文獻標識碼: 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增益控制策略設(shè)計[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.
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)定在接收機的工作范圍內(nèi),對接收機后續(xù)電路的正常工作有著重要作用。文獻[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[2]提出了一種基于查找表的級聯(lián)步進式增益調(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。文獻[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[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)字對講機接收機
dPMR數(shù)字對講機的接收機[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)進行適當(dāng)?shù)脑鲆?,并將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號;然后進行低通濾波提高信噪比,最后通過可變增益放大器(VGA)進行增益微調(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[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:(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,Tn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Tn、Tn+1、Tn+2時刻,采樣窗口持續(xù)向右滑動。
圖4中虛線框標識的加權(quán)延時判決的流程如圖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)字對講機接收機模型進行仿真。MATLAB建??驁D如圖8所示,其中g(shù)smTUx12c2和AWGN均為MATLAB中的標準信道模型,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)有效的標志信號(valid)、增益調(diào)整的標志信號(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,為有效信號時則進行增益調(diào)整。根據(jù)valid信號可以準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即表示正在進行增益調(diào)整,其中第4段數(shù)據(jù)收斂時間最長,如游標所示,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,以達到設(shè)計要求為標準即可。
4 結(jié)論
本文針對dPMR數(shù)字對講機的通信環(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)字對講機接收機的實際應(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)