《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 雙信道模型下的自動(dòng)增益控制策略設(shè)計(jì)
雙信道模型下的自動(dòng)增益控制策略設(shè)計(jì)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
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
摘要: 針對(duì)通信環(huán)境復(fù)雜,、dPMR數(shù)字對(duì)講機(jī)基帶接收信號(hào)峰均比過大的問題,,提出了一種可同時(shí)對(duì)經(jīng)過高斯信道和瑞利信道處理的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益控制的策略,。該控制策略采用反饋型的數(shù)字自動(dòng)增益控制(DAGC)結(jié)構(gòu),基于滑動(dòng)平均檢測(cè)算法和LSLDAGC增益控制算法進(jìn)行優(yōu)化,,通過信號(hào)判決模塊和有限增益調(diào)整機(jī)制提高處理衰落信號(hào)時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性,,降低了信號(hào)誤判率。經(jīng)仿真結(jié)果分析,,驗(yàn)證了AGC系統(tǒng)可對(duì)平穩(wěn)和衰落信號(hào)進(jìn)行增益控制,,具有96 dBm的大動(dòng)態(tài)范圍、小于6.25 ms的收斂時(shí)間和-105 dBm的靈敏度,,同時(shí),,在信號(hào)功率波動(dòng)時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和跟蹤性。
中圖分類號(hào): TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183202
中文引用格式: 李雨洋,,張濤,,關(guān)漢興,等. 雙信道模型下的自動(dòng)增益控制策略設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,,45(4):87-91.
英文引用格式: Li Yuyang,Zhang Tao,,Guan Hanxing,,et al. Design of automatic gain control strategy under two-channel model[J]. Application of Electronic Technique,2019,,45(4):87-91.
Design of automatic gain control strategy under two-channel model
Li Yuyang1,,Zhang Tao1,Guan Hanxing2,,Sheng Yuxia1
1.Engineering Research Center of Metallurgical Automation and Measurement Technology,, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,,China,; 2.Yangtze Optical Fibre and Cable Joint Stock Limited Company,,Wuhan 430000,China
Abstract: Aiming at the problem that the communication environment is complex and the peak-to-average ratio of the baseband receiving signal of dPMR digital intercom is too large, a strategy for automatic gain control of signals processed by Gaussian channel and Rayleigh channel is proposed. The control strategy adopts feedback DAGC. The structure is optimized based on the moving average detection algorithm and the LSLDAGC gain control algorithm. The signal decision module and the finite gain adjustment mechanism are used to improve the system stability of the processing of the fading signal, and the signal misjudgment rate is reduced. The simulation results show that the AGC system can control the gain of stationary and fading signals with a large dynamic range of 96 dBm, a convergence time of less than 6.25 ms and a sensitivity of -105 dBm. At the same time, it has good stability and tracking performance when the signal power fluctuates.
Key words : automatic gain control,;Rayleigh channel,;Gaussian channel;dPMR protocol

0 引言

    在多變的城市和自然環(huán)境中,,無線信號(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)過跨阻放大器(TIA)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鲆?,并將電流信?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,。

tx3-t1.gif

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:

tx3-gs1.gif

tx3-t2.gif

    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)無法完整接收,數(shù)據(jù)傳輸效率較低,。

tx3-t3.gif

2.2 改進(jìn)的信號(hào)檢測(cè)算法

    針對(duì)上述問題,,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。

tx3-t4.gif

    圖4中滑動(dòng)平均濾波[9]模塊如圖5所示,,Tn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Tn、Tn+1,、Tn+2時(shí)刻,,采樣窗口持續(xù)向右滑動(dòng)。

tx3-t5.gif

    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Pf=aP1+bP2,,Pr=aP2+bP3,a,、b為匹配的加權(quán)系數(shù),,Pf、Pr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。

tx3-t6.gif

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:

    tx3-gs2.gif

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:

tx3-gs3-5.gif

    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,。

tx3-b1.gif

    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)。

tx3-t7.gif

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??驁D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,。

tx3-t8.gif

tx3-b2.gif

    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,。

tx3-t9.gif

tx3-t10.gif

    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:tx3-b2-x1.gif=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:tx3-t9-x1.gif=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,。

tx3-b3.gif

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)

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。