DS-SS接收机全数字AGC的FPGA实现

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DS-SS接收机全数字AGC的FPGA实现

摘要：论述了某航天器DS-SS接收机外部AGC的设计原理和具体实现，重点讨论了如何根据射频前端的输出设计全数字AGC以扩展接收机的动态范围，并给出了基于FPGA的外部AGC电路算法。计算机仿真和硬件实现表明该数字AGC设计满足DS-SS接收机系统的工作要求。    关键词：动态范围 全数字AGC 射频前端
DS-SS（Direct-Sequence Spread-Spectrum）接收机具有抗干扰、通信保密性好、低信噪比下兼具测距功能等特点，在航天领域得到广泛应用。某航天器的DS-SS接收机用于测控和通信，实际工作时，输入信号变化的动态范围高达100dB。在发射机距离工作时（几百米），接收机所接收的信号功率就会出现超出射频前端芯片动态范围的情况，这会使射频前端内部的AGC失去作用，致使输出信号幅度不恒定，且有可能因为输入信号过大而烧毁放大器。避免上述情况，本文提出了通过增加一个数控衰减器和外部AGC系统来保证整个接收系统具有100dB的动态范围，并给出基于FPGA的电路实现算法。
该DS-SS接收机系统构成如图1所示。其中射频前端采用NemeriX公司的NJ1004芯片，数控衰减器采用M/A-COM公司的AT90-0106。

1 外部AGC原理和设计
接收机的接收信号经过滤波器、放大器1和下变频器处理后，载波频率变为1575.42MHz，再经过数控衰减器和放大器2进入射频前端。在射频前端，NJ1004芯片内部对输入信号经过下边频、滤波、放大和AD采样后，输出SGN和MAG两路中频数字信号，AD采样位数为2bit，采样率为16.368MHz，中频信号频率为4.092MHz。射频前端NJ1004内部含有一个AGC系统，其动态范围为60dB。输入信号在射频前端的动态范围内变化时，SGN输出信号的占空比恒定为50%，MAG输出信号的占空比恒定为33.3%。
由于射频前端芯片内部AGC的动态范围不满足整个接收系统的工作要求，因此在接收机中增加一个外部AGC模块以保证接收机的动态范围。外部AGC控制模块的功能是检测出射频前端输出信号占空比变化而反映出来的接收信号幅度变化量，并通过低通滤波器滤出直流分量，经过一定的直流放大反馈给受控衰减器，调整输入信号幅度，使输入信号在放大器线性范围和射频前端AGC的调整范围之内，以达到恒定幅度输出的目的。

    考虑到数字化的优越性和系统的稳定要求，采用全数字AGC方案并使用FPGA实现外部AGC模块。由于MAG输出信号的占空比反映了输入信号的幅度大小，因此外部AGC控制模块采用MAG作为输入信号，检测当前输入信号幅度的变化。外部AGC控制模块输出为要衰减的dB值，用来调整数控衰减器的衰减量。
外部AGC控制模块由计数器、低通滤波器、积分器和衰减量dB转换表等几部分构成，实现框图如图2所示。
当放大器2输出信号处于射频前端AGC的动态范围时，MAG端输出信号的占空比为1/3，如图3所示。如果放大器2输出信号超出射频前端AGC的动态范围时，中频连续信号的幅度就会超过正常幅度，直接导致MAG输出信号的占空比超出1/3，因此MAG占空比的大小反映了接收信号幅度的大小。为了保持输出信号有恒定占空比，就要在输入信号过大而导致内部AGC无法调节时，采用外部AGC调整来保证。通过外部AGC控制数控衰减器调整输入信号幅度，使放大器2的输出信号落入射频前端的AGC动态调整范围。数控衰减量的调节直接由射频前端的输出信号MAG的占空比确定。中频连续信号幅度与SNG及MAG输出信号的关系，如图3所示。

    设射频前端AGC正常工作时的中断频输出连续信号幅度为A0，则MAG输出信号门限为：

假设射频前端的输出幅度变化为Anew(Anew>Ath)，超出射频前端芯片调整的范围，并设新的接收信号超过门限时的相位φnew，则有

因此中频输出信号幅度与正常信号幅度的比值为：

由（5）式可以看出，中频输出连续信号幅度相对于正常信号幅度的比值与MAG端输出信号的占空比有关，因此AGC控制模块的关键是设计一个电路来检测输出信号的占空比。
利用一个计数器，采用射频前采样时钟16.368MHz作为计数时钟，在MAG高电平时计数。如果取计数时间为kms，则信号幅度处于射频前端动态范围之内时，正常的计数值为（k×10 -3×16.368×10 6）/3，记为n0。设接收信号幅度变大时，计数器的新计数值为n，则可推算出新的占空比为
wnew=n/3n0 (6)
由（5）和（6）式可知，已知新计数值和正常计数值就可计算出占空比，从而可计算出新的输入信号幅度与正常信号幅度的比值或对应分贝值。中频连续信号输出幅度相对于正常幅度的放大dB值正是AGC控制模块要输出给数控衰减器的数值，因此衰减值dB转换表就是基于（5）和（6）式构建的。要注意数控衰减器的衰减量并不是连续可调的。AT90-0106数字衰减器的衰减分辨率为1dB，最高衰减器为50dB.因此整个转换表也是以1dB为最小单位，将计数值（反映占空比）映射到衰减dB值。
考虑到噪声的影响，将新的计数值与正常计数值之间的差值送入低通滤波器进行滤波。低通滤波器的离散方程为：
y(n)=α·y(n-1)+(1-α)·x(n) (7)
其中，x(n)为低通滤波器的输入，y(n)为低通滤波器的输出，α为滤波器系数。
外部AGC控制模块中的增益ψ用来控制AGC调整速度。ψ越大，调整速度越快，但会导致整个环路过冲和振荡，并导致输入信号有寄生调幅；ψ越小，调整速度越慢，但好处是不会过冲，并在一定程度上避免了寄生调幅。
低通滤波器的输出经过放大并输入积分累加器进行累加，依据积分累加器的输出查找衰减值dB转换表，换算成衰减dB值后控制数控衰减器进行相应的衰减。

2 仿真试验和结果
该型DS-SS通信系统的伪码采用Gold码，码率为1.023MHz，码周期为1ms。依据输入信号形式和外部AGC的结构，利用微型计算机进行仿真，下面给出部分仿真结果。
计数器计数时间对占空比计算的准确性有影响。取射频前端工作在其动态范围内的飞速，计数器分别采用1ms、3ms和5ms计数时间对MAG输出端高电平进行计数。仿真表明，采用5ms计数时间对MAG高电平计数来估计占空比，与理论上的占空比（33.3%）完全吻合，1ms和3ms计数时间估计的占空比不能正确反映占空比的变化，因此会影响AGC对当前输出信号幅度的估计。所以外部AGC的计数器取计数时间为5ms(或更长)。
假设发射机载体由远及近匀速飞行，速度为60m/s仿真中取飞行距离为150m～10m为例，利用系统工作参数建立接收信号数字模型，仿真外部AGC的调整过程。取AGC计数时间为5ms，低通滤波器系数为α=0.95，增益ψ=0.01，AGC环路调整过程见图4。
从图4中可以看出，发射机在远程距离时，只要输出中频连续信号幅度不超过正常值，此时数控衰减器衰减量为零，由射频前端的AGC保护输入信号幅度的恒定。一旦中频连续信号幅度超过射频前端的AGC动态范围，则外部AGC开始起作用，通过增大数控衰减器的衰减量保证输入信号落入射频前端的动态范围之内，最终中频信号幅度收敛在正常幅度上，而不加外部AGC的输出幅度逐步增大。因此所设计的外部AGC可以保证输出中频信号SGN和MAG占空比恒定，即能保证中频输出信号幅度恒定。
在某航天器扩频通信接收机实现中，全数字外部AGC采用Xilinx公司的Vitrex-II系列XC2v1000FPGA实现。利用FPGA的可编程性，大大方便了硬件的修改和调试。外部AGC扩展了接收机的动态范围，使接收机的工作性能得到提高。另外，采用全数字AGC设计，避开D/A、放大器等部件，有利于简化系统设计、降低调试难度和提高系统稳定性。实际应用表明：在系统参数选择合适的情况下，该全数字外部AGC可以提高扩频接收机的动态范围，满足大动态工作范围的要求。

李小路

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