《电子技术应用》
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双信道模型下的自动增益控制策略设计
2019年电子技术应用第4期
李雨洋1,张 涛1,关汉兴2,盛玉霞1
1.武汉科技大学 冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心,湖北 武汉430081; 2.长飞光纤光缆有限公司,湖北 武汉430000
摘要: 针对通信环境复杂、dPMR数字对讲机基带接收信号峰均比过大的问题,提出了一种可同时对经过高斯信道和瑞利信道处理的信号进行自动增益控制的策略。该控制策略采用反馈型的数字自动增益控制(DAGC)结构,基于滑动平均检测算法和LSLDAGC增益控制算法进行优化,通过信号判决模块和有限增益调整机制提高处理衰落信号时的系统稳定性,降低了信号误判率。经仿真结果分析,验证了AGC系统可对平稳和衰落信号进行增益控制,具有96 dBm的大动态范围、小于6.25 ms的收敛时间和-105 dBm的灵敏度,同时,在信号功率波动时具有良好的稳定性和跟踪性。
中图分类号: TN929.5
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183202
中文引用格式: 李雨洋,张涛,关汉兴,等. 双信道模型下的自动增益控制策略设计[J].电子技术应用,2019,45(4):87-91.
英文引用格式: Li Yuyang,Zhang Tao,Guan Hanxing,et al. Design of automatic gain control strategy under two-channel model[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(4):87-91.
Design of automatic gain control strategy under two-channel model
Li Yuyang1,Zhang Tao1,Guan Hanxing2,Sheng Yuxia1
1.Engineering Research Center of Metallurgical Automation and Measurement Technology, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China; 2.Yangtze Optical Fibre and Cable Joint Stock Limited Company,Wuhan 430000,China
Abstract: Aiming at the problem that the communication environment is complex and the peak-to-average ratio of the baseband receiving signal of dPMR digital intercom is too large, a strategy for automatic gain control of signals processed by Gaussian channel and Rayleigh channel is proposed. The control strategy adopts feedback DAGC. The structure is optimized based on the moving average detection algorithm and the LSLDAGC gain control algorithm. The signal decision module and the finite gain adjustment mechanism are used to improve the system stability of the processing of the fading signal, and the signal misjudgment rate is reduced. The simulation results show that the AGC system can control the gain of stationary and fading signals with a large dynamic range of 96 dBm, a convergence time of less than 6.25 ms and a sensitivity of -105 dBm. At the same time, it has good stability and tracking performance when the signal power fluctuates.
Key words : automatic gain control;Rayleigh channel;Gaussian channel;dPMR protocol

0 引言

    在多变的城市和自然环境中,无线信号幅度因为多径衰落等复杂因素而出现较大的动态范围和峰均比,自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)可以将信号幅度稳定在接收机的工作范围内,对接收机后续电路的正常工作有着重要作用。文献[1]提出的一种前馈-反馈混合AGC结构,具有110 dB的动态范围,但其结构较复杂,且非恒包络信号收敛时间过长。文献[2]提出了一种基于查找表的级联步进式增益调整方式,可有效增大动态范围,减小高增益对接收机噪声系数和线性度的影响,且电路简单,适用于实时性和低成本的无线接收机。文献[3]提出了一种新型的AGC针对LTE信号传输模式中的TM2和TM3信号进行增益控制,充分利用了ADC量化范围且输出信号峰均比保持不变,但其AGC的开环结构精度有限且稳定性不高。文献[4]提出的非恒包络信号的处理算法也对本文有参考意义。在没有采用均衡技术补偿信号衰落的情况下,高达30 dB的衰落会对AGC的功率估计产生极大的影响,在衰落谷时可能会使信号小于噪声门限,从而被判断为噪声,此时,仅针对平稳信号设计的AGC[2,5]将很难对信号进行正确的检测和增益控制。信号峰均比较大时,对解调无明显影响,而且解帧误码率也可控制在3%以内,因此,解决有效信号功率估计时的误判问题和如何对信号进行适当的增益是本文重点;此外,由于设计时使用前导码来进行IQ补偿、位同步和频偏校正,因此要求AGC收敛时间控制在6.25 ms以内。

1 dPMR数字对讲机接收机

    dPMR数字对讲机的接收机[6]结构如图1所示,输入信号经过前端的低噪声放大器(LNA)放大,随后混频得到中频信号;再经过跨阻放大器(TIA)进行适当的增益,并将电流信号转换成电压信号;然后进行低通滤波提高信噪比,最后通过可变增益放大器(VGA)进行增益微调,提高精度;经ADC采样后得到数字信号,I、Q两路信号输入数字自动增益控制模块(DAGC)用于增益计算,得到的增益系数分别反馈到前端的放大级,最终将输出信号功率稳定在期望功率附近。图1中DAGC模块主要的算法分为信号检测和增益调整两部分,在第2节中进行介绍。

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2 DAGC算法设计

2.1 平均绝对误差信号检测法

    常用的信号检测方法[7]主要有峰值检测(peak detectors)、平均绝对误差检测(MAD)和平方根检测(RMS)等。本文选用算法结构相对简单、削波现象较少的平均绝对误差检测,图2为文献[8]提出的一种基于MAD的DAGC结构,其增益迭代方程如下:

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    对图2结构的DAGC进行初步仿真的结果如图3所示。仿真中出现了如下问题:在图3中椭圆标识处,输入信号有两处衰落谷,其功率小于设置的噪声门限,第二行的valid信号波形被拉低,系统判断输入为噪声,导致AGC系统复位,从而使后续电路中断了对当前信号的处理,使得一帧数据无法完整接收,数据传输效率较低。

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2.2 改进的信号检测算法

    针对上述问题,在保证AGC系统对信号幅度波动具有良好跟踪性的前提下,本文作出以下改进:(1)将滑动平均得到的功率值P1、P2、P3,匹配合适的加权系数后用于判决,这样可以进一步使信号功率曲线变得平滑;(2)根据不同情况匹配不同的延时时间常数,通过计数器的延时和循环判决,保证在有效信号期间,持续时间较短的小功率信号不会导致系统复位。改进后的DAGC结构框图如图4所示。

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    图4中滑动平均滤波[9]模块如图5所示,Tn时刻滑动窗内的被采样信号分为连续3段,每段的平均功率为P1、P2、P3,在Tn、Tn+1、Tn+2时刻,采样窗口持续向右滑动。

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    图4中虚线框标识的加权延时判决的流程如图6所示,其中Pf=aP1+bP2,Pr=aP2+bP3,a、b为匹配的加权系数,Pf、Pr分别为加权得到的当前时刻、下一时刻的平均功率值,经多次实验设定a=0.3、b=0.7时效果最佳。AGC系统加入该判决模块后,既能及时复位系统,降低后续电路的功耗,又能有效避免处理衰落信号时对小功率有效信号的误判,提高数据传输效率。

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2.3 增益调整算法

    在DAGC中,增益调整算法主要分为线性DAGC(LDAGC)和对数空间线性DAGC(LSLDAGC)。LSLDAGC算法相比于LDAGC算法在硬件实现上要更复杂,但其重要的优势是收敛速度更快,更稳定。因此,本次设计基于LSLDAGC算法,采用三级增益级有限联调的方法进行增益调整。

    LSLDAGC算法中增益调整量与估计值和参考值的比值的对数成正相关,两相邻增益的关系如下:

    tx3-gs2.gif

式中,μ为自定义系数,R′表示期望的信号幅度,G(n)和x(n)分别表示n时刻的环路增益和输入信号幅度,|G(n)x(n)|则表示n时刻输出信号的幅度,令R=|G(n)x(n)|,可将式(2)化为:

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    式(5)左侧表示上一时刻到当前时刻增益值在dB单位下的调整量,当自定义参数μ=1时,右侧刚好表示参考功率值和估计功率值在dB单位下的比值。因此由式(5)可确定当前时刻的增益G(n)。环路总增益由三部分组成,其增益步进和范围如表1所示。

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    增益调整算法流程如图7所示,error为输入信号功率与期望值的差值。其中采用合适的增益级优先调整策略来优化环路噪声性能,理论上,DAGC环路总增益可以在14 dB~110 dB之间以1 dB的精度进行调整,但是实际上要根据系统允许的调整次数(本文设定为4次)而定,采用限制增益调整次数的机制,可有效减少不必要的调整时间,同时避免系统出现不稳定的情况。此外,考虑到系统的稳定性和低功耗,在|error|<3,即信号功率波动在±3 dB以内时,锁定AGC,保持当前增益值不变,所以,实际调整精度可达到1 dB,但可能存在3 dB以下的波动。

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3 仿真结果

    本节将设计的AGC算法用于图8所示的dPMR数字对讲机接收机模型进行仿真。MATLAB建模框图如图8所示,其中gsmTUx12c2和AWGN均为MATLAB中的标准信道模型,vga_gain、tia_gain和lna_gain分别为上述3个增益级的增益值。具体的仿真环境如表2所示。

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    仿真结果如图9、图10所示,两图中从上至下依次为输入信号电压值(input)、输入数据有效的标志信号(valid)、增益调整的标志信号(tune)、环路总增益(gain)和输出信号电压值(output)的仿真结果,其中输入信号如图中标识所示,由噪声和不同功率的有效信号组成。

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    高斯信道下的仿真结果如图9所示,输入为噪声时AGC会复位,为有效信号时则进行增益调整。根据valid信号可以准确地识别有效信号和噪声,从而控制后续电路是否工作。tune信号置1即表示正在进行增益调整,其中第4段数据收敛时间最长,如游标所示,其增益调整的收敛时间为:tx3-b2-x1.gif=5.78 ms<6.25 ms,满足设计要求;gain信号给出的增益调整值均可将信号功率调整至期望值0 dBm;输出信号波形稳定,其椭圆标识出的短暂的饱和现象是由于功率估计的采样延时引起的,不影响系统性能。

    瑞利信道下的仿真结果如图10所示,从valid信号可看出,不同功率的衰落信号没有出现图3中的误判现象;tune信号中收敛时间最长的为第一段数据,其收敛时间为:tx3-t9-x1.gif=2.81 ms<6.25 ms,满足设计要求;gain信号显示环路增益稳定,使输出信号达到了期望功率值,且保持了输入信号的峰均比。

    结合图9和图10各信号波形可看出,本文的AGC系统性能如下:(1)信号检测时不出现误判;(2)灵敏度达到-105 dBm;(3)收敛时间小于6.25 ms;(4)动态范围为96 dB。

    表3为本文DAGC性能与其他文献的对比,根据仿真结果可知,本文设计的DAGC适用的信号类型上更具优势,且动态范围较大,灵敏度更高,由于收敛时间与DAGC的环路结构和采样速率有关,不具备可比性,以达到设计要求为标准即可。

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4 结论

    本文针对dPMR数字对讲机的通信环境,提出了一种新型的数字AGC控制策略。本文采用三级放大器级联结构,结合设计的加权延时判决和增益调整算法,解决了数字AGC在处理衰落信号时的误判和增益控制问题。仿真结果表明,本文设计的数字AGC能很好地处理平稳和衰落信号,同时保证了良好的动态范围、收敛时间和灵敏度,算法简单易于实现,符合dPMR数字对讲机接收机的实际应用环境。

参考文献

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[3] 陈家旭,管恩义,李文,等.数字通信系统中新型自动增益控制方法设计[J].导航与控制,2016(6):56-61.

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[7] 王晓琴,黑勇,周璇.面向OFDM接收机的一种自适应自动增益控制策略[J].电子学报,2008,36(8):1642-1645.

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[9] 吕余清,张松柏.一种基于滑动滤波的数字AGC应用[J].舰船电子对抗,2014(4):54-56.

[10] 朱启.北斗导航系统接收机中自动增益控制的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2011.



作者信息:

李雨洋1,张  涛1,关汉兴2,盛玉霞1

(1.武汉科技大学 冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心,湖北 武汉430081;

2.长飞光纤光缆有限公司,湖北 武汉430000)

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