圍，2 級聯合在- 14~ + 56 dB時,其線性性較好，故在本系統中實現了近70 dB的動態范圍。

圖4?? 輸入信號強度及對應的AGC 增益