基于SoC的无线调频广播收发信机的AGC

曹爱玲，范 红，2，倪 林，2，严 杰，唐 俊

(1.东华大学 信息科学与技术学院，上海201620；2.东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海201620；3.东方明珠传输有限公司，上海200052)

基于SoC的无线调频广播收发信机的AGC

曹爱玲1，范 红1，2，倪 林1，2，严 杰3，唐 俊1

(1.东华大学 信息科学与技术学院，上海201620；2.东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海201620；3.东方明珠传输有限公司，上海200052)

描述了一种基于SoC的软件无线电收发信机，利用该收发信机来实现对广播信号的实时处理，实现隧道中无线调频广播收发信机的自动增益控制，使隧道放大器前的接收信号的电平控制在一定的范围之内，改善隧道内调频广播信号的质量。该系统的特点是具有很好的可重构性、灵活性及稳定性。

SoC；无线调频广播；自动增益控制(AGC)

0 引言

自动增益控制(AGC)是一种自动幅度调节系统，主要用于收发信机中，因为收发信机所处的环境较复杂，所以接收到的信号起伏较大。为了提高收发信机的性能，一般都需要采用AGC来实现对于不同输入电平的处理，以保证输出电平的基本恒定。本文实现的是基于SoC的无线调频广播收发信机的自动增益控制，它将软件无线电系统的射频前端部分集成在一个芯片内，这样代替了传统的分立式结构，提高了系统的稳定性，且该系统是软件可编辑的，使其能够接收不同参数的无线信号，在不用更换硬件系统的情况下便可以完成不同信号的收发和处理[1]。当然，AGC的应用在一些需要稳定输出幅度的系统中也有相当普遍的应用[2-3]。

1 AD9361捷变收发器的性能

AD9361是一款高集成度的射频(RF)收发器，可进行配置以实现广泛应用，在单个器件中集成了提供所有收发器功能的所有必要RF、混合信号和数字模块。AD9361提供了自我校准和AGC系统，可以在不同输入信号条件下维持高性能水平。它的主要特性包括以下几个方面:集成12位DAC和ADC的RF 2×2收发器；频段：70 MHz～6.0 GHz；可调谐通道带宽：200 kHz～56 MHz；双通道接收器：6路差分或12路单端输入；出色的接收器灵敏度，噪声系数为2 dB(800 MHz，本振(LO))；RX增益控制：实时监控和控制信号用于手动增益，独立的自动增益控制[4]。

每个接收(RX)子系统都拥有独立的AGC、直流失调校正、正交校正和数字滤波功能，从而消除了在数字基带中提供这些功能的必要性。每个通道搭载两个高动态范围ADC，先将收到的I信号和Q信号进行数字化处理，然后将其传过可配置抽取滤波器和128抽头有限脉冲响应(FIR)滤波器，结果以相应的采样率生成12 bit输出信号。

2 基于SoC的自动增益控制的解决方案

本文使用的是ADI公司提供的基于AD9361芯片的板卡AD-FMCOMMS3-EBZ，它将芯片引脚引出到FMC插口，以便与SoC连接[5]。SoC分为集成了双核ARM9的微处理器和FPGA两部分，微处理器总是先启动，即ARM部分，这就是启动Linux，然后ARM芯片通过多口高性能接口AXI总线与FPGA之间进行信息传递，控制FPGA中AD9361的驱动模块，以达到控制AD9361的目的[6-7]。AD9361与SoC的连接图如图1所示。

AD9361是射频捷变收发器，它集成了射频前端部分的芯片，有两路接收与发射，其接收信号的增益控制与检测如图2所示。LMT是低噪声放大器、混频器、跨阻抗放大器的简称。

图1 系统框图

图2 接收信号的增益控制与检测

模拟增益是低噪声放大器、混频器、跨阻抗放大器、低通滤波器的增益总和，模拟增益控制是把采样前信号电平控制在A/D转换器的输入动态范围内，以防止A/D转换器过载。数字增益控制的作用是滤除带外的信号和噪声，且对小信号提供一定的增益，以确保解调输出信号的分辨率和稳定。数字增益控制是将信号乘以一个因子，这样噪声和信号都改变，从而对信噪比是没有影响的。对于许多应用场合，并不需要数字增益控制，然而在某些情况下，基带处理器要求接收到的信号功率等于一些额定值，一些特别功率级别信号的最大模拟增益还没有高到足以达到这一目的，就可以使用数字增益来达到，但是通过牺牲模拟增益来增加更多的数字增益将降低系统性能，很低的信号级别的最大模拟增益还没有高到足以达到这一目的，或者，设置寄存器0x10E和0x10B中的第D5位来支持这个功能。基带处理器在寄存器0x10B(Rx1)和0x10E(Rx2)中写数字增益索引值，但是如果D5位被设置，数字增益永不改变。

当信号平均功率超过一个阈值时，增益不一定立即改变。AD9361的增益只有在“增益更新计数器”溢出后才会更新存储在寄存器0x124和0x125中。计数器的深度等于这些寄存器中的值的两倍。或者，如果寄存器0x128[D5]位被设置，它等于这些寄存器中的值的4倍。AD9361计数特定超载事件发生的次数，只有在事件的发生比一个可编程的次数多时才会使增益改变。即使这些峰值过载，增益只改变在增益更新计数器溢出时。计数器都存储在寄存器0x121(LMT)和0x122(ADC)中。AD9361对于计数器没有默认值，因此基带处理器必须设定好所有的这些值。在增益变化事件期间，最高优先级给大的LMT检测器，紧随其后的是大的ADC检测器，最后的功率检测器使用的是二阶窗控制回路。

使用二阶控制回路滞后改变增益，使平均信号的功率保持在一个可编程的窗口之内，在半带滤波器与Rx FIR滤波器之间测量功率。AGC控制回路限制和步长如图3所示。

内部高阈值存储在寄存器0x101中，内部低阈值存储在寄存器0x120中(单位为-dBFS)；内部高阈值和外部高阈值之间差异的绝对值存储在寄存器0x129[D7:D4](单位为dB)中；内部低阈值和外部低阈值之间差异的绝对值存储在寄存器0x129[D3:D0](单位为dB)中。

图3 AGC控制回路限制和步长

A、B、C和D步长大小存储在寄存器0x12A[D7:D4]、0x123[D6:D4]、0x123[D2:D0]和0x12A[D3:D0]中。在平均信号功率超过其中一个阈值之后，由增益索引指针的改变大小来确定步长的大小。AD9361没有默认阈值或步长大小，基带处理器必须设定这些值，使增益控制在合理范围之内。

3 测试和分析

利用上海地区的调频广播信号对系统进行了测试，本系统是在零中频进行处理的，改变接收信号的本振值即可实现信号的频谱搬移，所以先设定好最重要的3个参数：本振、信号带宽和采样率。接收的是87 MHz～108 MHz的广播信号，所以将本振设为87 MHz，信号带宽为21 MHz；为保证信号的不失真采样率至少为信号带宽的两倍，所以采样率设为50 MHz。打开Linux中的iio-oscilloscope软件，可看到接收到的调频广播信号的频域波形，如图4所示，其中，横轴是带宽，单位为MHz；纵轴是频谱幅度，单位为-dBFS。

图4 调频广播信号频域波形图和频点

设置AGC的高低阈值：寄存器0x101=18，0x120=31，0x129=24(十六进制)；设置步长A、B、C和D：0x12A=33(十六进制)，0x123=22(十六进制)。信号调整后的频谱图如图5所示。

图5 增益改变后的频谱图

由图4可见，未经处理前的接收信号的峰值范围为-15.34 dBFS～-38.17 dBFS；由图5可见，经过处理后信号的峰值范围为-25.01 dBFS～-36.68 dBFS，通过频谱分析，调频广播信号的频谱在一定程度上实现了均衡。从接收到广播信号来看，在AGC范围内，确实使广播信号更加清晰。

4 结论

本文对AD9361芯片进行了详细的介绍，它将其他平台的分立式器件集成到一块芯片上，提高了系统的稳定性；再者是SoC平台的应用，既有FPGA，又有完整的嵌入式平台，提高了系统的集成度。与传统复杂的AGC放大器电路相比，本文使用的AGC是软件可编程的，使用二阶控制回路滞后改变增益，使平均信号的功率保持在一个可编程的窗口之内。随着该系统的进一步完善，相信它可以在调频广播信号的应用上发挥很大的作用。

[1] 余莲. AD9361:基于突破性技术促进软件定义无线电应用[J]. 电子技术应用,2013, 39(11):1.

[2] 刘幸福,龚晓峰. 中频数字接收机在SoC上的实现[J]. 电子技术应用,2014,40(9):21-23.

[3] 丁革媛,高宝芹,孙强，等. 无线通信技术的发展研究[J]. 微型机与应用,2014,33(10):1-3,6.

[4] 张贵. AD9361射频捷变收发器[N]. 电子报,2014-11-09(10).

[5] ADI.RF捷变收发器[EB/OL].[2014-11-6]. http://www.analog.com/static/importedfiles/zh/data_sheets/AD9361_cn.pdf.

[6] 何宾. Xilinx FPGA权威设计指南—Vivado 2014集成开发环境[M]. 北京:电子工业出版社,2015.

[7] 陆佳华,潘祖龙,鹏竞宇. 嵌入式系统软硬件协同设计实战指南:基于Xilinx ZYNQ[M]. 北京:机械工业出版社,2014.

AGC of wireless FM RF transceiver based on SoC

Cao Ailing1, Fan Hong1,2, Ni Lin1,2, Yan Jie3, Tang Jun1

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University,Shanghai 201620,China; 2.Engineering Research Center of Digitized Textile & Fashion Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China; 3.Oriental Pearl Co., Ltd., Shanghai 200052, China)

This paper introduces a wide-bandwidth signal transceiver sub-system based on SoC, uses the system to realize nearly real-time process of the FM RF signals and realize the automatic gain control of wireless FM RF signals in the tunnel.What’s more,the signal level that in front of the tunnel amplifier can be controlled within a certain range,and improve the quality of the tunnel FM RF signals.The feature of the system is the good reconfigurability ,flexibility and the stability.

SoC;wireless FM broadcasting;automatic gain control(AGC)

TN93

A

1674-7720(2016)02-0060-03

曹爱玲，范红，倪林，等. 基于SoC的无线调频广播收发信机的AGC[J].微型机与应用，2016,35(2)：60-62,69.

2015-09-18)

曹爱玲(1990-)，通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：无线通信与信息处理。E-mail:794399474@qq.com。

范红(1976-)，女，博士，副教授，主要研究方向：光电信息获取与处理。

严杰(1972-)，男，学士，高级工程师，主要研究方向：广播信号中继传输的数字化处理。