一種水聲接收機(jī)數(shù)字AGC控制方法

馬定坤, 張效民, 羅 建

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一種水聲接收機(jī)數(shù)字AGC控制方法

馬定坤, 張效民, 羅 建

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

為了克服信號功率、距離、傳播過程介質(zhì)衰減等因素對水中兵器引信動作的影響, 常需要使用自動增益控制（AGC）技術(shù)對信號幅度動態(tài)范圍進(jìn)行壓縮。本文提出了一種基于統(tǒng)計信號幅值過門限次數(shù)的AGC控制方法, 分析了幅值檢測原理, 并針對接收噪聲對AGC控制誤差的影響, 提出了AGC控制統(tǒng)計門限優(yōu)化選取方法, 為AGC控制提供了一種新思路。該方法已應(yīng)用于水聲信號接收機(jī)系統(tǒng), 應(yīng)用結(jié)果表明, 該方法具有控制精度高、抗噪聲干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。

水聲信號接收機(jī); 自動增益控制; 門限選取; 幅值檢測

0 引言

水聲接收機(jī)在接收水聲信號的過程中, 由于其信號功率、距離、傳播過程介質(zhì)衰減等因素影響, 導(dǎo)致A/D采樣輸入端信號幅度動態(tài)范圍較大, 直接影響后端數(shù)字信號處理機(jī)工作[1]。為了克服水中各種因素對水中兵器引信動作的影響, 需要使用自動增益控制(auto-matic gain control, AGC)技術(shù), 對信號幅度動態(tài)范圍壓縮。

水中兵器中傳統(tǒng)模擬AGC的實現(xiàn)主要通過放大器整流電路, 反饋控制二極管(或三極管)工作在非線性區(qū)的阻抗, 調(diào)整通道閉環(huán)增益從而穩(wěn)定接收機(jī)輸出信號幅度, 其靈活性與控制精度都有限[2-3]。本文實現(xiàn)一種水聲接收機(jī)數(shù)字AGC結(jié)構(gòu)[4],以及統(tǒng)計單位時間內(nèi)信號過門限次數(shù)的AGC控制方法, 并對其原理展開分析、研究。在某水雷接收機(jī)硬件平臺對方案的實際控制效果進(jìn)行了測試, 結(jié)果表明, 該方法滿足實際應(yīng)用要求, 在水中兵器中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 數(shù)字AGC實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

數(shù)字AGC主要有硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法兩部分組成。

1.1 數(shù)字AGC硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)字AGC的實現(xiàn)主要通過檢測接收機(jī)輸出信號幅度, 反饋調(diào)整通道放大增益, 穩(wěn)定輸出信號, AGC硬件框圖如圖1所示。首先是隔離器, 其目的是減少AGC衰減網(wǎng)絡(luò)對前級的影響。第1級、第2級放大器是保證接收機(jī)最小信號的開環(huán)放大增益。增益控制通過第1級、第2級衰減器完成[5], 分別置于第1級放大器和第2級放大器之前, 避免兩級衰減相互影響, 同時獲得較高的控制精度與大的AGC動態(tài)范圍。

圖1 數(shù)字自動增益控制實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 數(shù)字AGC軟件控制算法

數(shù)字AGC的控制通過統(tǒng)計輸出信號過門限次數(shù)解算輸出信號幅度, 根據(jù)輸出信號的幅度軟件反饋調(diào)整可編程增益放大器（programmable gain amplifier, PGA)增益, 使接收機(jī)輸出穩(wěn)定于預(yù)定值的附近。其算法流程見圖2。

圖2 數(shù)字AGC控制算法

選取數(shù)字AGC控制步長為1 s, 即以1 s為單位完成一次AGC調(diào)整。單片機(jī)通過A/D對輸出信號持續(xù)采樣, 軟件統(tǒng)計1s內(nèi)輸出信號幅度的過門限次數(shù), 軟件查表反推信號幅值信息(), 完成對信號幅值的一次解算[6], 然后經(jīng)過比例積分微分(proportional integral derivative, PID)算法, 控制數(shù)字AGC。

2 數(shù)字AGC控制方法原理

本節(jié)主要針對前節(jié)數(shù)字AGC控制算法展開分析、優(yōu)化研究。

2.1 幅值檢測原理

可以看出, 過門限次數(shù)(0)僅與信號的幅度和門限0有關(guān), 對于固定門限0, 過門限次數(shù)(0)與信號幅值是嚴(yán)格單調(diào)唯一確定關(guān)系; 其次, 過門限次數(shù)(0)與信號頻率無關(guān), 意味著幅值檢測最短時間為信號周期。

調(diào)整AGC控制信號表達(dá)式(2)中的信噪比SNR從-20dB到20dB, 門限關(guān)系曲線從曲線2經(jīng)過曲線組2, 過渡到曲線組1, 最終到達(dá)曲線1的位置。AGC控制后的信號功率與A/D采樣過門限次數(shù)關(guān)系曲線見圖3。其橫坐標(biāo)為AGC控制后的信號功率, 縱坐標(biāo)為AGC控制后信號過門限次數(shù)占總采樣次數(shù)的比值。在不同信噪比(-20 dB,+20 dB)下, 關(guān)系曲線規(guī)律如下。

圖3 信號功率與過門限次數(shù)關(guān)系曲線

Fig. 3 Curves of signal power versus over-threshold number

1) 曲線1, 是信號分量單獨作用時, 如式(1), 即信噪比無窮大, AGC控制后信號功率與門限次數(shù)關(guān)系曲線。

2) 曲線2, 是噪聲分量單獨作用時, 即信噪比無窮小, AGC控制后信號功率與過門限次數(shù)關(guān)系曲線, 與曲線1存在交點A。

3) 當(dāng)AGC控制后信號信噪比從+20 dB過渡到0 dB時, 其關(guān)系走向為曲線組1, 但均經(jīng)交點A; 當(dāng)A/D采樣信號信噪比從0 dB過渡到-20 dB時, 其關(guān)系曲線為曲線組2, 同時也經(jīng)交點A, 見式（2）。

2.2 AGC控制統(tǒng)計門限的選取

在AGC控制過程中, 由于物理場中信號的功率、距離與傳播過程介質(zhì)衰減等因素, 導(dǎo)致AGC控制后信號的信噪比是一個在一定范圍內(nèi)動態(tài)變化的過程。分析不同信噪比條件下, 對統(tǒng)計過門限次數(shù)的AGC控制方法精度影響規(guī)律, 具有重要的意義。

以下對AGC控制統(tǒng)計門限進(jìn)行選取分析, 假定PID控制算法可精確控制信號幅度至目標(biāo)信號幅度, 僅考慮統(tǒng)計過門限次數(shù)AGC控制方法, 對控制精度的影響。

2.3 誤差分析

假定經(jīng)AGC控制的接收機(jī)輸出穩(wěn)定功率為 1 W, 即A點對應(yīng)的功率點, 從圖3易發(fā)現(xiàn), A點對應(yīng)的橫坐標(biāo)歸一化功率為0.208。由圖3得出的2.1節(jié)規(guī)律4), 可求出AGC控制的最佳統(tǒng)計門限。

在AGC控制過程中, 采用一條折中的AGC控制關(guān)系曲線, 實現(xiàn)對信號幅值的解算, 然而, 由于AGC控制過程中存在的未知動態(tài)信噪比, 將存在一定的解算誤差。

圖4 信噪比(20, -20)dB幅值檢測誤差分析

在AGC的控制過程中, 由于受動態(tài)變化信噪比的影響, 由過門限統(tǒng)計次數(shù)解讀的信號功率的誤差是一個動態(tài)過程(見表1)。在信噪比20 dB,-20 dB條件下的AGC控制, 其誤差小于3%。但當(dāng)AGC控制逐漸逼近穩(wěn)定輸出功率時, 控制精度受信噪比影響將達(dá)到最小。

表1 信噪比(20,-20) dB對應(yīng)幅值檢測誤差

Table 1 Amplitude detection errors corresponding to SNR (20, -20) dB

3 數(shù)字AGC測試結(jié)果

在實現(xiàn)的水聲信號接收機(jī)中[2], 應(yīng)用統(tǒng)計過門限次數(shù)的AGC方法, 實際測試如下。在接收機(jī)輸入端加幅度100mV、頻率3.5 kHz正弦測試信號, 輸出信號峰峰值穩(wěn)定在2 V, 見圖5(a)。將輸入信號的幅度突變調(diào)至12 mV, 在數(shù)字AGC一段調(diào)控穩(wěn)定時間后, 輸出信號峰峰值仍穩(wěn)定在2 V, 測試波形見圖5(b), 輸出信號幅度的平穩(wěn)度相對于傳統(tǒng)模擬AGC實現(xiàn)方法有很大改善, 取得令人滿意的控制精度。其中通道CH1是輸入信號波形, 輸出波形在CH2通道可觀察。經(jīng)測試, AGC壓縮比:=-40dB, 輸入信號幅度范圍≥60dB, 輸出信號平坦度≤2 dB。

圖5 接收機(jī)AGC測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文研究的數(shù)字AGC實現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及統(tǒng)計過門限次數(shù)的AGC控制方法, 具有動態(tài)范圍大、程控簡單、實時性高(單個信號周期即可解算信號幅值)、對噪聲不敏感與精度高的優(yōu)點。其次, 該方案借助軟件可消除幅值檢測中的非線性問題, 具有較大的靈活性和適應(yīng)性, 為AGC的控制提供了一種新的思路方法, 具有廣泛的應(yīng)用前景。

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A Digital Automatic Gain Control Method for Acoustic Receiver

MA Ding-kun, ZHANG Xiao-min, LUO Jian

(College of Marine Engineering, Northwest Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To suppress the effects of signal power, distance, and medium attenuation in propagation on the fuze action of underwater weapon, automatic gain control(AGC) is necessary for narrowing the dynamic scope of signal amplitude. We proposed an AGC method based on the number of signal amplitude over threshold, and analyze the principle of signal amplitude detection in this paper. To eliminate the influence of receiver noise on AGC errors, we presented a way to optimize the threshold selection. Application of our method to an underwater acoustic receiver system demonstrates its high control precision and anti-interference performance.

underwater acoustic receiver; automatic gain control(AGC); threshold selection; amplitude detection

TJ630.34; TJ431.7

A

1673-1948(2012)04-0267-04

2011-09-27;

2011-12-05.

部級國防科技預(yù)研基金項目(10J4.5.1).

馬定坤(1982-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為智能電子系統(tǒng), 探測系統(tǒng)與智能化信號檢測.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)