2 桂　林　电　子　工　业　学　院　学　报 JOURNAL OF GU IL IN UN IVERSITY OF EL ECTRON IC TECHNOLOGY V o l. 23,N o. 5 O ct. 2003　 数字A GC 的分析和设计 喻 斌1, 陈军波1, 李青侠2 (1. 广州海格通信有限公司, 广东 广州　510656; 2. 华中科技大学 电子与信息工程系, 湖北 武汉　430074) Ξ 第 23 卷　第 5 期 　2003 年 10 月 D 转换器的过载。在数字A GC 中, 信号经A 摘　要: 模拟接收机主要关心的问题是信号过载和外界环境对电路的影响, 而数字接收机的主要问题 则是A D 转换器数字化后, 增益衰减主要是通过采样数据 的运算处理来完成。 相对于模拟硬件电路设计的A GC 而言, 采用了一种用于短波数字接收机中自动增 益控制 (A GC) 的设计方法。数字A GC 具有控制平坦、建立时间快、电路结构简单和成本低等特点。在最 终实现的电路性能达到了 120dB 的动态范围, 输出信号变化小于或等于 0. 5dB. 关键词: 自动增益控制 (A GC) ; 数字信号处理器 (D SP) ; 短波数字接收机 中图分类号: TN 850. 3　　　　文献标识码: A 　　　　文章编号: 1001 7437 (2003) 05 35 03 引言 在短波单边带通信系统, 随着传输距离的变化, 以及其它的一些因素, 电波在空间传播过程中存在明 显衰落现象, 在接收机输入端的信号强度有很大的变 化和起伏。因此在接收机前端必须加上一个幅度控制 系统, 它可以是自动增益控制 (A GC) 系统; 也可以是 人工增益控制 (M GC) , 而只有采取A GC 方式才能使 接收机自动适应输入信号的变化, 确保通信系统正常 工作。 在传统的接收机中都采用模拟增益控制电路, 近 年来, 由于高速度、低成本的数字信号处理芯片的发 展并在无线通信机中获得广泛应用, 使增益控制功能 可以用软件编程来实现。在我们研制的数字接收机中 就运用D SP 实现增益控制。 本文首先阐述模拟电路增益控制原理, 然后介绍 数字接收机的增益控制方法, 最后用设计实例说明如 何用软件实现数字A GC. 1　模拟电路的增益控制 噪声图完成增益控制的分配。 当输入信号变化时, 增 益可以由人工调节或由负反馈控制系统自动完成。在 负反馈控制系统中, 信号的强度经平方律器件检波 后, 反馈到可变增益级, 使信号变化到规定的范围内。 这种负反馈环路是一个经典的控制系统, 环路的动态 平衡是靠A GC 的“充电”和“放电”来实现的。 在短波单边带接收机的 A GC 电路中, 使用较为 普遍的是闭环延迟式 A GC, 利用单边带信号包络产 生的控制电压来实现对接收机放大系统增益的自动 调节, 原理框图如图 1 所示。 图 1　闭环延迟式A GC 原理框图 2　数字接收机的增益控制 在模拟接收机中, 增益控制是通过可变的衰减器 或可变增益的放大器实现的, 根据最佳的动态范围和 在数字接收机中, 增益控制需要处理的问题, 研 究的途径及解决的方法同模拟接收机基本相似, 但也 存在很大的差异。 首先, 数字 A GC 也要求输出电平 收稿日期: 2003- 08- 25 作者简介: 喻斌 (1970 ) , 男, 湖北武汉人, 广州海格通信有限公司无线电技术高级工程师, 华中科技大学电子与信息工程系硕士研究生, 主 要从事无线通信、数字信号处理、自动控制等方面的研究. 

∃ ∃ Þ Þ Þ Þ 63 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　桂林电子工业学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　2003 年 10 月 D 转换器的过载。由于窄带中频滤波在A 和过载保护, 可是信号经A D 转换器数字化后, 其增 益衰减主要是通过采样数据的运算处理来完成的, 基 于D SP 的增益控制线路简化了很多相同功能的模拟 电路。 其次, 模拟接收机主要关心的问题是信号过载 和外界环境对电路的影响, 而数字接收机的主要问题 则是A D 转换器后, 因此带内的信号将不再是设置接收机增益 的主要参考。无论是M GC 方式或A GC 方式,D SP 处 理器必须监测A D 转 换器过载的发生。所以, 如果在A D 转换器的带宽内 接收到一个强信号, 同时窄带中频滤波器内有用信号 很弱, 就必须降低增益防止A D 转换器过载, 通过减 少模拟增益, 增加数字中频处理增益, 保持输出信号 为一固定的幅度。 D 转换器的输入电平, 防止 A 用D SP 实现的A GC 有下列优点: ·相对于二极管检波器, 能够更准确的测量信号 强度; ·更精确的增益衰减步进; ·更强的 A GC 控制能力 (例如输入信号变化 100dB 时, 输出信号变化小于 0. 5dB , 模拟接收机输 出信号变化通常为 3～ 6dB ) ; ·在 D SP 软件中任意改变建立时间和衰落时 间; ·很容易的完成特殊 A GC 模式, 如 A GC 悬挂、 保持等。 3　数字接收机中A GC 设计举例 图 2 是一种数字接收机的方框图, 它采用了模拟 和数字增益两级A GC 控制。接收到的射频信号经混 频变为中频, 中频放大器是受 A GC 电压控制的可控 放大器, 放大后的中频信号经A D 采样后输入D SP, D SP 对输入信号进行处理, 经过 A GC1 系统产生中 频放大器控制电压, A GC1 的作用是使输入信号的峰 - 峰值限制在 A D 的最大允许电压之内, 防止输入 D 溢出。 数字放大器的增益由软件A GC2 采样的A 控制, 使输出的音频信号电平恒定。 下面将以图 2 为例阐述用软件的方法来实现 A GC 的功能。设A GC1 的延迟电压设为 E , 即阀值电 压, 信号输入值设为 S (n). 当 > E 时, 放大倍 数 G n 偏大, 需减小放大倍数, 即 A GC1 电压增大, 相 当于模拟A GC 中的“充电”过程。 当 < E 时, 放大倍数 G n 偏小, 需增大放大倍数, 即 A GC1 电压 减小, 相当于模拟A GC 中的“放电”过程。 S (n) S (n) 图 2　数字接收机的方框图 > E 时, 则增益 G n 在上升时间内应 S (n) 　　如果 该下降, 即降低增益应: G = 20 (log S (n) 因此每一个样点增益应下降 - 20 (log S (n) - logE ) dB (1) logE ) N , 其中 N 与 A GC 的时间常数有关, N = 上升时间 (或 释放时间) ×抽样频率。 假设 A GC1 的总增益控制量为 a, 单位为 dB , 电 压变化范围为 b 则有 20 (log G = S (n) N - logE ) × b a (2) 单位为 V , 则 A GC1 电压在每一个样点应增加, 将 (2) 式用下式替代得到 G = C × (lg S (n) - lgE ) = 20b N a (lg S (n) - lgE ) (3) 20b N a 变量 C = 量, 因此也称之为时间常数。 , 这是与A GC 的时间常数有关的一个变 A GC2 的算法原理与A GC1 相似。在图 3 中给出 的一个数字 A GC 的算法实现框图, 可以用来控制接 收信号的输出幅度。这里, 输入信号 X (n) 与增益因子 M (n) 按比例相乘。输出信号 Y (n) 通过 H ilbert 变换、 平方根运算后求得信号包络, 经对数运算与理想参考 电平 R 比较, 产生一个误差信号 (n) , 再经积分和反 对数运算处理来确定乘积M (n). 若包络太大, 乘积 就被减小, 若包络太小, 乘积就被增大。 在实际应用 中, 若数字接收机中可直接使用 I (同相分量) 和 R (正交分量) , 就不需要 H ilbert 变换。 

第 5 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　喻 斌等: 数字 A GC 的分析和设计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 73 4　结束语 在本文中已经介绍了自动增益控制软件算法, 该 算法已经采用数字信号处理器 AD SP2185 成功实 现, 这种软件编程实现的 A GC 模块, 硬件配置最少, 而且性能优良, 当输入信号变化 120dB 时, 输出信号 变化小于或等于 0. 5dB , 因此, 对于对采用 D SP 的通 信接收机来说, 这种数字 A GC 设计方案将有着广泛 的应用前景。 参考文献: 1 　沈琪琪. 短波通信[M . 西安: 西安电子科技大学出版社, 1989. 2 　姚金满. 单边带通信原理与电路 [M . 北京: 人民邮电出版社, 1985. 3 　袁孝康. 自动增益控制与对数放大器[M . 北京: 国防工业出版 社, 1987. 4 　L ober R M. A D SP Based app roach to H F receiver design [M . W A T K IN S JOHN SON Company, 1993. 图 3　数字A GC 算法实现框图 The Ana lysis and D esign of the D ig ita l AGC M odel YU B in 1, CH EN G J un bo1, L I Q ing x ia 2 (1. Guangzhou H aige Comm un ication Com p any L td. , Guangzhou 510656, Ch ina; 2. D ep t. of E lectron ic and Info rm ation Eng ineering, H uazhong U n iv. of Science and T echno logy,W uhan 430074, Ch ina) In d ig ital receiver, w e p ay m o re atten tion to the overload of A D converter. In analog ical receiver, bo th the signal overload and the ex ternal Abstract: T he m ethod, w h ich is u sed to design A GC m odel app lied in H F d ig ital receiver, is p resen ted in th is p ap er. in terference are the p rim arily sub jects. In ou r d ig ital A GC D converter, and then the con tro l of gain is m odu le, analog ical signal is first converted to d ig ital signal by A realized by the op eration of sam p led d ig ital data. Com p ared w ith the analog ical A GC m odel, the d ig ital A GC up tim e, low one designed by th is m ethod, w h ich is characteristic of flat con tro lled respon se, fast sp eed of set co st and sim p le circu it arch itectu re, is sup erio r to the analog ical A GC m odel. T he im p lem en ted circu it m odu le of d ig ital A GC has been ach ieved the dynam ic lim its of 120dB w ith the flatness of 0. 5dB at ou tp u t signal level. Key words: au tom atic gain con tro l (A GC) , d ig ital signal p rocesso r (D SP) , H F d ig ital receiver (责任编辑 陶晓玲)