短波接收机射频前端增益校正设计与实现

刘卫华，王李民，周志文



短波接收机射频前端增益校正设计与实现

刘卫华1，王李民2，周志文3

(1. 92403 部队, 福州 350007；2. 92493 部队, 辽宁葫芦岛 125000；3.海军工程大学, 武汉 430033)

在短波数字化接收机中，通过控制射频前端可变的衰减器或放大器，可以实现模拟增益控制。但无论是压控还是数控衰减器和放大器，器件的非线性都会引起模拟增益分配的非线性，从而影响解调的质量。本文针对这种非线性设计了一种反馈型的自动增益校正方法，并在DSP和FPGA的硬件平台上进行效果测试，结果表明校正后增益误差有了3.2dB的改善。

射频前端 非线性 反馈型 增益校正

0 引言

在短波数字化接收机中，通过数字处理部分的可编程芯片控制模拟前端的衰减器或放大器，从而实现对前端的自动增益控制[1](AGC，Automatic Gain Control)。典型的反馈型AGC电路[2,3,4]是随着输入信号的强弱通过一定的算法控制被控电路，使总增益按照一定的规律变化，输出稳定或在较小的范围内变化。

模拟前端的射频增益[5,6]通常采用的为电调衰减方式，即是通过改变电压来控制电调衰减量从而实现模拟自动增益控制，其中不同的衰减控制码对应于不同的增益，而衰减控制码是由可编程芯片(如DSP，FPGA等)来控制。尽管相对于传统的模拟增益控制电路，压控方式衰减器的放大增益电路在精度上有所提高，但由于电路非理想特性的影响，仍存在一定的非线性。电路的非线性会导致压控方式自动增益控制的非线性，即线性控制码输入下输出非线性的电压，从而导致模拟增益产生误差，影响解调质量和指标。在这种情况下，就需要对前端衰减控制码进行校正，使其达到或者接近线性。

1 增益校正的设计

1.1人工与自动增益校正

本文设计了一种反馈型结构自动衰减控制码校正，其基本思想为：控制数字接收机的输出射频频率及幅度，反馈进入接收天线端。当进行自动增益校正时，馈入天线的射频信号经前端放大、混频、滤波后在数字处理部分进行解调滤波。减小输出射频信号幅度，通过增大模拟增益量，使得在数字处理时得到的幅度相同，此时得到的模拟增益量所对应的衰减控制码即为测到的结果。自动方式校正可重复性强、工作量小、操作简单，但需要针对特定的硬件结构。

1.2硬件电路设计方案

本文设计的硬件平台主体是基于DSP和FPGA的，DSP采用的TMS320C6416芯片，FPGA采用EP2CGX60芯片，DSP在本设计中完成对整个信号通路和自动增益校正的控制，以及实现AGC算法。FPGA的主要任务是实现中频信号下变频到基带信号、解调滤波和完成底层复杂的运算。其硬件结构图如下图所示。

在本设计中射频AD9957是关键，它可以工作在三种工作模式下，即正交上变频模式(Qadrature modulation mode)，内插DAC模式(Interpolating DAC mode)和单音模式(Single tone mode)。DSP通过配置AD9957的控制寄存器控制其工作方式，同时AD9957的辅助寄存器会影响输出幅度和频率。本文的设计采用内插DAC模式，因为在这种模式下DSP既可控制AD射频频率也可控制输出幅度。DSP根据FPGA中送来的数据调整衰减控制码去控制前端放大器，同时也判定下一次送给AD9957的幅度。FPGA将基带处理的幅度值通过音频D/A转换器送到示波器，可观察到整个测量过程。

1.3软件设计方案

整个自动增益校正的过程为：DSP控制整个数字化接收机工作在等幅报状态下，拍频频率f=1k Hz，增益方式为人工增益。开始校正时，初始化射频AD9957输出幅度为RF_IN0，频率为f_信号，信号反馈进入射频端，DSP通过增益码控制模拟前端增益。中频信号采样进入FPGA后下变频到基带进行解调滤波，FPGA每个64 kHz的节拍速率将计算得到幅值baseband_IN给DSP做运算，DSP将第一次的baseband_IN0作为定标值。将射频信号减少1dB作为下一次输入，频率不变，DSP检测到此时的幅值为baseband_IN1(应是小于baseband_IN0的)，DSP逐渐增大增益码Code使得读到的幅值baseband_IN1等于或者接近定标值。当和定标值误差较小时，此时的增益码Code即为当前增益量所对应的控制码，以此类推可得到总增益所有的控制码。

对于第一次进入AD9957的幅度，其不能过大但也不能过小，选取主要遵循的原则为：

1）保证射频端信号足够大的信噪比，尽可能减小由噪声导致的误差。由于中频 ADC转换位数为16bit，意味着输入信号的范围为0～32767，即由AD9957馈入到射频端的幅度范围为0～32767，当选取的幅度较大时可有效的提高射频端信噪比，减小噪声干扰；

2）保证在前端满增益条件下，最小输入不会导致中频AD过载，这就要求选取的幅度不能过大；三、为保证射频增益码在自加的过程中不至于超过最大值32767以至于射频前端达到饱和，将第一次反馈读到的幅度尽量控在AGC额定值范围内。在本设计中选取第一次作为定标的输入信号幅度为20000，可满足所需条件。

由于在本设计中FPGA进行数字解调时滤波器阶数为1000阶，DSP为了能“实时”读到幅值，在DSP中至少延时1000/2个节拍才能保证读到的幅值为瞬时值，本设计中DSP延时1024个节拍，如下图3所示为FPGA的解调滤波设计图。

2 效果测试

本文设计的自动增益校正在搭建的基于DSP和FPGA的硬件平台上进行了测试，仿真软件采用的为CCS3.3和Quartus II9.1。整个校正的流程主要由DSP来控制，FPGA提供解调通路，将工作在CW工作模式下的幅值送给DSP进行整个校正测量。由于每次射频输入到DSP读到幅度值有一定的延时，所以可以从CCS中明显地观察到校正测量过程，同时由于FPGA将解调滤波后的幅值以64 kHz速率从音频D/A送出，在示波器上同样可看到在校正过程中幅值的渐变过程。下图为测量中在CCS画图观察到的输出幅度随时间变化曲线。

由上图可以看出，在校正调整过程中，幅值以固定步长增大到定标值附近后进行下一次调整。同时，小增益的调整过程时间比大增益调整时间短，主要原因在于大增益的校正码较大，每次调整控制码到读到接近定标值的幅度需要时间长。DSP记录的每次调整的控制码如图5所示，图中只截取CCS中Watch Window记下的增益量为0~20d B的衰减控制码，事实上在本数字化接收机中模拟增益量共55 dB量。

由图6可以看出，实测的控制码并不是理想的线性曲线，而存在一定的误差，这是由前端压控放大器器件本身和前端电路的非线性造成的。通过对比理想与实测的衰减控制码，最大误差有3.2 dB。经校正后在中频测得的增益误差最大为0.3 dB，较不校正时3.5 dB有了明显的改善。仍存在误差的主要原因为：1)测量信噪比较小时，外部噪声(模拟前端及空间的噪声)带来的干扰；2)运算过程中乘法造成的精度误差；3)校正过程中控制码固定步长的选择及判决测量值与定标值得条件。

在MATLAB中绘图对比理想与实测的衰减控制码特性曲线如图6所示。

3 结束语

文章针对数字化接收机中模拟前端压控/数控方式的增益控制器件的非线性设计了一种反馈型自动增益校正的方法，并且在DSP和FPGA为主体的硬件平台上进行了效果测试。实测数据表明，文章所设计的方法能有效改善前端放大器非线性，校正后在模拟中频测到的增益误差较不校正时改善了3.2 dB，从而一定程度上提高了解调质量。

[1] 苏明．短波接收机前端范围AGC控制电路的研制[D]．武汉：武汉理工大学, 2012：38-45．

[2] 陈景军．基于软件无线电的短波接收机设计与实现[D]．武汉：武汉理工大学, 2012：24-25．

[3] 郑翔，张文强，周志杰．一种AGC算法的设计与实现[J]．电讯技术，2006，(2)：164-167．

[4] 姜坤．一种改进的数字AGC系统设计与仿真[J]. 科技导报, 2011, 29(33): 42-46．

[5] Cai Xiping, ShangHongbo, Wang Lina, et al. Simulation of automatic gain control method for laser radar receiver[J]. International Society for Optical Engineering, 2009．

[6] 曹鹏, 费元春. 大动态宽带数字中频AGC系统的设计[J]. 北京理工大学学报, 2003, 23(5) : 613-616．

Design and Implementation of Gain Correction of RF Leading End in Shortwave Receiver

Liu Weihua1, Wang Limin2, Zhou Zhiwen3

(1. The Unit 92403 of PLA, Fuzhou 350007, China; 2. The Unit 92493 of PLA, Huludao 125000, Liaoning, China;3. Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)

TN924

A

1003-4862（2014）08-0073-04

2014-04-02

刘卫华(1970-),男，工程师。研究方向：通讯工程。