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)用于測控和通信，實(shí)際工作時(shí)，輸入信號變化的動(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)所接收的信號功率就會出現(xiàn)超出射頻前端芯片動(dòng)態(tài)范圍的情況，這會使射頻前端內(nèi)部的AGC失去作用，致使輸出信號幅度" title="信號幅度">信號幅度不恒定，且有可能因?yàn)檩斎胄盘栠^大而燒毀放大器。避免上述情況，本文提出了通過增加一個(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)的接收信號經(jīng)過濾波器、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)部對輸入信號經(jīng)過下邊頻、濾波、放大和AD采樣后，輸出SGN和MAG兩路中頻數(shù)字信號，AD采樣位數(shù)為2bit，采樣率為16.368MHz，中頻信號頻率為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。輸入信號在射頻前端的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化時(shí)，SGN輸出信號的占空比" title="占空比">占空比恒定為50%，MAG輸出信號的占空比恒定為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出射頻前端輸出信號占空比變化而反映出來的接收信號幅度變化量，并通過低通濾波器濾出直流分量，經(jīng)過一定的直流放大反饋給受控衰減器，調(diào)整輸入信號幅度，使輸入信號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輸出信號的占空比反映了輸入信號的幅度大小，因此外部AGC控制模塊采用MAG作為輸入信號，檢測當(dāng)前輸入信號幅度的變化。外部AGC控制模塊輸出為要衰減的dB值，用來調(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輸出信號處于射頻前端AGC的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，MAG端輸出信號的占空比為1/3，如圖3所示。如果放大器2輸出信號超出射頻前端AGC的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，中頻連續(xù)信號的幅度就會超過正常幅度，直接導(dǎo)致MAG輸出信號的占空比超出1/3，因此MAG占空比的大小反映了接收信號幅度的大小。為了保持輸出信號有恒定占空比，就要在輸入信號過大而導(dǎo)致內(nèi)部AGC無法調(diào)節(jié)時(shí)，采用外部AGC調(diào)整來保證。通過外部AGC控制數(shù)控衰減器調(diào)整輸入信號幅度，使放大器2的輸出信號落入射頻前端的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MAG的占空比確定。中頻連續(xù)信號幅度與SGN及MAG輸出信號的關(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)信號幅度為A0，則MAG輸出信號門限為:
　　
　　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)新的接收信號超過門限時(shí)的相位為Φ_new，則有
　　
　　由(5)式可以看出，中頻輸出連續(xù)信號幅度相對于正常信號幅度的比值與MAG端輸出信號的占空比有關(guān)，因此AGC控制模塊的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)電路來檢測輸出信號的占空比。
　　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)算出新的輸入信號幅度與正常信號幅度的比值或?qū)?yīng)分貝值。中頻連續(xù)信號輸出幅度相對于正常幅度的放大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用來控制AGC調(diào)整速度。γ越大，調(diào)整速度越快，但會導(dǎo)致整個(gè)環(huán)路過沖和振蕩，并導(dǎo)致輸入信號有寄生調(diào)幅；γ越小，調(diào)整速度越慢，但好處是不會過沖，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MAG高電平計(jì)數(shù)來估計(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，因此會影響AGC對當(dāng)前輸出信號幅度的估計(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)。
　　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)建立接收信號數(shù)學(xué)模型，仿真外部AGC的調(diào)整過程。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)整過程見圖4。