一种基于FPGA的信道多级AGC控制方法

苏锋 李飞 陈佳鑫

摘  要：通信系统接收机的信号接收单元一般采用自动增益控制（AGC），文章针对通信系统接收机设计需具备大动态接收范围的发展需求，提出了一种基于FPGA的信道多级AGC控制方法。该方法主要由大信号抑制控制单元、开环AGC控制单元和闭环AGC控制单元串联组成多级控制系统，实现对通信系统接收机信道大动态范围信号强度的有效AGC控制。试验验证表明：该控制方法实现了对接收机接收信号高控制精度和快速反应时间的可靠控制。该控制方法，具有防止大信号失真、输出信号电压稳定、响应速度快、大动态范围和抗干扰性能较好等优点。

关键词：通信系统；接收机；大动态范围；自动增益控制；多级串联

中图分类号：TN85    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）07-0062-03

Abstract： The signal receiving unit of communication system receiver generally adopts Automatic Gain Control （AGC）. This paper proposes a channel multi-level AGC control method based on FPGA to meet the development requirements of communication system receiver design with large dynamic receiving range. This method mainly consists of a large signal suppression control unit， an open loop AGC control unit and a closed loop AGC control unit in series to form a multi-level control system， which can realize the effective AGC control of signal strength of the communication system receiver channel in a large dynamic range. The experimental results show that this control method can achieve reliable control of high control accuracy and fast response time of the received signal of the receiver. The control method has the advantages of preventing large signal distortion， stable output signal voltage， fast response speed， large dynamic range and good anti-interference performance.

Keywords： communication system; receiver; large dynamic range; automatic gain control; multi-level series connection

0  引  言

在無线通信系统中，接收信号容易受障碍物、发射机功率大小、发射机与接收机之间距离及接收机位置变化等多因素的影响，使得天线接收到的信号强度出现较大的起伏变化，以致信号过小造成有用信号丢失，过大会过载失真，接收机可能无法正常解调信号，降低了接收机的性能[1]。随着软件无线电技术的快速发展，需要无线通信系统接收机的射频接收单元提供更高的灵敏度、更大的接收动态范围，以及更好的抗干扰能力。信号动态范围的增大对接收机的设计提出更高的要求，而自动增益控制（AGC）是一种很好的增大信号接收动态范围的手段[2]。在接收机信号接收的过程中，接收机自动增益控制（AGC）策略的优劣将直接影响到接收机灵敏度、噪声系数、动态范围等指标的性能优劣。

自动增益控制（AGC）系统作为通信设备的重要组成[3]，在前端接收到的信号较微弱，不能直接满足后端处理的情况下，AGC系统通过相应的响应为接收机提供较高的信号放大能力，提高其信道总增益；在前端接收到的信号较大时，超出后端处理所能承受的情况下，AGC系统通过相应的响应及时降低接收机的增益，确保接收机线性工作，减小输出失真，避免因大信号的输入造成接收机的堵塞[4]。因此，在通信系统接收机模块中，自动增益控制（AGC）的控制策略，直接影响到系统接收机的性能指标。

1  通信系统接收机信道AGC控制过程

1.1  接收机信号接收通路接收AGC的组成

接收机信号接收组成框图如图1所示。由图可知，接收机的接收通路主要包括：滤波器单元、混频单元、模拟AGC单元、数字AGC单元、AGC控制算法单元和基带处理单元。接收机AGC控制单元主要分为：模拟AGC控制和数字AGC控制两部分。接收机信道AGC的控制主要是设计AGC控制算法，通过合理的算法对模拟AGC单元和数字AGC单元进行合理的控制，最终输出低延时、稳定不失真的数字信号供基带处理单元处理。

随着集成电路的技术发展，高性能的A/D和D/A模数转换器不断地推陈出新，目前应用于通信系统的A/D和D/A模数转换器信号输入动态范围达到了50 dB甚至更高，同时内部集成了数字AGC技术，在芯片内部就可以根据检测的信号场强完成AGC过程。但是在信号强度接收动态范围要求较大的通信系统中，接收机的动态范围一般要求在-120 dBm～0 dBm之间，因此在接收机系统设计中，在接收信道上，要求通过对模拟AGC的控制达到通信系统要求的动态范围指标。

1.2  接收机模拟AGC控制方式

常见的AGC控制系统分为前馈型AGC控制系统和反馈型AGC控制系统[4]。反馈型AGC控制系统原理框图如图2所示，控制通道通过检测可变增益放大器输出信号的场强作为增益控制的输入信号，产生控制信号，调整可变增益放大器的增益参数，完成反馈型AGC环路控制。前馈型AGC控制系统原理框图如图3所示，控制通道通过检测射频输入前端信号的场强作为增益控制的输入信号，产生控制信号，调整可变增益放大器的增益参数，完成前馈型AGC环路控制。

在两种AGC控制系统中，反馈型AGC系统优点是能以一定的准确度保持系统输出电压幅度稳定，并且对系统参数的变换具有鲁棒性，但是反馈型AGC系统存在抗干扰性差、控制稳定所需时间长等缺点，开环AGC系统优点是在输入信号幅度发生一些变化时，电路仍然可以做到输出幅度的不变，并且这种结构具有时间建立迅速的优势，缺点是对系统参数的变化敏感[5]。在系统设计中，单一方式的AGC控制方案，很难满足接收机接收信道的低噪声、抗干扰和大动态范围等各项性能指标的要求，因此，本文提出了一种由两种AGC控制方式串联组成的多级AGC控制方法。

2  基于FPGA的接收机信道AGC控制方法

2.1  基于FPGA的信道AGC控制方案实现

基于FPGA的信道多级AGC控制方案原理框图如图4所示。整个接收信道主要分为射频前端接收单元、一中频接收单元和二中频接收单元。射频前端接收单元主要由电调滤波器、射频场强检测、可控增益控制和数控衰减器组成了一组前馈型AGC控制单元，实现了一定程度的大信号抑制和小信号的放大；一中频接收单元主要由混频器、低噪放、晶体滤波器和数控衰减器组成了一组反馈型AGC控制单元，实现了信道低噪声的放大和线性控制；二中频接收单元主要由混频器、低通滤波器和可控低噪声放大器器组成了一组反馈型AGC控制单元，实行接收机中频输出信号的稳定性。

2.2  信道AGC控制算法设计

根据前面分析，接收机整个接收机由射频前端AGC模块、一中频AGC模块和二中频AGC模块组成了三级AGC控制系统。每一级的方法及增益控制范围如图5所示，系统设计中ADC模数转换器模拟输入信号强度动态范围为66 dB，ADC最大不失真输入信号强度为-28 dBm。AGC控制目标输入模数转换器ADC信号强度为-30 dBm。

根据前面分析，整个信道的AGC控制算法如下：

在二中频控制单元，理想的ADC模拟信号输入强度为-30 dBm，二中频可控增益放大器的动态控制范围为0～42 dBm，所以可控增益放大器前端输入信号强度的起控范围为：-72～-30 dBm。整个控制过程中FPGA通过读取AD9364寄存器内的场强值2IF_RSSI，作为控制回路的反馈信号，FPGA根据反馈信号输出数字控制信号至DA数模转换器，DA数模转换器输出0～1 V的控制电压控制可控增益放大器的增益，放大器增益和控制电压程线性关系。

在一中频控制单元，根据系统增益分配图可知，一中频理想的信号输出范围为：-64～-22 dBm，为了提高信号质量，一中频控制单元中的增益放大器都是固定增益的低噪放，整个控制单元链路的固定增益为21 dB，所以在一中频的AGC控制中，FPGA根据一中频的场强信号IF_RSSI强度输出ATT_CONT2控制信号控制数控衰减器2，衰减器的衰减范围为-30～0 dBm，所以一中频信号强度的起控输入范围为-85～-13 dBm。

在射频前端控制单元，为了防止大信号输入造成后端信号阻塞和信号输入过小造无法达到后端处理信号的最小线性信号输入要求，FPGA通过检测RF_RSSI的场强控制AGC_RF1和AGC_RF2的组合电平选择是否旁路固定增益23 dB的低噪放，数控衰减器1的衰减范围为-30～0 dBm，所以射频前端信号强度输入的起控范围为-104～21 dBm。

在微小信号输入的情况下，整个接收机接收通路增益为74 dB，所以当输入信号强度为-120 dBm时，模数转换器ADC的输入信号强度为-46 dBm，完全满足器件输入要求的信号強度，所以输入信号强度在-120～21 dBm的范围内时，通过多级AGC的控制完全能实现中频信号的稳定输出。

3  分析及验证

通过以上分析，当信号强度小于-104 dBm时接收机接收通路增益完全放开，当信号在-104～21 dBm范围内时接收机中频输出信号强度可以稳定地控制在-30 dBm，当射频信号强度大于21 dBm时输出中频信号将大于-30 dBm超出可控范围。为验证系统的控制效果，用信号源产生信号强度为-110、-100、-80、-50、-20 dBm和20 dBm的信号作为系统射频信号的输入，按照超短波频段分别选择30 MHz、55.25 MHz和87.975 MHz三个频点进行测试，通过频谱仪观测中频信号的输出，判断输入输出信号是否符合系统设计要求。测试结果如表1所示。

试验结果表明，在输入信号强度为-110 dBm时，AGC控制放开所有通路的衰减，各放大器设置到最大值，信道总的增益达到最大值，确保信号在灵敏度附近时有足够的增益；在输入信号强度范围在-100～20 dBm的范围时，处于接收机的起控范围，中频信号实现稳定的输出，确保接收信号不失真。测试结果数据表明，系统AGC控制的误差范围能够控制在1 dBm以内，达到了较好的稳定性。

4  结  论

本文提出了一种基于FPGA的信道多级AGC控制方法。该方法由接收机射频前端前馈型AGC、一中频反馈型AGC和二中频反馈型AGC模块组成串联控制系统，该系统兼顾了前馈型AGC和反馈型AGC的优点，同时规避了两种AGC的缺点，具有大动态范围调整能力和防止大信号输入造成接收通路阻塞的控制能力。试验表明，该控制方法的实测结果均与号各项参数值与理论计算值相符，达到设计指标要求。与单一的前馈型AGC和反馈型AGC系统相比，具有系统反应时间短、动态调整范围大和抗干扰性强等优点。

参考文献：

[1] 施扬喜，赵利，梁仪庆，等.软件无线电接收机的AGC信号处理算法及控制模型的设计与实现 [J].现代计算机，2020（21）：3-7.

[2] 高振兴.数字AGC及相关技术研究 [D].北京：北京邮电大学硕士学位论文，2006：3-11.

[3] 曹鹏，齐伟.宽带无线通信收发信机新技术 [M].北京：电子工业出版社，2009：8-23.

[4] 蔡朝锋.VHF超短波电台接收机设计与实现 [D].成都：电子科技大学工程硕士学位论文，2018：1-6.

[5] 魏海刚，王雷，王涛涛.基于FPGA的一种通信设备大动态范围AGC实现方法 [J].现代导航，2019，10（3）：204-208.

作者简介：苏锋（1986—），男，汉族，广西北海人，工程师，硕士研究生，研究方向：数字信号处理。