零中频接收机及其AGC方法的研究与实现❋

丁丹，刘风亮

（1.装备指挥技术学院光电装备系，北京101416；2.装备指挥技术学院装备指挥系，北京101416）

零中频接收机及其AGC方法的研究与实现❋

丁丹1，刘风亮2

（1.装备指挥技术学院光电装备系，北京101416；2.装备指挥技术学院装备指挥系，北京101416）

实现了基于LT5506下变频器和Cyclone IV FPGA的零中频接收机，采用射频、基带一体化架构，尺寸仅为8 cm×6 cm×1.5 cm，重量仅为45 g，功耗仅为800 mW，满足小型化、低功耗的要求。针对零中频接收机中射频信号检波困难和传统AGC的调节时间受输入信号幅度影响的缺点，由Cyclone IV完成信号检波，增加对数运算环节并改进环路滤波器的结构，配合LT5506中的可变增益放大器仿真并实现固定调节时间的AGC，用8 MHz采样时钟对1 MHz正弦波进行幅度控制，调节时间恒定为53μs，不受输入信号幅度影响。

无人机；测控链路；零中频接收机；自动增益控制；调节时间

1 引言

超小型无人机对其测控链路的小型化、低功耗要求较高，适合采用零中频架构［1］。但是，I、Q两路零中频信号受到残余载波的调制，导致瞬时幅度变化，不利于射频前端直接进行自动增益控制（AGC）。另外，通信中为防止信息丢失，数据帧中保护头的时间长度必须大于AGC的调节时间（Settling Time），而传统AGC的调节时间受到输入信号幅度的影响［2］，幅度越小，调节时间越长，所以保护头的时间长度必须大于可能的最长调节时间，从而严重降低了频带利用率。本文实现基于LT5506和Cyclone IV的零中频接收机，并改进传统AGC算法，用FPGA配合LT5506实现固定调节时间的AGC。

2 零中频接收机的实现

零中频接收机采用射频、基带一体化的架构，主要功能由射频前端的LT5506和基带部分的Cyclone IV完成，如图1所示。天线接收的射频信号通过匹配网络送入LT5506，在LT5506内部经可变增益放大、混频、低通滤波后得到I、Q两路零中频基带信号，再分别经A／D采样，进入FPGA进行基带处理，解调出数据，同时对I、Q两路信号进行运算，得到信号幅度，并消除残余载波的影响，然后反馈给LT5506中的VGA，完成信号的AGC。

3 传统AGC算法的改进

传统AGC环路由VGA、包络检波器和环路滤波器组成，如图2所示。Vin为输入信号，包络检波器监测输出信号Vout的包络幅度为Vp，Vp与参考幅度Vref相比较，差值经环路滤波器产生增益控制电压Vc，控制VGA调节输入信号幅度，直至Vp与Vref相等。对传统AGC环路中包络检波的结果进行对数运算，环路滤波器的输出Vc（t）反馈回放大器，使得放大器的增益为k·Vc（t），而VGA由一个乘法器实现，这样可使环路的时间常数为固定值（详细推导请参考文献［3］），如图3所示，此AGC不仅具有固定的调节时间，而且易于FPGA实现。

4 改进算法仿真

用Matlab软件分别对传统AGC和改进AGC进行仿真，结果如图4所示。输入信号是频率为1 MHz的正弦波，其包络幅度有3次阶跃式跳变，初始值为51.2 mV，每隔2 000个采样点增加1倍（即增加3 dB），参考电平设为819.2 mV，信号采样率为16 MHz。仿真结果显示，传统AGC的3次调节时间分别约为3 700、1 200和500个采样周期，输入信号幅度越小，调节时间越长；而改进AGC的3次调节时间都约为450个采样周期，与输入信号的幅度无关。

5 幅度反馈的FPGA实现

5.1 包络检波器的FPGA实现

包络检波器采用快充慢放包络检波算法［3］，对输入信号进行低通滤波，得到信号包络的均值。其表达式为

式中，x（n）为AGC输出信号，y（n）为检波结果，Mf为充电时间常数，Ms为放电时间常数。用FPGA实现时，只需将x（n）与y（n－1）进行比较，根据比较结果选择充电或放电结果。注意：算法中的系数（1－1／Mf）、1／Mf和（1－1／Ms）都为小数，需被扩大、量化为二进制整数，最后对运算结果进行相应截短取窗即可。

5.2 对数运算模块的FPGA实现

由于FPGA二进制运算的特点，实现lb（Vp）更为方便［4］，所以先计算lb（Vp），再乘以ln2即可得到ln（Vp）。令Vp的二进制表示为BkBk－1Bk－2…B0，若Bi为其中的最高非零位，则lb（Vp）的整数部分为i，

上式两边平方并与2比较，又可得Y2，以此类推，可求出对数值的各位。图5为对数运算的FPGA实现框图，先将Vp的二进制数值按由高到低的顺序与0比较，第一个非零位的下标即为i，然后将Vp右移i位，得到1.Bi－1Bi－2…B0，进入平方比较单元，依次得到Y1，Y2，…，Ym。

5.3 环路滤波器的FPGA实现

环路滤波器的离散时域响应表达式为

其FPGA实现只包含乘、加运算。注意：需对运算结果进行截短取窗，以防止溢出；另外，y（n）的初始值应设为非零，否则运算结果永远为零。

5.4 时序仿真

首先，用Matlab产生一组频率为1 MHz的正弦波，其包络幅度有3次阶跃式跳变，初始值为512 mV，每隔1 000个采样点增加1倍。将所有的正弦波离散值量化为二进制整数，并存放在test.in文件中；其次，在ModelSim环境下用VHDL语言编写仿真测试文件（TestBench），用IEEE的TEXTIO库中的READ和READLINE函数读入上述数据［5］；最后，进行布局布线后的时序仿真，结果如图6所示。clk

in是频率为8 MHz的采样时钟，agc－in为AGC的输入信号，agc－out为AGC的输出信号。时序仿真结果显示改进AGC的3次调节时间皆为53μs，与输入信号幅度无关，这恰好与Matlab仿真结果一致。

5.5 实测结果

零中频接收机上电工作，利用QuatusII 9.1软件中嵌入的逻辑分析工具Signaltap对AGC的输入和输出信号进行监测，如图7。输入信号agc－in为1 MHz正弦波，采样时钟为8 MHz，通过程序设计使其包络幅度有3次阶跃式跳变，agc－out为输出信号，3次调整时间皆为53μs，与仿真结果相互印证。

6 结束语

该零中频接收机尺寸仅为8 cm×6 cm× 1.5 cm，重量仅为45 g，功耗仅为800 mW，已成功应用于某超小型无人机测控链路中，完全满足载荷、航时的要求。其AGC不仅具有固定的调节时间，显著提高了频带利用率，而且运算过程只包括乘、加操作，易于FPGA实现。另外，本文所使用的对数运算实现方法以及Matlab与ModelSim软件的联合仿真方法也具有一定的实践参考价值。

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WANG Xiao-ying，ZOU Chuan-yun，RONG Si-yuan.Study on zero-IF receiver based on software radio［J］.Microcomputer Information，2007，23（4）：241－243.（in Chinese）

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CHEN Yao-he.The technology of VHDL language design［M］.Beijing：Publishing House of Electuonics Industry，2004：172－174.（in Chinese）

DING Dan was born in Nanjing，Jiangsu Province，in 1980.He received the M.S.degree in 2006.He is now a lecturer.His research concerns communication system.

Email：ddnjr＠163.com

刘风亮（1980－），男，河北吴桥人，硕士，主要从事软件无线电、通信系统等方面的研究。

LIU Feng－liang was born in Wuqiao，Hebei Province，in 1980.He is with the M.S.degree，and is engaged in the research of software radio and communication system.

Study on and Realization of Zero-IF Receiver and its AGC Algorithm

DING Dan1，LIU Feng-liang2
（1.Department of Optical and Electronic Equipment，Academy of Equipment Command＆Technology，Beijing 101416，China；2.Department of Equipment Command，Academy of Equipment Command＆Technology，Beijing 101416，China）

The zero-IF receiver based on LT5506 and Cyclone IV is realized.The framework integrating RF and IF is adopted，and the size is only 8 cm×6 cm×1.5 cm，the weight is only 45 g，and the power consumption is only 800 mW.The demand of small size and low power consumption is satisfied.Aiming at the difficulty of amplitude detect for RF signal and the problem that the settling time of traditional Automatic Gain Control（AGC）is affected by the amplitude of input signal，the amplitude detect is accomplished in Cyclone IV，logarithm operation is added and the structure of the loop filter is improved，the AGC with fixed settling time is simulated and realized with the cooperation of variable gain amplifier in LT5506，when the amplitude of 1 MHz sine wave is controlled with 8 MHz sampling clock，the settling time remains 53μs，independent of the amplitude of input signal.

unmanned aerial vehicle（UA V）；TT＆C link；zero-IF receiver；automatic gain control（AGC）；settling time

TN712.2

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.010

丁丹（1980－），男，江苏南京人，2006年获信号与信息处理专业硕士学位，现为讲师，主要从事通信系统方面的研究；

1001－893X（2010）06－0046－04

2010－01－18；

2010－03－19