一種數字基帶信號增益放大器設計

代延村+張淼丹

摘要：增益放大器是對接收的微弱信號進行自適應地調整，以便通信系統的正常工作。軟件無線電技術采用全數字技術，使得系統通用性強，可靠性高等特點。基于軟件無線電技術，針對通信系統中的微弱數字基帶信號，設計一種低復雜度自動增益放大器。此放大器具有實現簡單、靈活性高、反應速率快等優點。

關鍵詞：自動增益放大器；軟件無線電；數字信號；FPGA

中圖分類號：TN911.8 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0177-02

Abstract：Automatic gain amplifier is applied to adjust adaptively the weak signals amplitude to ensure the telecommunication operate normally. The software radio technology which adopts digital signal technique makes the system with high universality and high reliability. Based on software radio technology， this paper designs a low complexity automatic gain control for the weak digital baseband signals. The controller has advantages of simple realization， high flexibility， high reaction speed and so on.

Key Words：automatic gain amplifier； software radio； digital signals； FPGA

在移動通信系統中，接收信號由于受到干擾和噪聲影響，幅度發生變化。為了保證通信的正常，需要設計一個隨著輸入信號強度的改變而改變的自動增益控制器[1]來實時調整接收信號幅度的變化。軟件無線電技術[4]突破了傳統系統以硬件為核心的設計模式，將寬帶A/D轉換器盡可能靠近射頻端，將模擬信號盡可能早地轉化為數字信號。以數字信號處理為核心，克服了硬件擴展性差的局限性。軟件無線電可實現完全的可編程性，實現通信中的各種調制方式。隨著超大規模集成電路的發展和FPGA的廣泛使用，逐漸將傳統硬件實現的功能模塊由軟件編程來實現。在四相移鍵控調制（QPSK）通信系統中，接收信號經過A/D采樣、數字下變頻和匹配濾波后，數字基帶信號位寬截取會導致幅度下降，對后續的信號均衡產生不良影響。本文基于軟件無線電技術，將幅度下降的幅度信號進行放大，提出一種簡單可行的可變增益放大器（VGA）設計。

1 基本原理

1.1 自動增益控制器（AGC）

傳統的AGC系統是模擬AGC系統，采用模擬電路方法實現自動增益控制功能。根據系統是否存在反饋電路，可分為閉環AGC系統和開環AGC系統兩種。開環AGC系統[2]的優點是動態范圍大，缺點是精度較低、慣性大、反應遲緩，對系統參數敏感等。閉環AGC系統由于反饋環路的引入，其響應時間會有所延遲，響應速度適中、對系統參數敏感度低。閉環AGC電路由比較電路、控制電路、可控增益放大電路和反饋網絡四部分構成，其結構圖如圖1所示。比較電路的作用是產生誤差信號。比較算法越合理，比較器性能越好。比較算法主要有逐次比較、中值比較等，常用的方法是直接用反饋輸入信號與參考量作差。控制電路是由誤差信號得到控制信號，達到控制可控增益放大器的目的。控制信號分為用于指示調整增益方向和增益調整大小的信號兩種。可變增益放大電路AGC電路的核心部件，用于完成增益值的產生和信號的參數調整。反饋網絡的作用是提取反饋信號，提取反饋信號幅度方法[3]有：包絡檢波算法、電平檢測算法等。在具體應用時，需根據實際情況來選擇。

1.2 軟件無線電技術

軟件無線電技術是一種無線電廣播通信技術，它基于軟件定義的無線通信協議而非通過硬連線實現。可以通過軟件更新和下載來升級空中接口協議和功能及頻帶，而不需要更換硬件電路。軟件無線電技術是一種典型的綜合性技術，需要許多基本技術的支撐。對于一個較為成熟的軟件無線電平臺來說，它所涉及的技術主要包含以下技術：射頻/微波技術、智能天線技術、采樣技術、調制解調技術、數字信號處理技術、軟件設計技術和信息安全技術等。軟件無線電技術可解決由于新技術改革帶來系統間兼容問題，可以降低由于系統設備升級改造的投入成本。減少傳統的軟件無線電系統射頻部分以及其他模擬部件，通過可編程數字信號處理器件來提高系統的靈活性，簡化了開發研制的過程。

軟件無線電的基本思想是把寬帶ADC及DAC盡量靠近射頻天線。在這個硬件平臺上要盡量用軟件技術來實現傳統技術中用硬件實現的各種功能模塊。軟件無線電技術有可重構性、靈活性和模塊化等特點，很好解決了硬件設備升級、兼容性等問題。軟件無線電系統由四個主要部分組成：接收和發射信號的天線部分、射頻前端部分、模/數轉換及數/模轉換部分和數字信號處理部分。在現代無線電通信領域中，軟件無線電作為一種新的技術，將實現以太網、藍牙、無線網絡和廣電網之間的互相兼容和無縫連接，使新一代移動通信技術提供更多有效的業務。

2 設計與仿真

2.1 系統模型

數字相移鍵控調制技術是一類性能優良的調制方式，這種調制方式由于頻帶利用率而廣泛應用于高速數據傳輸系統中。其中，最為常用的是四相相移鍵控（QPSK）。本文是基于FPGA平臺，數字下變頻是和匹配濾波都是要進行定點運算，在運算過程中必然會進行數據位寬的截短，以便降低FPGA占用資源。中頻頻率為20MHz，經過A/D采樣后，變為16位寬的數字信號，數字下變頻在FPGA中使用ROM查表法，位寬為11bits。圖2和圖3給出了QPSK解調端[5]（Eb/N0=15dB）數字下變頻后經過截短后的時域波形圖和信號星座圖。

由圖2和圖3可以看出，經過數字下變頻后，基帶信號幅度不再是恒定包絡，存在幅度變小的現象。這就需要對其進行放大，以便解調端正確解調出數據。QPSK信號解調時，分為I和Q兩路，要兩路同時進行方法，避免發生兩路信號不平衡。

對I和Q路基帶信號，分別計算每幀信號最大模值Amax，有兩種方法進行控制增益放大器。第一種是對上幀數據按進行歸一化，這種方法需要運用除法運算，占用FPGA資源多和計算精度低，因而本文不采用歸一化方法來控制增益放大器。第二種方法如圖4所示，根據幅度值Amax前幾位為零，來控制增益放大器的放大倍數。這種方法在FPGA中，實現十分簡單，直接進行兩路同時左移放大信號。

2.2 仿真結果

對上面提出的基帶信號增益放大器進行仿真，仿真結果如圖5和圖6所示，具體仿真條件與上節相同。由圖6可以看出，基帶信號時域波形接近橫幅，無明顯幅度畸變。同時，由圖6可以看出，經過增益放大器后，基帶信號的星座圖更緊湊。

3 結語

本文所提的數字基帶信號增益放大器，通過軟件無線電技術，在FPGA內部通過軟件補償由于數字下變頻的定點運算對信號幅度產生的衰減。這種方法具有實現簡單，復雜度低，相應速率快等特點。但是，這種增益放大器不具有衰減功能，由數據超出滿量程而造成的畸變，無法進行補償。

參考文獻

[1]樊昌信，張甫翊.徐炳祥通信原理[M].北京：國防大學出版社，2006.

[2]賴小強，李雙田.數字閉環自動增益控制系統設計與實現[J].網絡新媒體技術，2013.

[3]李磊，朱長根.全數字接收機中的 AGC 設計與數字化實現[J].重慶科技學院學報，2008，10（2）：1-4.

[4]栗欣，許希斌.軟件無線電原理與技術[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5]劉翠海，溫東，姜波，李詮娜.無線電通信系統仿真及軍事應用[M].北京：國防工業出版社，2013.