DS-SS(Direct-Sequence Spread-Spectrum)接收機(jī)具有抗干擾、通信保密性好、低信噪比下兼具測(cè)距功能等特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。某航天器的DS-SS接收機(jī)用于測(cè)控和通信，實(shí)際工作時(shí)，輸入信號(hào)變化的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)100dB。在發(fā)射機(jī)近距離工作時(shí)(幾百米)，接收機(jī)所接收的信號(hào)功率就會(huì)出現(xiàn)超出射頻前端芯片動(dòng)態(tài)范圍的情況，這會(huì)使射頻前端內(nèi)部的AGC失去作用，致使輸出信號(hào)幅度" title="信號(hào)幅度">信號(hào)幅度不恒定，且有可能因?yàn)檩斎胄盘?hào)過(guò)大而燒毀放大器。避免上述情況，本文提出了通過(guò)增加一個(gè)數(shù)控衰減器" title="衰減器">衰減器和外部AGC系統(tǒng)來(lái)保證整個(gè)接收系統(tǒng)具有100dB的動(dòng)態(tài)范圍，并給出基于FPGA的電路實(shí)現(xiàn)算法。
　　該DS-SS接收機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。其中射頻前端采用NemeriX公司的NJ1004芯片，數(shù)控衰減器采用M/A-COM公司的AT90-0106。

1 外部AGC原理和設(shè)計(jì)
　　接收機(jī)的接收信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器、放大器1和下變頻器處理后，載波頻率變?yōu)?575.42MHz，再經(jīng)過(guò)數(shù)控衰減器和放大器2進(jìn)入射頻前端。在射頻前端，NJ1004芯片內(nèi)部對(duì)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)下邊頻、濾波、放大和AD采樣后，輸出SGN和MAG兩路中頻數(shù)字信號(hào)，AD采樣位數(shù)為2bit，采樣率為16.368MHz，中頻信號(hào)頻率為4.092MHz。射頻前端NJ1004內(nèi)部含有一個(gè)AGC系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)范圍為60dB。輸入信號(hào)在射頻前端的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化時(shí)，SGN輸出信號(hào)的占空比" title="占空比">占空比恒定為50%，MAG輸出信號(hào)的占空比恒定為33.3%。
　　由于射頻前端芯片內(nèi)部AGC的動(dòng)態(tài)范圍不滿足整個(gè)接收系統(tǒng)的工作要求，因此在接收機(jī)中增加一個(gè)外部AGC模塊以保證接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。外部AGC控制模塊的功能是檢測(cè)出射頻前端輸出信號(hào)占空比變化而反映出來(lái)的接收信號(hào)幅度變化量，并通過(guò)低通濾波器濾出直流分量，經(jīng)過(guò)一定的直流放大反饋給受控衰減器，調(diào)整輸入信號(hào)幅度，使輸入信號(hào)在放大器線性范圍和射頻前端AGC的調(diào)整范圍之內(nèi)，以達(dá)到恒定幅度輸出的目的。
　　考慮到數(shù)字化的優(yōu)越性和系統(tǒng)的穩(wěn)定要求，采用全數(shù)字AGC方案并使用FPGA實(shí)現(xiàn)外部AGC模塊。由于MAG輸出信號(hào)的占空比反映了輸入信號(hào)的幅度大小，因此外部AGC控制模塊采用MAG作為輸入信號(hào)，檢測(cè)當(dāng)前輸入信號(hào)幅度的變化。外部AGC控制模塊輸出為要衰減的dB值，用來(lái)調(diào)整數(shù)控衰減器的衰減量。
　　外部AGC控制模塊由計(jì)數(shù)器、低通濾波器、積分器和衰減量dB轉(zhuǎn)換表等幾部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

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　　當(dāng)放大器2輸出信號(hào)處于射頻前端AGC的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，MAG端輸出信號(hào)的占空比為1/3，如圖3所示。如果放大器2輸出信號(hào)超出射頻前端AGC的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，中頻連續(xù)信號(hào)的幅度就會(huì)超過(guò)正常幅度，直接導(dǎo)致MAG輸出信號(hào)的占空比超出1/3，因此MAG占空比的大小反映了接收信號(hào)幅度的大小。為了保持輸出信號(hào)有恒定占空比，就要在輸入信號(hào)過(guò)大而導(dǎo)致內(nèi)部AGC無(wú)法調(diào)節(jié)時(shí)，采用外部AGC調(diào)整來(lái)保證。通過(guò)外部AGC控制數(shù)控衰減器調(diào)整輸入信號(hào)幅度，使放大器2的輸出信號(hào)落入射頻前端的AGC動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍。數(shù)控衰減量的調(diào)節(jié)直接由射頻前端的輸出信號(hào)MAG的占空比確定。中頻連續(xù)信號(hào)幅度與SGN及MAG輸出信號(hào)的關(guān)系，如圖3所示。
　　設(shè)射頻前端AGC正常工作時(shí)的中頻輸出連續(xù)信號(hào)幅度為A0，則MAG輸出信號(hào)門限為:
　　
　　假設(shè)射頻前端的輸出幅度變化為A_new(A_new＞A_th)，超出射頻前端芯片調(diào)整的范圍，并設(shè)新的接收信號(hào)超過(guò)門限時(shí)的相位為Φ_new，則有
　　
　　由(5)式可以看出，中頻輸出連續(xù)信號(hào)幅度相對(duì)于正常信號(hào)幅度的比值與MAG端輸出信號(hào)的占空比有關(guān)，因此AGC控制模塊的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)電路來(lái)檢測(cè)輸出信號(hào)的占空比。
　　利用一個(gè)計(jì)數(shù)器，采用射頻前端采樣時(shí)鐘16.368MHz作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，在MAG高電平時(shí)計(jì)數(shù)。如果取計(jì)數(shù)時(shí)間為kms，則信號(hào)幅度處于射頻前端動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)時(shí)，正常的計(jì)數(shù)值為，記為n₀。設(shè)接收信號(hào)幅度變大時(shí)，計(jì)數(shù)器的新計(jì)數(shù)值為n，則可推算出新的占空比為
　　
　　由(5)和(6)式可知，已知新計(jì)數(shù)值和正常計(jì)數(shù)值就可計(jì)算出占空比，從而可計(jì)算出新的輸入信號(hào)幅度與正常信號(hào)幅度的比值或?qū)?yīng)分貝值。中頻連續(xù)信號(hào)輸出幅度相對(duì)于正常幅度的放大dB值正是AGC控制模塊要輸出給數(shù)控衰減器的數(shù)值，因此衰減值dB轉(zhuǎn)換表就是基于(5)和(6)式構(gòu)建的。要注意數(shù)控衰減器的衰減量并不是連續(xù)可調(diào)的。AT90-0106數(shù)字衰減器的衰減分辨率為1dB，最高衰減量為50dB。因此整個(gè)轉(zhuǎn)換表也是以1dB為最小單位，將計(jì)數(shù)值(反映占空比)映射到衰減dB值。
　　考慮到噪聲的影響，將新的計(jì)數(shù)值與正常計(jì)數(shù)值之間的差值送入低通濾波器進(jìn)行濾波。低通濾波器的離散方程為:
　　y(n)=α·y(n-1)+(1-α)·x(n)????????????????????????????????? (7)
　　其中，x(n)為低通濾波器的輸入，y(n)為低通濾波器的輸出，α為濾波器系數(shù)。
　　外部AGC控制模塊中的增益γ用來(lái)控制AGC調(diào)整速度。γ越大，調(diào)整速度越快，但會(huì)導(dǎo)致整個(gè)環(huán)路過(guò)沖和振蕩，并導(dǎo)致輸入信號(hào)有寄生調(diào)幅；γ越小，調(diào)整速度越慢，但好處是不會(huì)過(guò)沖，并在一定程度上避免了寄生調(diào)幅。
　　低通濾波器的輸出經(jīng)過(guò)放大并輸入積分累加器進(jìn)行累加，依據(jù)積分累加器的輸出查找衰減值dB轉(zhuǎn)換表，換算成衰減dB值后控制數(shù)控衰減器進(jìn)行相應(yīng)的衰減。
2 仿真試驗(yàn)和結(jié)果
　　該型DS-SS通信系統(tǒng)的偽碼采用Gold碼，碼率為1.023MHz，碼周期為1ms。依據(jù)輸入信號(hào)形式和外部AGC的結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，下面給出部分仿真結(jié)果。
　　計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間對(duì)占空比計(jì)算的準(zhǔn)確性有影響。取射頻前端工作在其動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的情況，計(jì)數(shù)器分別采用1ms、3ms和5ms計(jì)數(shù)時(shí)間對(duì)MAG輸出端高電平進(jìn)行計(jì)數(shù)。仿真表明，采用5ms計(jì)數(shù)時(shí)間對(duì)MAG高電平計(jì)數(shù)來(lái)估計(jì)占空比，與理論上的占空比(33.3%)完全吻合，1ms和3ms計(jì)數(shù)時(shí)間估計(jì)的占空比不能正確反映占空比的變化，因此會(huì)影響AGC對(duì)當(dāng)前輸出信號(hào)幅度的估計(jì)。所以外部AGC的計(jì)數(shù)器取計(jì)數(shù)時(shí)間為5ms(或更長(zhǎng))。
　　假設(shè)發(fā)射機(jī)載體由遠(yuǎn)及近勻速飛行，速度為60m/s，仿真中取飛行距離為150m~10m為例，利用系統(tǒng)工作參數(shù)建立接收信號(hào)數(shù)學(xué)模型，仿真外部AGC的調(diào)整過(guò)程。取AGC計(jì)數(shù)時(shí)間為5ms，低通濾波器系數(shù)為α=0.95，增益γ=0.01，AGC環(huán)路調(diào)整過(guò)程見(jiàn)圖4。