一种大动态范围数字AGC 快速控制算法*

王 栋

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

在无线通信系统中，接收信道的增益和射频信号的功率决定了中频信号的功率[1]。受传输距离、天气环境及地理等因素的影响，无线信号在空间传播过程中存在不同程度的衰减，天线口接收到的射频信号强弱会有很大的变化[2]。如果射频接收信道的增益不变，则射频信号太强会造成射频接收信道饱和或阻塞，甚至使其损坏，而射频信号太弱又可能导致射频信号被丢失。为了保证无线射频信号位于信道可接收的动态范围内，必须实时地对接收信道的增益进行动态快速调整，以保证中频信号不失真[3]。传统的方式是采用模拟自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）电路来实现射频信道单元增益的放大或者衰减[4-9]，这种方式存在模拟AGC 收敛速度慢和收敛过程容易受环境影响的问题，从而引起接收信道增益误调整。于是出现了数字AGC 调整接收信道的增益[10-15]，这种方式一定程度上弥补了模拟AGC 电路调整接收信道增益的缺陷，但其仍存在收敛速度较慢和动态范围较小的问题，难以适应大动态范围的复杂通信系统。因此，设计一种大动态范围的数字AGC 快速控制算法，用于保证复杂通信系统中射频前端和模数转换（Analog to Digital Converter，ADC）不饱和显得尤为重要。

本文提出了一种大动态范围数字AGC 快速控制算法，该算法采用射频峰值检波和中频平均功率联合检测方式，对接收信道的增益进行分配以及快速控制，使得射频信号经过射频单元后始终位于ADC 的动态范围内，从而实现射频信号的稳定接收。

1 数字AGC 算法

1.1 总体框图

在大动态范围的复杂通信系统中，数字AGC的主要作用是确保射频信号经过射频单元的跳频滤波器、变频链及放大器等器件后的中频信号处于ADC 的动态范围内。该数字AGC 控制算法系统如图1 所示。

数字AGC 系统由射频单元和AGC 算法组成。其中，射频单元由射频衰减器1、射频衰减器2、中频衰减器和射频检波器等组成；AGC 算法由平均功率、峰值功率检测、AGC、增益控制和增益分配组成。

射频信号进入射频单元后，首先，经过跳频滤波器、射频衰减器1、射频衰减器2 到达射频检波器，产生大信号指示和射频功率检波电压，输入到数字AGC 算法模块；其次，经过射频衰减器2 的输出信号经过中频衰减器后，再经过放大器输出到数字AGC 算法模块，数字AGC 算法对当前射频检波信号功率和中频信号平均功率进行综合判断，产生射频单元总增益；再次，增益控制和增益分配模块根据当前射频单元总增益以及增益分配策略，产生射频衰减1、射频衰减2 以及中频衰减信号；最后，数字AGC 算法对射频单元的增益进行循环迭代控制，使得中频信号收敛到ADC 的动态范围内，并达到稳定输出状态。

1.2 平均功率

平均功率是对中频信号的功率进行平均，由于中频信号为I，Q正交基带信号[3]，因此中频信号的功率P为：

为了精准获取中频信号通带内能量，中频信号采用功率分段平均方式，采样一段时间窗口内的信号功率进行平滑处理[15]，即对中频信号进行分段，每段大小为窗w，再对窗口内的值进行累加，得到平均值作为平滑输出。设ADC 的采样率为fs，第i个信号功率输出为p(i)，该时间窗内共有采样点数为N=fs×w，所以第k段平滑输出pm(k)可表示为：

1.3 峰值功率检测

峰值功率检测是对当前射频输入信号的峰值功率进行快速检测的过程。为了尽可能减少射频器件对射频信号的失真影响，本文设计了射频检波电压与功率转换关系，用线性曲线对射频峰值功率进行拟合；设计了射频大信号指示，当射频信号峰值功率超过射频门限值后产生大信号指示。

1.3.1 曲线拟合

为了使数字AGC 算法快速获取当前射频信号的峰值功率，将射频检波器的输出电压和射频输入信号功率的对应关系进行曲线拟合。根据硬件射频检波器件特性和实测射频功率、射频检波电压及检波电压数值得出射频功率与检波电压的对应关系，如表1 所示。

表1 射频功率与检波电压对应关系

将表1 数据绘制成射频曲线，如图2 所示，发现射频功率处于-25 dBm 到-5 dBm 的区间内，检波电压与射频输入信号功率呈线性关系。因此，利用线性区间能精准量化输入射频信号的功率和非线性区间之外的射频信号功率，达到快速检测射频信号峰值功率的目的。

1.3.2 大信号指示

对于超大射频信号输入到射频系统中，为了能让系统更快速地检测到射频输入信号，解决非线性区间量化误差问题，本文使用大信号指示离散线对射频大信号进行快速检测。大信号指示产生的逻辑如图3 所示。

图3 大信号指示检测

门限值为硬件配置，当耦合器输出的射频信号功率超过门限值后，大信号指示离散线拉高，反之，则拉低。

1.4 算法设计

数字AGC 算法的关键在于快速检测射频信号功率以及中频信号的平均功率，结合中射频增益分配策略对射频单元增益快速控制。下文就数字AGC算法的射频门限、中频门限、射频检波、超门限检测、中频功率检测及AGC 控制进行详细设计。

1.4.1 射频门限

射频门限是开始对射频衰减器1 或者射频衰减器2 进行衰减控制的门限值。射频门限分为射频粗衰减门限、射频细衰减门限和射频无衰减门限3 个门限区间。射频门限调整如图4 所示。

图4 中频门限调整

射频门限1 和射频门限2 分别为射频衰减的两个门限值，且当射频门限1 最大时，射频门限2 最小。对于大于射频门限1 的射频信号进行大步进衰减，使粗衰减后的射频信号功率处于射频门限1 和射频门限2 范围内；然后对此范围内的射频信号进行小步进衰减；当射频信号处于射频门限2 以下时，则不对其进行衰减调整。

1.4.2 中频门限

中频门限是开始对中频衰减器进行衰减或放大的门限值。中频门限分为中频粗调整门限、中频细调整门限以及中频无调整门限3 个门限区间。中频门限大信号指示检测如图5 所示。

图5 大信号指示检测

中频门限1～4 分别为中频设置的4 个门限值，且当门限1 最大时，门限4 最小。对于大于门限1或者小于门限4 区间内的中频信号进行大步进衰减或者放大，使粗调整后的中频信号处于门限1 和门限4 区间内，然后对此范围内的中频信号进行小步进衰减或者放大，当信号处于门限2 和门限3 之间时，则不对中频信号进行调整。

1.4.3 射频检波

射频检波是通过峰值功率中的曲线拟合得到天线端口输入的射频信号功率，并通过和射频门限进行比较得到射频衰减步进值的过程。为了使该数字AGC 算法适应不同的应用场景，本文设计了自动步进和手动步进两种模式。当前模式为自动步进并且射频功率大于射频门限2 时，产生射频衰减步进值；当前模式为手动步进并且射频功率大于射频门限1时，产生射频衰减步进值；当前模式为手动步进并且射频功率大于射频门限2 时，产生射频衰减步进值。否则，不产生射频衰减步进值。射频检波步骤如图6 所示。

图6 射频功率检测步骤

1.4.4 超门限检测

超门限检测通过射频功率检波和大信号指示综合判断得到射频大衰减步进和超门限指示。当检测到大信号指示后，立即产生射频大步进衰减，超门限指示拉高；否则根据当前射频衰减步进是否有效，产生超门限指示。超门限检测步骤如图7 所示。

图7 超门限检测步骤

1.4.5 中频功率检测

在营利性养老服务机构里，入住老年人不仅需要日常生活照顾、疾病诊治、身体康复训练，还需要健康咨询、心理安慰、营养指导、临终关怀等，因此需要有大量的专业人才来提供专业服务。但是目前广西此类人才相当缺乏，具有养老护理职业资格证书的服务人员更少。目前广西养老机构服务人员多数为40岁以上妇女，她们的文化程度普遍较低，没有受过正规的专业护理培训，提供的服务基本属于简单的日常照料和护理。

中频功率检测通过中频平均功率和中频最小门限进行比较得到中频衰减或增加步进值。当中频平均功率大于中频门限2 时，产生中频衰减步进；当中频平均功率小于中频门限4 时，产生中频衰减步进；否则，中频信号不进行衰减或放大。中频功率检测步骤如图8 所示。

图8 中频功率检测步骤

1.4.6 AGC 控制

AGC 控制通过获取超门限指示、射频大步进衰减及中频平均功率等信息综合判断得出射频单元增益衰减或放大步进值。当超门限指示拉高时，产生当前衰减步进值；否则，当中频收敛为自动模式并且中频步进值大于0 时，产生当前衰减步进；否则，当中频功率大于中频门限1 时，产生当前衰减步进；否则，当中频功率小于中频门限4 时，产生当前放大步进；否则，当中频功率大于中频门限2 时，产生当前衰减步进；否则当中频功率小于中频门限3时，产生当前放大步进；否则，不进行放大和衰减。AGC 控制算法步骤如图9 所示。

图9 AGC 控制算法

1.4.7 增益控制

增益控制是根据该数字AGC 算法计算出的衰减步进或放大步进对射频单元总增益进行动态调整的控制过程。增益控制调整步骤如图10 所示。

图10 增益控制调整

总增益调整模块根据当前数字AGC 算法输出的衰减或放大值，产生放大后或衰减后的总增益，总增益输出模块根据当前数字AGC 算法计算出的衰减指示或放大指示并结合当前总增益给出射频单元总增益输出。

1.4.8 增益分配

增益分配是对增益控制输出的射频单元总增益在射频单元上的分配结果，总增益将分配到射频衰减器1、射频衰减器2 及中频衰减器。增益分配如图11 所示。

图11 增益分配

2 算法仿真与分析

2.1 仿真条件

仿真测试选取射频和中频都可调整的射频信号为测试条件。仿真条件设置如表2 所示。

表2 仿真条件设置

2.2 仿真结果

按照仿真条件中的参数对本文中的数字AGC算法参数进行设置。仿真结果表明，中频信号经过射频单元的逐级放大及数字AGC 算法的多次衰减，逐渐收敛到中频门限3 到中频门限2 区间内部，中频信号稳定输出。手动步进收敛仿真结果如图12所示，自动步进收敛仿真结果如图13 所示。

图12 手动步进收敛仿真

图13 自动步进收敛仿真

根据仿真结果可知，手动步进收敛方式中频信号幅度呈缓慢下降，采样639 个点后趋于稳定，收敛时间约为19.968 μs；自动步进收敛方式中频信号幅度呈急速下降，采样446 个点后趋于稳定，收敛时间约为13.937 μs。

2.3 射频收敛

射频信号经过射频单元的逐级放大，以及经过射频两级衰减器和数字AGC 算法的多次衰减，逐渐收敛到射频门限2 以下，射频信号功率稳定输出。手动步进射频收敛仿真结果如图14 所示，自动步进射频收敛仿真结果如图15 所示。

图14 手动步进射频收敛仿真

图15 自动步进射频收敛仿真

根据仿真结果可知，手动射频收敛射频信号功率呈缓慢下降，收敛次数为11 次；自动射频收敛射频信号功率呈急速下降，收敛次数为7 次。

2.4 中频收敛

中频信号经过射频单元的逐级放大，以及经过射频两级衰减器、中频衰减器和数字AGC 算法的多次衰减过程，逐渐收敛到中频门限3 到中频门限2 区间内。手动步进中频收敛仿真结果如图16 所示，自动步进中频收敛仿真结果如图17 所示。

图16 手动步进中频收敛仿真

图17 自动步进中频收敛仿真

根据仿真结果可知，手动步进中频收敛方式中频信号平均功率呈缓慢下降，大步进收敛到中频门限1 后以小步进精调至中频门限2 以下，达到稳定态；自动步进中频收敛方式中频信号平均功率呈急速下降，大步进快速收敛到中频门限2 以下，达到稳定态。

2.5 衰减曲线

射频信号经过射频单元的逐级放大，射频两级衰减器、中频衰减器以及数字AGC算法的多次衰减，射频单元的增益随之变化，最终收敛到稳定态。手动步进衰减曲线仿真结果如图18 所示，自动步进衰减曲线仿真结果如图19 所示。

图18 手动步进衰减曲线仿真

图19 自动步进衰减曲线仿真

根据仿真结果可知，手动步进衰减曲线衰减值呈缓慢上升，射频单元总增益缓慢下降，最终收敛到稳定增益输出；自动步进衰减曲线衰减值呈急速上升，射频单元总增益急速下降，最终收敛到稳定增益输出。

2.6 动态范围

文中的数字AGC 算法采用射频峰值检波和中频平均功率联合检测方式，射频峰值检波采用线性曲线拟合和大信号指示的方式精准量化射频输入信号功率，提高了射频峰值功率检波范围。根据实测值，射频峰值检波范围为-30～10 dBm；中频平均功率检波采用滑动平均功率检波的方式对高精度ADC 采样的中频信号进行量化，动态范围为-55～6 dBm。根据射频单元整个链路的总增益可知，该数字AGC 算法增益可调范围为-130～10 dBm。因此，在大动态范围的复杂通信系统中，该数字AGC算法完全满足要求。

3 结语

本文针对大动态范围的复杂通信系统的动态范围以及收敛速度两大关键指标，提出了一种大动态范围数字AGC 快速控制算法。该算法采用射频峰值检波和中频平均功率联合检测方式，对射频单元的增益进行快速检测及控制，确保输出的中频信号快速收敛到中频门限区间内，使得中频信号快速收敛到ADC 的动态范围内，并达到稳定输出状态。仿真结果表明，自动步进或手动步进收敛方式下，射频及中频信号收敛次数、收敛时间均快速达到稳定状态，收敛时间从传统方法的毫秒级提高到微秒级，动态范围大幅提升，从而验证了该数字AGC算法具有良好的性能。