CN111585535A - 一种反馈式数字自动增益控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种反馈式数字自动增益控制电路，包括一个可变增益放大器，一个ADC电路，一个FPGA电路，一个DAC电路；所述FPGA电路中包括数字检波模块、误差计算模块与环路滤波模块，本发明将可变增益放大器输出的射频信号接入ADC电路进行采样，采样输出的数字信号接入FPGA电路；在所述FPGA电路中，数字信号先接入检波模块，检波输出得到信号幅度，信号幅度在误差计算模块中与参考值比较得到误差值，误差值经过环路滤波处理后输出接入DAC电路，经DA转换输出的模拟信号接入可变增益放大器对信号放大增益进行控制。本发明可实现对宽动态范围数字中频信号的快速增益控制。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理领域，具体涉及一种反馈式数字自动增益控制电路。
背景技术
随着软件无线电的成熟发展，在移动通信系统中，数字中频接收机因其兼容性好、适应性强、集成度高、便于升级等特性而得到广泛应用。但由于无线信道的衰减特性，导致接收机接收到的信号功率随时间变化差别很大，特别是ADC电路因其有效位宽的限制，其可接收信号功率范围非常有限，难以满足接收机的性能需求。为了保证接收机对宽动态范围射频信号的有效接收，需要借助自动增益控制技术，将接收信号的功率调整到ADC电路可接受的范围内。
自动增益控制技术可有效提高接收机的动态范围，是数字接收机的关键组成部分。与模拟自动增益控制电路相比，数字自动增益控制技术有可实现多种控制算法、控制精度高、系统建立时间短以及可与解调共用ADC和FPGA电路模块等特点。数字自动增益控制技术中，反馈式自动增益控制技术是将输出的信号进行能量或功率估计，然后计算步进值控制可变增益放大器，是不断反馈的过程。相比前馈式技术，反馈式技术受系统参数变化影响小，且更容易实现。
发明内容
本发明提供一种反馈式的数字自动增益控制电路装置，该装置是一种基于FPGA的半数字自动增益控制实现方法，可有效解决对ASK数字信号自动增益控制的不稳定性问题。
为实现本发明目的而设计了一种反馈式数字自动增益控制电路，包括一个程控可变增益放大器，一个ADC电路，一个FPGA电路，一个DAC电路；所述程控可变增益放大器电路可使用ADRF6510芯片电路；
所述ADC电路可使用ADI公司的AD9235BRU-65芯片电路；
所述FPGA电路可使用Altera公司型号为EP3C16Q240C8N的FPGA电路；
所述DAC电路可使用ADI公司的AD7302芯片电路；
所述程控可变增益放大器的输出作为ADC电路的输入；
所述ADC电路的输出作为FPGA电路的输入；
所述FPGA电路的输出作为DAC电路的输入；
所述DAC电路的输出作为程控可变增益放大器自带增益控制端的输入。
所述FPGA电路包括数字检波模块、误差计算模块和环路滤波模块；
其中，输入的数字信号接入数字检波模块，数字检波模块的输出作为误差计算模块的输入，误差计算模块的输出作为环路滤波模块的输入，环路滤波模块的输出作为FPGA电路的数字输出信号。
所述程控可变增益放大器受自带控制端输入信号控制产生dB线性的增益响应。
所述数字检波模块使用ASK数字信号检波方法。
所述ASK数字信号检波方法具体包括：
输入数字信号求模处理后经过CIC滤波处理，解调出基带信号；
每个采样点的基带信号与参考值Qm(不同电路设置不一样，是根据实际经验设置，一般可设置为ADC输出峰值的3/4)比较，如果大于等于参考值Qm则记录信号幅度值，并计采样点大于等于参考值的次数Cnt1；每次信号比较都计数，采样点与参考值比较的次数Cnt2；
当计数器Cnt1与计数器Cnt2中任一个计数器到达阈值(根据实际经验设置，其中Cnt1的阈值可设置为覆盖10个基带信号的采样点个数，Cnt2的阈值可设置为秒级)时，记录幅度中的最大值作为检波方法的输出，计数器与幅值记录归零。
所述误差计算模块将输入的数值(前文提到数字检波模块的输出作为误差计算模块的输入，数值就是输入数据的值的大小)取对数值，再与参考值Vref比较得到误差输出值，具体公式如下：
式中，Er表示误差输出值，Uo是误差计算模块的输入。
使用对数函数的4阶泰勒展开式对误差计算近似处理，其中对数函数的展开表示为：
因Uo与Vref之差恒小于Vref，所以有
将(2)带入公式(1)进行求解。
所述环路滤波模块使用二阶滤波处理方法完成滤波，二阶滤波处理方法输出表示为：
Acc(n)＝Acc(n-1)+k1Er(n)+k2Er(n-1) (3)
式中，Acc(n)表示第n时刻滤波器的输出，Er(n)表示第n时刻滤波器的输入，k1和k2是常系数。
所述DAC电路有寄存器功能，在输入数据更新前，输出信号能够保持之前的值。
数字检波模块、误差计算模块和环路滤波模块通过编程实现；
有益效果：本发明将可变增益放大器输出的射频信号接入ADC电路进行采样，采样输出的数字信号接入FPGA电路；在所述FPGA电路中，数字信号先接入检波模块，检波输出得到信号幅度，信号幅度在误差计算模块中与参考值比较得到误差值，误差值经过环路滤波处理后输出接入DAC电路，经DA转换输出的模拟信号接入可变增益放大器对信号放大增益进行控制。本发明可实现对宽动态范围数字ASK中频信号的快速增益控制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为数字检波模块的ASK检波流程；
图3为误差计算模块的FPGA实现结构；
图4为环路滤波模块的FPGA实现结构。
具体实施方式
参见图1，本发明的反馈式数字自动增益控制电路装置，包括一个程控可变增益放大器，一个ADC电路，一个FPGA电路，一个DAC电路；FPGA电路中，通过编程实现一个数字检波模块，一个误差计算模块和一个环路滤波模块；可变增益放大器的输出作为ADC电路的输入；ADC电路的输出作为FPGA电路的输入；FPGA电路中，输入的数字信号接入数字检波模块，检波模块的输出作为误差计算模块的输入，误差计算模块的输出作为环路滤波模块的输入，环路滤波的输出作为FPGA电路的数字输出信号；FPGA电路的输出作为DAC电路的输入；DAC电路的输出作为可变增益放大器的增益控制端的输入。
反馈式数字自动增益控制电路中的可变增益放大器受控制端输入信号控制产生dB线性的增益响应。
FPGA模块中的数字检波模块使用ASK数字信号检波方法。该方法是在输入数字信号平方处理后，经过CIC滤波器，解调出基带信号。
参见图2，本发明的ASK数字信号检波方法，该方法中，每个采样点的基带信号与参考值Qm比较，若大于参考值Qm则记录该信号幅度值A，并计个数(Cnt1)，Qm的取值要大于对应的噪声功率值，每次对基带信号与参考值比较都计数(Cnt2)，当计数器Cnt1与计数器Cnt2中任一个计数器到达阈值时，记录幅度中的最大值Am作为检波方法的输出，计数器与幅值记录归零，Cnt1与Cnt2的阈值设置取决于自动增益控制电路装置对反馈速度的要求。
FPGA电路中的误差计算模块将输入的数值取对数值，再与参考值Vref比较得到误差值，Vref值的设置取决于ADC电路的期望输入信号功率。
误差计算输出如下表示：
式中，Er表示误差输出值，Uo误差计算模块的输入。因对数计算在FPGA实现会严重增加计算复杂度，因此，本发明使用对数函数的4阶泰勒展开式对误差计算近似处理，其中对数函数的展开可表示为
x表示变量。
因Uo与Vref之差恒小于Vref，所以有
可将(2)带入公式(1)，最终公式(1)在FPGA中的实现方式参见图3。图中系数可分表表示为：k1＝kn(ln10·Vref)-1，k2＝kn(ln10·Vref)-1，k3＝kn(ln10·Vref)-1，k4＝kn(ln10·Vref)-1，kn表示常系数。
参见图4，FPGA电路中的环路滤波使用的二阶滤波处理方法。该二阶滤波器的输出表示为：
Acc(n)＝Acc(n-1)+k1Er(n)+k2Er(n-1)(3)
式中，Acc(n)表示第n时刻滤波器的输出，Er(n)表示第n时刻滤波器的输入，k1和k2是常系数。
DAC电路有寄存器功能，在输入数据更新前，输出信号可保持之前值。
本发明提供了一种反馈式数字自动增益控制电路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种反馈式数字自动增益控制电路，其特征在于，包括一个程控可变增益放大器，一个ADC电路，一个FPGA电路，一个DAC电路；
所述程控可变增益放大器的输出作为ADC电路的输入；
所述ADC电路的输出作为FPGA电路的输入；
所述FPGA电路的输出作为DAC电路的输入；
所述DAC电路的输出作为程控可变增益放大器自带增益控制端的输入。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述FPGA电路包括数字检波模块、误差计算模块和环路滤波模块；
其中，输入的数字信号接入数字检波模块，数字检波模块的输出作为误差计算模块的输入，误差计算模块的输出作为环路滤波模块的输入，环路滤波模块的输出作为FPGA电路的数字输出信号。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述程控可变增益放大器受自带控制端输入信号控制产生dB线性的增益响应。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述数字检波模块使用ASK数字信号检波方法。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述ASK数字信号检波方法具体包括：
输入数字信号求模处理后经过CIC滤波处理，解调出基带信号；
每个采样点的基带信号与参考值Qm比较，如果大于等于参考值Qm则记录信号幅度值，并计采样点大于等于参考值的次数Cnt1；每次信号比较都计数，采样点与参考值比较的次数Cnt2；
当计数器Cnt1与计数器Cnt2中任一个计数器到达阈值时，记录幅度中的最大值作为检波方法的输出，计数器与幅值记录归零。
6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述误差计算模块将输入的数值取对数值，再与参考值Vref比较得到误差输出值，具体公式如下：
式中，Er表示误差输出值，Uo是误差计算模块的输入。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，使用对数函数的4阶泰勒展开式对误差计算近似处理，其中对数函数的展开表示为：
因Uo与Vref之差恒小于Vref，所以有
将(2)带入公式(1)进行求解。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述环路滤波模块使用二阶滤波处理方法完成滤波，二阶滤波处理方法的输出表示为：
Acc(n)＝Acc(n-1)+k1Er(n)+k2Er(n-1) (3)
式中，Acc(n)表示第n时刻滤波器的输出，Er(n)表示第n时刻滤波器的输入，k1和k2是常系数。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述DAC电路有寄存器功能，在输入数据更新前，输出信号能够保持之前的值。
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