一种脉冲雷达数字AGC的设计与FPGA实现
许彦章，黎文杰，吴 刚
【摘 要】分析了雷达的自动增益控制的原理，提出了一种适用于脉冲雷达的数字化AGC的设计与实现方案，对于数字AGC的控制模块及电压与功率在不同输入条件下的关系进行了详细的介绍，在FPGA的软件设计及实现算法的基础上，通过线性调频信号雷达系统进行验证，试验结果表明方案具有收敛速度快、控制精度高等特点。 【期刊名称】微型机与应用 【年(卷),期】2017(036)022 【总页数】4
【关键词】数字增益控制；可编程逻辑器件；排序；线性调频信号
0 引言
自动增益控制(AGC)在雷达系统中用于调整中频接收机的动态范围，当雷达探测位于最远距离的最小目标时，目标回波信号最小；而当探测最近距离的最大目标时，目标回波信号最大。
脉冲雷达自动增益控制(AGC)根据接收信号幅度变化自动对接收机的增益进行调整, 匹配整个接收通路中的动态范围[1]。自动增益控制(AGC)在脉冲雷达中频接收机中的功能：第一，防止信号过大引起接收机失真。中频接收机在不同距离模式下目标回波强度接收机工作在线性动态范围内，不存在较大的失真，保证和差通道的相位差能够稳定对角度进行精确测量。第二，补偿接收机增益的起伏。实际舰船目标测量过程中符合Swinling慢起伏模型，为保证回波信号在帧周期内保证一定稳定回波信号范围。
传统的模拟AGC主要在中频接收机对和通道闭环中实现，模拟AGC受到放大器、检波电路及低通滤波等器件特性影响[2]，通常无法适应现代雷达脉冲宽度变化范围大、重频抖动等特点，导致滤波响应慢，控制时常数较大，对抗干扰差。数字AGC基本原理是对归一化通道进行ADC采样后量化处理，估计脉冲雷达距离门内量化后信号的幅度，通过查表对数化输入功率，调整中频接收机增益，控制回波信号幅度在一定时间处于设定的范围内[3]。随着可编程逻辑器件及数字信号处理的快速发展，本文数字AGC逻辑计算及控制部分由高性能信号处理机实现，增益放大及衰减控制由中频接收机高精度DAC实现，具有控制灵活度高、控制精度高、稳健性强等特点[4]，同时具有自动数字AGC与手动控制AGC的功能。
1 数字AGC设计与分析
本文数字AGC的设计主要包括两个部分：一部分由信号处理机实现，完成AGC逻辑计算与控制；另一部分由中频接收机实现，完成AGC量化增益控制。两者之间通过串转并接口(SPI)协议通信，实现自动增益控制，如图1所示。 1.1 数字AGC逻辑计算与控制 假定中频线性调频脉冲信号(LFM)为： sr(n)=A(n/fs)·cos(2πf0(n/fs)+μπ(n/fs)2) (1)
其中，A为中频信号，fs为采样量化频率，μ为调频斜率，n为从距离门起始点N0到距离门终止点NM的采样点数。
经过数字ADC直接采样后，量化为N位比特位，用数字检波的方式得到信号的幅度包络C(n)为：
C(n)=A(n/fs) (2)
当脉冲信号距离门上升沿时，滑窗比较输入信号幅度值，并按照幅度值进行由大到小滑窗排序，设计保留距离门内最大若干个幅度值，实现过程如图2所示。得到距离门内排序后的最大K个信号幅度值为(由大到小)： {C1 C2 … CK} (3)
在距离门下降沿到达时，完成回波信号幅度排序，为防止采样信号过冲影响，剔除L个野值，采用均值法估计脉冲信号距离门内数字检波后幅度值为： (4)
数字检波后的第k个脉冲信号的功率为Pk，要求中频接收机第k+1的脉冲信号和通道归一化功率为P0，则需要控制的增益变化为： ΔGk=10lg=20·(lgCest-lgC0) (5)
其中Cest表示第k个脉冲估计的幅度值，C0表示归一化电平值。
工程实现中，对数计算复杂度高，不利于数字可编程逻辑器件(FPGA)实现，可以通过查表法设定若干挡位的增益[5]，本文中采用增益变化ΔG的范围为-10 dB～+10 dB，步进1 dB，通过增益步进调整，调整收敛归一化电平门限范围内。
1.2 数字AGC电压与功率增益的关系
中频接收机的功率增益放大器与AGC电压成对数线性关系，传统脉冲雷达采用的功率增益的动态范围为-10 dB～60 dB，符合线性区，当功率增益超过60
一种脉冲雷达数字AGC的设计与FPGA实现
