反饋式數字AGC的FPGA優(yōu)化實現

沈同平 ，谷宗運，方　芳，俞　磊

(安徽中醫(yī)藥大學 醫(yī)藥信息工程學院, 安徽 合肥 230011)

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反饋式數字AGC的FPGA優(yōu)化實現

沈同平 ，谷宗運，方芳，俞磊

(安徽中醫(yī)藥大學 醫(yī)藥信息工程學院, 安徽 合肥 230011)

摘要：新的全數字式反饋自動增益控制( AGC) 算法，采用硬件描述語言VHDL進行FPGA實現， MODELSIM仿真測試實驗結果表明, 該新方案實現簡單、速度快，具有更小的資源占用、更快的收斂速度,有效地解決了無線通信系統中各種因素(距離、信道衰減、電磁干擾等)所造成的數字信號傳輸問題，具有良好的工業(yè)應用前景。

關鍵詞：全數字式；反饋式自動增益控制；標準硬件描述語言；現場可編程門陣列

近年來，軟件無線電發(fā)展迅速，全數字接收機是目前器件水平和設計方法下實現無線通信設計的首選方案，而自動增益控制AGC(AutomaticGain Control)，是數字化接收機中重要且必不可少的組成部分[1]。AGC電路在發(fā)展之初通常采用模擬方法設計，隨著數字處理技術和可編程器件的發(fā)展，數字AGC得到了更廣泛的關注和應用。與模擬AGC一樣，數字AGC的基本功能也是隨著接收機收到的輸入信號的強弱自動調整放大器的增益，使輸入信號強弱變化時，輸出信號基本不變。無線通信系統中，不同用戶通信距離遠近不同、信道衰落有差異，使接收信號波動范圍很大，弱或強電磁干擾情況下，接收信號功率極低，需要采用AGC技術對接收信號進行歸一化處理，以保證后續(xù)數字信號處理的精度。因此數字AGC的實現具有重要實際意義。

1反饋式數字AGC算法

AGC電路的實現有前饋、反饋和混合環(huán)路等三種，前饋AGC收斂速度比反饋AGC要快，但一般不是很穩(wěn)定。混合AGC可以克服前饋AGC和反饋AGC兩者的缺點，尤其是適合在快速衰落信道中，但由于受到成本、體積、功耗和復雜度等的影響，在實際中應用不是很廣[2-3]。故本系統中采用反饋式AGC，如圖1所示。

圖1　反饋式數字AGC簡要框圖

為了適應數字接收機ADC 采集電平要求和精度，AGC電路作為主要的輔助電路廣泛的應用在接收機中。傳統數字AGC電路使用ADC采集信號，對信號進行處理，根據得到的信號幅值信息調整增益，其對ADC采樣率要求較高[4]。為從離散的信號中得到準確幅值信息，需要通過一定算法得到AGC 控制值，再將得到的信號功率值和門限值進行比較，從而對ADC采樣前的模擬信號功率進行控制。傳統的模擬AGC 模塊為保證ADC采樣不飽和，估算信號功率時估算待采樣信號的總功率，即有用信號和噪聲的功率和。因此在信噪比很低的情況下，有用信號淹沒在噪聲中，即便對ADC采樣前的信號進行了放大，ADC采樣后有用信號的功率仍然不能達到預期要求[5]。因此，本文提出的數字AGC的原理是基于信號去除噪聲影響的功率估計，通過與預設功率區(qū)間進行比較，得出系統需要的增益控制量，以保證輸出信號幅度相對恒定[6]。

模擬信號輸出平均功率：

N為樣本累加數，為避免后續(xù)除法電路，一般選用2k來計算模擬輸出信號的平均功率Pout，ui為AD9238輸入的樣本。由于AD9238采樣的是模擬電路輸出信號電壓，是經過VGA放大的輸入信號，設對應輸入信號樣值為xi，放大器增益為g，則輸入信號平均功率可表示為

模擬輸入信號樣值與模擬輸出信號樣值的關系為ui=g*xi，可以得出輸入信號平均功率與輸出信號平均功率之間的關系為

2 反饋式數字AGC的FPGA實現

采用硬件描述語言VHDL對上述AGC算法進行編程實現，并對實現結果進行仿真驗證。本方案選用XilinxSpartan6系列XC6SL150T芯片，圖2所示為基于FPGA的AGC數字控制部分框圖，包括一片FPGA芯片、一片高速AD9238芯片、一片數模轉換芯片TLV5617及一片用于存放FPGA配置文件的PROM。全數字AGC的FPGA實現主要分為2個功能模塊：輸入功率計算模塊和AGC控制算法模塊，如圖3所示。本文中所采用的VGA的有效線性范圍中的關系為Gain(dB)=-50VG+41，Gain(dB)為VGA產生的放大(縮小)增益，VG為VGA的輸入電壓。VGA所能產生的可控增益范圍為 -18.5 dB~+25.5 dB，對應的輸入電壓范圍為0.2 V~1.2 V，而該VGA能產生的可控增益有效線性范圍為-14 dB~+21 dB，對應的輸入電壓范圍為0.4 V~1.1 V。

圖2基于FPGA的AGC數字控制部分框圖

圖3　數字AGC的FPGA實現結構圖

本系統實現中，加入了sel_gain端口(位寬為3 bit)用來支持用戶根據需求選擇自動增益或其它×1、×2、×4、×8等固定增益模式，用戶實際控制中，syn_gain_in端口用來外部輸入增益同步脈沖，sel_syn端口用來讓用戶選擇產生增益的同步脈沖信號是來源于系統內部自動產生還是用戶自定義輸入，為0時，系統以引腳syn_gain_in的輸入作為增益同步脈沖信號；為1時系統以內部自動產生的脈沖作為增益同步脈沖。通過這樣的設計大大方便了用戶使用。

通過ISE13.4對實現的算法進行綜合，我們得到本文所用算法實現方法的資源占用僅為276 slice LUTs，最大時鐘頻率可達到288.763 MHz。利用modelsim對所實現的結果進行仿真驗證，如圖4所示。本文選取的測試信號輸入數據為I路“000100101100”和Q路“000000000000”，其能量屬于區(qū)間4，增益g為×2。從仿真結果圖中可以看出，初始reset信號為‘1’時，得到的fsx值為“1100001000101111”，fsx高四位“1100”為控制位，得到g為“001000101111” 即×1。初始化后，系統開始計算信號能量，并進行自動增益控制，再次得到新的增益值，此時fsx值為“1100000111011101”，得到此時的g為“000111011101”即×2，說明程序計算結果與實際相符。

圖4基于FPGA的數字AGC算法modelsim仿真結果

3結論

本系統對一種反饋式數字AGC進行了FPGA實現，并對算法進行了modelsim仿真測試，最后將程序下載到Xilinx公司的Spartan6系列XC6SL150T芯片上，完成了算法的FPGA實現。本方案實現簡單，速度快，具有較小的資源占用、更快的收斂速度，非常適合工程應用。

參考文獻:

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[2] 代濤,馮雷.基于FPGA的大動態(tài)數控AGC系統設計[J].無線電通信技術,2010,36(4):16-18.

[3] 李志騫,李大鵬,單福悅.基于數字AGC的控制算法[J].無線電工程,2012,42(6):58-61.

[4] 姜坤,王元欽,趙成斌.一種改進的數字AGC系統設計與仿真[J].科技導報,2011,29(33):42-46.

[5] 趙星.基于FPGA實現的中頻數字相干AGC的設計方法[J].四川兵工學報,2014,35(2):94-96.

[6] 陳麗,傅興華.大動態(tài)數字AGC電路設計與實現[J].無線電工程,2014,44(6):60-62.

Design and FPGA Implementation of Digital Feed-Back AGC

SHEN Tong-ping, GU Zong-yun, FANG Fang

(School of Medical Information Technology, Anhui University of Chinese Medicine, Hefei 230036, China)

Abstract:A new all-digital feedback AGC (AGC) algorithm is proposed by using hardware description language VHDL for FPGA implementation of the above AGC algorithm, and the algorithm MODELSIM simulation tests. Simulation results show that the scheme is simple, fast, and it has a smaller footprint, faster convergence. The plan can solve the wireless communication system various factors (distance, channel attenuation, electromagnetic interference, etc.), and with good prospects for industrial applications.

Key words:full-digital, feedback AGC, VHDL, FPGA

文章編號：1007-4260(2015)03-0068-03

中圖分類號：TN 9111.72

文獻標識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.03.019

作者簡介：沈同平，男，安徽無為縣人，碩士，安徽中醫(yī)藥大學醫(yī)藥信息工程學院講師，主要研究方向為信息管理、無線通信。

基金項目：安徽中醫(yī)藥大學人文社科項目(2013rw002)和安徽中醫(yī)藥大學青年項目(2012qn006)。

收稿日期：2015-01-19

網絡出版時間：2015-8-25 15:40網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20150825.1540.019.html