曹愛玲1，范紅1，2，倪林1，2，嚴(yán)杰3，唐俊1

　　（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620；2.東華大學(xué) 數(shù)字化紡織服裝

　　技術(shù)教育部工程研究中心，上海201620；3.東方明珠傳輸有限公司，上海200052）

      摘要：描述了一種基于SoC的軟件無線電收發(fā)信機(jī)，利用該收發(fā)信機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)廣播信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)隧道中無線調(diào)頻廣播收發(fā)信機(jī)的自動(dòng)增益控制，使隧道放大器前的接收信號(hào)的電平控制在一定的范圍之內(nèi)，改善隧道內(nèi)調(diào)頻廣播信號(hào)的質(zhì)量。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是具有很好的可重構(gòu)性、靈活性及穩(wěn)定性。

　　關(guān)鍵詞：SoC；無線調(diào)頻廣播；自動(dòng)增益控制（AGC）

0引言

　　自動(dòng)增益控制（AGC）是一種自動(dòng)幅度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要用于收發(fā)信機(jī)中，因?yàn)槭瞻l(fā)信機(jī)所處的環(huán)境較復(fù)雜，所以接收到的信號(hào)起伏較大。為了提高收發(fā)信機(jī)的性能，一般都需要采用AGC來實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同輸入電平的處理，以保證輸出電平的基本恒定。本文實(shí)現(xiàn)的是基于SoC的無線調(diào)頻廣播收發(fā)信機(jī)的自動(dòng)增益控制，它將軟件無線電系統(tǒng)的射頻前端部分集成在一個(gè)芯片內(nèi)，這樣代替了傳統(tǒng)的分立式結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且該系統(tǒng)是軟件可編輯的，使其能夠接收不同參數(shù)的無線信號(hào)，在不用更換硬件系統(tǒng)的情況下便可以完成不同信號(hào)的收發(fā)和處理［1］。當(dāng)然，AGC的應(yīng)用在一些需要穩(wěn)定輸出幅度的系統(tǒng)中也有相當(dāng)普遍的應(yīng)用［23］。

1AD9361捷變收發(fā)器的性能

　　AD9361是一款高集成度的射頻(RF)收發(fā)器，可進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，在單個(gè)器件中集成了提供所有收發(fā)器功能的所有必要RF、混合信號(hào)和數(shù)字模塊。AD9361提供了自我校準(zhǔn)和AGC系統(tǒng)，可以在不同輸入信號(hào)條件下維持高性能水平。它的主要特性包括以下幾個(gè)方面:集成12位DAC和ADC的RF 2×2收發(fā)器；頻段：70 MHz~60 GHz；可調(diào)諧通道帶寬：200 kHz~56 MHz；雙通道接收器：6路差分或12路單端輸入；出色的接收器靈敏度，噪聲系數(shù)為2 dB(800 MHz，本振(LO))；RX增益控制：實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制信號(hào)用于手動(dòng)增益，獨(dú)立的自動(dòng)增益控制［4］。

　　每個(gè)接收(RX)子系統(tǒng)都擁有獨(dú)立的AGC、直流失調(diào)校正、正交校正和數(shù)字濾波功能，從而消除了在數(shù)字基帶中提供這些功能的必要性。每個(gè)通道搭載兩個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍ADC，先將收到的I信號(hào)和Q信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，然后將其傳過可配置抽取濾波器和128抽頭有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，結(jié)果以相應(yīng)的采樣率生成12 bit輸出信號(hào)。

2基于SoC的自動(dòng)增益控制的解決方案

　　本文使用的是ADI公司提供的基于AD9361芯片的板卡ADFMCOMMS3EBZ，它將芯片引腳引出到FMC插口，以便與SoC連接［5］。SoC分為集成了雙核ARM9的微處理器和FPGA兩部分，微處理器總是先啟動(dòng)，即ARM部分，這就是啟動(dòng)Linux，然后ARM芯片通過多口高性能接口AXI總線與FPGA之間進(jìn)行信息傳遞，控制FPGA中AD9361的驅(qū)動(dòng)模塊，以達(dá)到控制AD9361的目的［67］。AD9361與SoC的連接圖如圖1所示。

　　AD9361是射頻捷變收發(fā)器，它集成了射頻前端部分的芯片，有兩路接收與發(fā)射，其接收信號(hào)的增益控制與檢測(cè)如圖2所示。LMT是低噪聲放大器、混頻器、跨阻抗放大器的簡(jiǎn)稱。圖1系統(tǒng)框圖

　　圖2接收信號(hào)的增益控制與檢測(cè)模擬增益是低噪聲放大器、混頻器、跨阻抗放大器、低通濾波器的增益總和，模擬增益控制是把采樣前信號(hào)電平控制在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，以防止A/D轉(zhuǎn)換器過載。數(shù)字增益控制的作用是濾除帶外的信號(hào)和噪聲，且對(duì)小信號(hào)提供一定的增益，以確保解調(diào)輸出信號(hào)的分辨率和穩(wěn)定。數(shù)字增益控制是將信號(hào)乘以一個(gè)因子，這樣噪聲和信號(hào)都改變，從而對(duì)信噪比是沒有影響的。對(duì)于許多應(yīng)用場(chǎng)合，并不需要數(shù)字增益控制，然而在某些情況下，基帶處理器要求接收到的信號(hào)功率等于一些額定值，一些特別功率級(jí)別信號(hào)的最大模擬增益還沒有高到足以達(dá)到這一目的，就可以使用數(shù)字增益來達(dá)到，但是通過犧牲模擬增益來增加更多的數(shù)字增益將降低系統(tǒng)性能，很低的信號(hào)級(jí)別的最大模擬增益還沒有高到足以達(dá)到這一目的，或者，設(shè)置寄存器0x10E和0x10B中的第D5位來支持這個(gè)功能?；鶐幚砥髟诩拇嫫?x10B(Rx1)和0x10E(Rx2)中寫數(shù)字增益索引值，但是如果D5位被設(shè)置，數(shù)字增益永不改變。

　　當(dāng)信號(hào)平均功率超過一個(gè)閾值時(shí)，增益不一定立即改變。AD9361的增益只有在“增益更新計(jì)數(shù)器”溢出后才會(huì)更新存儲(chǔ)在寄存器0x124和0x125中。計(jì)數(shù)器的深度等于這些寄存器中的值的兩倍?；蛘?，如果寄存器0x128［D5］位被設(shè)置，它等于這些寄存器中的值的4倍。AD9361計(jì)數(shù)特定超載事件發(fā)生的次數(shù)，只有在事件的發(fā)生比一個(gè)可編程的次數(shù)多時(shí)才會(huì)使增益改變。即使這些峰值過載，增益只改變?cè)谠鲆娓掠?jì)數(shù)器溢出時(shí)。計(jì)數(shù)器都存儲(chǔ)在寄存器0x121（LMT）和0x122（ADC）中。AD9361對(duì)于計(jì)數(shù)器沒有默認(rèn)值，因此基帶處理器必須設(shè)定好所有的這些值。在增益變化事件期間，最高優(yōu)先級(jí)給大的LMT檢測(cè)器，緊隨其后的是大的ADC檢測(cè)器，最后的功率檢測(cè)器使用的是二階窗控制回路。

　　使用二階控制回路滯后改變?cè)鲆?，使平均信?hào)的功率保持在一個(gè)可編程的窗口之內(nèi)，在半帶濾波器與Rx FIR濾波器之間測(cè)量功率。AGC控制回路限制和步長(zhǎng)如圖3所示。

　　內(nèi)部高閾值存儲(chǔ)在寄存器0x101中，內(nèi)部低閾值存儲(chǔ)在寄存器0x120中（單位為-dBFS）；內(nèi)部高閾值和外部高閾值之間差異的絕對(duì)值存儲(chǔ)在寄存器0x129［D7:D4］（單位為dB）中；內(nèi)部低閾值和外部低閾值之間差異的絕對(duì)值存儲(chǔ)在寄存器0x129［D3:D0］（單位為dB）中。

　　圖3AGC控制回路限制和步長(zhǎng)

　　A、B、C和D步長(zhǎng)大小存儲(chǔ)在寄存器0x12A［D7:D4］、0x123［D6:D4］、0x123［D2:D0］和0x12A［D3:D0］中。在平均信號(hào)功率超過其中一個(gè)閾值之后，由增益索引指針的改變大小來確定步長(zhǎng)的大小。AD9361沒有默認(rèn)閾值或步長(zhǎng)大小，基帶處理器必須設(shè)定這些值，使增益控制在合理范圍之內(nèi)。

3測(cè)試和分析

　　利用上海地區(qū)的調(diào)頻廣播信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，本系統(tǒng)是在零中頻進(jìn)行處理的，改變接收信號(hào)的本振值即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜搬移，所以先設(shè)定好最重要的3個(gè)參數(shù)：本振、信號(hào)帶寬和采樣率。接收的是87 MHz~108 MHz的廣播信號(hào)，所以將本振設(shè)為87 MHz，信號(hào)帶寬為21 MHz；為保證信號(hào)的不失真采樣率至少為信號(hào)帶寬的兩倍，所以采樣率設(shè)為50 MHz。打開Linux中的iiooscilloscope軟件，可看到接收到的調(diào)頻廣播信號(hào)的頻域波形，如圖4所示，其中，橫軸是帶寬，單位為MHz；縱軸是頻譜幅度，單位為-dBFS。

　　設(shè)置AGC的高低閾值：寄存器0x101=18，0x120=31，0x129=24(十六進(jìn)制)；設(shè)置步長(zhǎng)A、B、C和D：0x12A=33(十六進(jìn)制)，0x123=22(十六進(jìn)制)。信號(hào)調(diào)整后的頻譜圖如圖5所示。

　　由圖4可見，未經(jīng)處理前的接收信號(hào)的峰值范圍為-1534 dBFS~-3817 dBFS；由圖5可見，經(jīng)過處理后信號(hào)的峰值范圍為-2501 dBFS~-3668 dBFS，通過頻譜分析，調(diào)頻廣播信號(hào)的頻譜在一定程度上實(shí)現(xiàn)了均衡。從接收到廣播信號(hào)來看，在AGC范圍內(nèi)，確實(shí)使廣播信號(hào)更加清晰。

4結(jié)論

　　本文對(duì)AD9361芯片進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，它將其他平臺(tái)的分立式器件集成到一塊芯片上，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；再者是SoC平臺(tái)的應(yīng)用，既有FPGA，又有完整的嵌入式平臺(tái)，提高了系統(tǒng)的集成度。與傳統(tǒng)復(fù)雜的AGC放大器電路相比，本文使用的AGC是軟件可編程的，使用二階控制回路滯后改變?cè)鲆?，使平均信?hào)的功率保持在一個(gè)可編程的窗口之內(nèi)。隨著該系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，相信它可以在調(diào)頻廣播信號(hào)的應(yīng)用上發(fā)揮很大的作用。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 余蓮. AD9361:基于突破性技術(shù)促進(jìn)軟件定義無線電應(yīng)用［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用,2013, 39(11):1.

　?。?］ 劉幸福,龔曉峰. 中頻數(shù)字接收機(jī)在SoC上的實(shí)現(xiàn)［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(9):2123.

　?。?］ 丁革媛,高寶芹,孫強(qiáng)，等. 無線通信技術(shù)的發(fā)展研究［J］. 微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(10):13,6.

　　［4］ 張貴. AD9361射頻捷變收發(fā)器［N］. 電子報(bào),20141109(10).

　?。?］ ADI.RF捷變收發(fā)器［EB/OL］.［2014116］.

　　http://wwwanalogcom/static/importedfiles/zh/data_sheets/AD9361_cnpdf.