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一種快速數(shù)字AGC結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)
一種快速數(shù)字AGC結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)
摘要 本文提出一種起控時(shí)間短、控制信號(hào)效果好的數(shù)字AGC的實(shí)現(xiàn)方法，并通過仿真對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。 關(guān)鍵字 數(shù)字AGC；數(shù)字信號(hào)處理 1 引言 衛(wèi)星信號(hào)在空間傳播中存在衰落現(xiàn)象，在接收機(jī)輸入端的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)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(shí)間短、控制信號(hào)效果好的數(shù)字AGC的實(shí)現(xiàn)方法，并通過仿真對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。 關(guān)鍵字 數(shù)字AGC；數(shù)字信號(hào)處理
1 引言 衛(wèi)星信號(hào)在空間傳播中存在衰落現(xiàn)象，在接收機(jī)輸入端的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)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(jìn)行，一般要在接收機(jī)前端加上一個(gè)模擬信號(hào)的自動(dòng)增益控制(AGC)系統(tǒng)，使接收機(jī)自動(dòng)適應(yīng)輸入信號(hào)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(hào)電平控制在AD的接入范圍內(nèi)，要使數(shù)字信號(hào)得到正常的處理，后端需要數(shù)字AGC將不同的信號(hào)保持在一定的功率上，本文先介紹一般實(shí)現(xiàn)數(shù)字AGC的方法，然后提出在DSP或FPGA中的一種設(shè)計(jì)實(shí)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(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)環(huán)路濾波生成調(diào)整信號(hào)，調(diào)整信號(hào)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(hào)與參考值的線性關(guān)系，另一種是基于兩者的對(duì)數(shù)關(guān)系。下面通過計(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)算AGC輸出的電平值并與一個(gè)固定的門限值比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，誤差信號(hào)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(gè)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(hào)的電平變化控制，則將造成不穩(wěn)定的沖擊與釋放時(shí)間, 導(dǎo)致接收機(jī)性能的惡化。圖1所示的AGC環(huán)的輸出信號(hào)由下式給出： （1） 其中A(n)為AGC控制信號(hào)。 （2） 展開合并可得： （3） 看看接收信號(hào)電平是如果突跳的：假設(shè)輸入信號(hào)是幅度為C的階躍信號(hào)， 即：，則控制信號(hào)為： （4） 使用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)常數(shù)與成正比, 是信號(hào)振幅量階的函數(shù)。這表明如果信號(hào)有小幅度的跳變，則AGC環(huán)具有很大的時(shí)常數(shù)，從而需要很長時(shí)間才能到達(dá)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(shí)，可清晰地看到系統(tǒng)響應(yīng)很慢；而在樣值為3600 到 4200時(shí), 我們看到環(huán)路具有較小的時(shí)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(hào)樣點(diǎn)速率為250sps，帶寬為600Hz的QPSK信號(hào)。 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(duì)數(shù)的 AGC 算法 圖2的固有問題可以通過對(duì)誤差修正信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)加權(quán)的方法予以克服。圖3是用輸出電平的對(duì)數(shù)函數(shù)修正圖1所示的AGC環(huán)的情形。 圖3 基于對(duì)數(shù)幅度的AGC 環(huán)
在這里的輸出增益信號(hào)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(hào)為： （8） 進(jìn)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(dú)立于輸入信號(hào)電平。所以環(huán)路具有穩(wěn)定的時(shí)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(shí)間，它并不是輸入振幅跳變的函數(shù)。 圖4 QPSK 且a=0.1的對(duì)數(shù)AGC環(huán)仿真圖 5 指數(shù)AGC算法 另一種環(huán)路通過對(duì)修正信號(hào)進(jìn)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(gè)非線性函數(shù)衰減控制電壓而達(dá)到在環(huán)路動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)降低小幅信號(hào)跳變的影響的效果。該算法的表達(dá)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(hào)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(dá)。圖5是對(duì)a=0.1的 QPSK 信號(hào)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(jì)實(shí)現(xiàn) 根據(jù)對(duì)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(duì)數(shù)AGC算法的實(shí)現(xiàn)方法，如圖6，利用輸出信號(hào)作為對(duì)數(shù)變換Rom的地址，對(duì)信號(hào)取對(duì)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(bǔ)償值，并將該值累加后作為反對(duì)數(shù)變換Rom的地址，取其反對(duì)數(shù)，最后于輸入信號(hào)相乘，調(diào)整輸入信號(hào)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(duì)數(shù)AGC算法的實(shí)現(xiàn)框圖
7 結(jié)束語 該結(jié)構(gòu)已在Xilinx Virtex 2V 3000型FPGA中實(shí)現(xiàn)，AGC的起控時(shí)間較短，能夠很好發(fā)地起到控制信號(hào)電平的效果。 參考文獻(xiàn) [1] 張賢達(dá)，保錚. 通信信號(hào)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(hào)處理. 武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.6
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