一种数字基带信号增益放大器设计

代延村+张淼丹

摘要：增益放大器是对接收的微弱信号进行自适应地调整，以便通信系统的正常工作。软件无线电技术采用全数字技术，使得系统通用性强，可靠性高等特点。基于软件无线电技术，针对通信系统中的微弱数字基带信号，设计一种低复杂度自动增益放大器。此放大器具有实现简单、灵活性高、反应速率快等优点。

关键词：自动增益放大器；软件无线电；数字信号；FPGA

中图分类号：TN911.8 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）01-0177-02

Abstract：Automatic gain amplifier is applied to adjust adaptively the weak signals amplitude to ensure the telecommunication operate normally. The software radio technology which adopts digital signal technique makes the system with high universality and high reliability. Based on software radio technology， this paper designs a low complexity automatic gain control for the weak digital baseband signals. The controller has advantages of simple realization， high flexibility， high reaction speed and so on.

Key Words：automatic gain amplifier； software radio； digital signals； FPGA

在移动通信系统中，接收信号由于受到干扰和噪声影响，幅度发生变化。为了保证通信的正常，需要设计一个随着输入信号强度的改变而改变的自动增益控制器[1]来实时调整接收信号幅度的变化。软件无线电技术[4]突破了传统系统以硬件为核心的设计模式，将宽带A/D转换器尽可能靠近射频端，将模拟信号尽可能早地转化为数字信号。以数字信号处理为核心，克服了硬件扩展性差的局限性。软件无线电可实现完全的可编程性，实现通信中的各种调制方式。随着超大规模集成电路的发展和FPGA的广泛使用，逐渐将传统硬件实现的功能模块由软件编程来实现。在四相移键控调制（QPSK）通信系统中，接收信号经过A/D采样、数字下变频和匹配滤波后，数字基带信号位宽截取会导致幅度下降，对后续的信号均衡产生不良影响。本文基于软件无线电技术，将幅度下降的幅度信号进行放大，提出一种简单可行的可变增益放大器（VGA）设计。

1 基本原理

1.1 自动增益控制器（AGC）

传统的AGC系统是模拟AGC系统，采用模拟电路方法实现自动增益控制功能。根据系统是否存在反馈电路，可分为闭环AGC系统和开环AGC系统两种。开环AGC系统[2]的优点是动态范围大，缺点是精度较低、惯性大、反应迟缓，对系统参数敏感等。闭环AGC系统由于反馈环路的引入，其响应时间会有所延迟，响应速度适中、对系统参数敏感度低。闭环AGC电路由比较电路、控制电路、可控增益放大电路和反馈网络四部分构成，其结构图如图1所示。比较电路的作用是产生误差信号。比较算法越合理，比较器性能越好。比较算法主要有逐次比较、中值比较等，常用的方法是直接用反馈输入信号与参考量作差。控制电路是由误差信号得到控制信号，达到控制可控增益放大器的目的。控制信号分为用于指示调整增益方向和增益调整大小的信号两种。可变增益放大电路AGC电路的核心部件，用于完成增益值的产生和信号的参数调整。反馈网络的作用是提取反馈信号，提取反馈信号幅度方法[3]有：包络检波算法、电平检测算法等。在具体应用时，需根据实际情况来选择。

1.2 软件无线电技术

软件无线电技術是一种无线电广播通信技术，它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。可以通过软件更新和下载来升级空中接口协议和功能及频带，而不需要更换硬件电路。软件无线电技术是一种典型的综合性技术，需要许多基本技术的支撑。对于一个较为成熟的软件无线电平台来说，它所涉及的技术主要包含以下技术：射频/微波技术、智能天线技术、采样技术、调制解调技术、数字信号处理技术、软件设计技术和信息安全技术等。软件无线电技术可解决由于新技术改革带来系统间兼容问题，可以降低由于系统设备升级改造的投入成本。减少传统的软件无线电系统射频部分以及其他模拟部件，通过可编程数字信号处理器件来提高系统的灵活性，简化了开发研制的过程。

软件无线电的基本思想是把宽带ADC及DAC尽量靠近射频天线。在这个硬件平台上要尽量用软件技术来实现传统技术中用硬件实现的各种功能模块。软件无线电技术有可重构性、灵活性和模块化等特点，很好解决了硬件设备升级、兼容性等问题。软件无线电系统由四个主要部分组成：接收和发射信号的天线部分、射频前端部分、模/数转换及数/模转换部分和数字信号处理部分。在现代无线电通信领域中，软件无线电作为一种新的技术，将实现以太网、蓝牙、无线网络和广电网之间的互相兼容和无缝连接，使新一代移动通信技术提供更多有效的业务。

2 设计与仿真

2.1 系统模型

数字相移键控调制技术是一类性能优良的调制方式，这种调制方式由于频带利用率而广泛应用于高速数据传输系统中。其中，最为常用的是四相相移键控（QPSK）。本文是基于FPGA平台，数字下变频是和匹配滤波都是要进行定点运算，在运算过程中必然会进行数据位宽的截短，以便降低FPGA占用资源。中频频率为20MHz，经过A/D采样后，变为16位宽的数字信号，数字下变频在FPGA中使用ROM查表法，位宽为11bits。图2和图3给出了QPSK解调端[5]（Eb/N0=15dB）数字下变频后经过截短后的时域波形图和信号星座图。

由图2和图3可以看出，经过数字下变频后，基带信号幅度不再是恒定包络，存在幅度变小的现象。这就需要对其进行放大，以便解调端正确解调出数据。QPSK信号解调时，分为I和Q两路，要两路同时进行方法，避免发生两路信号不平衡。

对I和Q路基带信号，分别计算每帧信号最大模值Amax，有两种方法进行控制增益放大器。第一种是对上帧数据按进行归一化，这种方法需要运用除法运算，占用FPGA资源多和计算精度低，因而本文不采用归一化方法来控制增益放大器。第二种方法如图4所示，根据幅度值Amax前几位为零，来控制增益放大器的放大倍数。这种方法在FPGA中，实现十分简单，直接进行两路同时左移放大信号。

2.2 仿真结果

对上面提出的基带信号增益放大器进行仿真，仿真结果如图5和图6所示，具体仿真条件与上节相同。由图6可以看出，基带信号时域波形接近横幅，无明显幅度畸变。同时，由图6可以看出，经过增益放大器后，基带信号的星座图更紧凑。

3 结语

本文所提的数字基带信号增益放大器，通过软件无线电技术，在FPGA内部通过软件补偿由于数字下变频的定点运算对信号幅度产生的衰减。这种方法具有实现简单，复杂度低，相应速率快等特点。但是，这种增益放大器不具有衰减功能，由数据超出满量程而造成的畸变，无法进行补偿。

参考文献

[1]樊昌信，张甫翊.徐炳祥通信原理[M].北京：国防大学出版社，2006.

[2]赖小强，李双田.数字闭环自动增益控制系统设计与实现[J].网络新媒体技术，2013.

[3]李磊，朱长根.全数字接收机中的 AGC 设计与数字化实现[J].重庆科技学院学报，2008，10（2）：1-4.

[4]栗欣，许希斌.软件无线电原理与技术[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[5]刘翠海，温东，姜波，李诠娜.无线电通信系统仿真及军事应用[M].北京：国防工业出版社，2013.