孔 杰,李曉光,張 劍

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所,四川成都610036)

一種用于恒包絡(luò)突發(fā)通信的快速AGC方案*

孔 杰,李曉光,張 劍

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所,四川成都610036)

自動增益控制(AGC)是通信接收機(jī)的重要模塊。突發(fā)通信中,要求AGC收斂時(shí)間短,且收斂后環(huán)路穩(wěn)定。文中針對恒包絡(luò)調(diào)制突發(fā)通信信號,為快速建立AGC穩(wěn)態(tài)響應(yīng),提出了一種基于趨勢預(yù)測的數(shù)字AGC方案。相比傳統(tǒng)AGC方案,該方案充分利用數(shù)字衰減器固有響應(yīng)延遲內(nèi)信號包絡(luò)的振蕩趨勢,進(jìn)而加速了AGC收斂速度。經(jīng)MATLAB仿真,驗(yàn)證了該方法的可行性,并在工程系統(tǒng)中運(yùn)用,實(shí)測結(jié)果表明,該方法簡單、可行、穩(wěn)定。

數(shù)字AGC 趨勢預(yù)測 突發(fā)通信 數(shù)字衰減器 響應(yīng)延遲

0 引 言

無線通信過程中,信道環(huán)境和通信距離可能發(fā)生快速變化,使到達(dá)接收機(jī)的信號功率也會有很大范圍的波動,這將給信號的采樣和后續(xù)信號處理帶來不利影響。為了使接收機(jī)中,進(jìn)入AD采樣的信號穩(wěn)定在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆?不至于過小或飽和,自動增益控制(AGC)就成為接收機(jī)中必不可少的一部分[1]。

數(shù)字AGC采用數(shù)控衰減器來調(diào)整信號幅度,具有控制區(qū)間內(nèi)控制幅度線性的特性,克服了模擬AGC采用模擬電路帶來的控制區(qū)間內(nèi)的非線性問題,且數(shù)字AGC還具有響應(yīng)速度快,控制信號穩(wěn)定的特點(diǎn)。因此數(shù)字AGC在越來越多的場合中得到了廣泛應(yīng)用。

常用的數(shù)字AGC算法通過統(tǒng)計(jì)AD采樣后的信號幅度,與參考值作比較得到誤差值,進(jìn)而直接控制數(shù)字衰減器來調(diào)節(jié)進(jìn)入AD的信號大小[2-4]。在高速恒包絡(luò)調(diào)制突發(fā)通信中,為了攜帶更多的信息,用于信號穩(wěn)定的同步時(shí)間通常很短,并且由于數(shù)字衰減器的固有響應(yīng)時(shí)間,進(jìn)一步減少了用于AGC控制的時(shí)間,因此常用的AGC算法難以滿足要求。

本文正是針對這一應(yīng)用,提出了一種基于趨勢預(yù)測的快速AGC算法,并通過Matlab仿真驗(yàn)證了該算法的正確性,最后在實(shí)際工程應(yīng)用中驗(yàn)證了該算法簡單,有效,易于實(shí)現(xiàn)。

1 數(shù)字AGC原理介紹

數(shù)字AGC算法的基本原理是對AD采樣后的信號進(jìn)行平滑濾波,得到當(dāng)前信號幅度的估計(jì)之后,與參考電平進(jìn)行比較,進(jìn)而決定數(shù)字衰減器的衰減量來調(diào)節(jié)后續(xù)信號的幅度,使進(jìn)入AD器件的信號具有較為穩(wěn)定的幅值[5]。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字AGC結(jié)構(gòu)框Fig.1 Digital AGC structure diagram

如圖1所示,通過數(shù)字衰減器對輸入信號x(t)的幅度進(jìn)行調(diào)整得到r(t),r(t)經(jīng)AD采樣后得到數(shù)字信號r(n),對r(n)做數(shù)字信號處理后得到控制字g(m),算法過程如下:

1)對一段時(shí)間內(nèi)的采樣值幅度進(jìn)行平滑濾波,即

2)將得到的包絡(luò)均值與參考信號進(jìn)行比較得e(m)=a(m)-P,經(jīng)環(huán)路濾波后得到調(diào)整值g(m-1)。

3)當(dāng)e(m)＞0時(shí),下一次數(shù)字衰減器的調(diào)節(jié)值g(m)=g(m-1)·δ。

4)當(dāng)e(m)＜0時(shí),g(m)=g(m-1)/δ。

5)否則g(m)=g(m-1),其中δ是數(shù)字衰減器調(diào)節(jié)的步進(jìn)因子。

從整個(gè)調(diào)節(jié)過程可以看到,數(shù)字AGC的調(diào)節(jié)周期是N。通常為了保證數(shù)字AGC的穩(wěn)定性,都會盡可能長的取N值,但這樣勢必會降低數(shù)字AGC的收斂速度。進(jìn)一步的,在實(shí)際應(yīng)用中,數(shù)字衰減器具有一定的響應(yīng)延遲,從接收到控制信號g(m),到將x(t)穩(wěn)定的控制到該衰減量需要時(shí)間Tdeal。在這段時(shí)間內(nèi)數(shù)字衰減器的輸出r(t)是不穩(wěn)定的,不具有參考價(jià)值,因此需要避開這段時(shí)間,這樣實(shí)際的調(diào)節(jié)周期是N+Tdeal。

對于通信速率比較低或?qū)?shù)字AGC的響應(yīng)速度要求不高的情況下,當(dāng)N遠(yuǎn)大于Tdeal時(shí),Tdeal內(nèi)不穩(wěn)定信號對于g(m)的影響可以忽略不計(jì),以f表示從控制字到受控信號的映射關(guān)系,可得

式(2)中t表示控制字g(m)有效的時(shí)刻,可以理解為在數(shù)字衰減器的作用下,r(t)立即對g(m)響應(yīng),因此在收斂速度要求不高時(shí),傳統(tǒng)的AGC都能起到很好的調(diào)節(jié)作用。

但是在高速恒包絡(luò)調(diào)制突發(fā)通信情況下留給數(shù)字AGC的調(diào)節(jié)時(shí)間很短,此時(shí)Tdeal會遠(yuǎn)大于N,此時(shí)可以將式(2)改寫為

此時(shí)如果將Tdeal時(shí)間的信號忽略掉,那么勢必會造成AGC收斂時(shí)間加長,因此如何充分利用Tdeal這段時(shí)間就成為實(shí)現(xiàn)快速AGC的關(guān)鍵,本文正是基于這一思路提出了基于趨勢預(yù)測的快速數(shù)字AGC算法。

2 基于趨勢預(yù)測AGC基本原理

基于趨勢預(yù)測的AGC基本原理,就是當(dāng)N遠(yuǎn)大于Tdeal時(shí),充分利用數(shù)字衰減器的響應(yīng)延遲Tdeal,在這段時(shí)間內(nèi)連續(xù)對AD采樣信號進(jìn)行檢測,控制數(shù)字衰減器的衰減量。

由于數(shù)字衰減器的延遲響應(yīng)Tdeal,必然會導(dǎo)致信號過度衰減和過度放大的情況出現(xiàn),比如當(dāng)前信號幅值比較大,經(jīng)檢測,控制數(shù)字衰減器衰減,在接下來數(shù)字衰減器的響應(yīng)時(shí)間Tdeal內(nèi),信號沒有真正被衰減,此時(shí)繼續(xù)檢測就會進(jìn)一步控制衰減器的衰減,導(dǎo)致過度衰減情況的發(fā)生,最終使信號振蕩起來。一般而言,這種信號振蕩將導(dǎo)致AGC收斂時(shí)間的加長。

從式(3)可以看出r(t)與g(m)實(shí)際上存在著一個(gè)以Tdeal為變量的映射關(guān)系,因此如果能找到一種方法,充分利用Tdeal時(shí)間內(nèi)振蕩信號的特性,那么就能加速AGC的收斂速度。為此,文本設(shè)計(jì)了一種通過對一次震蕩信號的波峰和波谷檢測,進(jìn)而預(yù)測真正的控制量,將信號調(diào)整到期望的范圍內(nèi)的算法,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

基于趨勢預(yù)測的AGC算法,在初始時(shí)刻與圖1所示的AGC算法一樣,根據(jù)a(m)來計(jì)算g(m)對數(shù)字衰減器進(jìn)行控制,只是此時(shí)的調(diào)整周期N更短,不需要等待數(shù)字衰減器的響應(yīng)時(shí)間。在調(diào)整過程中,對包絡(luò)a(m)的值進(jìn)行記錄,尋找a(m)振蕩過程中波峰和波谷位置,記錄波峰和波谷處用于控制數(shù)字衰減器的衰減值,得到波峰和波谷后,對波峰和波谷處的衰減值取平均得到,用對數(shù)字衰減器進(jìn)行控制。之后在數(shù)字衰減器的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)不再對衰減器進(jìn)行調(diào)整,等待信號穩(wěn)定后再開始對包絡(luò)值a(m)進(jìn)行檢測,當(dāng)連續(xù)檢查到多個(gè)值超出目標(biāo)范圍后再重新啟動控制過程。

圖2 基于趨勢預(yù)測的AGC結(jié)構(gòu)框Fig.2 Trend prediction-based AGC structure diagram

這樣既充分利用了Tdeal的信號特性,使得有可能在一次波動后將信號控制在期望的幅度范圍內(nèi),具有很快的響應(yīng)速度,又可以通過重啟條件的設(shè)置對一些異常信號毛刺進(jìn)行過濾,進(jìn)而保證AGC調(diào)整的穩(wěn)定性。

在基于趨勢預(yù)測的AGC算法中,重點(diǎn)在于數(shù)字衰減器響應(yīng)延遲時(shí)間內(nèi)包絡(luò)信號波峰和波谷的尋找,這里我們通過極值點(diǎn)的搜索來確定這兩個(gè)點(diǎn),具體流程框圖如圖3所示。

圖3中flag1用于標(biāo)識信號變化趨勢的轉(zhuǎn)折,即指出當(dāng)前的點(diǎn)為極值點(diǎn),flag2用于對找到的極值點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù),flag3表明當(dāng)前已經(jīng)找到了信號的峰值和谷值,

1)初始時(shí)flag1,flag2,flag3全部置0。

2)持續(xù)檢測信號幅度,如果超出需要范圍,則跳轉(zhuǎn)至3),否則維持不變。

3)判斷當(dāng)前信號是過大還是過小,轉(zhuǎn)至4)。

4)連續(xù)多次送出控制字,在2×Tdeal時(shí)間內(nèi)總可以找到一次振蕩信號的波峰與波谷,同時(shí)刷新flag1,flag2標(biāo)示,轉(zhuǎn)至5)。

圖3 極值點(diǎn)搜索流程框Fig.3 Flow digram of extreme-point search

該算法邏輯結(jié)構(gòu)簡單,非常適合硬件語言實(shí)現(xiàn)。

3 性能仿真

為驗(yàn)證該算法的正確性,本文采用Matlab對其進(jìn)行仿真。

假設(shè)接收信號為MSK信號,其中載波頻率為90 MHz,采樣頻率為120 MHz,數(shù)字衰減器的響應(yīng)時(shí)間Tdeal是500 ns,信噪比SNR為0 dB,控制周期N為5個(gè)采樣點(diǎn),模擬突發(fā)信號的突變過程,對基于趨勢預(yù)測的AGC算法進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4表示當(dāng)信號幅度突然發(fā)生150倍變化時(shí)的AGC響應(yīng)過程,圖5表示當(dāng)信號幅度突然發(fā)生8 000倍變化時(shí)的AGC響應(yīng)過程。其中,輸入信號表示調(diào)整前信號,調(diào)整過程標(biāo)示AGC控制字的變化過程,輸出信號表示經(jīng)AGC算法調(diào)整后的信號。

從圖4和圖5可以看到當(dāng)輸入信號幅度突變時(shí),基于趨勢預(yù)測的數(shù)字AGC都能迅速將信號幅度調(diào)整到一個(gè)期望的范圍內(nèi),并且在之后會保持一個(gè)較為穩(wěn)定的水平。整個(gè)調(diào)整過程需要大概300個(gè)采樣點(diǎn),即2.5 μs左右,具有很快的響應(yīng)速度。

可以看到AGC控制字的調(diào)整過程中,有明顯的振蕩過程,對應(yīng)了信號在Tdeal時(shí)間內(nèi)的振蕩。

圖4 AGC調(diào)整過程1Fig.4 AGC adjustment procedure 1

圖5 AGC調(diào)整過程2Fig.5 AGC adjustment procedure 2

4 結(jié) 語

數(shù)字AGC在數(shù)字接收機(jī)中具有非常廣泛的應(yīng)用,隨著通信速率的不斷提高,傳統(tǒng)的AGC越來越無法滿足應(yīng)用需求。

本文針對恒包絡(luò)信號提出了一種基于趨勢預(yù)測的數(shù)字AGC算法,該算法通過利用數(shù)字衰減器的固有響應(yīng)延遲,加速了AGC的收斂速度。Maltab仿真表明該算法具有響應(yīng)速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的突出優(yōu)點(diǎn),尤其適用于對AGC速率要求很高的高速突發(fā)通信模式。

該算法邏輯控制清晰簡單,非常適合FPGA工程實(shí)現(xiàn)。目前該算法已應(yīng)用于某工程高速數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)中,經(jīng)整機(jī)實(shí)測表明,該算法實(shí)現(xiàn)簡單,參數(shù)選擇靈活,工作穩(wěn)定,具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 劉建新.恒包絡(luò)信號數(shù)字接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

LIU Jian-xin.Study on Key Technique of Constant Envelope Modulated Signal Digital Receiver[D].Xi an:Xidian University,2013.

[2] 王軍艷,李懷金.數(shù)字AGC技術(shù)研究與FPGA實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),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.

[3] 伍丹,吳玉成,劉陽,等.數(shù)字接收機(jī)中自動增益控制技術(shù)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(7-1):138-139.

WU Dan,WU Yu-cheng,LIU Yang,etc.Design of AGC in Digital Receiver[J].Microcomputer Information, 2010,26(7-1):138-139.

[4] 姜坤,王元?dú)J,趙成斌.一種改進(jìn)的數(shù)字AGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].科技導(dǎo)報(bào),2011,29(33):42-46.

JIANG Kun,WANG Yuan-qing,ZHAO Cheng-bin.Design and Simulation of an Improved Digital AGC System [J].Science&Technology Review,2011,29(33):42-46.

[5] 陳永森,吳海.基于Simulink的數(shù)字AGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].艦船電子對抗,2010,33(05):88-91.

CHEN Yong-sen,WU Hai.Design and Simulation of Digital AGC System Based on Simulink[J].Shipboard Electronic Count Ermeasure,2010,33(05):88-91.

Kong Jie(1978-),male,M.Sci.,engineer,majoring in high-speed data-link technology and anti-jam communication.

李曉光(1987—),男,碩士,助理工程師,主要研究方向?yàn)楦咚贁?shù)據(jù)鏈,高速編譯碼方向;

Li Xiao-guang,(1987-),male,M.Sci,assistant engineer,majoring in high-speed data-link technology,high speed error-correction encoding/decoding technology.

張 劍(1975—),男,博士,高級工程師,主要研究方向?yàn)樾滦蛿?shù)據(jù)鏈,抗干擾通信方向。

Zhang Jian(1975-),male,Ph.D.,senior engineer,majoring in new data-link technique and anti-jam communication.

A Fast AGC Scheme for Constant Envelope Burst Communication

KONG Jie,LI Xiao-guang,ZHANG Jian
(No.10 Institute of CETC,Chengdu Sichuan,610036,China)

AGC is an important block in communication receiver.In burst communication,AGC is required to converge quickly and keep the loop stable after convergence.Aiming at constant envelope burst communication,and in order to quickly establish AGC steady-state response,a digital AGC scheme based on trend prediction is proposed.Compared with traditional AGC scheme,this scheme,taking full advantage of signal envelope vibration tendency within intrinsic response delay of digital-attenuator,could remarkably speed up the AGC convergence.Matlab simulation and engineering application indicate that this scheme is simple,feasible and stable,and could be applied in the engineering project.

digital AGC;trend prediction;burst communication;digital attenuator;response delay

TN850.3

A

1002-0802(2014)10-1223-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.023

孔 杰(1978—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)楦咚贁?shù)據(jù)鏈,抗干擾通信方向;

2014-08-02;

2014-09-15 Received date：2014-08-02;Revised date：2014-09-15