一種基于FPGA的信道多級AGC控制方法

蘇鋒 李飛 陳佳鑫

摘? 要：通信系統接收機的信號接收單元一般采用自動增益控制（AGC），文章針對通信系統接收機設計需具備大動態接收范圍的發展需求，提出了一種基于FPGA的信道多級AGC控制方法。該方法主要由大信號抑制控制單元、開環AGC控制單元和閉環AGC控制單元串聯組成多級控制系統，實現對通信系統接收機信道大動態范圍信號強度的有效AGC控制。試驗驗證表明：該控制方法實現了對接收機接收信號高控制精度和快速反應時間的可靠控制。該控制方法，具有防止大信號失真、輸出信號電壓穩定、響應速度快、大動態范圍和抗干擾性能較好等優點。

關鍵詞：通信系統；接收機；大動態范圍；自動增益控制；多級串聯

中圖分類號：TN85? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）07-0062-03

Abstract： The signal receiving unit of communication system receiver generally adopts Automatic Gain Control （AGC）. This paper proposes a channel multi-level AGC control method based on FPGA to meet the development requirements of communication system receiver design with large dynamic receiving range. This method mainly consists of a large signal suppression control unit， an open loop AGC control unit and a closed loop AGC control unit in series to form a multi-level control system， which can realize the effective AGC control of signal strength of the communication system receiver channel in a large dynamic range. The experimental results show that this control method can achieve reliable control of high control accuracy and fast response time of the received signal of the receiver. The control method has the advantages of preventing large signal distortion， stable output signal voltage， fast response speed， large dynamic range and good anti-interference performance.

Keywords： communication system; receiver; large dynamic range; automatic gain control; multi-level series connection

0? 引? 言

在無線通信系統中，接收信號容易受障礙物、發射機功率大小、發射機與接收機之間距離及接收機位置變化等多因素的影響，使得天線接收到的信號強度出現較大的起伏變化，以致信號過小造成有用信號丟失，過大會過載失真，接收機可能無法正常解調信號，降低了接收機的性能[1]。隨著軟件無線電技術的快速發展，需要無線通信系統接收機的射頻接收單元提供更高的靈敏度、更大的接收動態范圍，以及更好的抗干擾能力。信號動態范圍的增大對接收機的設計提出更高的要求，而自動增益控制（AGC）是一種很好的增大信號接收動態范圍的手段[2]。在接收機信號接收的過程中，接收機自動增益控制（AGC）策略的優劣將直接影響到接收機靈敏度、噪聲系數、動態范圍等指標的性能優劣。

自動增益控制（AGC）系統作為通信設備的重要組成[3]，在前端接收到的信號較微弱，不能直接滿足后端處理的情況下，AGC系統通過相應的響應為接收機提供較高的信號放大能力，提高其信道總增益；在前端接收到的信號較大時，超出后端處理所能承受的情況下，AGC系統通過相應的響應及時降低接收機的增益，確保接收機線性工作，減小輸出失真，避免因大信號的輸入造成接收機的堵塞[4]。因此，在通信系統接收機模塊中，自動增益控制（AGC）的控制策略，直接影響到系統接收機的性能指標。

1? 通信系統接收機信道AGC控制過程

1.1? 接收機信號接收通路接收AGC的組成

接收機信號接收組成框圖如圖1所示。由圖可知，接收機的接收通路主要包括：濾波器單元、混頻單元、模擬AGC單元、數字AGC單元、AGC控制算法單元和基帶處理單元。接收機AGC控制單元主要分為：模擬AGC控制和數字AGC控制兩部分。接收機信道AGC的控制主要是設計AGC控制算法，通過合理的算法對模擬AGC單元和數字AGC單元進行合理的控制，最終輸出低延時、穩定不失真的數字信號供基帶處理單元處理。

隨著集成電路的技術發展，高性能的A/D和D/A模數轉換器不斷地推陳出新，目前應用于通信系統的A/D和D/A模數轉換器信號輸入動態范圍達到了50 dB甚至更高，同時內部集成了數字AGC技術，在芯片內部就可以根據檢測的信號場強完成AGC過程。但是在信號強度接收動態范圍要求較大的通信系統中，接收機的動態范圍一般要求在-120 dBm～0 dBm之間，因此在接收機系統設計中，在接收信道上，要求通過對模擬AGC的控制達到通信系統要求的動態范圍指標。

1.2? 接收機模擬AGC控制方式

常見的AGC控制系統分為前饋型AGC控制系統和反饋型AGC控制系統[4]。反饋型AGC控制系統原理框圖如圖2所示，控制通道通過檢測可變增益放大器輸出信號的場強作為增益控制的輸入信號，產生控制信號，調整可變增益放大器的增益參數，完成反饋型AGC環路控制。前饋型AGC控制系統原理框圖如圖3所示，控制通道通過檢測射頻輸入前端信號的場強作為增益控制的輸入信號，產生控制信號，調整可變增益放大器的增益參數，完成前饋型AGC環路控制。

在兩種AGC控制系統中，反饋型AGC系統優點是能以一定的準確度保持系統輸出電壓幅度穩定，并且對系統參數的變換具有魯棒性，但是反饋型AGC系統存在抗干擾性差、控制穩定所需時間長等缺點，開環AGC系統優點是在輸入信號幅度發生一些變化時，電路仍然可以做到輸出幅度的不變，并且這種結構具有時間建立迅速的優勢，缺點是對系統參數的變化敏感[5]。在系統設計中，單一方式的AGC控制方案，很難滿足接收機接收信道的低噪聲、抗干擾和大動態范圍等各項性能指標的要求，因此，本文提出了一種由兩種AGC控制方式串聯組成的多級AGC控制方法。

2? 基于FPGA的接收機信道AGC控制方法

2.1? 基于FPGA的信道AGC控制方案實現

基于FPGA的信道多級AGC控制方案原理框圖如圖4所示。整個接收信道主要分為射頻前端接收單元、一中頻接收單元和二中頻接收單元。射頻前端接收單元主要由電調濾波器、射頻場強檢測、可控增益控制和數控衰減器組成了一組前饋型AGC控制單元，實現了一定程度的大信號抑制和小信號的放大；一中頻接收單元主要由混頻器、低噪放、晶體濾波器和數控衰減器組成了一組反饋型AGC控制單元，實現了信道低噪聲的放大和線性控制；二中頻接收單元主要由混頻器、低通濾波器和可控低噪聲放大器器組成了一組反饋型AGC控制單元，實行接收機中頻輸出信號的穩定性。

2.2? 信道AGC控制算法設計

根據前面分析，接收機整個接收機由射頻前端AGC模塊、一中頻AGC模塊和二中頻AGC模塊組成了三級AGC控制系統。每一級的方法及增益控制范圍如圖5所示，系統設計中ADC模數轉換器模擬輸入信號強度動態范圍為66 dB，ADC最大不失真輸入信號強度為-28 dBm。AGC控制目標輸入模數轉換器ADC信號強度為-30 dBm。

根據前面分析，整個信道的AGC控制算法如下：

在二中頻控制單元，理想的ADC模擬信號輸入強度為-30 dBm，二中頻可控增益放大器的動態控制范圍為0～42 dBm，所以可控增益放大器前端輸入信號強度的起控范圍為：-72～-30 dBm。整個控制過程中FPGA通過讀取AD9364寄存器內的場強值2IF_RSSI，作為控制回路的反饋信號，FPGA根據反饋信號輸出數字控制信號至DA數模轉換器，DA數模轉換器輸出0～1 V的控制電壓控制可控增益放大器的增益，放大器增益和控制電壓程線性關系。

在一中頻控制單元，根據系統增益分配圖可知，一中頻理想的信號輸出范圍為：-64～-22 dBm，為了提高信號質量，一中頻控制單元中的增益放大器都是固定增益的低噪放，整個控制單元鏈路的固定增益為21 dB，所以在一中頻的AGC控制中，FPGA根據一中頻的場強信號IF_RSSI強度輸出ATT_CONT2控制信號控制數控衰減器2，衰減器的衰減范圍為-30～0 dBm，所以一中頻信號強度的起控輸入范圍為-85～-13 dBm。

在射頻前端控制單元，為了防止大信號輸入造成后端信號阻塞和信號輸入過小造無法達到后端處理信號的最小線性信號輸入要求，FPGA通過檢測RF_RSSI的場強控制AGC_RF1和AGC_RF2的組合電平選擇是否旁路固定增益23 dB的低噪放，數控衰減器1的衰減范圍為-30～0 dBm，所以射頻前端信號強度輸入的起控范圍為-104～21 dBm。

在微小信號輸入的情況下，整個接收機接收通路增益為74 dB，所以當輸入信號強度為-120 dBm時，模數轉換器ADC的輸入信號強度為-46 dBm，完全滿足器件輸入要求的信號強度，所以輸入信號強度在-120～21 dBm的范圍內時，通過多級AGC的控制完全能實現中頻信號的穩定輸出。

3? 分析及驗證

通過以上分析，當信號強度小于-104 dBm時接收機接收通路增益完全放開，當信號在-104～21 dBm范圍內時接收機中頻輸出信號強度可以穩定地控制在-30 dBm，當射頻信號強度大于21 dBm時輸出中頻信號將大于-30 dBm超出可控范圍。為驗證系統的控制效果，用信號源產生信號強度為-110、-100、-80、-50、-20 dBm和20 dBm的信號作為系統射頻信號的輸入，按照超短波頻段分別選擇30 MHz、55.25 MHz和87.975 MHz三個頻點進行測試，通過頻譜儀觀測中頻信號的輸出，判斷輸入輸出信號是否符合系統設計要求。測試結果如表1所示。

試驗結果表明，在輸入信號強度為-110 dBm時，AGC控制放開所有通路的衰減，各放大器設置到最大值，信道總的增益達到最大值，確保信號在靈敏度附近時有足夠的增益；在輸入信號強度范圍在-100～20 dBm的范圍時，處于接收機的起控范圍，中頻信號實現穩定的輸出，確保接收信號不失真。測試結果數據表明，系統AGC控制的誤差范圍能夠控制在1 dBm以內，達到了較好的穩定性。

4? 結? 論

本文提出了一種基于FPGA的信道多級AGC控制方法。該方法由接收機射頻前端前饋型AGC、一中頻反饋型AGC和二中頻反饋型AGC模塊組成串聯控制系統，該系統兼顧了前饋型AGC和反饋型AGC的優點，同時規避了兩種AGC的缺點，具有大動態范圍調整能力和防止大信號輸入造成接收通路阻塞的控制能力。試驗表明，該控制方法的實測結果均與號各項參數值與理論計算值相符，達到設計指標要求。與單一的前饋型AGC和反饋型AGC系統相比，具有系統反應時間短、動態調整范圍大和抗干擾性強等優點。

參考文獻：

[1] 施揚喜，趙利，梁儀慶，等.軟件無線電接收機的AGC信號處理算法及控制模型的設計與實現 [J].現代計算機，2020（21）：3-7.

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[3] 曹鵬，齊偉.寬帶無線通信收發信機新技術 [M].北京：電子工業出版社，2009：8-23.

[4] 蔡朝鋒.VHF超短波電臺接收機設計與實現 [D].成都：電子科技大學工程碩士學位論文，2018：1-6.

[5] 魏海剛，王雷，王濤濤.基于FPGA的一種通信設備大動態范圍AGC實現方法 [J].現代導航，2019，10（3）：204-208.

作者簡介：蘇鋒（1986—），男，漢族，廣西北海人，工程師，碩士研究生，研究方向：數字信號處理。