4G系統中數字AGC技術研究與FPGA實現*

許　飛，郭強勝,張　雷,隋天宇

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川 成都 610041)

?

4G系統中數字AGC技術研究與FPGA實現*

許飛，郭強勝,張雷,隋天宇

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川 成都 610041)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61174025)

摘要：在4G無線通信系統中，需要自動增益控制 (Automatic Gain Control，AGC) 模塊來擴大接收機的動態范圍，同時保證系統響應時間。提出了一種基于4G下行同步碼平均功率檢測的數字AGC算法，在同步信號的控制下，此算法運用滑動窗方法在一定時間內來提取相關運算平均功率的最大值，然后在查找表內查找出此時的控制字，最后經過運算后送入數控衰減器。此算法運用MATLAB進行仿真驗證，然后在FPGA內進行了設計與實現。測試結果表明，該算法功能正確，且系統響應時間快速。

關鍵詞：AGC；同步碼；查找表；FPGA

0引言

模數轉換器(Analog Digital Converter，ADC)在數字接收機中得到廣泛應用，4G通信不斷采用的新技術，對接收機的ADC采樣速度和動態范圍提出了更高的要求。在實際使用中，由于量化噪聲、孔徑抖動、差分非線性失真、熱噪聲等誤差源的影響，引起ADC輸入動態范圍及有效輸出位數的下降，從而限制了中頻信號輸入動態范圍，無法同時滿足4G系統處理速度和動態范圍的需求[1-2]。為了提高4G系統動態范圍，在接收機中普遍采用自動增益控制電路(Automatic Gain Control，AGC)[3-4]。在大多數情況下，由于路徑的衰落，AGC通常用來測量輸入解調器的有效信號電平,并且通過反饋控制電路把信號電平控制在要求的范圍內[5]。

本文提出一種快速響應反饋式AGC技術，此技術充分利用4G系統中用于幀同步的同步ZC序列，計算出此序列的功率，然后進行查表操作，得出的控制字作用于數調可控的可變增益放大器，實時調整信號的增益，把信號電平控制在要求的動態范圍內，滿足ADC優化采樣的要求，提高4G系統的動態范圍，減少量化誤差帶來的影響。同時快速收斂的此AGC模塊保證信號分析具有一定的實時性，非常適合移動速度不大于90 km/h動中通的應用場景?；诓檎冶淼目刂品绞奖ＷC了AGC調整的穩定性和準確性，有效的避免了突發包下AGC的抖動效應，極大的提高了系統性能。

1AGC總體方案設計

在本設計中，射頻前端通過模擬下變頻后產生模擬中頻信號，然后該中頻信號經過數控衰減器進行增益的縮放處理，最后數控衰減器輸出的中頻信號經過ADC轉換為數字中頻信號，經FPGA內部的數字下變頻DDC模塊后轉換為數字基帶信號，送入同步信號處理模塊來進行同步峰值的查找。此AGC模塊通過計算同步信號的功率來控制數控衰減器的增益，使ADC工作在理想的幅值區間。AGC增益控制算法在數字部分來實現，通過此AGC模塊，可以有效的提高4G通信接收機鏈路的動態范圍(+10 dBm～-98 dBm)。

AGC系統組成圖如圖1所示，基帶信號經過同步信號處理模塊后送入信號幅值提取模塊，在該模塊中設置了信號提取窗，窗的大小根據實際系統的應用場景來確定，本文設計1 ms的提取窗，在該窗內完成信號幅值的平均值計算和最大值的提取。然后進入查找表模塊查找出當前情況下的衰減器控制字送入控制字生成模塊。在該模塊中利用當前的控制字和前一個時刻的控制字相加的結果來作為本次調整的最終控制字，然后作用于數控衰減器，完成一次AGC的調整，使ADC始終工作在最佳電平值，減少量化誤差帶來的不良影響。

圖1　AGC系統組成圖

上圖中ADC的溢出指示信號需要送入查找表模塊，當溢出指示信號有效時，查找表控制算法進入特殊處理流程，迅速進行大跨度的向下調節，第一時間迅速擺脫ADC的飽和狀態，然后再以正常的查找表流程來調節數控衰減器，達到ADC最佳工作電平。

2AGC系統的MATLAB仿真

下面分析AGC模塊閉環環路仿真情況。本設計輸入信號為單頻信號，頻率為fi=3 MHz，采樣率fs=60 MHz，即每周期20個樣本。數控放大器模擬為乘法器。信號幅值提取電路采用上文介紹的模塊設計，也就是說，輸出信號的能量不是輸入信號在時刻n的絕對值，而在提取窗內的最大值平均值。查找表根據目標參考平均值0.2設計成具有108檔的查找表。輸入信號幅度設計為[0.3、0.9、0.6、0.3]，如下圖所示。設定誤差門限為Ei=0.005，當誤差小于該值時不作調節，設計參考平均值為0.2。

取窗寬N=3，圖2為經過此模塊后調節后的輸入和輸出信號?？梢?，經過AGC環路調節后，輸出信號幅值較穩定，波形失真小，收斂速度快。收斂后系數在小范圍內波動，誤差變化值不大。由于每個周期的樣本數為20，而滑動窗寬度僅為3，輸出信號的能量以窗內絕對值均值最大值表示，該值隨樣本點有一定的波動，導致收斂后的誤差值周期性變化，并進一步引起增益系數的變化。

圖2　窗寬為3的調節前后的信號

滑動窗寬度影響信號能量的檢測，當點數N=round(fs/2fi)時，絕對值的均值具有代表性，其中round表示取整數。在本例中，N=10正好是半個周期。輸入信號與上面相同，輸出信號和增益系數如上圖3所示。以半周期點數為窗寬度，逐點滑動時，信號絕對值之和為固定值，當系數調節該值與參考值之差小于門限盡后，增益系數不再變動。圖3的信號幅度同上，樣本數略有增加。噪聲使增益系數在一定范圍內波動，但均值仍然符合規律。

對于一般的調制信號，此時的滑窗寬度應該為N=round(fs/2fo)，其中fo是調制頻率。如果本例中以窗內平均運算的最大值為輸出，則相當于求信號包絡。在模擬AGC中，信號檢測單元也常采用包絡檢波器。但是，最大值易受噪聲和干擾影響，仿真結果不穩定，因此本系統采用滑窗內同步信號絕對值的最大平均值為調節依據。

圖3　窗寬為10的調節前后的信號

3AGC系統的FPGA實現

根據AGC所實現的功能，再結合FPGA的特點和FPGA的設計思想，我們在FPGA中將AGC模塊分為如下幾個部分來實現：

3.1同步碼平均功率計算

計算下行同步信號功率是AGC中最為重要的一個算法。4G系統中每個幀結構具有10個子幀，每個子幀有14個OFDM符號。在一幀10 ms的時間內數據是連續的，但數據在幀與幀之間不一定是連續的。當數據不連續時，只能求出下行同步碼的功率值，以此為依據控制數控衰減器。

由4G系統的幀結構可知，下行同步碼在特殊子幀S進行發送，此同步碼PSS序列占用62個子載波，其左右兩側各保留5個空閑子載波作為保護間隔。在FPGA中，通過相干檢測法檢測出此同步序列的精確位置，并將此同步指示信號送入AGC模塊。在AGC模塊接收到此指示信號后，提取1ms內最大的同步平均功率值作為此時同步碼的功率。具體方法如下圖4所示。

圖4同步碼功率提取過程

上圖中的信號幅值提取電路也是決定數字AGC性能的關鍵電路之一，在信號功率提取電路部分,為了滿足AGC系統的快速響應和穩定性的要求，主要采用數字雙斜率濾波技術。由于噪聲的擾動，反饋環路輸人的信號x(n)抖動是比較大的，如果輸入不經過處理就會影響AGC的穩定性和響應時間，所以求同步序列功率之后和送入比較器之前首先提取信號的包絡，這樣進人比較器的值就會變化起比小也更能實際反應信號的功率。

此電路分為兩部分，圖上半部分是功率網絡，按照AGC控制要求對輸人同步信號功率進行計算，圖下半部分的網絡是取大電路，經過功率計算的輸出保留M個輸出值，然后從中選擇最大的作為信號功率提取電路的輸出，各部分信號之間的關系為：

(1)

V(n)=max{p(n),p(n-1),…,p(n-M+1)}

(2)

由FPGA根據傳過來的數據,通過相干檢測法檢測出同步信號的精確位置，并記錄下位置參數。FPGA收到這一點的位置后，立即停止使用其自身檢波法求出的功率值，并產生圖中的同步指示信號。根據傳過來的同步指示信號的位置， 開關模塊的具體過程如下圖5所示。每次當同步指示信號有效后，開關打開，1 ms計數器開始工作，將平均值數據流送入求最大值單元。當1 ms計算器計滿后，開關關閉，輸出在1 ms時間的最大平均值V(n)，同時啟動另一個0.5 s的計數器。在兩個計數器工作的時間內，屏蔽同步指示信號對本模塊的作用。需要注意的是，本模塊0.5 s的時間除了作為AGC模塊的控制字在系統上的響應時間，另一方面也有效的避免了AGC模塊的頻繁動作帶來的不良后果。

圖5　開關單元的示意圖

3.2查找表控制算法

同步碼平均功率計算模塊通過平方、緩存、累加、右移鎖存、最大值比較等一系列操作，最終得出32位同步碼平均功率值，送至AGC查找表控制算法模塊。在ADC溢出指示的控制下，此模塊通過將32位同步碼平均功率值與預設的數據進行比較，得出系統所需要的增益值。

下圖a為預設的功率00000000H～FFFFFFFFH的劃分，劃分區間4(EB9822AH～ 1798A64AH單元)為最佳功率區間，當輸入信號平均功率落在區間4時，此時的功率值滿足系統的要求，不需要在此時的控制字上進行放大或衰減。當輸入信號功率落在其他區間時，需要進行相應的放大或衰減。需要注意的是，本文設置了一個虛擬區間0，當ADC的溢出指示信號有效后，認為輸入信號的平均功率落在區間0內，然后按照區間0設計的規則，進行大跨度的向下調節，以達到迅速調整的目的。

圖6　查找表算法流程圖

上圖b為AGC控制算法流程圖，圖中示出了當輸入信號功率落在不同的區間時需要提供的放大或衰減倍數，值得注意的是，為了保證系統的穩定性，區間4應在保證合理的情況下盡量的寬松，為抖動提供一定的緩存空間，可有效的預防由于抖動帶來的不良影響。根據不同的ADC設計不同的最佳電平區間，本文設計的區間為-15 dBm～-25 dBm，其他區間以5 dBm作為電壓增量值。從圖a及圖b可以看出，經過相關放大或衰減后，輸入信號功率被調整至最佳功率區間。

3.3控制字生成

經過查找表控制算法得出的控制字并不能實際作用于數控衰減，需要送入控制字生成模塊來完成實際控制字的計算。本文采用的衰減量的控制位數為6位，對應62 dB的調節量。當控制字為“000000”時，對應為全放大62 dB，當控制字為“111110”時，對應為0 dB放大。當系統初始上電時，初始控制字為“000000”，當一個新的控制字到來時，與前一時刻的控制字進行補碼加法運算，作為當前時刻的控制字。如下圖7所示，當當前時刻控制字小于0時，則取值為0；當相加后當前時刻控制字大于62時，則取值為62；當相加后當前時刻控制字小于0時，則取值為0；當相加后當前時刻控制字在0與62中間時，按原值輸出。

圖7　控制字生成流程圖

4結語

在4G通信中采用快速響應反饋式AGC技術具有重要意義，它可以最大程度保證信號工作在ADC最佳區間內，大大提高4G系統的動態范圍。本文研究了同步碼平均功率計算、查找表控制計算、控制字生成等算法，并運用MATLAB進行仿真驗證，然后在FPGA內進行了設計與實現。測試結果表明，該AGC模塊可以有效提高4G通信接收機鏈路的動態范圍，且系統響應時間快速。通過對滑動窗寬度、查找表功率區間、控制字進行適應性參數調整，可以將該數字AGC算法應用在雷達接收機、電子對抗、電子戰等需要提高系統動態范圍的通信系統中。

參考文獻：

[1]王健，任廣輝，楊水旺.基于FPGA的快速自動增益控制系統設計[J].自動化技術與應用, 2006, 25(12):67-69.

WANG Jian,REN Guang-hui,YANG Shui-wang.Design of a Fast Automatic Gain Control system based on FPGA[J]. Techniques of Automation and Applications,2006,25(12):67-69.

[2]王芙蓉, 王雪松，陳印峰.3G系統中AGC的FPGA設計實現[J].現代電子技術, 2007, 33(08):168-172.

WANG Fu-rong,WANG Xue-song,CHEN Yin-feng.FPGA Design Implementation of AGC in 3G[J].Modern Electronics Technique,2007,33(08):168-172.

[3]韓堯, 秦開宇，彭啟琮.基于數字補償的實時自動增益控制技術研究[J].電子科技大學學報, 2007, 36(01):79-81.

HAN Yao,QIN Kai-yu,PENG Qi-zong.Research on Real-Time Automatic Gain Control based on Digital Compensation[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2007,36(01):79-81.

[4]耿云輝, 馮西安, 張路.一種大動態范圍AGC電路的設計與實現[J].微處理機, 2012, 33(03):20-24.

GENG Yun-hui,FENG Xi-an,ZHANG Lu.Design and Implementation of a Large Dynamic AGC Circuit[J].Microprocessors, 2012,33(03):20-24.

[5]王軍艷, 李懷金.數字AGC技術研究與FPGA實現[J].通信技術, 2012, 45(12):145-148.

WANG Jun-yan,LI Huai-jin.Study on Digital AGC Technology and Its FPGA Implementation[J].Communications Technology,2012,45(12):145-148.

許飛(1979—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為網絡通信和硬件設計；

郭強勝(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為網絡通信和硬件設計；

張雷(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為寬帶無線通信；

隋天宇(1983—)，男，博士，工程師，主要研究方向為通信與網絡系統設計。

術語百科Technical Terms

網絡彈性

網絡彈性就是指網絡系統所具備的一種即使在系統遭受破壞的情況下也能正常安全運行的能力。提高網絡彈性并不是追求建立一種完美無暇的系統來對抗攻擊，而是綜合運用防御、偵查、自適應、操作響應設計策略和技術來動態響應當前和未來的網絡攻擊。當前網絡威脅愈演愈烈、無處不在，而且具有復雜性、自適應和持續性等特點，期望完全抵御各種威脅已不再可能，網絡防御重點從網絡保護向遭受攻擊后仍能確保任務的有效性方向轉變，即開展網絡彈性研究。網絡彈性不僅解決網絡抵御風險的能力，更加側重事前主動解決網絡系統的承受能力、吸收能力和恢復能力。網絡彈性是網絡空間安全的一道更具寬度和厚度的閘門，包含了原來的防御和應急響應，變事后為事前，化被動為主動。更重要的是，它為戰勝高級持續性威脅(APT)攻擊提供了有效方法。網絡彈性的研究當前面臨的主要問題是如何獲得彈性，包括如何在彈性特征是有限的、未知的或可能未知的系統組件上構建彈性系統；如何表示彈性特征，然后在系統的研究生命周期內評價和度量這些彈性特征。

Digital AGC Technology and Its FPGA Implementation in 4G System

XU Fei，GUO Qiang-sheng，ZHANG Lei，SUI tian-yu

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041,China)

Abstract：In 4G wireless communication system, AGC (Automatic Gain Control) module is needed to expand dynamic range of the receiver while maintain response time of the system. A digital AGC algorithm based on 4G downlink synchronization codes detected by the average power is proposed. Under the control of synchronization signal, this algorithm extracts the maximum average power of correlation operation within a certain time via a sliding window method, then finds the control word at the very time in the lookup table and finally sends it into the digital-controlled attenuator after calculation. This algorithm is verified with MATLAB simulation, and its design and implementation is successfully done in the FPGA. Test result indicates the correctness of this algorithm and fast response time of the system.

Key words：AGC; synchronization code; lookup table; FPGA

作者簡介：

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)07-0865-05

基金項目：國家自然科學基金(No.61174025)

收稿日期：修回日期：2015-05-19Received date:2015-03-11；Revised date：2015-05-19

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.023