数字接收机中自动增益控制技术设计
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除以 64 就计算出了平均幅度。
通过计算可得到其传递函数:
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《现场总线技术应用 200 例》
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仿真技术
通过数学上的处理,采用这种方法在估计信号的平均能量, 数字化实现时,节省了资源,可直接利用移位寄存器来实现,降低 了计算复杂度。
增 益 控 制 。 其 次 , 基 于 前 馈 数 字 AGC 的 仿 真 模 型 , 完 成 算 法 的 数 字 化 硬 件 设 计 和 调 试 , 验 证 了 该 算 法 能 够 正 常 工 作 。 为 降 低 传
统 实 现 方 案 的 硬 件 计 算 复 杂 度 , 运 用 不 同 的 模 值 估 计 方 法 , 简 化 数 字 AGC 电 路 的 设 计 。 通 过 仿 真 与 实 现 , 说 明 简 化 方 案 可 在
伍 丹: 硕士研究生 基金项目: 基金申请人: 吴玉成; 项目名称: 宽带无线通信传输 技术共性研究; 基金颁发部门: 中国博 士后 基 金(20090450669); 基金申请人: 刘阳; 项目名称: 灾害救援人员实时检测系统基 金颁发部门: 国家大学生创新实验项目(081061105)
通过对数据 N 个样点的幅度进行累加并取得平均值,在进行对 前 N(假设 N=64)个样点幅度累加时,利用了以下累加算法,然后 再将所得到的 y(n)
3 数 字 AGC 电 路 简 化 设 计
3.1 数字 AGC 中求模的简化电路
在前面介绍的数字 AGC 电路的仿真以及实现的过程中,都
是需要求取模值
。但是在实际的应用过程中,求模值部
分的电路实现就比较复杂,耗费大量芯片逻辑资源。因此,在工
程实现上,常对模值的求取采用近似的方法。数字自动增益控制
的方式中估计信号幅度常有以下三种情况:
《微计算机信息》(测控自动化 )2010 年第 26 卷第 7-1 期
数字接收机中自动增益控制技术设计
Design of AGC in Digital Receiver
(重庆大学) 伍 丹 吴 玉 成 刘 阳 沙 世 伟
WU Dan WU Yu-cheng LIU Yang SHA Shi-wei
摘要: 论 文 设 计 了 前 馈 式 和 反 馈 式 数 字 AGC( 自 动 增 益 控 制 ) 算 法 。 经 仿 真 、 分 析 表 明 , 两 种 算 法 均 能 有 效 的 实 现 信 号 的 自 动
技
(a)
幅值估计方法 (b)
图 4 求模实现方法 3.2 计算机仿真 前馈和反馈方式仿真
估计方法
术
幅值
创
新
与
对比,利用 VHDL 编程实现的波形对比如图 5 所示:
(a)
幅值仿真波形
(a) 输入信号及其累加幅度波形
(b) 经前馈 AGC 输出波形 图 3 数字 AGC 硬件实现波形 《PLC 技术应用 200 例》
(1)
(2)
(3) 式中, 在式(1)~式(3)3 种方法中,式(1)的精度较差,仅适用于要求 较低的场合;式(3)的精度最高,基本上可以满足一般处理的要 求。在进行 FPGA 设计时,三种方案的实现结构如图 4(a)、(b)所 示。图中将常数乘法采用移位寄存器实现节约了乘法器资源。
(a) 前馈仿真波形
(b)
幅值仿真波形
图 5 编程实现波形对比
(下转第 16 页)
邮局订阅号：82-946 360 元 / 年 - 139 -
博士论坛
《微计算机信息》(测控自动化 )2010 年第 26 卷第 7-1 期
读博士,主要从事人工智能与故障诊断方向的研究。 Biography:LIN Tao (1963 - ),male,shandong,the vice -professor of the Naval Aeronautical Engineering Institute, doctor, major in Artificial Intelligence and fault diagnosis. (264001 山东烟台 海军航空工程学院) 林 涛 韩志斌 刘生华 (Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, China) LIN Tao HAN Zhi-bin LIU Sheng-hua 通讯地址:(264001 海军航空工程学院研究生 5 队) 韩志斌
术 的参数的地址,结合式(1)计算出装定的控制参数的内容。
创
5 结束语
运用该套系统在现场进行实测, 得到的其中一组译码数据
新 如下所示:
图 6 现场译码结果 经验证,译码结果与装定的理论值相一致。该系统具有在串 行脉冲到来时自动采集与译码的功能, 很好的解决了串行脉冲 采集中数据量大,译码复杂的问题,取得了良好的效果。 本文作者创新观点: 在不间断的对串行总线信号进行数据 采集的同时,实时对采集到的某路信号进行监控,并选择有用信 号进行存储。解决了以往数据采集系统在连续采集时数据量大, 文件存储空间不足的问题。 参考文献 [1]侯国平,王坤,叶齐鑫. LabVIEW7.1 编程与虚拟仪器设计 [M] 北京:清华大学出版社, 2005,2. [2]杨乐平,李海涛,赵勇,杨磊,安雪滢.LabVIEW 高级程序设计 [M] 北京:清华大学出版社,2003,4 [3]Gary W Johnson,Richard Jennings 著. 武嘉, 陆劲昆译. Lab－ VIEW 图形编程 [M] 北京:北京大学出版社,2002,6 [4]张毅,周绍磊,杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用 [M] 北京:机械 工业出版社,2004,2 [5]隋红林,王华. LabVIEW 下普通数据采集卡的驱动与调用[J]. 微计算机信息.2009,2-1:p100-103 作者简介:林涛 (1963-),男,山东人,海军航空工程学院副教授,在
(b) 反馈仿真波形 图 2 数字 AGC 前馈反馈仿真波形对比 经过对前馈和反馈式 AGC 电路的波形对比中, 可以看出: 前馈式数字 AGC 比反馈式的收敛速度要快,但在幅度变化时刻 存在畸变现象。由于时分通信系统数据帧在转换点数据为保护 比特,不携带有用信息,因此不会损失输入信号,但为避免转换毛 刺带来的能量浪费, 可通过限幅方式克服这种现象; 而反馈式 AGC 电路输出波形平滑,但是响应速度比较慢,而且可能会出现 不稳定现象。 2.4 数字 AGC 设计硬件实现 在这节中, 主要是利用硬件描述语言实现了对前馈方式设 计方案的编程实现。对输入信号设置的衰减范围是 0-18dB,将 程序下载到 FPGA 芯片中,利用 QuartusⅡ软件附带的在线调试 工具 SignTap II Logic Analyzer 的编辑扫描接口(JTAG)将硬件系 统各信号取出,各信号波形如图 3(a,b)所示:
而反馈式数字 AGC 通过一定方式估计出信号的平均能量, 然后与目标能量相比较,根据比较结果和调整步长,对误差能量 做比例积分(滤波处理),得到能量调整系数,然后用这个系数与 输入信号相乘,达到增益控制的目的,如图 1(b)所示。
2.2 前馈 AGC 算法能量估计 在前馈数字 AGC 平均能量估计, 为了保证增益的精度,即
(收稿日期:2009.08.14)(修稿日期:2009.11.14)
图 5 串行脉冲译码流程图
其中, 根据节拍脉冲读取每帧数据中的 40 位数据的算法
为:每次从数据文件中取出两个节拍脉冲的采样值,取其差值
判断下降沿出现的位置并读取该位置的数据脉冲值作为一位
技 的值。
当读完一帧数据后,首先取出前 9 位数据,判断该帧所对应
(a) 前馈式数字 AGC 简要框图
对接收信号进行归一化处理以保证后续数字信号处理的精度。
AGC 技术通常可采用模拟射频 AGC 技术或“基带信号处理+数
控衰减器”方式实现,射频模拟 AGC 电路通过充放电式电路可
以将接收信号波动范围降低到 1dB 以内,但可能存在反调制问
题“, 基带信号处理+数控衰减器”方式由于可以采用全数字化处
创
新
1组成部分,
数字 AGC。本文只针对前面两种方法。具体实现框图如图 1(a) 所示:
其基本功能是随着接收机收到的输入信号的强弱自动调整放
大器的增益,使输入信号强弱变化时,输出信号基本不变。无线
通信系统中, 由于不同用户通信距离远近不同及信道衰落等影 响,接收信号波动范围很大(通常超过 70dB),需要采用 AGC 技术
2.3 计算机仿真分析 以 QPSK 调制信号为例,对数字 AGC 前馈和反馈算法进行 设计与仿真。对于前馈数字 AGC,其基本思想是:对输入信号的 前 N 个样点幅度值进行估计,求取平均值,利用输入信号与平均 值对应关系来实现自动增益控制的一种算法;而反馈数字 AGC 基本思想是:输入信号与反馈后的增益因子相乘,对输出信号的 幅度进行平方后,再与理想参考电平比较,产生误差信号,误差信 号经过时间平均确定乘积因子的大小。由图 2 仿真波形可以看 出:经过数字 AGC 输出后,信号输出幅度基本保持不变。
术 which reduces the complexity of hardware circuits. According to the simulation results, the scheme is suitable for practical application. Key words: automatic gain control; digital receiver; feedforward; feedback
图 1(a)中前馈式数字 AGC 通过一定方式估计出信号的平 均能量,然后将平均能量送入输出调整模块,由输出调整模块完 成一系列功能,最终达到增益控制的目的。
2 数 字 AGC 算 法 设 计 与 仿 真
2.1 数字 AGC 算法原理框图 数字 AGC 的设计思路是基于对接收信号去除噪声影响的 功率估计,控制接收信号的增益,以保持信号幅度恒定,其实现方 法主要有三种:前馈式数字 AGC,反馈式数字 AGC,前馈+反馈式
实际工程中应用。
关键词: 自动增益控制; 数字接收机; 前馈; 反馈
中图分类号: TN 911.72
文献标识码: A
Abstract: The paper proposes two AGC algorithms: feedforward AGC and feedback AGC. After discussion and simulations of AGC, the results show that the two algorithms can achieve automatic gains control of input signal effectively. Moreover, based on the emula-
agc技术通常可采用模拟射频agc技术或基带信号处理数控衰减器方式实现射频模拟agc电路通过充放电式电路可以将接收信号波动范围降低到1db以内但可能存在反调制问基带信号处理数控衰减器方式由于可以采用全数字化处理且不存在反调制问题是目前全数字接收机常用方案
仿真技术
文 章 编 号 :1008-0570(2010)07-1-0138-02
理且不存在反调制问题,是目前全数字接收机常用方案。同时, 为了降低前级 AGC 的处理压力,会在全数字接收机中采用数字 AGC 实现信号电平的进一步控制。因此,在 AD 采样后的数据进 行数字 AGC 处理对于降低模拟 AGC 部分的压力、保证 DSP 处 理精度具有重要意义。
(b) 反馈式数字 AGC 简要框图 图 1 数字 AGC 框图
技 tion model of feedforward AGC, the implementation and test are carried out, which proves the available of the algorithm in practical application. Meanwhile, the digital AGC circuits are simplified based on the different estimations of the amplitude of input signal,
(上接第 139 页) 由上图看出, 利用两种求幅度值方式其自动增益控制效果
相差不大,在工程设计实现中,如果对精度要求不大,可以利用这 种模值估计法来简化电路的设计。
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通过数学上的处理,采用这种方法在估计信号的平均能量, 数字化实现时,节省了资源,可直接利用移位寄存器来实现,降低 了计算复杂度。
增 益 控 制 。 其 次 , 基 于 前 馈 数 字 AGC 的 仿 真 模 型 , 完 成 算 法 的 数 字 化 硬 件 设 计 和 调 试 , 验 证 了 该 算 法 能 够 正 常 工 作 。 为 降 低 传
统 实 现 方 案 的 硬 件 计 算 复 杂 度 , 运 用 不 同 的 模 值 估 计 方 法 , 简 化 数 字 AGC 电 路 的 设 计 。 通 过 仿 真 与 实 现 , 说 明 简 化 方 案 可 在
伍 丹: 硕士研究生 基金项目: 基金申请人: 吴玉成; 项目名称: 宽带无线通信传输 技术共性研究; 基金颁发部门: 中国博 士后 基 金(20090450669); 基金申请人: 刘阳; 项目名称: 灾害救援人员实时检测系统基 金颁发部门: 国家大学生创新实验项目(081061105)
通过对数据 N 个样点的幅度进行累加并取得平均值,在进行对 前 N(假设 N=64)个样点幅度累加时,利用了以下累加算法,然后 再将所得到的 y(n)
3 数 字 AGC 电 路 简 化 设 计
3.1 数字 AGC 中求模的简化电路
在前面介绍的数字 AGC 电路的仿真以及实现的过程中,都
是需要求取模值
。但是在实际的应用过程中,求模值部
分的电路实现就比较复杂,耗费大量芯片逻辑资源。因此,在工
程实现上,常对模值的求取采用近似的方法。数字自动增益控制
的方式中估计信号幅度常有以下三种情况:
《微计算机信息》(测控自动化 )2010 年第 26 卷第 7-1 期
数字接收机中自动增益控制技术设计
Design of AGC in Digital Receiver
(重庆大学) 伍 丹 吴 玉 成 刘 阳 沙 世 伟
WU Dan WU Yu-cheng LIU Yang SHA Shi-wei
摘要: 论 文 设 计 了 前 馈 式 和 反 馈 式 数 字 AGC( 自 动 增 益 控 制 ) 算 法 。 经 仿 真 、 分 析 表 明 , 两 种 算 法 均 能 有 效 的 实 现 信 号 的 自 动
技
(a)
幅值估计方法 (b)
图 4 求模实现方法 3.2 计算机仿真 前馈和反馈方式仿真
估计方法
术
幅值
创
新
与
对比,利用 VHDL 编程实现的波形对比如图 5 所示:
(a)
幅值仿真波形
(a) 输入信号及其累加幅度波形
(b) 经前馈 AGC 输出波形 图 3 数字 AGC 硬件实现波形 《PLC 技术应用 200 例》
(1)
(2)
(3) 式中, 在式(1)~式(3)3 种方法中,式(1)的精度较差,仅适用于要求 较低的场合;式(3)的精度最高,基本上可以满足一般处理的要 求。在进行 FPGA 设计时,三种方案的实现结构如图 4(a)、(b)所 示。图中将常数乘法采用移位寄存器实现节约了乘法器资源。
(a) 前馈仿真波形
(b)
幅值仿真波形
图 5 编程实现波形对比
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《微计算机信息》(测控自动化 )2010 年第 26 卷第 7-1 期
读博士,主要从事人工智能与故障诊断方向的研究。 Biography:LIN Tao (1963 - ),male,shandong,the vice -professor of the Naval Aeronautical Engineering Institute, doctor, major in Artificial Intelligence and fault diagnosis. (264001 山东烟台 海军航空工程学院) 林 涛 韩志斌 刘生华 (Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, China) LIN Tao HAN Zhi-bin LIU Sheng-hua 通讯地址:(264001 海军航空工程学院研究生 5 队) 韩志斌
术 的参数的地址,结合式(1)计算出装定的控制参数的内容。
创
5 结束语
运用该套系统在现场进行实测, 得到的其中一组译码数据
新 如下所示:
图 6 现场译码结果 经验证,译码结果与装定的理论值相一致。该系统具有在串 行脉冲到来时自动采集与译码的功能, 很好的解决了串行脉冲 采集中数据量大,译码复杂的问题,取得了良好的效果。 本文作者创新观点: 在不间断的对串行总线信号进行数据 采集的同时,实时对采集到的某路信号进行监控,并选择有用信 号进行存储。解决了以往数据采集系统在连续采集时数据量大, 文件存储空间不足的问题。 参考文献 [1]侯国平,王坤,叶齐鑫. LabVIEW7.1 编程与虚拟仪器设计 [M] 北京:清华大学出版社, 2005,2. [2]杨乐平,李海涛,赵勇,杨磊,安雪滢.LabVIEW 高级程序设计 [M] 北京:清华大学出版社,2003,4 [3]Gary W Johnson,Richard Jennings 著. 武嘉, 陆劲昆译. Lab－ VIEW 图形编程 [M] 北京:北京大学出版社,2002,6 [4]张毅,周绍磊,杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用 [M] 北京:机械 工业出版社,2004,2 [5]隋红林,王华. LabVIEW 下普通数据采集卡的驱动与调用[J]. 微计算机信息.2009,2-1:p100-103 作者简介:林涛 (1963-),男,山东人,海军航空工程学院副教授,在
(b) 反馈仿真波形 图 2 数字 AGC 前馈反馈仿真波形对比 经过对前馈和反馈式 AGC 电路的波形对比中, 可以看出: 前馈式数字 AGC 比反馈式的收敛速度要快,但在幅度变化时刻 存在畸变现象。由于时分通信系统数据帧在转换点数据为保护 比特,不携带有用信息,因此不会损失输入信号,但为避免转换毛 刺带来的能量浪费, 可通过限幅方式克服这种现象; 而反馈式 AGC 电路输出波形平滑,但是响应速度比较慢,而且可能会出现 不稳定现象。 2.4 数字 AGC 设计硬件实现 在这节中, 主要是利用硬件描述语言实现了对前馈方式设 计方案的编程实现。对输入信号设置的衰减范围是 0-18dB,将 程序下载到 FPGA 芯片中,利用 QuartusⅡ软件附带的在线调试 工具 SignTap II Logic Analyzer 的编辑扫描接口(JTAG)将硬件系 统各信号取出,各信号波形如图 3(a,b)所示:
而反馈式数字 AGC 通过一定方式估计出信号的平均能量, 然后与目标能量相比较,根据比较结果和调整步长,对误差能量 做比例积分(滤波处理),得到能量调整系数,然后用这个系数与 输入信号相乘,达到增益控制的目的,如图 1(b)所示。
2.2 前馈 AGC 算法能量估计 在前馈数字 AGC 平均能量估计, 为了保证增益的精度,即
(收稿日期:2009.08.14)(修稿日期:2009.11.14)
图 5 串行脉冲译码流程图
其中, 根据节拍脉冲读取每帧数据中的 40 位数据的算法
为:每次从数据文件中取出两个节拍脉冲的采样值,取其差值
判断下降沿出现的位置并读取该位置的数据脉冲值作为一位
技 的值。
当读完一帧数据后,首先取出前 9 位数据,判断该帧所对应
(a) 前馈式数字 AGC 简要框图
对接收信号进行归一化处理以保证后续数字信号处理的精度。
AGC 技术通常可采用模拟射频 AGC 技术或“基带信号处理+数
控衰减器”方式实现,射频模拟 AGC 电路通过充放电式电路可
以将接收信号波动范围降低到 1dB 以内,但可能存在反调制问
题“, 基带信号处理+数控衰减器”方式由于可以采用全数字化处
创
新
1组成部分,
数字 AGC。本文只针对前面两种方法。具体实现框图如图 1(a) 所示:
其基本功能是随着接收机收到的输入信号的强弱自动调整放
大器的增益,使输入信号强弱变化时,输出信号基本不变。无线
通信系统中, 由于不同用户通信距离远近不同及信道衰落等影 响,接收信号波动范围很大(通常超过 70dB),需要采用 AGC 技术
2.3 计算机仿真分析 以 QPSK 调制信号为例,对数字 AGC 前馈和反馈算法进行 设计与仿真。对于前馈数字 AGC,其基本思想是:对输入信号的 前 N 个样点幅度值进行估计,求取平均值,利用输入信号与平均 值对应关系来实现自动增益控制的一种算法;而反馈数字 AGC 基本思想是:输入信号与反馈后的增益因子相乘,对输出信号的 幅度进行平方后,再与理想参考电平比较,产生误差信号,误差信 号经过时间平均确定乘积因子的大小。由图 2 仿真波形可以看 出:经过数字 AGC 输出后,信号输出幅度基本保持不变。
术 which reduces the complexity of hardware circuits. According to the simulation results, the scheme is suitable for practical application. Key words: automatic gain control; digital receiver; feedforward; feedback
图 1(a)中前馈式数字 AGC 通过一定方式估计出信号的平 均能量,然后将平均能量送入输出调整模块,由输出调整模块完 成一系列功能,最终达到增益控制的目的。
2 数 字 AGC 算 法 设 计 与 仿 真
2.1 数字 AGC 算法原理框图 数字 AGC 的设计思路是基于对接收信号去除噪声影响的 功率估计,控制接收信号的增益,以保持信号幅度恒定,其实现方 法主要有三种:前馈式数字 AGC,反馈式数字 AGC,前馈+反馈式
实际工程中应用。
关键词: 自动增益控制; 数字接收机; 前馈; 反馈
中图分类号: TN 911.72
文献标识码: A
Abstract: The paper proposes two AGC algorithms: feedforward AGC and feedback AGC. After discussion and simulations of AGC, the results show that the two algorithms can achieve automatic gains control of input signal effectively. Moreover, based on the emula-
agc技术通常可采用模拟射频agc技术或基带信号处理数控衰减器方式实现射频模拟agc电路通过充放电式电路可以将接收信号波动范围降低到1db以内但可能存在反调制问基带信号处理数控衰减器方式由于可以采用全数字化处理且不存在反调制问题是目前全数字接收机常用方案
仿真技术
文 章 编 号 :1008-0570(2010)07-1-0138-02
理且不存在反调制问题,是目前全数字接收机常用方案。同时, 为了降低前级 AGC 的处理压力,会在全数字接收机中采用数字 AGC 实现信号电平的进一步控制。因此,在 AD 采样后的数据进 行数字 AGC 处理对于降低模拟 AGC 部分的压力、保证 DSP 处 理精度具有重要意义。
(b) 反馈式数字 AGC 简要框图 图 1 数字 AGC 框图
技 tion model of feedforward AGC, the implementation and test are carried out, which proves the available of the algorithm in practical application. Meanwhile, the digital AGC circuits are simplified based on the different estimations of the amplitude of input signal,
(上接第 139 页) 由上图看出, 利用两种求幅度值方式其自动增益控制效果
相差不大,在工程设计实现中,如果对精度要求不大,可以利用这 种模值估计法来简化电路的设计。