CN110365302A - 一种通信系统自动增益控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通信系统自动增益控制装置，由装置本体和天线组成，装置本体通过射频线缆连接天线；装置本体包括：时钟模块、射频接收模块、模数转换模块、基带模块、数模转换模块、射频发射模块、调理选择模块、终端处理模块和电源模块；本发明还包括一种通信系统自动增益控制装置中增益测量方法和相应设备；本发明实现了大动态范围信号的接收，并且有效避免接收过程中出现的瞬时噪声对解调造成的干扰，大大降低了误码率，更好地提高了基带数据处理性能，具有较高的灵活性，控制精度高且应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种通信节点之间采用实时监测方式进行自动增益控制方法及装置。
背景技术
无线通信系统中信号在传输过程中会受到多径衰落影响，导致接收机收到的信号功率有超过60dB的波动，接收机中的模数转换模块的硬件属性决定了其固定的动态范围，难以采样大动态的信号。另外，接收过程中会出现瞬时噪声，对信号的正确解调造成干扰。为确保通信系统正常工作，需要调整接收机的增益。早期的自动增益控制(Automatic Gaincontrol，以下简称AGC)多为模拟电路，其电路动态范围较大，增益较高，但是受到放大器、滤波器等器件特性的影响导致稳定性不高。数字AGC具有较高的灵活性，控制精度高且应用广泛。目前数字AGC的信号增益调整后需要几十毫秒输出才能达到稳定。数字AGC增益稳定时间若大于增益控制预留时间，接收信号的开端部分的幅度会出现较大波动则会影响到有效数据的解调，从而导致误码率变大，严重影响基带处理性能，减少数字AGC增益稳定时间对于提高通信系统性能具有很现实的作用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种通信系统自动增益控制装置，其由装置本体和天线组成，装置本体通过射频线缆连接天线；装置本体包括：时钟模块、射频接收模块、模数转换模块、基带模块、数模转换模块、射频发射模块、调理选择模块、终端处理模块和电源模块；天线通过射频线缆连接调理选择模块的天线端，调理选择模块的射频输出端连接射频接收模块，调理选择模块的射频输入端连接射频发射模块；射频接收模块输出连接模数转换模块；模数转换模块输出连接基带模块；基带模块分四路输出，分别连接数模转换模块、射频接收模块、终端处理模块和调理选择模块；终端处理模块输出连接基带模块；数模转换模块输出连接射频发射模块；射频发射模块输出连接调理选择模块；电源模块根据各模块用电需求分别输出连接各个模块；时钟模块输出分别连接基带模块、数模转换模块和模数转换模块。
调理选择模块根据基带模块输入信号选择发射射频信号至天线或者接收天线接收的射频信号，并将由天线输入的射频信号进行限幅、放大、滤波；将由射频发射模块输入的射频信号放大、滤波、耦合；
射频接收模块对来自调理选择模块输出的射频信号，通过混频、滤波、放大将射频信号转变为中频模拟信号输出至模数转换模块；
模数转换模块接收来自射频接收模块的中频模拟信号，使用带通采样将中频模拟信号转变为数字信号并输出至基带模块；
基带模块功能有：一、对由模数转换模块传来的数字信号进行解调得到信源数据再输出至终端处理模块；二、输出数字信号至数模转化模块；三、输出控制射频接收模块增益；四、控制调理选择模块接收或者发射射频信号至天线；四、接收终端处理模块输出的信源数据；
数模转换模块将基带模块输入的数字信号转换为中频模拟信号输出至射频发射模块；
射频发射模块接收来自数模转换模块的中频模拟信号，经过变频、滤波、放大转变为射频信号输出至调理选择模块；
时钟模块提供基带模块的基准时钟，并输出工作时钟信号至数模转换模块和模数转换模块；
终端处理模块负责执行控制指令并统计各项通信指标；当通信系统自动增益控制装置处于接收状态时，接收来自基带模块输出的信源数据并进行各项通信指标处理；当通信系统自动增益控制装置处于发送状态时，发送终端处理模块中预存的信源数据至基带模块。
调理选择模块由放大器、带通滤波器1、带通滤波器2、耦合器、射频开关、限幅器1、限幅器2和低噪声放大器组成，天线通过射频线缆与射频开关相连接；电源模块连接放大器、低噪声放大器和射频开关；基带模块连接射频开关控制天线收发信号；射频发射模块输出连接放大器，放大器输出连接带通滤波器2，带通滤波器2输出连接耦合器，耦合器输出至射频开关；射频开关输出至限幅器1，限幅器1输出至低噪声放大器，低噪声放大器输出至限幅器2,限幅器2输出至带通滤波器1，带通滤波器1输出至射频接收模块；
射频开关：控制天线发射或接收信号，基带模块输出高电平为发射状态，基带模块输出低电平为接收状态；
限幅器1：防止低噪声放大器的输入信号过大；
低噪声放大器：天线接收的信号强度比较小，需要经过低噪声放大器将信号放大再进行后续处理；
限幅器2：防止输入信号过大饱和，信号失真；
带通滤波器1：抑制或消除杂波、干扰；
放大器：对输出的调制波形进行放大；
带通滤波器2：抑制带外噪声以及谐波；
耦合器：检测天线发射功率。
时钟模块采用了两个晶振，时钟晶振1为RPT5023J，该芯片产生LVPECL时钟40MHz，作为基带模块的全局时钟、模数转换模块的工作时钟、数模转换模块的工作时钟；时钟晶振2为FXTC-HE73PR，该芯片产生33.33MHz时钟，基带模块选用的是Xilinx公司Zynq系列FPGA，其内部有ARM核，此33.33MHz作为ARM核的工作时钟；
电源模块采用LTM4641提供+5V电源供其它模块使用；
基带模块采用Xilinx公司的XC7Z030FBG676-1FPGA芯片，基于Vivado2016.1开发环境采用VHDL语言实现,中频信号的检测以及增益控制状态机工作时钟为8.4MHz由FPGA芯片内部分频得到；
天线采用超短波数传天线，工作频点为400～500MHz，全向天线，无增益；
模数转换模块选型为ANALOG DEVICES公司的AD9268，工作时钟为40MHz，内部采样时钟为84KHz；
数模转换模块选型为ANALOG DEVICES公司的AD9125,工作时钟为40MHz，内部采样时钟为84KHz；
射频发射模块和射频接收模块分别由混频器、滤波器和放大器组合实现上变频和下变频。
时钟模块采用了两个晶振，晶振1为RPT5023J，产生40MHz时钟，作为基带模块的全局时钟、模数转换模块和数模转换模块的工作时钟；晶振2为FXTC-HE73PR，产生33.33MHz时钟，作为基带模块ARM核的工作时钟；
电源模块采用LT8612芯片，将输入的+28V电源转换为+5V电源；
基带模块采用Xilinx公司的XC7Z030-2FBG6761芯片，基于Vivado2016.1开发环境采用VHDL语言实现，增益控制状态机工作时钟为8.4MHz；
天线采用超短波数传天线，频点为100～200MHz，全向天线，无增益；
射频发射模块、射频接收模块、数模转换模块和模数转换模块集成选型为ANALOGDEVICES公司的RF捷变收发器芯片AD9364。
AD9364模式控制寄存设置为手动增益控制模式，将三档增益值对应的控制字写入增益控制寄存器内。
本发明还提供一种通信系统自动增益控制装置中增益测量设备，设置一套通信系统自动增益控制装置为接收端，即A装置；另一套通信系统自动增益控制装置为发射端，即B装置；在A装置的天线与装置本体之间接入可调衰减器，可调衰减器量程为0～100dB。
本发明还提供一种通信系统自动增益控制装置中增益测量方法，使用前述增益测量设备，包括以下步骤：
步骤1.A装置确定信号长度；
单载波信号长度为NLen个符号，每个符号为L个采样点，自动增益控制检测的对象为NLen*L个采样点；
L由模数转换器的量化位数来决定，量化位数为模数转换模块的量化精度；本装置采用的AD9364的模数转换量化精度为8bit，L＝8*NLen；
NLen由AGC的调控时间来决定；在波形标准中，AGC调整时间TAGC从几us到十几us不等，由通信装置的具体研制方案决定，NLen＝TAGC/L；
在两个通信装置之间通信发送有效数据之前，预留符号个数为NLen，NLen个符号持续的时间作为自动增益控制调控时间，在此段时间内发送单载波信号；
步骤2.A装置中射频接收模块设置AGC增益控制信号3个档位；
A装置中射频接收模块设置：初始增益值st0，一级增益值st1，二级增益值st2；初始增益st0设置：st0＝d2-d1；其中，d1为A装置灵敏度、d2为A装置中基带模块输入信号的动态范围下限；st1代表一级增益控制值，st1＝(st0-20)dB；st2代表二级增益控制值，st2＝(st1-25)dB；
步骤3.设置A装置的捕获门限值TH1；
在可调衰减器不接入A装置的，B装置不发射信号的条件下，将A装置设置为接收状态，A装置射频接收模块将接收的自由空间射频信号转换为中频模拟信号；中频模拟信号经过模数转换模块后转换为I、Q两路数字信号，求出数字信号的信号功率值P即为A装置接收信道的底噪值，将捕获门限值TH1设置为此底噪值，其中P由公式(1)得到：
P＝I2+Q2 (1)
其中：I：量化为n比特的实部中频数字信号；
Q：量化为n比特的虚部中频数字信号；
n：模拟信号转换为数字信号的量化精度；
步骤4.设置A装置的增益控制门限值TH2；
将可调衰减器接入A装置，B装置发射信源数据信号，在A装置的终端处理模块统计接收的信源数据，为了保护射频模块内部器件不会因信号功率过大而饱和，初始将可调衰减器的衰减值设置为最大，使得输入信号功率最小，此时A装置的信源接收数据和信源发送数据不同，即终端处理模块统计信源出现错误，通过减小可调衰减器的衰减值使A装置接收信号功率不断增大，A装置终端处理模块统计数据比对结果，当数据相同时，即终端处理模块统计信源正确时，计算A装置的信源接收数据的信号功率PA；
A装置的模数转换模块输出的中频数字信号的实部与虚部中每个采样点都是采用n比特的二进制数表示，基带模块对中频数字信号的实部与虚部分别进行平方，然后再将平方的结果求和，即通过将中频信号每个采样点的虚部和实部求平方和，得到中频信号的模值的平方；即根据式(1)可计算得出信号功率PA；
将计算得到的信号功率PA设置为增益控制门限值TH2；
步骤5.A装置信号捕获判断；
将PA和捕获门限值TH1进行比较，若PA大于捕获门限值TH1，则判定A装置捕获到真实的射频信号，继续执行步骤6；若PA等于捕获门限值TH1，则判定A装置收到无用射频信号,继续实时计算信号功率以捕获真实的射频信号；
步骤6.一级增益检测；
当A装置捕获到真实射频信号后，继续实时计算输入信号的功率PA，并将PA和增益控制门限TH2进行比较，若PA大于或等于增益控制门限值TH2，执行步骤7，调整A装置射频接收模块的放大增益，得到信号功率PB；若PA小于增益控制门限值TH2，执行步骤10，保持A装置射频接收模块初始增益值st0不变；
步骤7.一级增益控制响应；
A装置的射频接收模块根据式(2)进行增益控制，将初始增益值st0减小20dB得到一级增益值st1，基带模块将一级增益值st1输出到射频接收模块，射频接收模块将信号功率PA调整为信号功率PB输出，继续执行步骤8；
步骤8.二级增益检测
对信号功率PB进行检测；若信号功率PB大于或等于增益控制门限值TH2，则表明步骤7中对射频接收模块调整的一级增益值st1较大，跳转到步骤9，进一步减小增益值；若信号功率PB小于增益控制门限值TH2，则保持一级增益值st1不变，跳转到步骤10；
步骤9.二级增益控制响应
根据步骤9的增益检测结果得出二级增益值；若信号功率PB大于或等于增益控制门限值TH2，依据式(3)进行自动增益控制，将一级增益值st1减小25dB得到二级增益值st2，基带模块将二级增益值st2输出到射频接收模块，射频接收模块将信号功率PB调整为信号功率PC输出，继续执行步骤10；
步骤10.接收终端处理
A装置的基带模块对输入信号进行捕获、解调、解码处理，并将解码后的信源数据传输至终端处理模块；在终端处理模块将接收到的信源数据与预存的信源数据作对比，统计通信系统的各项指标。
通信系统自动增益控制装置中的基带模块采用状态机实现。
状态机实现整个检测流程分为6个状态，分别为初始状态(s0)、搜索捕获状态(s1)、一级检测状态(s2)、一级增益控制响应状态(s3)、二级检测状态(s4)、二级增益控制响应状态(s5)。
本发明实现了大动态范围信号的接收，并且有效避免接收过程中出现的瞬时噪声对解调造成的干扰，降低了误码率，更好地提高了基带数据处理性能，具有较高的灵活性，控制精度高且应用广泛。
附图说明
图1为本发明组成方框图；
图2为本发明中增益测量方法设备组成图；
图3本发明中增益测量方法流程图；
图4为本发明中增益测量方法的状态机状态跳转图；
图5为本发明实施例1中设备组成图；
图6为本发明中调理选择模块组成方框图；
图7为本发明实施例2中设备组成图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优势更加明晰，下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，通信系统自动增益控制装置由装置本体和天线构成，装置本体通过射频线缆连接天线，天线一是将装置本体产生的射频信号发射出去，二是接收外部输入装置本体的射频信号。
装置本体包括：时钟模块、射频接收模块、模数转换模块、基带模块、数模转换模块、射频发射模块、调理选择模块、终端处理模块和电源模块。天线通过射频线缆连接调理选择模块的天线端，调理选择模块的射频输出端连接射频接收模块，调理选择模块的射频输入端连接射频发射模块；射频接收模块输出连接模数转换模块；模数转换模块输出连接基带模块；基带模块分四路输出，分别连接数模转换模块、射频接收模块、终端处理模块和调理选择模块；终端处理模块输出连接基带模块；数模转换模块输出连接射频发射模块；射频发射模块输出连接调理选择模块；电源模块根据各模块用电需求分别输出连接各个模块；时钟模块输出分别连接基带模块、数模转换模块和模数转换模块。
调理选择模块根据基带模块输入信号选择发射射频信号至天线或者接收天线接收的射频信号，并将由天线输入的射频信号进行限幅、放大、滤波；将由射频发射模块输入的射频信号放大、滤波、耦合。
射频接收模块对来自调理选择模块输出的射频信号，通过混频、滤波、放大将射频信号转变为中频模拟信号输出至模数转换模块。
模数转换模块接收来自射频接收模块的中频模拟信号，使用带通采样将中频模拟信号转变为数字信号并输出至基带模块。
基带模块功能有：一、对由模数转换模块传来的数字信号进行解调得到信源数据再输出至终端处理模块；二、输出数字信号至数模转化模块；三、输出控制射频接收模块增益；四、控制调理选择模块接收或者发射射频信号至天线；四、接收终端处理模块输出的信源数据；。
数模转换模块将基带模块输入的数字信号转换为中频模拟信号输出至射频发射模块。
射频发射模块接收来自数模转换模块的中频模拟信号，经过变频、滤波、放大转变为射频信号输出至调理选择模块。
时钟模块提供基带模块的基准时钟，并输出工作时钟信号至数模转换模块和模数转换模块。
终端处理模块负责执行控制指令并统计各项通信指标；当通信系统自动增益控制装置处于接收状态时，接收来自基带模块输出的信源数据并进行各项通信指标处理；当通信系统自动增益控制装置处于发送状态时，发送终端处理模块中预存的信源数据。
本发明还包括一种通信系统自动增益控制装置中增益的测量方法和设备，设备具体如图2所示。设置一套通信系统自动增益控制装置为接收端，简称A装置；另一套通信系统自动增益控制装置为发射端，简称B装置；在A装置的天线与装置本体之间接入可调衰减器，可调衰减器量程为0～100dB。B装置中射发射信号为单载波信号，A装置接收该单载波信号，然后将单个采样点的功率作为增益控制检测对象。
A装置和B装置的终端处理模块中存储相同的数据，正常通信状态下，B装置终端处理模块的发送的数据与A装置终端处理模块接收的数据应该完全一致，通过比较A装置的接收数据和预存数据，可以判断A装置对信号的接收、解调以及解码是否正确。调整衰减器的衰减值，可以模拟非正常通信情况，即A装置的接收数据与B装置的发送数据产生不一致，所以在A装置的终端处理模块中统计B装置发送的数据，可得到误码率，进而可以确定衰减器的增益值范围。
如图3所示，具体测量方法如下：
步骤1.A装置确定信号长度。
单载波信号长度为NLen个符号，每个符号为L个采样点，自动增益控制检测的对象为NLen*L个采样点。
L由模数转换器的量化位数来决定，量化位数为模数转换模块的量化精度；本装置采用的AD9364的模数转换量化精度为8bit，L＝8*NLen。
NLen由AGC的调控时间来决定。在波形标准中，AGC调整时间TAGC从几us到十几us不等，由通信装置的具体研制方案决定，NLen＝TAGC/L。
在两个通信装置之间通信发送有效数据之前，预留符号个数为NLen，NLen个符号持续的时间作为自动增益控制调控时间，在此段时间内发送单载波信号。
步骤2.A装置中射频接收模块设置AGC增益控制信号3个档位。
A装置中射频接收模块设置：初始增益值st0，一级增益值st1，二级增益值st2。初始增益st0设置：st0＝d2-d1。其中，d1为A装置灵敏度、d2为A装置中基带模块输入信号的动态范围下限；st1代表一级增益控制值，st1＝(st0-20)dB；st2代表二级增益控制值，st2＝(st1-25)dB。
步骤3.设置A装置的捕获门限值TH1。
在可调衰减器不接入A装置的，B装置不发射信号的条件下，将A装置设置为接收状态，A装置射频接收模块将接收的自由空间射频信号转换为中频模拟信号。中频模拟信号经过模数转换模块后转换为I、Q两路数字信号，求出数字信号的信号功率值P即为A装置接收信道的底噪值，将捕获门限值TH1设置为此底噪值，其中P由公式(1)得到：
P＝I2+Q2 (1)
其中：I：量化为n比特的实部中频数字信号；
Q：量化为n比特的虚部中频数字信号；
n：模拟信号转换为数字信号的量化精度；
步骤4.设置A装置的增益控制门限值TH2。
将可调衰减器接入A装置，B装置发射信源数据信号，在A装置的终端处理模块统计接收的信源数据，为了保护射频模块内部器件不会因信号功率过大而饱和，初始将可调衰减器的衰减值设置为最大，使得输入信号功率最小，此时A装置的信源接收数据和信源发送数据不同，即终端处理模块统计信源出现错误，通过减小可调衰减器的衰减值使A装置接收信号功率不断增大，A装置终端处理模块统计数据比对结果，当数据相同时，即终端处理模块统计信源正确时，计算A装置的信源接收数据的信号功率PA。
A装置的模数转换模块输出的中频数字信号的实部与虚部中每个采样点都是采用n比特的二进制数表示，基带模块对中频数字信号的实部与虚部分别进行平方，然后再将平方的结果求和，即通过将中频信号每个采样点的虚部和实部求平方和，得到中频信号的模值的平方。即根据式(1)可计算得出信号功率PA。
将计算得到的信号功率PA设置为增益控制门限值TH2。
步骤5.A装置信号捕获判断。
将PA和捕获门限值TH1进行比较，若PA大于捕获门限值TH1，则判定A装置捕获到真实的射频信号，继续执行步骤6；若PA等于捕获门限值TH1，则判定A装置收到无用射频信号,继续实时计算信号功率以捕获真实的射频信号。
步骤6.一级增益检测。
当A装置捕获到真实射频信号后，继续实时计算输入信号的功率PA，并将PA和增益控制门限TH2进行比较，若PA大于或等于增益控制门限值TH2，执行步骤7，调整A装置射频接收模块的放大增益，得到信号功率PB；若PA小于增益控制门限值TH2，执行步骤10，保持A装置射频接收模块初始增益值st0不变。
步骤7.一级增益控制响应。
A装置的射频接收模块根据式(2)进行增益控制，将初始增益值st0减小20dB得到一级增益值st1，基带模块将一级增益值st1输出到射频接收模块，射频接收模块将信号功率PA调整为信号功率PB输出，继续执行步骤8；
步骤8.二级增益检测
对信号功率PB进行检测。若信号功率PB大于或等于增益控制门限值TH2，则表明步骤7中对射频接收模块调整的一级增益值st1较大，跳转到步骤9，进一步减小增益值；若信号功率PB小于增益控制门限值TH2，则保持一级增益值st1不变，跳转到步骤10。
步骤9.二级增益控制响应
根据步骤9的增益检测结果得出二级增益值。若信号功率PB大于或等于增益控制门限值TH2，依据式(3)进行自动增益控制，将一级增益值st1减小25dB得到二级增益值st2，基带模块将二级增益值st2输出到射频接收模块，射频接收模块将信号功率PB调整为信号功率PC输出，继续执行步骤10。
步骤10.接收终端处理
A装置的基带模块对输入信号进行捕获、解调、解码处理，并将解码后的信源数据传输至终端处理模块。在终端处理模块将接收到的信源数据与预存的信源数据作对比，统计通信系统的各项指标。
在本发明的一个具体实施例中,通信系统自动增益控制装置中的基带模块采用状态机实现，其状态跳转如图4所示。
单载波信号是5个符号，每个符号8个采样点，一共是40个采样点。状态机实现整个检测流程分为6个状态，分别为初始状态(s0)、搜索捕获状态(s1)、一级检测状态(s2)、一级增益控制响应状态(s3)、二级检测状态(s4)、二级增益控制响应状态(s5)。
状态1：初始状态(s0)
状态1中变量初始化为：AGC控制信号寄存器(AGC_ctrl)赋值0，搜索捕获状态计数器赋值0，一级检测状态计数器赋值0，二级检测状态计数器赋值0。由前面的通信系统自动增益控制装置工作方法确定初始增益控制值st0、捕获门限值TH1、增益控制门限值TH2的大小。
状态跳转：外部复位信号为高电平时对变量初始化；若外部复位信号由高电平变为低电平，状态机由状态1跳转到状态2。
状态2：搜索捕获状态(s1)
状态2中执行信号捕获，计算信号功率PA与捕获门限值TH1进行比较，判断接收的单载波信号是否有效，决定是否改变初始增益值st0。
AGC_CNT0为4个比特位的计数器，信号功率PA大于捕获门限值TH1时AGC_CNT0加1；信号功率PA等于捕获门限值TH1时AGC_CNT0清零。AGC_CNT0值不能超过单载波信号的长度，但是也不能太小，太小的话会引起误判，把干扰误判为真实信号，当AGC_CNT0大于等于10，判定收到的单载波信号有效；AGC_CNT0小于10，判定收到的单载波信号无效，状态机继续进行信号捕获。AGC_CTRL赋值即保持初始值0不变。
状态跳转：当AGC_CNT0小于10，则状态机保持状态2；当AGC_CNT0大于等于10，则状态机由状态2跳转到状态3。
状态3：一级检测状态(s2)
状态3完成一级增益检测，将8个采样点的信号功率PA分别与增益控制门限值TH2进行比较。
s2_cnt为3个比特位的计数器2，用于计时单载波中8个采样点。s2_cnt计数器计时等待对采样点进行计数，当s2_cnt的值小于8时将8个采样点的信号功率PA分别与增益控制门限值TH2进行比较；在s2_cnt的值等于8时根据3个比特位的计数器AGC_CNT1的计数结果调整增益值。若AGC_CNT1大于等于6，需要调整增益控制值，状态3跳转到状态4；若AGC_CNT1小于6，不需要改变增益控制值，状态3直接跳转至状态6。当s2_cnt的值大于等于8时，一级检测状态结束。
AGC_CNT1记录采样信号功率PA大于等于增益控制门限值TH2的个数。当AGC_CNT1的值大于等于6，表明此时输入信号功率较大，则AGC增益控制信号AGC_ctrl＝1；当AGC_CNT1的值小于6，表明信号功率处于基带模块的正确解调范围之内，AGC_ctrl＝0，A装置中接收的射频信号功率不作调整直接输出至基带模块继续进行数字信号处理，直至解调完成。
状态跳转：当s2_cnt的值小于8，继续保持状态3；当s2_cnt的值等于8时，若AGC_CNT1的值大于或等于6，则状态3跳转至状态4；若AGC_CNT1的值小于6，则状态3跳转到状态6。
状态4：一级增益控制响应状态(s3)
s3_cnt为3个比特位的计数器，用于计时单载波中4个采样点。若AGC_ctrl＝0，A装置射频接收模块的增益保持初始增益st0不变；若AGC_ctrl＝1，则st1＝st0-20dB，射频接收模块的信号增益值减小20dB。同时，射频接收模块的输出信号功率在s3状态增益控制响应时段内达到平稳。
状态跳转：当s3_cnt的值小于4，状态4保持不变；当s3_cnt的值等于4，状态4跳转到状态5。
状态5：二级检测状态(s4)
状态5完成二级增益检测控制。
s4_cnt为3个比特位的计数器，将单载波中8个采样点的信号功率PB分别与增益控制门限值TH2进行比较。当s4_cnt的值小于8，则进行二级增益检测；当s4_cnt的值等于8，表明二级检测状态结束。
AGC_CNT2为3个比特位，记录采样信号功率PB大于等于增益控制门限值TH2的个数。
状态跳转：当s4_cnt的值小于8则状态5保持不变，AGC_CTRL＝1；当s4_cnt的值等于8时，状态5跳转至状态6，AGC_CTRL＝2。
状态5与状态3的门限值相同，都是增益控制门限值TH2。状态3检测的是经过一级射频增益控制调整以后的射频信号，状态5内检测的射频信号相对于A装置射频接收模块的输入射频信号而言，经过状态4一级增益控制响应后射频信号功率也随之减小，所以状态5的门限与状态3的门限相同。
状态6二级增益控制响应状态(s5)
状态6完成二级增益控制响应。根据AGC_CNT2的计数结果调整增益值，若AGC_CNT2的值大于等于5，表明此时输入信号功率仍然较大，AGC_ctrl＝2；若AGC_CNT2的值小于5，表明A装置基带模块的信号功率处于正确解调范围之内，AGC_ctrl＝1保持不变。当AGC_ctrl＝0，保持初始增益值st0不变直至数据解调完成；当AGC_ctrl＝1，A装置射频接收模块的增益值st1＝st0-20dB；当AGC_ctrl＝2，射频接收模块的增益值st2＝st1-20dB。A装置射频接收模块根据三个档位增益值做出调整，使信号功率适应基带模块的正常解调范围，完成一次增益控制调整流程。
状态跳转：若满足以下两个条件中任意一个则状态6跳转至状态1：1、外部复位信号为高电平；2、基带模块上报的解调结束中断信号为高电平。若不满足以上两个条件中的任意一个，则保持状态6不变。
在本发明的一个具体实施例中,单载波信号长度NLen为5个符号，每个符号的采样点个数L为8，则自动增益控制装置的调整时间TAGC为NLen*L＝40个采样周期；
接收状态的自动增益控制装置的接收灵敏度指标(d1)为-100dBm，基带模块输入信号的动态范围下限(d2)为-32dBm，射频接收模块的初始增益st0＝d2-d1，在本实施例中st0为68dB。
B装置不发射信号，计算A装置接收通道中的中频模拟数字信号的功率，其结果为接收信道的底噪，将底噪值作为捕获门限值TH1，通过FPGA的在线调试工具Chipscope采集中频模拟信号，Chipscope采集的信号为经过模数转换量化后的数据，该数据的量化精度为12，将模数转换模块量化后的I、Q两路数字信号分别进行平方再求和所得的结果为接收信道的功率，此功率值由12bit的数据来表示，范围是0～4095，经过实际测试后捕获门限值TH1为563。
通过调节可调衰减器值,采用Chipscope实测A装置的信号功率确定增益控制门限值TH2为672。
如图5所示，时钟模块采用了两个晶振，时钟晶振1为RPT5023J，该芯片产生LVPECL时钟40MHz，作为基带模块的全局时钟、模数转换模块的工作时钟、数模转换模块的工作时钟；时钟晶振2为FXTC-HE73PR，该芯片产生33.33MHz时钟，基带模块选用的是Xilinx公司Zynq系列FPGA，其内部有ARM核，此33.33MHz作为ARM核的工作时钟。
电源模块采用LTM4641提供+5V电源供其它模块使用。凌特公司的LTM4641芯片具有宽输入电压范围，同时提供过流和过热保护。
基带模块采用Xilinx公司的XC7Z030FBG676-1FPGA芯片，基于Vivado2016.1开发环境采用VHDL语言实现,中频信号的检测以及增益控制状态机工作时钟为8.4MHz由FPGA芯片内部分频得到。
天线采用超短波数传天线，工作频点为400～500MHz，全向天线，无增益。
模数转换模块选型为ANALOG DEVICES公司的AD9268，工作时钟为40MHz，内部采样时钟为84KHz。
数模转换模块选型为ANALOG DEVICES公司的AD9125,工作时钟为40MHz，内部采样时钟为84KHz。
射频发射模块和射频接收模块分别由混频器、滤波器和放大器组合实现上变频和下变频。
调理选择模块由放大器、带通滤波器1、带通滤波器2、耦合器、射频开关、限幅器1、限幅器2、低噪声放大器组成，如图6所示，天线通过射频线缆与射频开关相连接；外部的电源模块连接放大器、低噪声放大器和射频开关；外部的基带模块连接射频开关控制天线收发信号；外部的射频发射模块输出连接放大器，放大器输出连接带通滤波器2，带通滤波器2输出连接耦合器，耦合器输出至射频开关；射频开关输出至限幅器1，限幅器1输出至低噪声放大器，低噪声放大器输出至限幅器2,限幅器2输出至带通滤波器1，带通滤波器1输出至射频接收模块。
射频开关：控制天线发射或接收信号，基带模块输出高电平为发射状态，基带模块输出低电平为接收状态；
限幅器1：防止低噪声放大器的输入信号过大，若信号强度过大，低噪声放大器会饱和，导致信号失真；
低噪声放大器：天线接收的信号强度比较小，需要经过低噪声放大器将信号放大再进行后续处理；
限幅器2：防止输入信号过大饱和，信号失真；
带通滤波器1：抑制或消除杂波、干扰；
放大器：对输出的调制波形进行放大；
带通滤波器2：抑制带外噪声以及谐波；
耦合器：主要用于检测天线发射功率是否满足要求。
基带模块通过对输入的数字信号的电平进行检测从而改变射频接收模块的增益，达到调整射频信号功率的目的。
终端处理模块是在Python开发平台上搭建编写的人机交互界面，并运行在计算机上；通过RS232串口与基带模块进行数据通信，负责执行控制指令并统计各项通信指标。控制指令包括发送指令、通信速率、通信带宽、误码率统计、丢包率统计等指令。终端处理模块中预存的信源发送数据，用于与接收到的信源接收数据比对，并根据控制指令统计装置的误码率和丢包率等通信指标。
如图7所示，在本发明的另一个具体实施例中，时钟模块采用了两个晶振，晶振1为RPT5023J，该芯片产生LVPECL时钟40MHz，作为基带模块的全局时钟、模数转换模块和数模转换模块的工作时钟；晶振2为FXTC-HE73PR，该芯片产生33.33MHz时钟，由于基带模块FPGA选用的是Zynq系列，其内部有ARM核，此33.33MHz作为ARM核的工作时钟。
电源模块采用LT8612芯片，将输入的+28V电源转换为+5V电源，供板内数字部分和模拟部分分别使用。凌特公司的LT8612芯片具有宽输入电压范围，同时提供过流和过热保护。
基带模采用Xilinx公司的XC7Z030-2FBG6761芯片，基于Vivado2016.1开发环境采用VHDL语言实现，增益控制状态机工作时钟为8.4MHz。
天线采用超短波数传天线，频点为100～200MHz，全向天线，无增益。
调理选择模块和实施例1中结构相同。
射频发射模块、射频接收模块、数模转换模块和模数转换模块集成选型为ANALOGDEVICES公司的RF捷变收发器芯片AD9364。
AD9364信号输入输出关系如下：
输入输出信号：
P0_D[11:0]：为AD9364的双向数据端口，接收FPGA数据输出端口的调制后数字基带信号实部，并将其模拟转换为模拟发送波形输出至调理选择模块再至天线；此外接收调理选择模块收到的模拟通信信号，经过模数转换后产生的数字信号实部，输出至FPGA数据输入端口；其数据的量化精度为12bit。
P1_D[11:0]：为AD9364的双向数据端口，接收FPGA数据输出端口的调制后数字基带信号虚部，并将其模拟转换为模拟发送波形输出至调理选择模块再至天线；此外接收调理选择模块收到的模拟通信信号，经过模数转换后产生的数字基带信号虚部，输出至FPGA数据输入端口；其数据的量化精度为12bit。
输入信号：
FB_CLK:基带模拟信号的时钟，此时钟与基带模拟信号同步；基带模块输出至AD9364，作为接收模拟基带信号的时钟；
TX_FRAME:判断数据端口的基带模拟信号是否有效；
TXNRX:判断此时数据端口的信号是发送数据还是接收数据；
ENABLE:输入使能信号用于控制AD9364是否工作；
EN_AGC:启动AD9364的AGC中手动控制输入模式；
RX:输入调理选择模块输出的信号。
输出信号：
DATA_CLK:经过模数转换后产生的基带数字信号的时钟，与基带数字信号同步，提供给FPGA作为接收数字信号的时钟；
RX_FRAME:FPGA接收此信号用于判断功放输出的数据是否有效；
TX:将模拟调制信号输出至调理选择模块。
AD9364自动增益控制根据应用场景不同分为快速模式、慢速模式，以及手动增益控制(manual gain control，即MGC)模式，可以对信号增益控制的起始和结束时间以及增益值进行设置。AD9364模式控制寄存器0x0fa的低两比特[1:0]数据决定模式类型，“00”为MGC模式，“01”为快速模式，“10”为慢速模式。慢速模式适用于WCDMA信号，快速模式适用于突发的TDMA信号或者GSM信号。通过将信号功率检测输出的AGC_ctrl信号转换成对应的三档信号增益值st0、st1、st2，根据AD9364寄存器配置表将信号的三档增益值对应的控制字写入增益控制寄存器0x109内。在AD9364模式控制寄存器0x0fa的[1:0]中写入”00”，使AD9364工作在MGC模式。将计算得到的AGC_ctrl对应到三档信号增益值st0、st1、st2，并将增益值控制字写入寄存器0x109中，AD9364的AGC功能在MGC模式下的响应时间不超过10us。
通信系统自动增益控制装置检测到信号功率发生改变后通过调整衰减器的衰减值，进而调整射频输入信号的功率，直至信号功率平稳，这段时间称为AGC的响应时间。AGC的响应时间长短会影响基带信号有效数据，若响应时间过长，信号功率在有效数据段发生改变，会影响到后续信号的捕获以及解调，所以需要将AGC的响应时间减少。AGC的响应时间与装置的系统时钟有关，除此以外还与增益控制的模式以及增益控制的具体实现方式有关。系统时钟和系统处理速度由时钟模块的频率决定。系统的工作时钟频率越高，增益控制响应流程所使用的时间越少。使用状态机实现增益控制全过程，即将增益控制过程划分为检测和增益调整两个阶段，各个阶段之间的转换通过状态机的状态跳转来实现，在可用于AGC调控的单载波持续时间一定的情况下，需要合理分配状态机各个状态持续的时间，并结合各模块的工作响应时间，对接收信号进行检测和增益调整，直至接收信号功率达到平稳，使增益调控过程持续的时间最短，增益调控效果达到最优。相对于目前多数设备和方法使用的信号增益调整过程需要几十毫秒输出才能达到稳定，本装置所使用的自动增益控制方法，结合时钟模块频率8.4MHz以及AD9364控制模式所需的响应时间，整个增益调控过程状态机需要的信号采样点个数不超过30个，最终增益调控过程持续时间不超过10us。实现了大动态范围信号的接收，并且有效避免接收过程中出现的瞬时噪声对解调造成的干扰，降低了误码率，更好地提高了基带数据处理性能，具有较高的灵活性，控制精度高且应用广泛。
Claims (10)
1.一种通信系统自动增益控制装置，由装置本体和天线组成，其特征在于：装置本体通过射频线缆连接天线；装置本体包括：时钟模块、射频接收模块、模数转换模块、基带模块、数模转换模块、射频发射模块、调理选择模块、终端处理模块和电源模块；天线通过射频线缆连接调理选择模块的天线端，调理选择模块的射频输出端连接射频接收模块，调理选择模块的射频输入端连接射频发射模块；射频接收模块输出连接模数转换模块；模数转换模块输出连接基带模块；基带模块分四路输出，分别连接数模转换模块、射频接收模块、终端处理模块和调理选择模块；终端处理模块输出连接基带模块；数模转换模块输出连接射频发射模块；射频发射模块输出连接调理选择模块；电源模块根据各模块用电需求分别输出连接各个模块；时钟模块输出分别连接基带模块、数模转换模块和模数转换模块。
2.如权利要求1所述的一种通信系统自动增益控制装置，其特征在于：调理选择模块根据基带模块输入信号选择发射射频信号至天线或者接收天线接收的射频信号，并将由天线输入的射频信号进行限幅、放大、滤波；将由射频发射模块输入的射频信号放大、滤波、耦合；
射频接收模块对来自调理选择模块输出的射频信号，通过混频、滤波、放大将射频信号转变为中频模拟信号输出至模数转换模块；
模数转换模块接收来自射频接收模块的中频模拟信号，使用带通采样将中频模拟信号转变为数字信号并输出至基带模块；
基带模块功能有：一、对由模数转换模块传来的数字信号进行解调得到信源数据再输出至终端处理模块；二、输出数字信号至数模转化模块；三、输出控制射频接收模块增益；四、控制调理选择模块接收或者发射射频信号至天线；四、接收终端处理模块输出的信源数据；
数模转换模块将基带模块输入的数字信号转换为中频模拟信号输出至射频发射模块；
射频发射模块接收来自数模转换模块的中频模拟信号，经过变频、滤波、放大转变为射频信号输出至调理选择模块；
时钟模块提供基带模块的基准时钟，并输出工作时钟信号至数模转换模块和模数转换模块；
终端处理模块负责执行控制指令并统计各项通信指标；当通信系统自动增益控制装置处于接收状态时，接收来自基带模块输出的信源数据并进行各项通信指标处理；当通信系统自动增益控制装置处于发送状态时，发送终端处理模块中预存的信源数据至基带模块。
3.如权利要求2所述的一种通信系统自动增益控制装置，其特征在于：调理选择模块由放大器、带通滤波器1、带通滤波器2、耦合器、射频开关、限幅器1、限幅器2和低噪声放大器组成，天线通过射频线缆与射频开关相连接；电源模块连接放大器、低噪声放大器和射频开关；基带模块连接射频开关控制天线收发信号；射频发射模块输出连接放大器，放大器输出连接带通滤波器2，带通滤波器2输出连接耦合器，耦合器输出至射频开关；射频开关输出至限幅器1，限幅器1输出至低噪声放大器，低噪声放大器输出至限幅器2,限幅器2输出至带通滤波器1，带通滤波器1输出至射频接收模块；
射频开关：控制天线发射或接收信号，基带模块输出高电平为发射状态，基带模块输出低电平为接收状态；
限幅器1：防止低噪声放大器的输入信号过大；
低噪声放大器：天线接收的信号强度比较小，需要经过低噪声放大器将信号放大再进行后续处理；
限幅器2：防止输入信号过大饱和，信号失真；
带通滤波器1：抑制或消除杂波、干扰；
放大器：对输出的调制波形进行放大；
带通滤波器2：抑制带外噪声以及谐波；
耦合器：检测天线发射功率。
4.如权利要求3所述的一种通信系统自动增益控制装置，其特征在于：时钟模块采用了两个晶振，时钟晶振1为RPT5023J，该芯片产生LVPECL时钟40MHz，作为基带模块的全局时钟、模数转换模块的工作时钟、数模转换模块的工作时钟；时钟晶振2为FXTC-HE73PR，该芯片产生33.33MHz时钟，基带模块选用的是Xilinx公司Zynq系列FPGA，其内部有ARM核，此33.33MHz作为ARM核的工作时钟；
电源模块采用LTM4641提供+5V电源供其它模块使用；
基带模块采用Xilinx公司的XC7Z030FBG676-1FPGA芯片，基于Vivado2016.1开发环境采用VHDL语言实现,中频信号的检测以及增益控制状态机工作时钟为8.4MHz由FPGA芯片内部分频得到；
天线采用超短波数传天线，工作频点为400～500MHz，全向天线，无增益；
模数转换模块选型为ANALOG DEVICES公司的AD9268，工作时钟为40MHz，内部采样时钟为84KHz；
数模转换模块选型为ANALOG DEVICES公司的AD9125,工作时钟为40MHz，内部采样时钟为84KHz；
射频发射模块和射频接收模块分别由混频器、滤波器和放大器组合实现上变频和下变频。
5.如权利要求3所述的一种通信系统自动增益控制装置，其特征在于：时钟模块采用了两个晶振，晶振1为RPT5023J，产生40MHz时钟，作为基带模块的全局时钟、模数转换模块和数模转换模块的工作时钟；晶振2为FXTC-HE73PR，产生33.33MHz时钟，作为基带模块ARM核的工作时钟；
电源模块采用LT8612芯片，将输入的+28V电源转换为+5V电源；
基带模块采用Xilinx公司的XC7Z030-2FBG6761芯片，基于Vivado2016.1开发环境采用VHDL语言实现，增益控制状态机工作时钟为8.4MHz；
天线采用超短波数传天线，频点为100～200MHz，全向天线，无增益；
射频发射模块、射频接收模块、数模转换模块和模数转换模块集成选型为ANALOGDEVICES公司的RF捷变收发器芯片AD9364。
6.如权利要求3所述的一种通信系统自动增益控制装置，其特征在于：AD9364模式控制寄存设置为手动增益控制模式，将三档增益值对应的控制字写入增益控制寄存器内。
7.一种通信系统自动增益控制装置中增益测量设备，其特征在于：设置一套通信系统自动增益控制装置为接收端，即A装置；另一套通信系统自动增益控制装置为发射端，即B装置；在A装置的天线与装置本体之间接入可调衰减器，可调衰减器量程为0～100dB。
8.一种通信系统自动增益控制装置中增益测量方法，使用如权利要求7中所述增益测量设备，包括以下步骤：
步骤1.A装置确定信号长度；
单载波信号长度为NLen个符号，每个符号为L个采样点，自动增益控制检测的对象为NLen*L个采样点；
L由模数转换器的量化位数来决定，量化位数为模数转换模块的量化精度；本装置采用的AD9364的模数转换量化精度为8bit，L＝8*NLen；
NLen由AGC的调控时间来决定；在波形标准中，AGC调整时间TAGC从几us到十几us不等，由通信装置的具体研制方案决定，NLen＝TAGC/L；
在两个通信装置之间通信发送有效数据之前，预留符号个数为NLen，NLen个符号持续的时间作为自动增益控制调控时间，在此段时间内发送单载波信号；
步骤2.A装置中射频接收模块设置AGC增益控制信号3个档位；
A装置中射频接收模块设置：初始增益值st0，一级增益值st1，二级增益值st2；初始增益st0设置：st0＝d2-d1；其中，d1为A装置灵敏度、d2为A装置中基带模块输入信号的动态范围下限；st1代表一级增益控制值，st1＝(st0-20)dB；st2代表二级增益控制值，st2＝(st1-25)dB；
步骤3.设置A装置的捕获门限值TH1；
在可调衰减器不接入A装置的，B装置不发射信号的条件下，将A装置设置为接收状态，A装置射频接收模块将接收的自由空间射频信号转换为中频模拟信号；中频模拟信号经过模数转换模块后转换为I、Q两路数字信号，求出数字信号的信号功率值P即为A装置接收信道的底噪值，将捕获门限值TH1设置为此底噪值，其中P由公式(1)得到：
P＝I2+Q2 (1)
其中：I：量化为n比特的实部中频数字信号；
Q：量化为n比特的虚部中频数字信号；
n：模拟信号转换为数字信号的量化精度；
步骤4.设置A装置的增益控制门限值TH2；
将可调衰减器接入A装置，B装置发射信源数据信号，在A装置的终端处理模块统计接收的信源数据，为了保护射频模块内部器件不会因信号功率过大而饱和，初始将可调衰减器的衰减值设置为最大，使得输入信号功率最小，此时A装置的信源接收数据和信源发送数据不同，即终端处理模块统计信源出现错误，通过减小可调衰减器的衰减值使A装置接收信号功率不断增大，A装置终端处理模块统计数据比对结果，当数据相同时，即终端处理模块统计信源正确时，计算A装置的信源接收数据的信号功率PA；
A装置的模数转换模块输出的中频数字信号的实部与虚部中每个采样点都是采用n比特的二进制数表示，基带模块对中频数字信号的实部与虚部分别进行平方，然后再将平方的结果求和，即通过将中频信号每个采样点的虚部和实部求平方和，得到中频信号的模值的平方；即根据式(1)可计算得出信号功率PA；
将计算得到的信号功率PA设置为增益控制门限值TH2；
步骤5.A装置信号捕获判断；
将PA和捕获门限值TH1进行比较，若PA大于捕获门限值TH1，则判定A装置捕获到真实的射频信号，继续执行步骤6；若PA等于捕获门限值TH1，则判定A装置收到无用射频信号,继续实时计算信号功率以捕获真实的射频信号；
步骤6.一级增益检测；
当A装置捕获到真实射频信号后，继续实时计算输入信号的功率PA，并将PA和增益控制门限TH2进行比较，若PA大于或等于增益控制门限值TH2，执行步骤7，调整A装置射频接收模块的放大增益，得到信号功率PB；若PA小于增益控制门限值TH2，执行步骤10，保持A装置射频接收模块初始增益值st0不变；
步骤7.一级增益控制响应；
A装置的射频接收模块根据式(2)进行增益控制，将初始增益值st0减小20dB得到一级增益值st1，基带模块将一级增益值st1输出到射频接收模块，射频接收模块将信号功率PA调整为信号功率PB输出，继续执行步骤8；
步骤8.二级增益检测
对信号功率PB进行检测；若信号功率PB大于或等于增益控制门限值TH2，则表明步骤7中对射频接收模块调整的一级增益值st1较大，跳转到步骤9，进一步减小增益值；若信号功率PB小于增益控制门限值TH2，则保持一级增益值st1不变，跳转到步骤10；
步骤9.二级增益控制响应
根据步骤9的增益检测结果得出二级增益值；若信号功率PB大于或等于增益控制门限值TH2，依据式(3)进行自动增益控制，将一级增益值st1减小25dB得到二级增益值st2，基带模块将二级增益值st2输出到射频接收模块，射频接收模块将信号功率PB调整为信号功率PC输出，继续执行步骤10；
步骤10.接收终端处理
A装置的基带模块对输入信号进行捕获、解调、解码处理，并将解码后的信源数据传输至终端处理模块；在终端处理模块将接收到的信源数据与预存的信源数据作对比，统计通信系统的各项指标。
9.如权利要求8所述的一种通信系统自动增益控制装置中增益测量方法，其特征在于：通信系统自动增益控制装置中的基带模块采用状态机实现。
10.如权利要求9所述的一种通信系统自动增益控制装置中增益测量方法，其特征在于：状态机实现整个检测流程分为6个状态，分别为初始状态(s0)、搜索捕获状态(s1)、一级检测状态(s2)、一级增益控制响应状态(s3)、二级检测状态(s4)、二级增益控制响应状态(s5)。
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