短波接收机中自动增益技术的研究与实现

短波接收机中自动增益技术的研究与实现

【摘要】由于短波传输信道不稳定因素和通信距离的不同，短波接收机输入信号的强度变化和起伏较大，为了使接收机输出信号稳定，本文提出并设计了自动增益控制方案，实现了短波接收机在输入信号强度变化110dB范围内的自动增益控制，保证了短波接收机输出信号的稳定性。

【关键词】短波接收机；自动增益控制

0 引言

随着传输距离的变化，以及其它的一些因素，接收机输入端的信号强度有很大的变化和起伏。当有用信号相当强时，接收机中的放大器可能将其放大得过多，以至使后续处理造成失真。这会降低话音的可懂度和可辨认性，或者增加数据系统中的差错。因此在有用信号增强时，必须采用一种办法来降低系统的增益。同时，为提高对微弱信号的接收能力，有时又需要增大系统的增益。增益控制可以用操作员来实现，即Manual-gain Control（MGC）；也可以根据信号电平自动实现，即Auto-gain Control（AGC）。

１AGC控制原理

短波接收机在接收信号时，由于电离层的变化、衰落和接收信号条件等不同，其输入端信号电平在很大范围内变化。这样接收机的输出功率是随外来信号的大小而变化的，接收机的输出端会出现强弱非常悬殊的信号功率。同时，还会超出AD转换器件的输入信号动态范围，造成A/D转换器件的过载，导致分辨率降低和数据通信误码率增加。因此，短波接收机中非常强调自动增益控制(AGC)。上述这部分功能就是由模拟AGC来完成。

模拟AGC实际上是一个闭环反馈环路，利用VGA、A/D、DDC、DSP、D/A 构成控制回路。模拟AGC电路的基本原理是在DDC中对信号电平进行检测，在DSP内部与门限值比较，对模拟增益大小进行调整，并完成低通滤波、求积分等数值运算，从而得到模拟AGC的控制电压。由D/A数模转换为模拟信号后，去控制模拟前端中的可变增益放大器（VGA）的增益。使接收机总增益按照一定规律而变化，达到保证送到AD转换芯片的信号电平处于AD芯片的工作范围内的目的。

目前，在短波接收机模拟AGC 的控制方法主要有两种。一种是改变放大器本身的参数，使增益发生变化，典型的是采用双栅场效应管，通过改变其中某一栅的直流偏置电压使增益发生变化；另一种是在放大器级间插入可变衰减器，控制衰减量，使增益发生变化，典型的是各种集成的可变增益放大器。本机模拟AGC的原理方框图如图1所示：

接收机内部有一个由硬件实现的输入信号电平检测单元。采用该输入电平检测功能，检测出输入信号的电平大小，它代表了A/D转换器件的输入电平的大小，再输入到DSP芯片内部与模拟AGC的门限比较并进行软件运算，进而确定模拟AGC的增益控制量的大小。由DSP输出的模拟AGC控制电压(数字形式)经D/A数模转换为模拟电压，去控制增益可控的中频放大器。这样就保证输入到AD转换器件的模拟中频信号电平处在AD转换器件的动态范围内，防止出现过载。

１.１输入信号电平的检测

输入到DSP芯片的数据速率为39．0625ｋHz，相邻样点之间的间隔为TS=25．6uS,在DSP内部每间隔4个样点进行一次AGC检测，也就是说AGC 的检测间隔为4TS=102．4uS。由于接收机内部输入信号电平的检测间隔可以设定为从2个样点到65537样点之间。所以，在内部进行电平检测的样点数可以用下式计算:

■＜１０２.４ｕＳ，Ｎ＜１０２４

取N=1000，为了提高AGC电平检测的可靠性，我们再间隔一次进行检测，这样AGC的检测节拍为102。4uS*2=204。8uS=0。2mS

１.２AGC控制中的“快充慢放”

本机的两种AGC控制方式即数字AGC和模拟AGC都具有保持时间的概念，都是“快拉慢放”式。当输入信号超过设定的定值后，很快的将放大增益降低下来，防止堵塞信号通道。而当信号低于设定的门限时，不立即调整增益，而是经保持一段时间后，再作调整，并且这两种情况下对增益的调整量是不同的。

１.３模拟增益(dB)转换为电平

在AGC的软件算法中，为了提高对增益调整的平滑效果，除了对模拟增益(dB)的整数部分进行了保持和调整外，还运用其小数部分对最终输出的模拟增益进一步实施修正。先用调整后的模拟增益(dB)数值进行查表，获得对应的模拟AGC电平数值，再用模拟增益(dB)的小数部分乘以相邻的模拟AGC电平之差得到修正量。例如模拟增益(dB)为10.25dB,首先查表获得对应的电平数值，不妨用(10dB)表示，结合间接寻址方式获得(11dB)，再用与指令取出模拟增益(dB)的小数部分即0.25，最终送到D/A转换器输入端的电平大小为

A=(10dB)+0.25*[(11dB)-(10dB)]

经DA转换器将数字形式的模拟AGC控制电压转换为模拟控制电压后，送到接收机模拟前端中的可变增益中频放大器实现模拟AGC控制。

２AGC增益分配及算法

２.１AGC增益分配

设接收机的灵敏度电平为-113dBm，要求最终输出信号电平能稳定在7dBm。经测定，模拟前端的增益大小为54dB，所以数字AGC的增益大小为120dB -54dB = 66dB，模拟AGC的起控电平为：-113dBm -(-66)dBm = -47dBm。设A/D 转换器满度输入5Vp-p，即16dBm(最大输入上限)。我们人为控制最大输入上限为7dBm,这样为ADC留出9dBm的“静空”。AGC增益分配如图2所示。

图２AGC增益分配情况

随着输入信号由灵敏度电平起逐渐增大，模拟和数字AGC联合控制保证输出信号的恒定。AGC控制性能如图3所示。

２.２AGC算法流程

本接收机采用的模拟AGC和数字AGC两种控制方式都是“快拉慢放”式，都具有保持时间的概念。当输入信号增大时，不保持而是立即进行增益修正，减小增益；当输入信号减小时，经过适当的保持之后，才对增益进行拉升。模拟AGC的控制实现粗调，精度不高，只要确保输入到A/D转换器的模拟中频信号幅度大致稳定即可。数字AGC则是进行精确调整，确保输出到DSP的信号相当稳定，从而保证解调输出的信号恒定。

如果在A/D转换器的带宽内接收到一个强信号，同时数字信号处理环节内有用信号很弱，就必须降低模拟增益防止A/D转换器过载，增加数字中频处理增益，达到保持输出信号为一固定值。DSP控制数字下变频器的四个AGC参数为：输出额定值、最大增益、最小增益、信号增大时的控制斜率（attack值gain value）、信号减小时的控制斜率（decay gain value）。

当接收机天线端接收到的信号十分微弱或者没有输入信号输入时，AGC控制会将系统的增益抬得很高。在这种情况下，人耳听到的是很强的噪声。这时，可以由人工来设定接收机的总增益大小，避免系统增益过高。人为设定的总增益量采用软件算法分配给模拟AGC和数字AGC。上述的控制过程称为人工增益控制MGC。

在AGC和MGC两种工作情况下，接收机增益分配和控制的算法流程如图4和图5所示。

图４AGC控制性能曲线

3 结论

AGC电路是短波接收机中不可缺少的辅助电路，它扩大了接收机的动态范