一种水声接收机数字AGC控制方法

马定坤, 张效民, 罗 建



一种水声接收机数字AGC控制方法

马定坤, 张效民, 罗 建

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

为了克服信号功率、距离、传播过程介质衰减等因素对水中兵器引信动作的影响, 常需要使用自动增益控制（AGC）技术对信号幅度动态范围进行压缩。本文提出了一种基于统计信号幅值过门限次数的AGC控制方法, 分析了幅值检测原理, 并针对接收噪声对AGC控制误差的影响, 提出了AGC控制统计门限优化选取方法, 为AGC控制提供了一种新思路。该方法已应用于水声信号接收机系统, 应用结果表明, 该方法具有控制精度高、抗噪声干扰能力强等优点。

水声信号接收机; 自动增益控制; 门限选取; 幅值检测

0 引言

水声接收机在接收水声信号的过程中, 由于其信号功率、距离、传播过程介质衰减等因素影响, 导致A/D采样输入端信号幅度动态范围较大, 直接影响后端数字信号处理机工作[1]。为了克服水中各种因素对水中兵器引信动作的影响, 需要使用自动增益控制(auto­matic gain control, AGC)技术, 对信号幅度动态范围压缩。

水中兵器中传统模拟AGC的实现主要通过放大器整流电路, 反馈控制二极管(或三极管)工作在非线性区的阻抗, 调整通道闭环增益从而稳定接收机输出信号幅度, 其灵活性与控制精度都有限[2-3]。本文实现一种水声接收机数字AGC结构[4],以及统计单位时间内信号过门限次数的AGC控制方法, 并对其原理展开分析、研究。在某水雷接收机硬件平台对方案的实际控制效果进行了测试, 结果表明, 该方法满足实际应用要求, 在水中兵器中具有广泛的应用前景。

1 数字AGC实现结构

数字AGC主要有硬件结构和软件算法两部分组成。

1.1 数字AGC硬件结构

数字AGC的实现主要通过检测接收机输出信号幅度, 反馈调整通道放大增益, 稳定输出信号, AGC硬件框图如图1所示。首先是隔离器, 其目的是减少AGC衰减网络对前级的影响。第1级、第2级放大器是保证接收机最小信号的开环放大增益。增益控制通过第1级、第2级衰减器完成[5], 分别置于第1级放大器和第2级放大器之前, 避免两级衰减相互影响, 同时获得较高的控制精度与大的AGC动态范围。

图1 数字自动增益控制实现结构框图

1.2 数字AGC软件控制算法

数字AGC的控制通过统计输出信号过门限次数解算输出信号幅度, 根据输出信号的幅度软件反馈调整可编程增益放大器（programmable gain amplifier, PGA)增益, 使接收机输出稳定于预定值的附近。其算法流程见图2。

图2 数字AGC控制算法

选取数字AGC控制步长为1 s, 即以1 s为单位完成一次AGC调整。单片机通过A/D对输出信号持续采样, 软件统计1s内输出信号幅度的过门限次数, 软件查表反推信号幅值信息(), 完成对信号幅值的一次解算[6], 然后经过比例积分微分(proportional integral derivative, PID)算法, 控制数字AGC。

2 数字AGC控制方法原理

本节主要针对前节数字AGC控制算法展开分析、优化研究。

2.1 幅值检测原理

可以看出, 过门限次数(0)仅与信号的幅度和门限0有关, 对于固定门限0, 过门限次数(0)与信号幅值是严格单调唯一确定关系; 其次, 过门限次数(0)与信号频率无关, 意味着幅值检测最短时间为信号周期。

调整AGC控制信号表达式(2)中的信噪比SNR从-20dB到20dB, 门限关系曲线从曲线2经过曲线组2, 过渡到曲线组1, 最终到达曲线1的位置。AGC控制后的信号功率与A/D采样过门限次数关系曲线见图3。其横坐标为AGC控制后的信号功率, 纵坐标为AGC控制后信号过门限次数占总采样次数的比值。在不同信噪比(-20 dB,+20 dB)下, 关系曲线规律如下。

图3 信号功率与过门限次数关系曲线

Fig. 3 Curves of signal power versus over-threshold number

1) 曲线1, 是信号分量单独作用时, 如式(1), 即信噪比无穷大, AGC控制后信号功率与门限次数关系曲线。

2) 曲线2, 是噪声分量单独作用时, 即信噪比无穷小, AGC控制后信号功率与过门限次数关系曲线, 与曲线1存在交点A。

3) 当AGC控制后信号信噪比从+20 dB过渡到0 dB时, 其关系走向为曲线组1, 但均经交点A; 当A/D采样信号信噪比从0 dB过渡到-20 dB时, 其关系曲线为曲线组2, 同时也经交点A, 见式（2）。

2.2 AGC控制统计门限的选取

在AGC控制过程中, 由于物理场中信号的功率、距离与传播过程介质衰减等因素, 导致AGC控制后信号的信噪比是一个在一定范围内动态变化的过程。分析不同信噪比条件下, 对统计过门限次数的AGC控制方法精度影响规律, 具有重要的意义。

以下对AGC控制统计门限进行选取分析, 假定PID控制算法可精确控制信号幅度至目标信号幅度, 仅考虑统计过门限次数AGC控制方法, 对控制精度的影响。

2.3 误差分析

假定经AGC控制的接收机输出稳定功率为 1 W, 即A点对应的功率点, 从图3易发现, A点对应的横坐标归一化功率为0.208。由图3得出的2.1节规律4), 可求出AGC控制的最佳统计门限。

在AGC控制过程中, 采用一条折中的AGC控制关系曲线, 实现对信号幅值的解算, 然而, 由于AGC控制过程中存在的未知动态信噪比, 将存在一定的解算误差。

图4 信噪比(20, -20)dB幅值检测误差分析

在AGC的控制过程中, 由于受动态变化信噪比的影响, 由过门限统计次数解读的信号功率的误差是一个动态过程(见表1)。在信噪比20 dB,-20 dB条件下的AGC控制, 其误差小于3%。但当AGC控制逐渐逼近稳定输出功率时, 控制精度受信噪比影响将达到最小。

表1 信噪比(20,-20) dB对应幅值检测误差

Table 1 Amplitude detection errors corresponding to SNR (20, -20) dB

3 数字AGC测试结果

在实现的水声信号接收机中[2], 应用统计过门限次数的AGC方法, 实际测试如下。在接收机输入端加幅度100mV、频率3.5 kHz正弦测试信号, 输出信号峰峰值稳定在2 V, 见图5(a)。将输入信号的幅度突变调至12 mV, 在数字AGC一段调控稳定时间后, 输出信号峰峰值仍稳定在2 V, 测试波形见图5(b), 输出信号幅度的平稳度相对于传统模拟AGC实现方法有很大改善, 取得令人满意的控制精度。其中通道CH1是输入信号波形, 输出波形在CH2通道可观察。经测试, AGC压缩比:=-40dB, 输入信号幅度范围≥60dB, 输出信号平坦度≤2 dB。

图5 接收机AGC测试结果

4 结束语

本文研究的数字AGC实现结构以及统计过门限次数的AGC控制方法, 具有动态范围大、程控简单、实时性高(单个信号周期即可解算信号幅值)、对噪声不敏感与精度高的优点。其次, 该方案借助软件可消除幅值检测中的非线性问题, 具有较大的灵活性和适应性, 为AGC的控制提供了一种新的思路方法, 具有广泛的应用前景。

[1] 罗建, 马定坤, 肖妮, 等. 具有A/D的程控接收机的原理与实现[J]. 测控技术, 2007, 26(7): 79-83.

Luo Jian, Ma Ding-kun, Xiao Ni, et al. Realization and Prin- ciple of Program-Controlled Receiver With A/D[J]. Measur- ement & Control Technology, 2007, 26(7): 79-83.

[2] 程刚, 刘东, 邹士新, 等. 水中远程遥控装置检测系统技术参数分析[J]. 探测与控制学报, 2000, 22(3): 60-64.

Chen Gang, Liu Dong, Zou Shi-xin, et al. The Analysis of Some Technical Parameters of the Transmission System for a Telecontrol Device Used in the Sea[J]. Journal of Detection & Control, 2000, 22(3): 60-64.

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Han Peng, Luo Jian, Zhang Xiao-min. Study on Software Fuze for Mine[J]. Journal of Detection & Control, 2003, 25(1): 44-47.

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[6] Ma D K, Zhang X M, Luo J. Research and Implement of Digital Receiver[C]//International Conference on Signal Acquisition and Processing, 2010.

[7] 田琬逸,张效民. 信号检测与估值[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1990.

[8] 相敬林, 王海燕．微弱信号检测技术与近感系统[M]．西安: 西北工业大学出版社, 1993.

A Digital Automatic Gain Control Method for Acoustic Receiver

MA Ding-kun, ZHANG Xiao-min, LUO Jian

(College of Marine Engineering, Northwest Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To suppress the effects of signal power, distance, and medium attenuation in propagation on the fuze action of underwater weapon, automatic gain control(AGC) is necessary for narrowing the dynamic scope of signal amplitude. We proposed an AGC method based on the number of signal amplitude over threshold, and analyze the principle of signal amplitude detection in this paper. To eliminate the influence of receiver noise on AGC errors, we presented a way to optimize the threshold selection. Application of our method to an underwater acoustic receiver system demonstrates its high control precision and anti-interference performance.

underwater acoustic receiver; automatic gain control(AGC); threshold selection; amplitude detection

TJ630.34; TJ431.7

A

1673-1948(2012)04-0267-04

2011-09-27;

2011-12-05.

部级国防科技预研基金项目(10J4.5.1).

马定坤(1982-), 男, 在读博士, 主要研究方向为智能电子系统, 探测系统与智能化信号检测.

(责任编辑: 杨力军)