一种用于恒包络突发通信的快速AGC方案*

2014-02-10李晓光

通信技术 2014年10期

关键词：衰减器波谷波峰

孔杰,李晓光,张剑

(中国电子科技集团公司第十研究所,四川成都610036)

一种用于恒包络突发通信的快速AGC方案*

孔杰,李晓光,张剑

(中国电子科技集团公司第十研究所,四川成都610036)

自动增益控制(AGC)是通信接收机的重要模块。突发通信中,要求AGC收敛时间短,且收敛后环路稳定。文中针对恒包络调制突发通信信号,为快速建立AGC稳态响应,提出了一种基于趋势预测的数字AGC方案。相比传统AGC方案,该方案充分利用数字衰减器固有响应延迟内信号包络的振荡趋势,进而加速了AGC收敛速度。经MATLAB仿真,验证了该方法的可行性,并在工程系统中运用,实测结果表明,该方法简单、可行、稳定。

数字AGC 趋势预测突发通信数字衰减器响应延迟

0 引言

无线通信过程中,信道环境和通信距离可能发生快速变化,使到达接收机的信号功率也会有很大范围的波动,这将给信号的采样和后续信号处理带来不利影响。为了使接收机中,进入AD采样的信号稳定在一个适当的幅度,不至于过小或饱和,自动增益控制(AGC)就成为接收机中必不可少的一部分[1]。

数字AGC采用数控衰减器来调整信号幅度,具有控制区间内控制幅度线性的特性,克服了模拟AGC采用模拟电路带来的控制区间内的非线性问题,且数字AGC还具有响应速度快,控制信号稳定的特点。因此数字AGC在越来越多的场合中得到了广泛应用。

常用的数字AGC算法通过统计AD采样后的信号幅度,与参考值作比较得到误差值,进而直接控制数字衰减器来调节进入AD的信号大小[2-4]。在高速恒包络调制突发通信中,为了携带更多的信息,用于信号稳定的同步时间通常很短,并且由于数字衰减器的固有响应时间,进一步减少了用于AGC控制的时间,因此常用的AGC算法难以满足要求。

本文正是针对这一应用,提出了一种基于趋势预测的快速AGC算法,并通过Matlab仿真验证了该算法的正确性,最后在实际工程应用中验证了该算法简单,有效,易于实现。

1 数字AGC原理介绍

数字AGC算法的基本原理是对AD采样后的信号进行平滑滤波,得到当前信号幅度的估计之后,与参考电平进行比较,进而决定数字衰减器的衰减量来调节后续信号的幅度,使进入AD器件的信号具有较为稳定的幅值[5]。具体结构如图1所示。

图1 数字AGC结构框Fig.1 Digital AGC structure diagram

如图1所示,通过数字衰减器对输入信号x(t)的幅度进行调整得到r(t),r(t)经AD采样后得到数字信号r(n),对r(n)做数字信号处理后得到控制字g(m),算法过程如下:

1)对一段时间内的采样值幅度进行平滑滤波,即

2)将得到的包络均值与参考信号进行比较得e(m)=a(m)-P,经环路滤波后得到调整值g(m-1)。

3)当e(m)＞0时,下一次数字衰减器的调节值g(m)=g(m-1)·δ。

4)当e(m)＜0时,g(m)=g(m-1)/δ。

5)否则g(m)=g(m-1),其中δ是数字衰减器调节的步进因子。

从整个调节过程可以看到,数字AGC的调节周期是N。通常为了保证数字AGC的稳定性,都会尽可能长的取N值,但这样势必会降低数字AGC的收敛速度。进一步的,在实际应用中,数字衰减器具有一定的响应延迟,从接收到控制信号g(m),到将x(t)稳定的控制到该衰减量需要时间Tdeal。在这段时间内数字衰减器的输出r(t)是不稳定的,不具有参考价值,因此需要避开这段时间,这样实际的调节周期是N+Tdeal。

对于通信速率比较低或对数字AGC的响应速度要求不高的情况下,当N远大于Tdeal时,Tdeal内不稳定信号对于g(m)的影响可以忽略不计,以f表示从控制字到受控信号的映射关系,可得

式(2)中t表示控制字g(m)有效的时刻,可以理解为在数字衰减器的作用下,r(t)立即对g(m)响应,因此在收敛速度要求不高时,传统的AGC都能起到很好的调节作用。

但是在高速恒包络调制突发通信情况下留给数字AGC的调节时间很短,此时Tdeal会远大于N,此时可以将式(2)改写为

此时如果将Tdeal时间的信号忽略掉,那么势必会造成AGC收敛时间加长,因此如何充分利用Tdeal这段时间就成为实现快速AGC的关键,本文正是基于这一思路提出了基于趋势预测的快速数字AGC算法。

2 基于趋势预测AGC基本原理

基于趋势预测的AGC基本原理,就是当N远大于Tdeal时,充分利用数字衰减器的响应延迟Tdeal,在这段时间内连续对AD采样信号进行检测,控制数字衰减器的衰减量。

由于数字衰减器的延迟响应Tdeal,必然会导致信号过度衰减和过度放大的情况出现,比如当前信号幅值比较大,经检测,控制数字衰减器衰减,在接下来数字衰减器的响应时间Tdeal内,信号没有真正被衰减,此时继续检测就会进一步控制衰减器的衰减,导致过度衰减情况的发生,最终使信号振荡起来。一般而言,这种信号振荡将导致AGC收敛时间的加长。

从式(3)可以看出r(t)与g(m)实际上存在着一个以Tdeal为变量的映射关系,因此如果能找到一种方法,充分利用Tdeal时间内振荡信号的特性,那么就能加速AGC的收敛速度。为此,文本设计了一种通过对一次震荡信号的波峰和波谷检测,进而预测真正的控制量,将信号调整到期望的范围内的算法,其结构框图如图2所示。

基于趋势预测的AGC算法,在初始时刻与图1所示的AGC算法一样,根据a(m)来计算g(m)对数字衰减器进行控制,只是此时的调整周期N更短,不需要等待数字衰减器的响应时间。在调整过程中,对包络a(m)的值进行记录,寻找a(m)振荡过程中波峰和波谷位置,记录波峰和波谷处用于控制数字衰减器的衰减值,得到波峰和波谷后,对波峰和波谷处的衰减值取平均得到,用对数字衰减器进行控制。之后在数字衰减器的响应时间内不再对衰减器进行调整,等待信号稳定后再开始对包络值a(m)进行检测,当连续检查到多个值超出目标范围后再重新启动控制过程。

图2 基于趋势预测的AGC结构框Fig.2 Trend prediction-based AGC structure diagram

这样既充分利用了Tdeal的信号特性,使得有可能在一次波动后将信号控制在期望的幅度范围内,具有很快的响应速度,又可以通过重启条件的设置对一些异常信号毛刺进行过滤,进而保证AGC调整的稳定性。

在基于趋势预测的AGC算法中,重点在于数字衰减器响应延迟时间内包络信号波峰和波谷的寻找,这里我们通过极值点的搜索来确定这两个点,具体流程框图如图3所示。

图3中flag1用于标识信号变化趋势的转折,即指出当前的点为极值点,flag2用于对找到的极值点进行计数,flag3表明当前已经找到了信号的峰值和谷值,

1)初始时flag1,flag2,flag3全部置0。

2)持续检测信号幅度,如果超出需要范围,则跳转至3),否则维持不变。

3)判断当前信号是过大还是过小,转至4)。

4)连续多次送出控制字,在2×Tdeal时间内总可以找到一次振荡信号的波峰与波谷,同时刷新flag1,flag2标示,转至5)。

图3 极值点搜索流程框Fig.3 Flow digram of extreme-point search

该算法逻辑结构简单,非常适合硬件语言实现。

3 性能仿真

为验证该算法的正确性,本文采用Matlab对其进行仿真。

假设接收信号为MSK信号,其中载波频率为90 MHz,采样频率为120 MHz,数字衰减器的响应时间Tdeal是500 ns,信噪比SNR为0 dB,控制周期N为5个采样点,模拟突发信号的突变过程,对基于趋势预测的AGC算法进行仿真,结果如图4和图5所示。图4表示当信号幅度突然发生150倍变化时的AGC响应过程,图5表示当信号幅度突然发生8 000倍变化时的AGC响应过程。其中,输入信号表示调整前信号,调整过程标示AGC控制字的变化过程,输出信号表示经AGC算法调整后的信号。

从图4和图5可以看到当输入信号幅度突变时,基于趋势预测的数字AGC都能迅速将信号幅度调整到一个期望的范围内,并且在之后会保持一个较为稳定的水平。整个调整过程需要大概300个采样点,即2.5 μs左右,具有很快的响应速度。

可以看到AGC控制字的调整过程中,有明显的振荡过程,对应了信号在Tdeal时间内的振荡。

图4 AGC调整过程1Fig.4 AGC adjustment procedure 1

图5 AGC调整过程2Fig.5 AGC adjustment procedure 2

4 结语

数字AGC在数字接收机中具有非常广泛的应用,随着通信速率的不断提高,传统的AGC越来越无法满足应用需求。

本文针对恒包络信号提出了一种基于趋势预测的数字AGC算法,该算法通过利用数字衰减器的固有响应延迟,加速了AGC的收敛速度。Maltab仿真表明该算法具有响应速度快、系统稳定性好的突出优点,尤其适用于对AGC速率要求很高的高速突发通信模式。

该算法逻辑控制清晰简单,非常适合FPGA工程实现。目前该算法已应用于某工程高速数字接收机系统中,经整机实测表明,该算法实现简单,参数选择灵活,工作稳定,具有广阔的应用前景。

[1] 刘建新.恒包络信号数字接收机的关键技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2013.

LIU Jian-xin.Study on Key Technique of Constant Envelope Modulated Signal Digital Receiver[D].Xi an:Xidian University,2013.

[2] 王军艳,李怀金.数字AGC技术研究与FPGA实现[J].通信技术,2012,45(12):145-148.

WANG Jun-yan,LI Huai-jin.Study on Digital AGC Technology and Its FPGA Implementation[J].Communications Technology,2012,45(12):145-148.

[3] 伍丹,吴玉成,刘阳,等.数字接收机中自动增益控制技术设计[J].微计算机信息,2010,26(7-1):138-139.

WU Dan,WU Yu-cheng,LIU Yang,etc.Design of AGC in Digital Receiver[J].Microcomputer Information, 2010,26(7-1):138-139.

[4] 姜坤,王元钦,赵成斌.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.

JIANG Kun,WANG Yuan-qing,ZHAO Cheng-bin.Design and Simulation of an Improved Digital AGC System [J].Science&Technology Review,2011,29(33):42-46.

[5] 陈永森,吴海.基于Simulink的数字AGC系统设计与仿真[J].舰船电子对抗,2010,33(05):88-91.

CHEN Yong-sen,WU Hai.Design and Simulation of Digital AGC System Based on Simulink[J].Shipboard Electronic Count Ermeasure,2010,33(05):88-91.

Kong Jie(1978-),male,M.Sci.,engineer,majoring in high-speed data-link technology and anti-jam communication.

李晓光(1987—),男,硕士,助理工程师,主要研究方向为高速数据链,高速编译码方向;

Li Xiao-guang,(1987-),male,M.Sci,assistant engineer,majoring in high-speed data-link technology,high speed error-correction encoding/decoding technology.

张剑(1975—),男,博士,高级工程师,主要研究方向为新型数据链,抗干扰通信方向。

Zhang Jian(1975-),male,Ph.D.,senior engineer,majoring in new data-link technique and anti-jam communication.

A Fast AGC Scheme for Constant Envelope Burst Communication

KONG Jie,LI Xiao-guang,ZHANG Jian
(No.10 Institute of CETC,Chengdu Sichuan,610036,China)

AGC is an important block in communication receiver.In burst communication,AGC is required to converge quickly and keep the loop stable after convergence.Aiming at constant envelope burst communication,and in order to quickly establish AGC steady-state response,a digital AGC scheme based on trend prediction is proposed.Compared with traditional AGC scheme,this scheme,taking full advantage of signal envelope vibration tendency within intrinsic response delay of digital-attenuator,could remarkably speed up the AGC convergence.Matlab simulation and engineering application indicate that this scheme is simple,feasible and stable,and could be applied in the engineering project.

digital AGC;trend prediction;burst communication;digital attenuator;response delay

TN850.3

1002-0802(2014)10-1223-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.023