一种跳频接收机及其增益自动控制方法与流程

1.本发明涉及通信技术领域，更具体的，涉及一种跳频接收机及其增益自动控制方法。


背景技术：

2.当今跳频电台广泛应用于军事等重要通信领域，其利用空间电磁波作为传输信道将电信号进行远程传输，受距离、绕射、衰落等因素影响产生频率衰落效应，不同频率的跳频载波信号到达接收端的信号强度呈离散性，幅度波动激烈，影响接收机的正常解调。除此之外，电台之间通信距离远近不同，接收端接收到的信号强度也会差异很大，如不采取有效措施将引起接收机性能下降和接收异常。因此，在接收机设计中需采取自动增益控制(简称agc)功能进行调节。
3.在一些公开的专利或技术文献库中，有不少关于接收机自动增益控制的介绍，大多偏向述及电路架构组成，针对跳频电台实际的应用场景缺乏具体控制方法和策略，适用性不高，缺点明显。例如：一种高速跳频自动增益控制方法，其低速同步和高速数据通信信号采用分通道接收，存在两个明显不足：首先是增加了硬件开销成本，其次是低速同步接收通道在近场大信号环境下同样存在器件饱和及信号失真，致使同步成功率下降。


技术实现要素：

4.本发明为了解决以上现有技术存在的不足与缺陷的问题，提供了一种跳频接收机及其增益自动控制方法，覆盖跳频电台实际应用场景，在保证响应速度、控制精度和动态的基础上，提高自动增益控制电路在跳频电台中的有效性和可靠性。
5.为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
6.一种跳频接收机，包括第一检波器、第二检波器、第三检波器、第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块、多通道模数转换器、控制器、变频带通滤波器、第一中频滤波器、第二中频滤波器；
7.所述的变频带通滤波器、第一可变增益模块、第一中频滤波器、第二可变增益模块、第二中频滤波器、第三可变增益模块、控制器依次电性连接；
8.所述的第一检波器用于检测第一可变增益模块输入端的信号功率强度，采样检测点设置在变频带通滤波器与第一可变增益模块之间，第一检波器将第一可变增益模块输入端的信号功率强度转换为电压值，称为第一电压值；
9.所述的第二检波器用于检测第二可变增益模块输入端的信号功率强度，采样检测点设置在第一中频滤波器与第二可变增益模块之间，第二检波器将第二可变增益模块输入端的信号功率强度转换为电压值，称为第二电压值；
10.所述的第三检波器用于检测第三可变增益模块输入端的信号功率强度，采样检测点设置在第二中频滤波器与第三可变增益模块之间，第三检波器将第三可变增益模块输入端的信号功率强度转换为电压值，称为第三电压值；
11.所述的第一可变增益模块用于射频信号放大或衰减，增益受控于控制器；
12.所述的第二可变增益模块用于第一中频信号放大或衰减，增益受控于控制器；
13.所述的第三可变增益模块用于第二中频信号放大或衰减，增益受控于控制器；
14.所述的多通道模数转换器设置在第一、二、三检波器与控制器之间，用于将第一电压值、第二电压值、第三电压值转换为数字信号送给控制器；
15.所述的控制器根据多通道模数转换器接收到第一电压值、第二电压值、第三电压值，相应的对第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块进行增益调整，实现将天线接收到的跳频信号rf依次通过第一可变增益模块、第一中频滤波电路、第二可变增益模块、第二中频滤波电路、第三可变增益模块后，得到一个幅度相对稳定的第二中频信号if2输入控制器。
16.优选地，还包括第一混频器、第一本振源；所述的第一混频器设置在第一可变增益模块与第一中频滤波器之间，所述的第一本振源与第一混频器电性连接。
17.优选地，还包括第二混频器、第二本振源；所述的第二混频器设置在第二可变增益模块与第二中频滤波器之间，所述的第二本振源与第二混频器电性连接。
18.优选地，还包括高速模数转换器，所述的高速模数转换器设置在第三可变增益模块与控制器之间；
19.所述的第二中频信号if2通过高速模数转换器输入控制器。
20.接收机工作时，天线接收的信号输出依次通过变频带通滤波器、第一可变增益模块、第一中频滤波器、第二可变增益模块、第二中频滤波器、第三可变增益模块、所述的控制器根据多通道模数转换器接收到第一电压值、第二电压值、第三电压值，依据所述的增益自动控制方法，相应的对第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块进行增益调整，使天线接收的跳频信号rf通过第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块处理后，得到一个幅度相对稳定的第二中频信号if2。
21.一种跳频接收机的增益自动控制方法，所述的方法包括如下：
22.基于所述的跳频接收机，采用分布式控制方法，将信号增益调整的任务分布在第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块；
23.跳频接收信号进入接收电路后，，按第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块的信号处理流程和时间顺序，对接收信号进行逐级测量调整；
24.当触发启动增益调整流程后，所述的控制器根据跳频同步搜索状态、跳频同步工作状态、邻信道干扰状态，依据本级预设的信号功率电压与增益档位关系表，独立完成本级可变增益模块增益档位调整，确保本级电路增益档位适配于当前信号功率强度；
25.触发启动增益调整流程的条件是有换频脉冲信号和强信号指示。
26.优选地，采用粗细结合的控制方式减少增益调整迭代时间，具体地：
27.所述的第一可变增益模块和第二可变增益模块的增益划分为2～3个档位，采用大步进方式粗调；
28.所述的第三可变增益模块的增益划分为n个细小步进档位，实现采用小步进方式细调，其中n为大于10的整数。
29.所述的按信号处理流程和时间顺序对跳频接收信号进行逐级测量与调整，具体包括三步操作：
30.第一步：在t0时间读取各个检波器的第一电压值、第二电压值和第三电压值，首先借助各电压值的状态组合特征，判断当前是否处于邻信道干扰状态：
31.判断结果为是，将按邻信道干扰状态的增益要求进行设置，中止下述第二步、第三步操作；
32.判断结果为否，将根据预设的第一电压值与第一可变增益模块的档位值关系表，查表设置第一可变增益模块的档位值，并继续执行第二步、第三步操作；
33.第二步：在t1时间读取第二检波器的第二电压值，根据预设的第二电压值与第二可变增益模块的档位值关系表，查表设置第二可变增益模块的档位值；
34.第三步：在t2时间读取第三检波器的第三电压值，根据预设的第三电压值与第三可变增益模块的档位值关系表，查表设置第三可变增益模块的档位值。
35.进一步地，所述的跳频同步搜索状态是指跳频接收机的实时工作频率尚未与发射端保持一致，处于按同步跳等候接收跳频同步信息的工作状态；
36.处于该状态时，所述的控制器预设接收机前端为最大增益，按固定的时间间隔连续读取第三检波器的第三电压值，当第三电压值大于某个预设的基准值，判断当前为强信号，将触发一次增益调整流程；反之判断为小信号，所述的跳频接收机保持最大增益；其中所述的时间间隔小于跳频周期。
37.进一步地，所述的跳频同步工作状态是跳频接收机完成跳频同步之后，其工作频率与发射端保持一致，且随时间变化同步跳变；
38.处于该状态时，由换频脉冲信号触发启动增益调整流程，所述的跳频接收机接收到的每一个跳频载波信号都被执行一次增益调整，调整时机限制在每一个跳频载波周期起始端的非有用数据期间；
39.进一步地，所述的邻信道干扰状态是指接收机当前工作频率的邻近频率上存在强干扰信号，该状态由所述的第一电压值、第二电压值和第三电压值的组合特征进行识别，具体特征为：第一电压值、第二电压值大于某个电压参考值，第三电压值等于或接近无信号时的电压参考值；
40.处于该状态时，所述的跳频接收机的第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块的增益档位全部设置为最大增益档。
41.本发明的有益效果如下：
42.本发明有别于其它跳频接收机的自动增益控制方法，是按信号处理流程和时间顺序进行逐级测量调整，控制方法简单灵活，精度、动态范围和响应时间可配置，适用性强。同时充分考虑了跳频接收机各种工作状态，区别增益控制方法，有效解决频率衰落和远近效应造成接收性能下降问题，为跳频接收机的增益自动控制提供切实有效、可靠的解决方案。
附图说明
43.图1是本发明所述的跳频接收机的电路示意图。
44.图2是本发明所述的增益调整流程步骤。
45.图3是本发明所述实例的第二中频if2的输出信号时域图。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
47.实施例1
48.如图1所示，一种跳频接收机，包括第一检波器、第二检波器、第三检波器、第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块、多通道模数转换器、控制器、变频带通滤波器、第一中频滤波器、第二中频滤波器。
49.所述的变频带通滤波器、第一可变增益模块、第一中频滤波器、第二可变增益模块、第二中频滤波器、第三可变增益模块、控制器依次电性连接。
50.所述的第一检波器用于检测第一可变增益模块输入端的信号功率强度，采样检测点设置在变频带通滤波器与第一可变增益模块之间，第一检波器将第一可变增益模块输入端的信号功率强度转换为电压值，称为第一电压值。
51.所述的第二检波器用于检测第二可变增益模块输入端的信号功率强度，采样检测点设置在第一中频滤波器与第二可变增益模块之间，第二检波器将第二可变增益模块输入端的信号功率强度转换为电压值，称为第二电压值。
52.所述的第三检波器用于检测第三可变增益模块输入端的信号功率强度，采样检测点设置在第二中频滤波器与第三可变增益模块之间，第三检波器将第三可变增益模块输入端的信号功率强度转换为电压值，称为第三电压值。
53.所述的第一可变增益模块用于射频信号放大或衰减，增益受控于控制器。
54.所述的第二可变增益模块用于第一中频信号放大或衰减，增益受控于控制器。
55.所述的第三可变增益模块用于第二中频信号放大或衰减，增益受控于控制器。
56.所述的多通道模数转换器设置在第一、二、三检波器与控制器之间，用于将第一电压值、第二电压值、第三电压值转换为数字信号送给控制器；
57.所述的控制器根据多通道模数转换器接收到第一电压值、第二电压值、第三电压值，相应的对第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块进行增益调整，实现将天线接收到的跳频信号rf依次通过第一可变增益模块、第一中频滤波电路、第二可变增益模块、第二中频滤波电路、第三可变增益模块后，得到一个幅度相对稳定的中频信号if输入控制器。
58.所述的变频带通滤波器连接在天线端口与第一可变增益模块之间，用于滤除跳频信号rf远端的干扰杂波信号，在本实施例，所述的变频带通滤波器优选数控式双极点调谐带通滤波器，能够获得较高的变频速度和阻带抑制。
59.所述的第一可变增益模块，用于射频信号放大或衰减，增益受控于控制器，该可变增益模块位于接收机的第一级放大器，在本实施例，所述的第一可变增益模块采用低噪声型放大器进行设计，使接收机获得较低的噪声系数，增益设置为-10db和+20db两挡。
60.所述的第二可变增益模块，用于第一中频信号放大或衰减，增益受控于控制器，增益设置为-10db和+20db两挡。
61.所述的第三可变增益模块，用于第二中频信号放大或衰减，增益受控于控制器，本实施例增益设置为-20db～+30db，平均分为25个挡位(n＝25)，每个步进2db，原则上n越大，细调的精度也就越高。
62.在本实施例，将接收机的信号输入功率范围划分为三个区间，如：+10dbm(上限)
～-20dbm、-21dbm～-60dbm、-61dbm～-100dbm(下限)，分布在接收机通道不同位置上的三个检波器通过分工接力的方式进行检测。
63.所述的第一检波器的采样检测点设置在变频带通滤波器与第一可变增益模块之间，其负责检测的信号范围是：+20dbm(上限)～-20dbm。
64.所述的第二检波器的采样检测点设置在第一中频滤波器与第二可变增益模块之间，其负责检测的信号范围是：-21dbm～-60dbm。
65.所述的第三检波器的采样检测点设置在第二中频滤波器与第三可变增益模块之间，其负责检测的信号范围是：-61dbm～-100dbm(下限)。
66.实施例2
67.如图1所示，一种跳频接收机电路，包括变频带通滤波器、第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块、第一混频器、第二混频器、第一中频滤波器、第二中频滤波器、第一本振源、第二本振源、第一检波器、第二检波器、第三检波器、多通道模数转换器、高速模数转换器、控制器。
68.所述的变频带通滤波器、第一可变增益模块、第一混频器、第一中频滤波器、第二可变增益模块、第二混频器、第二中频滤波器、第三可变增益模块、高速模数转换器、控制器依次电性连接。
69.所述的第一混频器设置在第一可变增益模块与第一中频滤波器之间，所述的第一本振源与第一混频器电性连接。
70.所述的第二混频器设置在第二可变增益模块与第二中频滤波器之间，所述的第二本振源与第二混频器电性连接。
71.所述的高速模数转换器设置在第三可变增益模块与控制器之间；
72.所述的中频信号if通过高速模数转换器输入控制器。
73.所述的变频带通滤波器连接在天线端口与第一可变增益模块之间，用于滤除跳频信号rf远端的干扰杂波信号，在本实施例，所述的变频带通滤波器优选数控式双极点调谐带通滤波器，能够获得较高的变频速度和阻带抑制。
74.所述的第一可变增益模块设置在变频带通滤波器与第一混频器之间，用于射频信号放大或衰减，增益受控于控制器，该可变增益模块位于接收机的第一级放大器，在本实施例，所述的第一可变增益模块采用低噪声型放大器进行设计，使接收机获得较低的噪声系数，增益设置为-10db和+20db两挡。
75.所述的第二可变增益模块设置在第一中频滤波器与第二混频器之间，用于第一中频信号放大或衰减，增益受控于控制器，增益设置为-10db和+20db两挡。
76.所述的第三可变增益模块设置在第二中频滤波器与高速模数转换器之间，用于第二中频信号放大或衰减，增益受控于控制器，本实施例增益设置为-20db～+30db，平均分为25个挡位(n＝25)，每个步进2db，原则上n越大，细调的精度也就越高。
77.所述的第一混频器连接在第一可变增益模块与第一中频滤波器之间，用于将跳频信号rf的频率搬移到第一中频频率if1，第一本振源向其提供快速跳变的本振频率lo1，则if1＝rf
±
lo1。
78.所述的第二混频器连接在第二可变增益模块与第二中频滤波器之间，用于将第一中频频率if1的频率搬移到第二中频频率if2，第二本振源向其提供一个固定频率的本振信
号lo2，则if2＝if1
±
lo2。
79.所述的第一本振源为高速变频型频率合成器，第二本振源为定频频率源。
80.所述的第一中频滤波器连接在第一混频器与第二可变增益模块之间，用于滤除第一中频if1通带外的干扰杂波信号。
81.所述的第二中频滤波器连接在第二混频器与第三可变增益模块之间，用于滤除第二中频if2通带外的干扰杂波信号。
82.在本实施例，将接收机的信号输入功率范围划分为三个区间，如：+10dbm(上限)～-20dbm、-21dbm～-60dbm、-61dbm～-100dbm(下限)，分布在接收机通道不同位置上的三个检波器通过分工接力的方式进行检测。
83.所述的第一检波器的采样检测点设置在变频带通滤波器与第一可变增益模块之间，其负责检测的信号范围是：+20dbm(上限)～-20dbm。
84.所述的第二检波器的采样检测点设置在第一中频滤波器与第二可变增益模块之间，其负责检测的信号范围是：-21dbm～-60dbm。
85.所述的第三检波器的采样检测点设置在第二中频滤波器与第三可变增益模块之间，其负责检测的信号范围是：-61dbm～-100dbm(下限)。
86.所述的多通道模数转换器设置在第一、二、三检波器与控制器之间，用于将第一电压值、第二电压值、第三电压值转换为数字信号输入控制器，在实施中，重点考虑模数转换器的精度和转换速度，需满足电路相关指标要求。
87.所述的高速模数转换器设置在第三可变增益模块与控制器之间，用于将模拟的第二中频信号if2转换为数字信号，经控制器送往基带处理单元，通常转换速率要求不低于100msps，本实施例，所述的高速模数转换器选用adi公司的ad9254。
88.所述的控制器是接收机前端电路的控制中心，负责各个模块电路的工作状态控制、参数配置和增益控制，通过通信接口连接基带处理单元，并接受控制指令，本实施例所述的控制器优选fpga。
89.实施例3
90.一种跳频接收机的增益自动控制方法，所述的方法包括如下：
91.基于如实施例1或实施例2所述的跳频接收机，采用分布式控制方法，将信号增益调整的任务分布在第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块；
92.采用粗细结合的控制方式减少增益调整迭代时间，快速逼近目标值；
93.跳频接收信号进入接收电路后，按第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块的信号处理流程和时间顺序，对接收信号进行逐级测量调整；
94.当触发启动增益调整流程后，所述的控制器根据跳频同步搜索状态、跳频同步工作状态、邻信道干扰状态，依据本级预设的信号功率电压与增益档位关系表，独立完成本级可变增益模块增益档位调整，确保本级电路增益档位适配于当前信号功率强度。
95.触发启动增益调整流程的条件是有换频脉冲信号和强信号指示。
96.优选地，采用粗细结合的控制方式减少增益调整迭代时间，具体地：
97.所述的第一可变增益模块和第二可变增益模块的增益划分为2～3个档位，采用大步进方式粗调；
98.所述的第三可变增益模块的增益划分为n个细小步进档位，实现采用小步进方式
细调，其中n为大于10的整数。
99.所述的按信号处理流程和时间顺序对跳频接收信号进行逐级测量与调整，具体包括三步操作：
100.第一步：在t0时间读取各个检波器的第一电压值、第二电压值和第三电压值，首先借助各电压值的状态组合特征，判断当前是否处于邻信道干扰状态：
101.判断结果为是，将按邻信道干扰状态的增益要求进行设置，中止下述第二步、第三步操作；
102.判断结果为否，将根据读取到的第一电压值和预设的第一电压值与第一可变增益模块的档位关系表，查表设置第一可变增益模块的档位值，并继续执行第二步、第三步操作；
103.第二步：在t1时间读取第二检波器的第二电压值，根据预设的第二电压值与第二可变增益模块的档位值关系表，查表设置第二可变增益模块的档位值；
104.第三步：在t2时间读取第三检波器的第三电压值，根据预设的第三电压值与第三可变增益模块的档位值关系表，查表设置第三可变增益模块的档位值。
105.在一个具体的实施例中，接收机的输入信号功率与第一、第二、第三可变增益模块的增益值呈反比例关系，表1展示了实施例的增益控制关系：
106.表1接收增益控制关系表
[0107][0108][0109]
注：1、表中a1、a2、a3分别代表第一、第二、第三可变增益模块；
[0110]
2、if2输出中频幅度等于rf、a1、a2、a3的代数之和。
[0111]
触发启动增益调整流程的条件分别有换频脉冲信号和强信号指示，跳频同步搜索、跳频同步工作的状态指示信号来自基带处理单元控制指令。
[0112]
进一步地，所述的跳频同步搜索状态是指跳频接收机的实时工作频率尚未与发射端保持一致，处于按同步跳等候接收跳频同步信息的工作状态；
[0113]
处于该状态时，所述的控制器首先预设接收机前端为最大增益，再按固定的时间间隔连续读取第三检波器的第三电压值，当第三电压值大于某个预设的基准值，判断当前为强信号，强信号指示有效，将触发一次增益调整流程；反之判断为小信号，所述的跳频接收机保持最大增益；其中所述的时间间隔小于跳频周期；此方法目的在于解决跳频接收机
在近场大信号环境下同步之前的增益控制问题，避免因大信号阻塞无法接收跳频同步信息；
[0114]
进一步地，所述的跳频同步工作状态是跳频接收机完成跳频同步之后，其工作频率与发射端保持一致，且随时间变化同步跳变；
[0115]
处于该状态时，由换频脉冲信号触发启动增益调整流程，所述的跳频接收机接收到的每一个跳频信号都被执行一次增益调整，调整时机限制在每一个跳频载波周期起始端的非有用数据期间，即要求在每个跳频周期传输有用数据之前需要完成增益调整操作，避免在传输有用数据期间操作造成数据丢失；
[0116]
进一步地，所述的邻信道干扰状态是指接收机当前工作频率的邻近频率上存在强干扰信号，该状态由所述的第一电压值、第二电压值和第三电压值的组合特征进行识别，具体特征为：第一电压值、第二电压值大于某个电压参考值，第三电压值等于或接近无信号时的电压参考值；
[0117]
处于该状态时，所述的跳频接收机电路的第一可变增益模块、第二可变增益模块、第三可变增益模块的增益档位全部设置为最大增益档。
[0118]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。