跟踪雷达接收系统DAGC 技术的工程实现

吕立辉

（西安导航技术研究所，陕西 西安 710068）

0 引 言

现代战争中，跟踪雷达接收系统将面对更趋复杂化的外部电磁环境。接收机收到的信号混杂很容易导致其饱和，难以正常工作[1]。而能够解决该问题的有效手段之一是自动增益控制（AGC）技术。AGC技术是一种根据接收信号幅值变化自动调整增益的控制方法。早期跟踪雷达基本都采用模拟电路设计AGC，但存在反应速度慢和控制不精确问题。随着数字技术的快速发展，数字自动增益控制（DAGC）成为主流[2]。DAGC设计方法具有控制平坦、体积小以及精度高等优点。本文将阐述DAGC系统的设计框图，并对该系统进行定量研究，确定系统各模块的算法。

1 DAGC电路总体框架

设计的DAGC电路应用于雷达接收机中，系统框图如图1所示。图1中，si(t)为输入PSK信号，so(t)为调幅后的输出信号，E为参考信号幅度，e为比较产生的误差信号。在DAGC系统中，控制电压uc产生的工作原理是：输入信号通过检波提取信号幅值，将检波输出与参考信号进行比较得出误差e，应用相应算法处理再产生控制字S，经过模数变换器得到可调控增益的控制电压，再通过调整放大器增益，使输出信号保持稳定或小幅度变化。

图1 DAGC结构框图

2 DAGC各模块设计

2.1 幅度检测模块设计

幅度检测模块负责对输出信号进行幅值检测。本接收系统将信号经过数字下变频后输出I、Q两路数据，再根据FSK/PSK的信号特点可知幅度的计算公式为：

式中，A为有效信号幅值；I、Q分别为同相和正交支路的输出信号模值。要准确计算出信号幅度需要用到开方运算，但是在FPGA中不易实现开方运算，即使实现也需要占用相当多的逻辑单元，因此可进行如下的近似处理：

式中，L=max{|I|,|Q|};S=min{|I|,|Q|}。

在这3种近似方法中，第3等式的计算精度最高，可满足大多工程应用要求。这样可以在FPGA中用取反来实现求模，用移位来实现除2运算。

2.2 滤波器设计

为了DAGC系统有效工作，需要数字下变频、抽取滤波降低数据速率等方法来输出稳定的数字基带信号[3]。本文选用级联积分梳状（CIC）滤波器实现高效抽取和低通滤波。CIC滤波器是一种高分解速率滤波器，结构简单，不需乘法器，只需加法器、积分器和少量存储器即可实现，满足FPGA的实现要求。CIC滤波器包含数字积分器和梳状滤波器两部分，其中H1(ejw)为积分器，H2(ejw)为梳状滤波器CIC滤波器的频率响应，则有：

式中，Sa()为抽样函数，Sa(0)=1，所以CIC滤波器在w=0处的幅值为D，且其幅频特性曲线如图2所示，为25/24 MHz采样率的4级CIC滤波器Matlab仿真结果，主瓣大概40 kHz，其余均为旁瓣。

图2 CIC滤波器幅频特性

由图2可见，单级CIC滤波器的旁瓣电平较大。单级CIC滤波器滤波器的衰减不足，其衰减一般稳定在13.6 dB。要想加大衰减，必须采用多级CIC滤波器级联的形式。为了进一步降低旁瓣电压，通常采用多级CIC滤波器级联的方式实现。当级数为N时，阻带衰减即为单级的N倍[4]。要同时满足通带容限和阻带容限的误差，实现起来比较困难。因为要想阻带衰减大，就要增大滤波器级数，但是会导致通带容限增大，所以不能无限制增大滤波器级数。在本系统中通过仿真验证选择了较稳定的5级CIC滤波器。

2.3 误差处理模块设计

误差处理模块主要是对比当前信号幅值与理想信号幅值的差值，然后通过时间常数T对差值信号进行阶段性统计平均，以此来每隔一段时间对前端的各级增益进行调整控制[5]。

设输出信号模值为y(i)，AGC比较门限为Ud，则误差信号err(i)为：

式中，N为时间计数器；err_avg(j)为第g段时间内采样信号的误差平均值。同理，y_avg(j)为第g段时间内输出信号的采样平均值。通常，为了尽快调整好AGC，可以将计算得出的信号幅值与设定门限的比值作为增益修正量，即：

实际测试中，由于在电平检测阶段存在一定的波动和滞后，会使输出信号的检测并没有发生较大变化，但误差不可能为零，会在零值左右震荡。因此，实际工程上需要对增益设定一个门限H，当|Δgain|＜H时不再对增益作调整。

2.4 可变增益放大模块

可变增益放大器可提供精确的增益控制，主要用于中频和射频的发射机和接收机的功率控制。在本中频接收机中可变增益放大模块设置以单独的模块，AGC通过对AD采样数据进行以上模块的滤波和误差处理等，得到相应的误差修正量。将当前时刻的误差修正量通过DA变换形成衰减码的形式传输于可变增益放大模块来调整放大量，在放大模块之前还可增加数控衰减器来增加AGC的调控幅度来保证足够宽的增益调控范围。

3 结 论

DAGC技术增强了信号处理环节对接收机的控制能力，有利于提高系统的检测和跟踪性能，因此研究实现具有良好性能的DAGC系统具有重要意义。文中研究了幅度检测模块、CIC滤波器模块、误差处理模块和宽带高增益可控增益放大模块的实现和仿真，数字逻辑部分采用大规模可编程逻辑器件（FPGA）实现，在工程实践中取得了良好效果。