基于FPGA器件實(shí)現(xiàn)AGC算法和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2 、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，前端TD_SCDMA的射頻信號(hào)RF輸入后，經(jīng)過(guò)MAX2392零中頻下變頻解調(diào)后進(jìn)行增益處理。VGA輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC變換后就成為數(shù)字中頻信號(hào)，經(jīng)RSP（接收信號(hào)處理器）處理輸出為IF數(shù)字信號(hào)。IF信號(hào)可以經(jīng)過(guò)AGC控制算法處理后控制VGA的增益。AGC增益控制算法在數(shù)字部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，在本設(shè)計(jì)中，AGC電路可以有效提高鏈路的動(dòng)態(tài)范圍（+25～-105 dBm），提高ADC輸出的SNR，以使DSP能更容易地實(shí)現(xiàn)Dw-PTS同步。AGC在系統(tǒng)中的位置如圖1虛線框所示：

3 、AGC系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

根據(jù)AGC所實(shí)現(xiàn)的功能，在FPGA中將AGC模塊分為如下幾個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3.1 數(shù)據(jù)千路模塊

從RSP接口來(lái)10位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)I1和Q1，與求指數(shù)模塊傳送來(lái)的預(yù)放大增益GAIN2相乘后所得出的數(shù)據(jù)（仍取10位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)）將要傳送到CIC平均模塊，同時(shí)要分別與求指數(shù)模塊傳送來(lái)的放大增益GAIN3相乘，然后采取截短處理，取8位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)，I1′，Q1′，輸出到DSP中。

3.2 計(jì)算下行同步碼功率（SYNC_DL）模塊

計(jì)算下行同步碼功率（SYNC_DL）模塊對(duì)應(yīng)于圖2中的判斷部分，是AGC中最為重要算法計(jì)算。TD_SCD-MA每個(gè)幀有6 400個(gè)碼片，在其一幀5 ms的時(shí)間上是不連續(xù)的，因此只能求出下行同步碼（SYNC_DL）的功率值，以此為依據(jù)控制VGA的電壓值。

由圖3的TD_SCDMA的幀結(jié)構(gòu)知道，下行同步碼（SYNC_DL）在下行導(dǎo)頻時(shí)隙（DwPTS）發(fā)射，SYNC_DL的長(zhǎng)為64個(gè)碼片，在其左邊和右邊各有32和96個(gè)碼片的保護(hù)時(shí)隙（GP）。為此，在FPGA中共用了3種不同的方法計(jì)算其功率值。

方法一 在FPGA內(nèi)根據(jù)檢波法的原理計(jì)算下行同步碼64個(gè)碼片的功率（AGC模塊圖2中的dcmt部分）?？紤]TD的幀結(jié)構(gòu)，保護(hù)時(shí)隙GP的功率很小，故從接收功率的時(shí)間分布上來(lái)看，與GP相比SYNC_DL段的功率較大。當(dāng)用SYNC_DL段的64碼片之和除以SYNC_DL前后個(gè)32個(gè)碼片相加之和，結(jié)果大于3時(shí)，就可以判斷出SYNC_DL的大致位置。因此，基于這種方法，F(xiàn)PGA在5 ms的周期中遍取6 400個(gè)碼片，每64個(gè)碼片做積分，依次向前滾動(dòng)計(jì)算，同時(shí)做除法運(yùn)算，最后即可計(jì)算出SYNC_DL在一幀6 400個(gè)碼片中的位置和能量，以此控制VGA的電壓和后續(xù)的計(jì)算。不過(guò)這種方法只有在信號(hào)質(zhì)量很好，信號(hào)強(qiáng)度比較大的時(shí)候才計(jì)算準(zhǔn)確。

方法二 由DSP方根據(jù)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)相干檢測(cè)法檢測(cè)出SYNC_DL的精確位置，并把這個(gè)位置參數(shù)傳送給FPGA。FPGA收到這一點(diǎn)的位置后，立既停止使用其自身檢波法求出的功率值，根據(jù)DSP傳過(guò)來(lái)的SYNC_DL的位置，計(jì)算出這一點(diǎn)之后的64個(gè)碼片的積分值，作為SYNC_DL的總功率，并以此控制VGA的電壓（AGC模塊圖2中的dwpts部分）。這時(shí)求出來(lái)的總能量比較精確（DSP提供的位置比FPGA自身檢波法求出來(lái)的精確），但是速度比較慢。

方法三 當(dāng)信號(hào)的強(qiáng)度變得很弱，信號(hào)可能淹沒(méi)在了噪聲當(dāng)中。這時(shí)無(wú)論是由FPGA的檢波法還是DSP的相干法都計(jì)算不出SYNC_DL的位置和能量。在這種情況下，認(rèn)為在5 ms時(shí)域上信號(hào)連續(xù)，能量均衡，F(xiàn)PGA求5ms幀的平均值，以此作為SYNC_DL的功率，并控制VGA（AGC模塊圖2中的CIC部分）。

3.3 求對(duì)數(shù)運(yùn)算模塊

在本模塊，將上面得到的功率值進(jìn)行求對(duì)數(shù)運(yùn)算，以減少數(shù)據(jù)的運(yùn)算量。用FPGA實(shí)現(xiàn)求對(duì)數(shù)運(yùn)算時(shí)，可以先將數(shù)據(jù)歸一化在1～2之間，然后通過(guò)將數(shù)據(jù)平方后推導(dǎo)出最高位的方法逐位求出所求數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)值。假定自變量X歸一化在區(qū)間［1，2］內(nèi)，用二進(jìn)制數(shù)據(jù)可表示為1．X1X2…Xn，則所求的對(duì)數(shù)值在區(qū)間［0，1］內(nèi)，用二進(jìn)制數(shù)據(jù)可表示為0．Y1Y2…Ym，因而可用數(shù)學(xué)方法表示為20.Y1Y2…Ym=1．X1X2…Xn，問(wèn)題歸結(jié)為求Y1Y2…Ym。將上式左右兩邊同時(shí)平方， 可以得出2Y1Y2…Ym=（1．X11X21…Xn1）2，由此可推倒出Y1來(lái)。（X為已知，若等式右邊數(shù)據(jù)小于2，則Y1=0；反之，若大于或等于2，則Y1=1）求出Y1后可以導(dǎo)出20.Y2Y3…Ym=1．X11X21…Xn1，同理可推倒出Y2。依此類(lèi)推，可求出對(duì)數(shù)值的各位。

進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)計(jì)出一個(gè)平方比較單元依次求出對(duì)數(shù)值，同時(shí)要注意需要耗費(fèi)的系統(tǒng)資源。

3.4 求指數(shù)運(yùn)算模塊

經(jīng)過(guò)求對(duì)數(shù)模塊后，一路數(shù)據(jù)傳送到IIR中，另一路數(shù)據(jù)則要傳送到DSP中進(jìn)行算法運(yùn)算，因此，需要增加一個(gè)求指數(shù)模塊，將對(duì)數(shù)模塊運(yùn)算后的結(jié)果還原成原來(lái)的數(shù)據(jù)送到DSP中。指數(shù)換底公式可知：2x=ex1n2，由雙曲函數(shù)定義及特性可知：ex=sinh（x）+cosh（x），而當(dāng)自變量x在［-π／4，7c／4］范圍內(nèi)時(shí)，可以采用FPGA的IP CORE（CORDIC算法）實(shí)現(xiàn)雙曲正弦函數(shù)和雙曲余弦函數(shù)，因此在FPGA內(nèi)部求以2為底的指數(shù)函數(shù)時(shí)，可以先將自變量歸一化在［0，1］內(nèi)，然后將自變量乘以常系數(shù)1n 2，由于ln 2《π／4，故可以新乘得的數(shù)據(jù)作為新的自變量，利用IPCORE求出其雙曲正弦函數(shù)和雙曲余弦函數(shù)后將其相加，即可得到所需要的指數(shù)函數(shù)值。

3.5 IIR反饋模塊

IIR反饋模塊包括3部分：IIR濾波單元、飽和反饋單元和VGA控制單元，其中IIR濾波單元負(fù)責(zé)將求對(duì)數(shù)模塊得出的數(shù)值與參考數(shù)值比較后得出的誤差數(shù)據(jù)Uerr作IIR濾波計(jì)算得出Ufilter，然后依據(jù)相關(guān)算法計(jì)算出Urssi。飽和反饋單元負(fù)責(zé)將Urssi與飽和限幅數(shù)據(jù)比較后得出誤差電壓Uerr2，然后依照相關(guān)算法求出U2送到求指數(shù)模塊，從而能夠控制誤差反饋增益Gain2。VGA控制單元負(fù)責(zé)將Urssi進(jìn)行飽和限幅后得到輸出控制電壓Uda，量化后經(jīng)過(guò)數(shù)模變換從而控制VGA。

3.6 CIC平均模塊

當(dāng)AGC用于WCDMA系統(tǒng)時(shí)，可以將圖2中的判斷部分全部去掉，加入這個(gè)CIC平均模塊。CIC平均模塊負(fù)責(zé)將預(yù)放大模塊求出的I1和Q1作為自變量，通過(guò)功率算法P1′=I1*I1+Q1*Q1求出P1′，然后將6 400個(gè)工作頻率為1.28 MHz的P1′平均，得出工作頻率為1.28 MHz的P1。同樣得出P2后再求出P1+P2。

在FPGA中對(duì)于相加運(yùn)算，包括CIC實(shí)現(xiàn)部分的純整數(shù)相加算法和其他部分的小數(shù)相加算法。其中CIC運(yùn)算部分的運(yùn)算數(shù)據(jù)是二進(jìn)制10位有符號(hào)數(shù)；對(duì)于相乘運(yùn)算，包括CIC實(shí)現(xiàn)部分的純整數(shù)平方算法、CIC實(shí)現(xiàn)部分的常系數(shù)小數(shù)相乘算法。

4、 結(jié) 語(yǔ)

以上介紹的在FPGA中實(shí)現(xiàn)AGC的算法，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目的驗(yàn)證測(cè)試，效果比較好，DA選用ADS的5621，VGA電壓調(diào)節(jié)范圍在0.3～1.8 V之間，共45個(gè)dB的調(diào)節(jié)范圍，因此AGC在+10～-35之間起調(diào)節(jié)作用，信號(hào)低于-45 dBm時(shí)，VGA電壓保持1.8 V最大值；高于+10 dBm時(shí)，VGA電壓保持在最小0.3 V。經(jīng)過(guò)測(cè)試，F(xiàn)PGA可在+25～-105 dBm范圍內(nèi)搜索到SYNC_DL的位置。

此種AGC算法，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，不僅可用于TD_SCDMA信號(hào)，在計(jì)算下行同步碼能量時(shí)稍加改動(dòng)，只做CIC平均運(yùn)算，即可應(yīng)用于WCDMA信號(hào)。

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