陈宝文，韩 军

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)

0 引言

自动增益控制模块(AGC)是无线通信系统中的重要组成部分。由于无线信道环境及远近效应的影响，造成接收机接收端信号强度差异很大。因此接收机的AGC 就必须满足动态范围大、响应速度快且输出信号电平维持在一个最佳解调电平上。而在高速突发通信中，AGC的响应速度及动态范围是最关键的技术指标[1-2]。

传统的模拟AGC主要采用闭环负反馈控制系统，它利用输出信号与解调所需最佳信号之间的误差来动态调整可变增益放大器的增益，从而将信号放大到一定电平[3-4]。通常该误差信号需要经过一个环路滤波器来滤除高频分量，因此收敛时间通常在毫秒量级[5-6]。而全数字AGC虽然可以较快收敛(通常为几百微秒)，但是其动态范围依靠AD的有效位数来实现，这就需要高精度、宽位宽的AD，增加成本[7-8]。本文综合以上2种AGC的特点，提出了一种工作在L波段的模数混合AGC，它有效克服了以上2种传统AGC的局限，不仅能够快速收敛，且具有较大的信号动态范围。

1 基本原理

工作在L波段的模数混合AGC基本原理就是利用突发传输帧信号中的循环序列，首先计算信号的延迟相关值与能量值，当延迟相关值与能量值比值大于某一阀值时即启动AGC[9-10]。AGC启动后首先进行粗调整，即计算一个循环序列长度符号的平均能量，将计算值与解调需要的最佳电平相比较，计算出的数控衰减量送给数控衰减器，从而快速将接收信号电平调整到最佳电平附近。在粗调整之后，再进行一次细调整，即再计算连续2个循环序列长度符号的平均能量，并与最佳电平比较，将计算出的衰减量送给数控衰减器，最终将接收电平调整到最佳解调电平上。

2 系统结构

L波段的模数混合AGC基本结构如图1所示。

图1 模数混合AGC基本结构

由图1可知，工作在L波段的模数混合AGC主要由模拟部分及数字部分组成[11-12]。模拟部分主要由工作在L波段(1.75 GHz)的两级数控衰减器和三级模拟放大器组成，每一级数控衰减器衰减量为31.5 dB，而每一级放大器增益为20 dB，这样可以保证模拟部分总的动态范围可以达到60 dB。 数字部分主要由帧探测、粗调整和细调整模块组成。射频前端输出的L波段中频信号首先输入模数混合AGC中的模拟部分，经信号衰减放大后，经过带通滤波器滤除杂波后送给下变频器再送入AD，实现零中频数字采样。采样后的数字信号经帧探测后启动AGC，再经3次粗调整及1次细调整后达到解调需要的最佳电平[13]。

2.1 帧探测

由于接收端接收信号是突发的，因此就必须知道每一突发信号帧是什么时候到达并启动AGC[14-15]。发端突发信号帧格式如图2所示。

图2 突发信号帧结构

信号帧中采用10个长度为32符号的重复PN序列作为帧探测的帧头。由于PN序列具有较好的延迟相关特性，因此可以利用接收中频信号做延迟相关。当延迟相关值与当前窗口的能量值比值大于某一阀值λn时，认为一帧突发信号的到达，并给出到达指示flag。延迟相关Cn的计算如下：

(1)

式(1)为当前接收到的L个数据与D个时刻前收到的L个数据进行的互相关。

接收信号能量Pn的值可表示为：

(2)

延迟相关算法的判决阀值可表示为：

(3)

当接收信号中只有噪声时，理想情况下输出的延时相关值Cn为0，因此在突发信号帧到来前λn值很小。当接收到第2个重复训练序列时，λn值开始明显增加，当λn大于某一值时即认为突发信号帧到达，通常该值取0.7左右。

2.2 粗调整

当探测到某一突发信号帧到来时，帧探测模块给出到达指示即flag置1，AGC启动。为了提高信号检测率及灵敏度，AGC初始增益值可以设置为最大值。这样初始信号有可能达到ADC的饱和区域，因此需要检测AD的信号输出，快速调整信号强度，使信号进入线性范围[16-17]。在此粗调整阶段，可以先统计64个连续采样点的信号能量，并与最佳电平目标值相比较，计算出AGC应该调整值，并送给数控衰减器1与数控衰减器2做相应调整，而后再等待16个样点，直到AGC稳定。如此重复3次，完成粗调整过程，此时ADC的输出信号强度与最佳电平差距缩小到一定范围内。

64个采样点平均能量的计算公式为：

(4)

2.3 细调整

接收信号经过3次粗调整后，信号电平已经在最佳电平附近。由于较大的信号电平波动会对解调器解调性能产生影响，因此还需要2次AGC的细调整过程。

在细调整过程中，可以统计128个采样点的平均信号能量，并与最佳电平进行比较，得到AGC需要调整的值，之后等待32个采样点，直到AGC稳定即完成细调整过程。此过程调整时间比粗调整过程时间长，但AGC调整更精确，信号电平波动更小[18]。

128个采样点平均能量的计算公式为：

(5)

当AGC经细调整后，电平值达到解调器需要的最佳电平上，此时送给数控衰减器的衰减量保持不变，直到完整一帧突发信号结束。而后AGC释放，重新进入突发帧信号探测阶段。

2.4 数控衰减器

数控衰减器采用NI公司推出的DAT31R5芯片，它提供0.5～31.5 dB范围的衰减增益和一个6位的并行控制接口。芯片采用+3V的单极性供电电压，是基于硅的CMOS工艺制成，具有优良的射频性能。2片数控衰减器级联，可以保证63 dB的信号衰减范围。

2.5 信号放大器

信号放大器则采用AD公司的ADL5523。该芯片可以在400～4 000 MHz之间工作，采用3 ～5 V单端供电，在L波段噪声系数仅为0.8 dB，放大器典型增益值为20 dB，具有优良的放大性能。采用三级放大器级联方式，可以保证60 dB的放大增益。

3 结果分析

为了验证该模数混合快速AGC的性能，对该AGC进行了Matlab仿真及系统实测。接收信号为单载波QPSK信号，载波频率为1 750 MHz，输入信号电平为-40～ -5 dBm之间。每一突发帧信号长度为350 μs。数字信号采样率为120 Mbps，符号速率为30 Mbps。

帧探测模块中信号延迟相关值与当前窗口的能量值比值与采样点数的仿真如图3所示，可以看出，由于受噪声的影响，信号延迟相关值与能量值比值在0.65之下波动，为了减少信号误捕与漏捕的概率，通常选择阈值λn为0.7左右。

图3 信号相关值与能量的比值与采样点数关系

图4给出了输入信号电平为-5 dBm时AGC的调整关系。

图4 输入电平为-5 dBm时AGC调整关系

从图4可以看出，在突发信号帧到来之前，AGC增益值初始化为最大值，即数控衰减值设为最小。当突发帧信号到来时，最初第1个PN序列信号被放大饱和，能量值开始增大，在第2个PN序列到达时，信号自相关值也开始增大。当信号相关值与能量值比值大于阈值时即认为信号到达，将flag置1，启动AGC。AGC启动后经历3次快速的粗调整后，信号电平快速下降到最佳电平附近。图中agc_new为当前时刻需要调整的总衰减值，dout1及dout2为数控衰减器1与数控衰减器2各自的数控衰减量，target为最佳电平信号值。从图中可以看出，信号从开始到达到最终调整稳定后大约经历了1 280个样点，折算到信号时间大约为10.67 μs。

图5为输入信号电平为-40 dBm时AGC的调整关系，可以看出，当输入接收信号电平为-40 dBm时，接收信号延迟相关值及信号能量值均开始显著减小，文中算法依然能够正确进行帧探测并最终将信号快速调整到解调需要的最佳电平上。

图5 输入电平为-40 dBm时AGC调整关系

4 结束语

主要介绍了工作在L波段的模数混合快速AGC，该AGC在可靠捕获突发帧后经历粗调整及细调整后快速将接收信号调整到解调器需要的最佳电平上。经系统实测，当接收信号输入电平在-60～ 0 dBm之间时，该AGC均能在11 μs内快速收敛。该AGC尤其适合对收敛时间有较高要求的高速突发通信系统中，具有较好的工程实践价值。