0 引言

    在多變的城市和自然環(huán)境中，無線信號幅度因為多徑衰落等復(fù)雜因素而出現(xiàn)較大的動態(tài)范圍和峰均比，自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)可以將信號幅度穩(wěn)定在接收機(jī)的工作范圍內(nèi)，對接收機(jī)后續(xù)電路的正常工作有著重要作用。文獻(xiàn)[1]提出的一種前饋-反饋混合AGC結(jié)構(gòu)，具有110 dB的動態(tài)范圍，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且非恒包絡(luò)信號收斂時間過長。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于查找表的級聯(lián)步進(jìn)式增益調(diào)整方式，可有效增大動態(tài)范圍，減小高增益對接收機(jī)噪聲系數(shù)和線性度的影響，且電路簡單，適用于實時性和低成本的無線接收機(jī)。文獻(xiàn)[3]提出了一種新型的AGC針對LTE信號傳輸模式中的TM2和TM3信號進(jìn)行增益控制，充分利用了ADC量化范圍且輸出信號峰均比保持不變，但其AGC的開環(huán)結(jié)構(gòu)精度有限且穩(wěn)定性不高。文獻(xiàn)[4]提出的非恒包絡(luò)信號的處理算法也對本文有參考意義。在沒有采用均衡技術(shù)補償信號衰落的情況下，高達(dá)30 dB的衰落會對AGC的功率估計產(chǎn)生極大的影響，在衰落谷時可能會使信號小于噪聲門限，從而被判斷為噪聲，此時，僅針對平穩(wěn)信號設(shè)計的AGC^[2，5]將很難對信號進(jìn)行正確的檢測和增益控制。信號峰均比較大時，對解調(diào)無明顯影響，而且解幀誤碼率也可控制在3%以內(nèi)，因此，解決有效信號功率估計時的誤判問題和如何對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鲆媸潜疚闹攸c；此外，由于設(shè)計時使用前導(dǎo)碼來進(jìn)行IQ補償、位同步和頻偏校正，因此要求AGC收斂時間控制在6.25 ms以內(nèi)。

1 dPMR數(shù)字對講機(jī)接收機(jī)

    dPMR數(shù)字對講機(jī)的接收機(jī)^[6]結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入信號經(jīng)過前端的低噪聲放大器(LNA)放大，隨后混頻得到中頻信號；再經(jīng)過跨阻放大器(TIA)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鲆妫㈦娏餍盘栟D(zhuǎn)換成電壓信號；然后進(jìn)行低通濾波提高信噪比，最后通過可變增益放大器(VGA)進(jìn)行增益微調(diào)，提高精度；經(jīng)ADC采樣后得到數(shù)字信號，I、Q兩路信號輸入數(shù)字自動增益控制模塊(DAGC)用于增益計算，得到的增益系數(shù)分別反饋到前端的放大級，最終將輸出信號功率穩(wěn)定在期望功率附近。圖1中DAGC模塊主要的算法分為信號檢測和增益調(diào)整兩部分，在第2節(jié)中進(jìn)行介紹。

2 DAGC算法設(shè)計

2.1 平均絕對誤差信號檢測法

    常用的信號檢測方法^[7]主要有峰值檢測(peak detectors)、平均絕對誤差檢測(MAD)和平方根檢測(RMS)等。本文選用算法結(jié)構(gòu)相對簡單、削波現(xiàn)象較少的平均絕對誤差檢測，圖2為文獻(xiàn)[8]提出的一種基于MAD的DAGC結(jié)構(gòu)，其增益迭代方程如下：

    對圖2結(jié)構(gòu)的DAGC進(jìn)行初步仿真的結(jié)果如圖3所示。仿真中出現(xiàn)了如下問題：在圖3中橢圓標(biāo)識處，輸入信號有兩處衰落谷，其功率小于設(shè)置的噪聲門限，第二行的valid信號波形被拉低，系統(tǒng)判斷輸入為噪聲，導(dǎo)致AGC系統(tǒng)復(fù)位，從而使后續(xù)電路中斷了對當(dāng)前信號的處理，使得一幀數(shù)據(jù)無法完整接收，數(shù)據(jù)傳輸效率較低。

2.2 改進(jìn)的信號檢測算法

    針對上述問題，在保證AGC系統(tǒng)對信號幅度波動具有良好跟蹤性的前提下，本文作出以下改進(jìn)：(1)將滑動平均得到的功率值P₁、P₂、P₃，匹配合適的加權(quán)系數(shù)后用于判決，這樣可以進(jìn)一步使信號功率曲線變得平滑；(2)根據(jù)不同情況匹配不同的延時時間常數(shù)，通過計數(shù)器的延時和循環(huán)判決，保證在有效信號期間，持續(xù)時間較短的小功率信號不會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。改進(jìn)后的DAGC結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    圖4中滑動平均濾波^[9]模塊如圖5所示，T_n時刻滑動窗內(nèi)的被采樣信號分為連續(xù)3段，每段的平均功率為P₁、P₂、P₃，在T_n、T_n+1、T_n+2時刻，采樣窗口持續(xù)向右滑動。

    圖4中虛線框標(biāo)識的加權(quán)延時判決的流程如圖6所示，其中P_f=aP₁+bP₂，P_r=aP₂+bP₃，a、b為匹配的加權(quán)系數(shù)，P_f、P_r分別為加權(quán)得到的當(dāng)前時刻、下一時刻的平均功率值，經(jīng)多次實驗設(shè)定a=0.3、b=0.7時效果最佳。AGC系統(tǒng)加入該判決模塊后，既能及時復(fù)位系統(tǒng)，降低后續(xù)電路的功耗，又能有效避免處理衰落信號時對小功率有效信號的誤判，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

2.3 增益調(diào)整算法

    在DAGC中，增益調(diào)整算法主要分為線性DAGC(LDAGC)和對數(shù)空間線性DAGC(LSLDAGC)。LSLDAGC算法相比于LDAGC算法在硬件實現(xiàn)上要更復(fù)雜，但其重要的優(yōu)勢是收斂速度更快，更穩(wěn)定。因此，本次設(shè)計基于LSLDAGC算法，采用三級增益級有限聯(lián)調(diào)的方法進(jìn)行增益調(diào)整。

    LSLDAGC算法中增益調(diào)整量與估計值和參考值的比值的對數(shù)成正相關(guān)，兩相鄰增益的關(guān)系如下：

式中，μ為自定義系數(shù)，R′表示期望的信號幅度，G(n)和x(n)分別表示n時刻的環(huán)路增益和輸入信號幅度，|G(n)x(n)|則表示n時刻輸出信號的幅度，令R=|G(n)x(n)|，可將式(2)化為：

    式(5)左側(cè)表示上一時刻到當(dāng)前時刻增益值在dB單位下的調(diào)整量，當(dāng)自定義參數(shù)μ=1時，右側(cè)剛好表示參考功率值和估計功率值在dB單位下的比值。因此由式(5)可確定當(dāng)前時刻的增益G(n)。環(huán)路總增益由三部分組成，其增益步進(jìn)和范圍如表1所示。

    增益調(diào)整算法流程如圖7所示，error為輸入信號功率與期望值的差值。其中采用合適的增益級優(yōu)先調(diào)整策略來優(yōu)化環(huán)路噪聲性能，理論上，DAGC環(huán)路總增益可以在14 dB~110 dB之間以1 dB的精度進(jìn)行調(diào)整，但是實際上要根據(jù)系統(tǒng)允許的調(diào)整次數(shù)(本文設(shè)定為4次)而定，采用限制增益調(diào)整次數(shù)的機(jī)制，可有效減少不必要的調(diào)整時間，同時避免系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。此外，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和低功耗，在|error|<3，即信號功率波動在±3 dB以內(nèi)時，鎖定AGC，保持當(dāng)前增益值不變，所以，實際調(diào)整精度可達(dá)到1 dB，但可能存在3 dB以下的波動。

3 仿真結(jié)果

    本節(jié)將設(shè)計的AGC算法用于圖8所示的dPMR數(shù)字對講機(jī)接收機(jī)模型進(jìn)行仿真。MATLAB建模框圖如圖8所示，其中g(shù)smTUx12c2和AWGN均為MATLAB中的標(biāo)準(zhǔn)信道模型，vga_gain、tia_gain和lna_gain分別為上述3個增益級的增益值。具體的仿真環(huán)境如表2所示。

    仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，兩圖中從上至下依次為輸入信號電壓值(input)、輸入數(shù)據(jù)有效的標(biāo)志信號(valid)、增益調(diào)整的標(biāo)志信號(tune)、環(huán)路總增益(gain)和輸出信號電壓值(output)的仿真結(jié)果，其中輸入信號如圖中標(biāo)識所示，由噪聲和不同功率的有效信號組成。

    高斯信道下的仿真結(jié)果如圖9所示，輸入為噪聲時AGC會復(fù)位，為有效信號時則進(jìn)行增益調(diào)整。根據(jù)valid信號可以準(zhǔn)確地識別有效信號和噪聲，從而控制后續(xù)電路是否工作。tune信號置1即表示正在進(jìn)行增益調(diào)整，其中第4段數(shù)據(jù)收斂時間最長，如游標(biāo)所示，其增益調(diào)整的收斂時間為：=5.78 ms<6.25 ms，滿足設(shè)計要求；gain信號給出的增益調(diào)整值均可將信號功率調(diào)整至期望值0 dBm；輸出信號波形穩(wěn)定，其橢圓標(biāo)識出的短暫的飽和現(xiàn)象是由于功率估計的采樣延時引起的，不影響系統(tǒng)性能。

    瑞利信道下的仿真結(jié)果如圖10所示，從valid信號可看出，不同功率的衰落信號沒有出現(xiàn)圖3中的誤判現(xiàn)象；tune信號中收斂時間最長的為第一段數(shù)據(jù)，其收斂時間為：=2.81 ms<6.25 ms，滿足設(shè)計要求；gain信號顯示環(huán)路增益穩(wěn)定，使輸出信號達(dá)到了期望功率值，且保持了輸入信號的峰均比。

    結(jié)合圖9和圖10各信號波形可看出，本文的AGC系統(tǒng)性能如下：(1)信號檢測時不出現(xiàn)誤判；(2)靈敏度達(dá)到-105 dBm；(3)收斂時間小于6.25 ms；(4)動態(tài)范圍為96 dB。

    表3為本文DAGC性能與其他文獻(xiàn)的對比，根據(jù)仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計的DAGC適用的信號類型上更具優(yōu)勢，且動態(tài)范圍較大，靈敏度更高，由于收斂時間與DAGC的環(huán)路結(jié)構(gòu)和采樣速率有關(guān)，不具備可比性，以達(dá)到設(shè)計要求為標(biāo)準(zhǔn)即可。

4 結(jié)論

    本文針對dPMR數(shù)字對講機(jī)的通信環(huán)境，提出了一種新型的數(shù)字AGC控制策略。本文采用三級放大器級聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)合設(shè)計的加權(quán)延時判決和增益調(diào)整算法，解決了數(shù)字AGC在處理衰落信號時的誤判和增益控制問題。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計的數(shù)字AGC能很好地處理平穩(wěn)和衰落信號，同時保證了良好的動態(tài)范圍、收斂時間和靈敏度，算法簡單易于實現(xiàn)，符合dPMR數(shù)字對講機(jī)接收機(jī)的實際應(yīng)用環(huán)境。

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作者信息：

李雨洋1，張  濤1，關(guān)漢興2，盛玉霞1

（1.武漢科技大學(xué) 冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，湖北 武漢430081；

2.長飛光纖光纜有限公司，湖北 武漢430000）