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DS-SS（Direct-Sequence Spread-Spectrum）接收機具有抗干擾、通信保密性好、低信噪比下兼具測距功能等特點，在航天領域得到廣泛應用。某航天器的DS-SS接收機用于測控和通信，實際工作時，輸入信號變化的動態范圍高達100dB。在發射機距離工作時（幾百米），接收機所接收的信號功率就會出現超出射頻前端芯片動態范圍的情況，這會使射頻前端內部的AGC失去作用，致使輸出信號幅度不恒定，且有可能因為輸入信號過大而燒毀放大器。避免上述情況，本文提出了通過增加一個數控衰減器和外部AGC系統來保證整個接收系統具有100dB的動態范圍，并給出基于FPGA的電路實現算法。 該DS-SS接收機系統構成如圖1所示。其中射頻前端采用NemeriX公司的NJ1004芯片，數控衰減器采用M/A-COM公司的AT90-0106。 1 外部AGC原理和設計 接收機的接收信號經過濾波器、放大器1和下變頻器處理后，載波頻率變為1575.42MHz，再經過數控衰減器和放大器2進入射頻前端。在射頻前端，NJ1004芯片內部對輸入信號經過下邊頻、濾波、放大和AD采樣后，輸出SGN和MAG兩路中頻數字信號，AD采樣位數為2bit，采樣率為16.368MHz，中頻信號頻率為4.092MHz。射頻前端NJ1004內部含有一個AGC系統，其動態范圍為60dB。輸入信號在射頻前端的動態范圍內變化時，SGN輸出信號的占空比恒定為50%，MAG輸出信號的占空比恒定為33.3%。 由于射頻前端芯片內部AGC的動態范圍不滿足整個接收系統的工作要求，因此在接收機中增加一個外部AGC模塊以保證接收機的動態范圍。外部AGC控制模塊的功能是檢測出射頻前端輸出信號占空比變化而反映出來的接收信號幅度變化量，并通過低通濾波器濾出直流分量，經過一定的直流放大反饋給受控衰減器，調整輸入信號幅度，使輸入信號在放大器線性范圍和射頻前端AGC的調整范圍之內，以達到恒定幅度輸出的目的。 考慮到數字化的優越性和系統的穩定要求，采用全數字AGC方案并使用FPGA實現外部AGC模塊。由于MAG輸出信號的占空比反映了輸入信號的幅度大小，因此外部AGC控制模塊采用MAG作為輸入信號，檢測當前輸入信號幅度的變化。外部AGC控制模塊輸出為要衰減的dB值，用來調整數控衰減器的衰減量。 外部AGC控制模塊由計數器、低通濾波器、積分器和衰減量dB轉換表等幾部分構成，實現框圖如圖2所示。 當放大器2輸出信號處于射頻前端AGC的動態范圍時，MAG端輸出信號的占空比為1/3，如圖3所示。如果放大器2輸出信號超出射頻前端AGC的動態范圍時，中頻連續信號的幅度就會超過正常幅度，直接導致MAG輸出信號的占空比超出1/3，因此MAG占空比的大小反映了接收信號幅度的大小。為了保持輸出信號有恒定占空比，就要在輸入信號過大而導致內部AGC無法調節時，采用外部AGC調整來保證。通過外部AGC控制數控衰減器調整輸入信號幅度，使放大器2的輸出信號落入射頻前端的AGC動態調整范圍。數控衰減量的調節直接由射頻前端的輸出信號MAG的占空比確定。中頻連續信號幅度與SNG及MAG輸出信號的關系，如圖3所示。 設射頻前端AGC正常工作時的中斷頻輸出連續信號幅度為A0，則MAG輸出信號門限為： 假設射頻前端的輸出幅度變化為Anew(Anew＞Ath)，超出射頻前端芯片調整的范圍，并設新的接收信號超過門限時的相位φnew，則有 因此中頻輸出信號幅度與正常信號幅度的比值為： 由（5）式可以看出，中頻輸出連續信號幅度相對于正常信號幅度的比值與MAG端輸出信號的占空比有關，因此AGC控制模塊的關鍵是設計一個電路來檢測輸出信號的占空比。 利用一個計數器，采用射頻前采樣時鐘16.368MHz作為計數時鐘，在MAG高電平時計數。如果取計數時間為kms，則信號幅度處于射頻前端動態范圍之內時，正常的計數值為（k×10 -3×16.368×10 6）/3，記為n0。設接收信號幅度變大時，計數器的新計數值為n，則可推算出新的占空比為 wnew=n/3n0 (6) 由（5）和（6）式可知，已知新計數值和正常計數值就可計算出占空比，從而可計算出新的輸入信號幅度與正常信號幅度的比值或對應分貝值。中頻連續信號輸出幅度相對于正常幅度的放大dB值正是AGC控制模塊要輸出給數控衰減器的數值，因此衰減值dB轉換表就是基于（5）和（6）式構建的。要注意數控衰減器的衰減量并不是連續可調的。AT90-0106數字衰減器的衰減分辨率為1dB，最高衰減器為50dB.因此整個轉換表也是以1dB為最小單位，將計數值（反映占空比）映射到衰減dB值。 考慮到噪聲的影響，將新的計數值與正常計數值之間的差值送入低通濾波器進行濾波。低通濾波器的離散方程為： y(n)=α·y(n-1)+(1-α)·x(n) (7) 其中，x(n)為低通濾波器的輸入，y(n)為低通濾波器的輸出，α為濾波器系數。 外部AGC控制模塊中的增益ψ用來控制AGC調整速度。ψ越大，調整速度越快，但會導致整個環路過沖和振蕩，并導致輸入信號有寄生調幅；ψ越小，調整速度越慢，但好處是不會過沖，并在一定程度上避免了寄生調幅。 低通濾波器的輸出經過放大并輸入積分累加器進行累加，依據積分累加器的輸出查找衰減值dB轉換表，換算成衰減dB值后控制數控衰減器進行相應的衰減。 2 仿真試驗和結果 該型DS-SS通信系統的偽碼采用Gold碼，碼率為1.023MHz，碼周期為1ms。依據輸入信號形式和外部AGC的結構，利用微型計算機進行仿真，下面給出部分仿真結果。 計數器計數時間對占空比計算的準確性有影響。取射頻前端工作在其動態范圍內的飛速，計數器分別采用1ms、3ms和5ms計數時間對MAG輸出端高電平進行計數。仿真表明，采用5ms計數時間對MAG高電平計數來估計占空比，與理論上的占空比（33.3%）完全吻合，1ms和3ms計數時間估計的占空比不能正確反映占空比的變化，因此會影響AGC對當前輸出信號幅度的估計。所以外部AGC的計數器取計數時間為5ms(或更長)。 假設發射機載體由遠及近勻速飛行，速度為60m/s仿真中取飛行距離為150m～10m為例，利用系統工作參數建立接收信號數字模型，仿真外部AGC的調整過程。取AGC計數時間為5ms，低通濾波器系數為α=0.95，增益ψ=0.01，AGC環路調整過程見圖4。 從圖4中可以看出，發射機在遠程距離時，只要輸出中頻連續信號幅度不超過正常值，此時數控衰減器衰減量為零，由射頻前端的AGC保護輸入信號幅度的恒定。一旦中頻連續信號幅度超過射頻前端的AGC動態范圍，則外部AGC開始起作用，通過增大數控衰減器的衰減量保證輸入信號落入射頻前端的動態范圍之內，最終中頻信號幅度收斂在正常幅度上，而不加外部AGC的輸出幅度逐步增大。因此所設計的外部AGC可以保證輸出中頻信號SGN和MAG占空比恒定，即能保證中頻輸出信號幅度恒定。 在某航天器擴頻通信接收機實現中，全數字外部AGC采用Xilinx公司的Vitrex-II系列XC2v1000FPGA實現。利用FPGA的可編程性，大大方便了硬件的修改和調試。外部AGC擴展了接收機的動態范圍，使接收機的工作性能得到提高。另外，采用全數字AGC設計，避開D/A、放大器等部件，有利于簡化系統設計、降低調試難度和提高系統穩定性。實際應用表明：在系統參數選擇合適的情況下，該全數字外部AGC可以提高擴頻接收機的動態范圍，滿足大動態工作范圍的要求。 |
