0 引言

    在多變的城市和自然環(huán)境中,，無(wú)線信號(hào)幅度因?yàn)槎鄰剿ヂ涞葟?fù)雜因素而出現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)范圍和峰均比，自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control,，AGC)可以將信號(hào)幅度穩(wěn)定在接收機(jī)的工作范圍內(nèi),，對(duì)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(dòng)態(tài)范圍,，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且非恒包絡(luò)信號(hào)收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng),。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于查找表的級(jí)聯(lián)步進(jìn)式增益調(diào)整方式,，可有效增大動(dòng)態(tài)范圍，減小高增益對(duì)接收機(jī)噪聲系數(shù)和線性度的影響,，且電路簡(jiǎn)單,，適用于實(shí)時(shí)性和低成本的無(wú)線接收機(jī)。文獻(xiàn)[3]提出了一種新型的AGC針對(duì)LTE信號(hào)傳輸模式中的TM2和TM3信號(hào)進(jìn)行增益控制,，充分利用了ADC量化范圍且輸出信號(hào)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(hào)的處理算法也對(duì)本文有參考意義,。在沒(méi)有采用均衡技術(shù)補(bǔ)償信號(hào)衰落的情況下,，高達(dá)30 dB的衰落會(huì)對(duì)AGC的功率估計(jì)產(chǎn)生極大的影響，在衰落谷時(shí)可能會(huì)使信號(hào)小于噪聲門限,，從而被判斷為噪聲,，此時(shí)，僅針對(duì)平穩(wěn)信號(hào)設(shè)計(jì)的AGC^[2,，5]將很難對(duì)信號(hào)進(jìn)行正確的檢測(cè)和增益控制,。信號(hào)峰均比較大時(shí)，對(duì)解調(diào)無(wú)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(hào)功率估計(jì)時(shí)的誤判問(wèn)題和如何對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鲆媸潜疚闹攸c(diǎn),；此外，由于設(shè)計(jì)時(shí)使用前導(dǎo)碼來(lái)進(jìn)行IQ補(bǔ)償,、位同步和頻偏校正,，因此要求AGC收斂時(shí)間控制在6.25 ms以內(nèi),。

1 dPMR數(shù)字對(duì)講機(jī)接收機(jī)

    dPMR數(shù)字對(duì)講機(jī)的接收機(jī)^[6]結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前端的低噪聲放大器(LNA)放大,，隨后混頻得到中頻信號(hào),；再經(jīng)過(guò)跨阻放大器(TIA)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鲆妫㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),；然后進(jìn)行低通濾波提高信噪比,，最后通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃?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(hào),，I、Q兩路信號(hào)輸入數(shù)字自動(dòng)增益控制模塊(DAGC)用于增益計(jì)算,，得到的增益系數(shù)分別反饋到前端的放大級(jí),，最終將輸出信號(hào)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(hào)檢測(cè)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(jì)

2.1 平均絕對(duì)誤差信號(hào)檢測(cè)法

    常用的信號(hào)檢測(cè)方法^[7]主要有峰值檢測(cè)(peak detectors)、平均絕對(duì)誤差檢測(cè)(MAD)和平方根檢測(cè)(RMS)等,。本文選用算法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,、削波現(xiàn)象較少的平均絕對(duì)誤差檢測(cè)，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(duì)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(wèn)題：在圖3中橢圓標(biāo)識(shí)處，輸入信號(hào)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(hào)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(duì)當(dāng)前信號(hào)的處理，使得一幀數(shù)據(jù)無(wú)法完整接收,，數(shù)據(jù)傳輸效率較低,。

2.2 改進(jìn)的信號(hào)檢測(cè)算法

    針對(duì)上述問(wèn)題，在保證AGC系統(tǒng)對(duì)信號(hào)幅度波動(dòng)具有良好跟蹤性的前提下,，本文作出以下改進(jìn)：(1)將滑動(dòng)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(hào)功率曲線變得平滑；(2)根據(jù)不同情況匹配不同的延時(shí)時(shí)間常數(shù)，通過(guò)計(jì)數(shù)器的延時(shí)和循環(huán)判決,，保證在有效信號(hào)期間,，持續(xù)時(shí)間較短的小功率信號(hào)不會(huì)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(dòng)平均濾波^[9]模塊如圖5所示,，T_n時(shí)刻滑動(dòng)窗內(nèi)的被采樣信號(hào)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(shí)刻，采樣窗口持續(xù)向右滑動(dòng),。

    圖4中虛線框標(biāo)識(shí)的加權(quán)延時(shí)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(shí)刻,、下一時(shí)刻的平均功率值，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)設(shè)定a=0.3,、b=0.7時(shí)效果最佳,。AGC系統(tǒng)加入該判決模塊后，既能及時(shí)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(hào)時(shí)對(duì)小功率有效信號(hào)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(duì)數(shù)空間線性DAGC(LSLDAGC)。LSLDAGC算法相比于LDAGC算法在硬件實(shí)現(xiàn)上要更復(fù)雜,，但其重要的優(yōu)勢(shì)是收斂速度更快,，更穩(wěn)定。因此,，本次設(shè)計(jì)基于LSLDAGC算法,，采用三級(jí)增益級(jí)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(jì)值和參考值的比值的對(duì)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(hào)幅度，G(n)和x(n)分別表示n時(shí)刻的環(huán)路增益和輸入信號(hào)幅度,，|G(n)x(n)|則表示n時(shí)刻輸出信號(hào)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(shí)刻到當(dāng)前時(shí)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(shí)，右側(cè)剛好表示參考功率值和估計(jì)功率值在dB單位下的比值,。因此由式(5)可確定當(dāng)前時(shí)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(hào)功率與期望值的差值。其中采用合適的增益級(jí)優(yōu)先調(diào)整策略來(lái)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(shí)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(shí)間，同時(shí)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(hào)功率波動(dòng)在±3 dB以內(nèi)時(shí),，鎖定AGC，保持當(dāng)前增益值不變,，所以,，實(shí)際調(diào)整精度可達(dá)到1 dB，但可能存在3 dB以下的波動(dòng),。

3 仿真結(jié)果

    本節(jié)將設(shè)計(jì)的AGC算法用于圖8所示的dPMR數(shù)字對(duì)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(gè)增益級(jí)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(hào)電壓值(input),、輸入數(shù)據(jù)有效的標(biāo)志信號(hào)(valid)、增益調(diào)整的標(biāo)志信號(hào)(tune)、環(huán)路總增益(gain)和輸出信號(hào)電壓值(output)的仿真結(jié)果,，其中輸入信號(hào)如圖中標(biāo)識(shí)所示,，由噪聲和不同功率的有效信號(hào)組成。

    高斯信道下的仿真結(jié)果如圖9所示,，輸入為噪聲時(shí)AGC會(huì)復(fù)位,，為有效信號(hào)時(shí)則進(jìn)行增益調(diào)整。根據(jù)valid信號(hào)可以準(zhǔn)確地識(shí)別有效信號(hào)和噪聲,，從而控制后續(xù)電路是否工作,。tune信號(hào)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(shí)間最長(zhǎng),，如游標(biāo)所示,，其增益調(diào)整的收斂時(shí)間為：=5.78 ms<6.25 ms，滿足設(shè)計(jì)要求,；gain信號(hào)給出的增益調(diào)整值均可將信號(hào)功率調(diào)整至期望值0 dBm,；輸出信號(hào)波形穩(wěn)定，其橢圓標(biāo)識(shí)出的短暫的飽和現(xiàn)象是由于功率估計(jì)的采樣延時(shí)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(hào)可看出,，不同功率的衰落信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)圖3中的誤判現(xiàn)象,；tune信號(hào)中收斂時(shí)間最長(zhǎng)的為第一段數(shù)據(jù)，其收斂時(shí)間為：=2.81 ms<6.25 ms,，滿足設(shè)計(jì)要求,；gain信號(hào)顯示環(huán)路增益穩(wěn)定，使輸出信號(hào)達(dá)到了期望功率值,，且保持了輸入信號(hào)的峰均比,。

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

    表3為本文DAGC性能與其他文獻(xiàn)的對(duì)比,，根據(jù)仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的DAGC適用的信號(hào)類型上更具優(yōu)勢(shì),，且動(dòng)態(tài)范圍較大,，靈敏度更高，由于收斂時(shí)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(jì)要求為標(biāo)準(zhǔn)即可,。

4 結(jié)論

    本文針對(duì)dPMR數(shù)字對(duì)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(jí)放大器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),，結(jié)合設(shè)計(jì)的加權(quán)延時(shí)判決和增益調(diào)整算法，解決了數(shù)字AGC在處理衰落信號(hào)時(shí)的誤判和增益控制問(wèn)題,。仿真結(jié)果表明,，本文設(shè)計(jì)的數(shù)字AGC能很好地處理平穩(wěn)和衰落信號(hào)，同時(shí)保證了良好的動(dòng)態(tài)范圍,、收斂時(shí)間和靈敏度，算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),，符合dPMR數(shù)字對(duì)講機(jī)接收機(jī)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙瀟騰，尹軍艦,，張錦濤,，等.一種混合式高動(dòng)態(tài)范圍AGC算法與FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017,，43(12)：76-80.

[2] ZHANG N K,，WEN Z P，HOU X P,，et al.Digital automatic gain control design with large dynamic range in wireless communication receivers[C].2017 IEEE 17th International Conference on Communication Technology(ICCT),，2018：1402-1406.

[3] 陳家旭，管恩義,，李文,，等.數(shù)字通信系統(tǒng)中新型自動(dòng)增益控制方法設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)航與控制，2016(6)：56-61.

[4] 劉美銳.適用于非恒包絡(luò)突發(fā)通信的AGC設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016,，42(6)：105-108.

[5] 包志強(qiáng)，劉禹韜,，蘇子昊.基于碼元幅值對(duì)數(shù)的數(shù)字信號(hào)自動(dòng)增益控制設(shè)計(jì)(AGC)[J].無(wú)線通信技術(shù),，2015(3)：6-9，14.

[6] 王通,，林孝康.dPMR數(shù)字對(duì)講機(jī)射頻前端實(shí)現(xiàn)[J].電聲技術(shù),，2012 (2)：25-28.

[7] 王曉琴，黑勇,，周璇.面向OFDM接收機(jī)的一種自適應(yīng)自動(dòng)增益控制策略[J].電子學(xué)報(bào),，2008，36(8)：1642-1645.

[8] OH C I,，CHOI S H,，JANG D I,，et al.Enhanced automatic gain control using the hybrid Gamma parameter in the DVB-S2 system[C].2006 IEEE 8th International Conference Advanced Communication Technology，2006：1167-1171.

[9] 呂余清,，張松柏.一種基于滑動(dòng)濾波的數(shù)字AGC應(yīng)用[J].艦船電子對(duì)抗,，2014(4)：54-56.

[10] 朱啟.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)中自動(dòng)增益控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

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(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心,，湖北 武漢430081,；

2.長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司，湖北 武漢430000）