《电子技术应用》

一种混合式高动态范围AGC算法与FPGA实现

2017年电子技术应用第12期
赵潇腾1,2,尹军舰1,张锦涛1,2,李仲茂1,冷永清1
(1.中国科学院微电子研究所,北京100029;2.中国科学院大学,北京100049)
摘要: 基于接收机的应用提出了一种混合式高动态范围AGC算法。该算法由射频前馈与中频反馈算法组成,借助现场可编程门阵列得以实现。在该算法的控制下,以射频开关、数控衰减器、检波器、可变增益放大器为核心器件,实现了一种输入动态范围110 dB、灵敏度-100 dBm、输出功率为-19 dBm的自动增益控制环路。

A hybrid AGC algorithm for high dynamic range and implementation on FPGA

Zhao Xiaoteng1,2,Yin Junjian1,Zhang Jintao1,2,Li Zhongmao1,Leng Yongqing1
(1.Institute of Microelectronic of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Abstract: A hybrid high-dynamic-range Automatic Gain Control(AGC) algorithm for receiver applications is proposed in this paper. The algorithm consists of radio-frequency(RF) feed-forward algorithm and intermediate-frequency(IF) feed-backward algorithm, which was implemented on Field Programmable Gate Array(FPGA). With the control of this algorithm, an AGC loop is implemented by using RF swich, digital attenuator, power detector and Variable Gain Amplifier(VGA), which displays a 110 dB input dynamic range,-100 dBm sensitivity with -19 dBm output power.

赵潇腾1,2,尹军舰1,张锦涛1,2,李仲茂1,冷永清1

(1.中国科学院微电子研究所,北京100029;2.中国科学院大学,北京100049)



    中图分类号: TN924

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171328


    中文引用格式: 赵潇腾,尹军舰,张锦涛,等. 一种混合式高动态范围AGC算法FPGA实现[J].电子技术应用,2017,43(12):76-80.

    英文引用格式: Zhao Xiaoteng,Yin Junjian,Zhang Jintao,et al. A hybrid AGC algorithm for high dynamic range and implementation on FPGA[J].Application of Electronic Technique,2017,43(12):76-80.

0 引言

    由于多径衰落等因素,接收机天线端的信号功率可能具有超过60 dB的波动[1]。而中频ADC具有的固定动态范围难以精确采样这样的大动态信号,为使基带能够正确解调、解码,接收机需要根据输入信号的强度自动调整其增益,从而为后级提供相对恒定的输出。这种功能正是由自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)环路实现的。

    常用的AGC环路分为3种:前馈式AGC、反馈式AGC与混合式AGC[2-4]。前馈式AGC表现为开环控制,输入信号功率被检测后经处理用作增益的调整;反馈式AGC则是闭环控制,输出功率与一个参考值作对比后得到功率误差,该误差经过运算后控制增益的大小。文献[3]的研究表明,前馈式的AGC具有更快的响应速度,且其算法较为简单,占用资源较少,因此得到了广泛的应用。然而正因为其灵敏的响应特性,前馈式AGC容易因电路参数的波动而产生误调。反馈式AGC则可以实现较为稳定的控制,但因其呈闭环结构,环路参数需要仔细确认,为设计带来一定的挑战。混合式AGC则是前馈与反馈式的结合,兼具两者的特性。

1 混合式AGC环路

    用于接收机中的混合式AGC环路由射频前馈式AGC电路与中频反馈式AGC电路组成。如图1所示,天线接收到的信号经过一定的耦合系数馈入射频检波器,检波器的输出电压由ADC转换为数字量,再由FPGA处理后控制信号通路上的单刀双掷开关与数控衰减器,从而控制射频部分的增益。其中,低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)具有22 dB增益,衰减网络具有-10 dB增益。射频信号与本地振荡器下混频得到中频输入信号IFIN,IFIN经过两级相同的可变增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)放大后,通过耦合器向中频检波器馈入适当的电平,检波器的输出电压VIFDET由ADC转换为数字量,再由FPGA进行数据处理,处理结果决定DAC的输出电压,从而控制VGA的增益。其中IFOUT表示中频输出信号,VG为VGA的控制电压。

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2 AGC算法

    在介绍AGC算法前,首先说明环路的设计指标。如引言中所述,所设计的AGC算法需要满足两种不同输入信号的需求。对于恒包络信号,需要AGC单次控制时间小于50 μs,输入动态范围不小于-95 dBm~5 dBm,输出功率为-19 dBm;对于非恒包络信号,需要输出信号包络不失真。

    根据AGC环路指标,设计了图2所示的总体算法,注意到输入信号的包络特性在本系统中可由外部获悉。环路启动时首先判断输入信号是否为恒包络信号,若是,则执行快速AGC算法,否则执行慢速AGC算法,顺序均为先射频后中频。中频AGC算法执行完毕后经过一定时间间隔再次返回射频AGC,如此循环。

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    射频前馈式AGC算法如图3,首先配置ADC的射频通道采样,根据输入信号的包络特性,确定采样次数。根据耦合器与射频检波器的特性(式(1)),将均值电平转化为对应的输入功率。对于检测到的输入功率执行条件判断,从而确定LNA与数控衰减器的应配状态。若本次确定的状态与目前的电路状态一致,则跳过配置阶段结束射频AGC,否则按照所确定的状态配置电路后结束。

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    射频AGC算法的仿真结果如图4所示,当射频输入功率从-95 dBm变化至5 dBm时,射频输出功率变化范围为[-73 dBm,-8.2 dBm],将输入信号的波动范围由100 dB降为64.8 dB。

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    在射频调整的基础上,中频反馈式 AGC进行增益的连续精密调控,其算法如图5所示,首先为VGA的控制电压VGint赋初始值,接着根据输入信号的包络特性确定中频通道采样次数并求均值VIFDET,在非恒包络输入下,两次采样间具有T1秒的时间间隔。中频AGC环路中VGA的增益Gain与控制电压VG在正常工作状态下符合式(2)所示的线性关系,其中增益的单位为dB,控制电压的单位为V。

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    根据所使用的VGA器件特性,式(2)中k取50,b取-5。中频检波器输出电压VIFDET与中频输出功率PIFOUT在正常工作区域符合式(3)的线性关系,其中电压的单位为V,被检测功率的单位为dBm。根据检波器与耦合器特性可以得:

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式(3)中k1取0.05,b1取2.575。

    在中频AGC环路中,若用PIFIN表示中频输入功率,PIFOUT表示中频输出功率,则所设计的环路目标为:当PMIN<PIFIN<PMAX时,PIFOUT保持在目标功率PAIM。假设某一时刻的输出功率为PNOW,VGA控制电压为VG1,中频检波器的输出电压为VIFDET,经过一次调整后,应使VGA控制电压变为VG2,输出功率达到PAIM,根据式(2)、式(3)及控制目标可以得到式(4)的控制算法,其中NSTAGE表示VGA的级数,在本文中取2,PAIM取-19 dBm。

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    基于控制目标及式(4)所示的关系给出了图5中的判断条件与控制电压VG的计算公式,其中VGint为VGA目前的控制电压,Max[]表示取最大值运算,Min[]表示取最小值运算。由于检波器仅在一定范围内符合式(3)的关系,因此需要确定一个可置信的检波电压区间:[0.375 V,2.75 V]。在此区间内,认为检波电压VIFDET代表了真实的输出功率,此时按照式(4)所述的方法进行AGC控制;当VIFDET<0.375 V时,认为输出功率较小,需先增大VGA的控制电压以提高增益,使VIFDET于可置信区间,然后重新进行判断;VIFDET>2.75 V时,需先减小VGA的控制电压以降低增益,再重新判断。

    中频AGC算法仿真结果如图6所示。其中横坐标为AGC执行次数。中频输入信号的功率范围为-100 dBm~-10 dBm。当输入信号功率处于[-79.04,-9.3]dBm时,VGA控制电压VG能够随着输入功率的变化而改变,输出功率保持在-19 dBm,VIFDET与PIFOUT同步变化,实现了环路的功率控制目标。

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3 算法的实现与测试

    根据第2节所述,在Xilinx Spartan 3E系列FGPA上实现了混合式AGC算法。算法控制的主要器件包括ADC、射频开关、数控衰减器与DAC。其中,射频与中频部分共用一片10 bit、4通道的模数转换器ADS7954;单刀双掷开关的状态由FPGA输出的单比特高低电平控制;数控衰减器为6 bit、0.5 dB步进的RFSA2644芯片。中频VGA的控制电压由12 bit DAC提供。ADC通道的切换及采样、数控衰减器的衰减值、DAC的输出电压均由FPGA通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)总线控制。为了方便数字部分的处理,所提出算法中的采样次数N1、N2、N3、N4均取2的整数次幂。

    在不同输入激励条件下Modelsim的功能仿真结果如图7所示。当输入为恒包络信号时(图7(a)),首先配置ADC射频通道,进行4次射频通道采样,经过计算后配置了数控衰减器。由于输入功率较高,LNA始终保持关断,随后预置了VGA增益。接着配置ADC切换至中频通道,进行连续的16次采样,最后配置DAC输出适当的VGA控制电压。恒包络输入信号下单次AGC过程耗时41.73 μs。

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    当输入为非恒包络信号时(图7(b)),射频AGC采样变为64次,中频AGC仍然采样16次,但在采样间加入了6.68 μs时间间隔,总的控制时间为230.53 μs。使用示波器测量的时域输入输出波形如图8所示,其中通道1为输入正弦包络信号,包络周期为128 μs,通道2为中频输出信号,可以观察到输出信号包络保持完好,平均功率恒定。

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    输入为恒包络信号条件下,混合式AGC环路中关键参数随射频输入功率变化的曲线如图9所示。图9(a)中按照式(1)拟合的曲线与实测曲线吻合良好;图9(b)中VGA控制电压呈现三次跳变,与射频AGC算法中的所设计的4种条件判断相符;图9(c)、图9(d)表明所设计的AGC系统在输入信号功率为-100 dBm~10 dBm时,输出可恒定地控制在-19 dBm,具有110 dB的动态范围。近年来所提出AGC系统的动态范围对比如图10[5-16]所示,对比表明本文所实现的动态范围具有一定的领先性。

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4 结论

    本文针对输入信号的不同的包络特性,结合前馈式与反馈式AGC的特点,依据接收机中的硬件架构,提出了一种混合式高动态范围AGC算法,并在FPGA硬件平台上得以实现。在该算法的控制下,以射频开关、数控衰减器、检波器、可变增益放大器为核心器件,实现了一种输入动态范围110 dB、灵敏度-100 dBm、输出功率为-19 dBm的自动增益控制环路。在恒包络与非恒包络输入下,算法执行时间分别为41.73 μs与230.53 μs,信号包络保持完好。对比表明,所提出的AGC算法实现了优良的动态范围特性。

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