radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-2-5-12radioelectronics-307Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВRADIO ELECTRONIC FACILITIES FOR SIGNAL TRANSMISSION, RECEPTION AND PROCESSINGХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВОЙ АРУ ПРИ ОПЕРАЦИЯХ С ФИКСИРОВАННОЙ ТОЧКОЙCHARACTERISTICS OF DIGITAL AGC IN FIXED-POINT OPERATIONSПрасоловА. А.PrasolovA. A.

инженер по специальности "Радиосвязь, радиовещание и телевидение" (2004), старший преподаватель кафедры радиосвязи и вещания

Dipl.-engineering (2004), Engineer in "Radio communications, broadcasting and television", Senior Lecturer of the Department of Radio Communications and Broadcasting

prasolov.alex@gmail.comСанкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-БруевичаРоссияThe Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of TelecommunicationsRussian Federation201924042019222512Copyright © Прасолов А.А., 20192019Прасолов А.А.Prasolov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/307Введение

Введение. Системы связи на сегодняшний день в основном являются цифровыми. Одной из задач автоматической регулировки усиления в цифровых приемниках является поддержание аналоговых сигналов на уровне, не допускающем насыщения аналого-цифрового преобразователя. Большинство численных алгоритмов основаны на арифметике с плавающей точкой, а полностью цифровая автоматическая регулировка усиления обычно реализуется с помощью устройств, работающих на арифметике с фиксированной точкой, таких, как микросхемы программируемой логики и сигнальные процессоры. Вследствие использования арифметики с фиксированной точкой и аппаратного ограничения выходные значащие биты должны быть корректно усечены. Хотя во многих исследованиях упоминается цифровая автоматическая регулировка усиления, ее характеристики подробно не рассматривались в условиях конечной разрядности вычислителей.

Цель работы

Цель работы. Анализ динамических характеристик цифровой автоматической регулировки усиления для реализации на вычислителе при операциях над числами с фиксированной точкой.

Материалы и методы

Материалы и методы. В рамках исследования разработана математическая модель цифровой автоматической регулировки усиления в математическом пакете MATLAB и ее реализация на микросхеме программируемой логики.

Результаты

Результаты. Показаны отличие характеристик и особенности работы цифровой автоматической регулировки усиления при операциях над числами с фиксированной точкой. Произведена оценка влияния сигналов с фиксированной точкой на стабильность работы цифровой автоматической регулировки усиления. Проведен анализ причин возникновения паразитных колебаний управляющего сигнала.

Заключение

Заключение. В результате данного исследования предложен алгоритм компенсации колебаний управляющего сигнала за счет коррекции опорного уровня цифровой автоматической регулировки усиления. В дальнейшем требуется проверка предложенного алгоритма на реальных сигналах. Результаты этой работы актуальны в задачах разработки цифровых приемников для систем связи различного назначения. 

Introduction

Introduction. Nowadays, communication systems are mostly digital. One of the tasks of automatic gain control in digital receivers is to maintain analog signals at the appropriately fixed level, which prevents saturation of the analogto-digital converter. Most numerical algorithms are based on floating point arithmetic, and digital automatic gain control is usually implemented using fixed-point arithmetic devices such as programmable logic chips and signal processors. As consequence of fixed-point arithmetic and hardware constraints usage, the out-put significant bits should be truncated correctly. Although many studies mention digital automatic gain control, its characteristics are not considered in detail in terms of the finite capacity of calculators.

Objective

Objective. The purpose of the study is to analyze dynamic characteristics of digital automatic gain control implemented on a computer for operations on numbers with fixed-point.

Materials and methods

Materials and methods. Within the frames of the study in Matlab software was developed a mathematical model of digital automatic gain control. The model was implemented on a programmable logic chip.

Results

Results. The paper shows the difference in characteristics and features of the digital automatic gain control during operations on fixed-point numbers. The study provides the assessment of the effect of fixed-point signals on the stability of the digital automatic gain control and includes the analysis of causes of spurious oscillations of the control signal.

Conclusion

Conclusion. The study proposes the algorithm for compensation of the control signal oscillations by means of correction of the reference level of the digital automatic gain control. Further is required to verify the proposed algorithm on real signals. The results of the study are relevant in development of digital receivers for communication systems of various purposes.

цифровая АРУоперации с фиксированной точкойокругление чиселуправляющий сигналпаразитные колебанияdigital AGCfixed point operationsrounding of numberscontrol signalparasitic oscillationsReferencesDigital Enterprise and Information Systems // Intern. Conf., DEIS 2011, London, UK July 20–22, 2011. Proc.; ed. by E. Ariwa, E. El-Qawasmeh. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. 766 p.Digital Enterprise and Information Systems: Intern. Conf., DEIS 2011, London, UK July 20–22, 2011. Proc.; ed. by E. Ariwa, E. El-Qawasmeh. Berlin Heidelberg, Springer-Verlag, 2011, 766 p.Sigismondi P. The digital globalization of entertainment: New paradigms in the 21st century global mediascape. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2012. 138 p. (The Economics of Information, Communication and Entertainment. Vol. 3).Sigismondi P. The Digital Globalization of Entertainment: New Paradigms in the 21st Century Global Mediascape. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2012, 138 p. (The Economics of Information, Communication and Entertainment. Vol. 3).Narieda S. AGC and ADC effects on receiver performance in FDM based narrowband wireless systems // 2013 IEEE 10th Consumer Communications and Networking Conf. (CCNC), Las Vegas, NV, USA, 11–14 Jan. 2013. Piscataway: IEEE, 2013. P. 449–454. doi: 10.1109/CCNC. 2013.6488482Narieda S. AGC and ADC Effects on Receiver Performance in FDM Based Narrowband Wireless Systems. 2013 IEEE 10th Consumer Communications and Networking Conf. (CCNC), Las Vegas, NV, USA, 11–14 Jan. 2013. Piscataway, IEEE, 2013, pp. 449–454. doi: 10.1109/CCNC. 2013.6488482Pan H. Y. M., Larson L. E. Improved Dynamic Model of Fast-Settling Linear-in-dB Automatic Gain Control Circuit // 2007 IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems. New Orleans, LA, USA, 27–30 May 2007. Piscataway: IEEE, 2007. P. 681–684. doi: 10.1109/ISCAS.2007.377900Pan H. Y. M., Larson L. E. Improved Dynamic Model of Fast-Settling Linear-in-dB Automatic Gain Control Circuit. 2007 IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems. New Orleans, LA, USA. 27–30 May 2007. Piscataway, IEEE, 2007, pp. 681–684. doi: 10.1109/ISCAS.2007.377900Huang C., Yan X., He L. A high-precision all-digital automatic gain control algorithm for broadband realtime spectrum analyzer // 2013 Intern. Conf. on Com-munications, Circuits and Systems (ICCCAS). Chengdu, China, 15–17 Nov. 2013. Piscataway: IEEE, 2013. Vol. 1. P. 240–244. doi: 10.1109/ICCCAS.2013.6765225Huang C., Yan X., He L. A High-Precision All-Digital Automatic Gain Control Algorithm for Broadband RealTime Spectrum Analyzer. 2013 Intern. Conf. on Communications, Circuits and Systems (ICCCAS). Chengdu, China, 15–17 Nov. 2013. Piscataway, IEEE, 2013, vol. 1, pp. 240–244. doi: 10.1109/ICCCAS.2013.6765225Yan X., Wang Q., Qin K. A new signal capture method based on real-time multi-domain trigger in communication analyzer // 2009 IEEE Circuits and Systems Intern. Conf. on Testing and Diagnosis. Chengdu, China, 28–29 April 2009. Piscataway: IEEE, 2009. P. 1–4. doi: 10.1109/CAS-ICTD.2009.4960757Yan X., Wang Q., Qin K. A New Signal Capture Method Based on Real-Time Multi-Domain Trigger in Communication Analyzer. 2009 IEEE Circuits and Systems Intern. Conf. on Testing and Diagnosis. Chengdu, China, 28–29 April 2009. Piscataway, IEEE, 2009, pp. 1–4. doi: 10.1109/CAS-ICTD.2009.4960757Vucic M., Butorac M. All-digital high-dynamic automatic gain control // 2009 IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems. Taipei, Taiwan, 24–27 May 2009. Piscataway: IEEE, 2009. P. 1032–1035. doi: 10.1109/ISCAS.2009.5117935Vucic M., Butorac M. All-Digital High-Dynamic Automatic Gain Control. 2009 IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems. Taipei, Taiwan, 24–27 May 2009. Piscataway, IEEE, 2009, pp. 1032–1035. doi: 10.1109/ISCAS.2009.5117935Optimized digital automatic gain control for DVB-S2 system / Y. Zhang, J. Cao, C. Wu, J. Han, X. Zeng // 2010 Wireless Telecommunications Symp. (WTS). Tampa, FL, USA, 21–23 April 2010. Piscataway: IEEE, 2010. P. 1–5. doi: 10.1109/WTS.2010.5479628Zhang Y., Cao J., Wu C., Han J., Zeng X. Optimized Digital Automatic Gain Control for DVB-S2 System. 2010 Wireless Telecommunications Symp. (WTS). Tampa, FL, USA, 21–23 April 2010. Piscataway, IEEE, 2010, pp. 1–5. doi: 10.1109/WTS.2010.5479628Implementation of automatic gain control in OFDM digital receiver on FPGA / L. Liang, J. Shi, L. Chen, S. Xu // 2010 Intern. Conf. on Computer Design and Applications. Qinhuangdao, China, 25–27 June 2010. Piscataway: IEEE, 2010. Vol. 4. P. V4-446–V4-449. doi: 10.1109/ICCDA.2010.5540895Liang L., Shi J., Chen L., Xu S. Implementation of Automatic Gain Control in OFDM Digital Receiver on FPGA. 2010 Intern. Conf. on Computer Design and Applications. Qinhuangdao, China, 25–27 June 2010. Piscataway, IEEE, 2010, vol. 4, pp. V4-446–V4-449. doi: 10.1109/ICCDA.2010.5540895Ju C., Ma J. Finite word length analysis and design of digital automatic gain control system for mobile TV applications // 2009 Intern. SoC Design Conf. (ISOCC). Busan, South Korea, 22–24 Nov. 2009. Piscataway: IEEE, 2009. P. 270–273. doi: 10.1109/SOCDC.2009.5423800Ju C., Ma J. Finite Word Length Analysis and Design of Digital Automatic Gain Control System for Mobile TV Applications. 2009 Intern. SoC Design Conf. (ISOCC). Busan, South Korea, 22–24 Nov. 2009. Piscataway, IEEE, 2009, pp. 270–273. doi: 10.1109/SOCDC.2009.5423800Прасолов А. А., Шпак С. А. Моделирование переходного процесса цифровой автоматической регулировки усиления // Информационные технологии моделирования и управления. 2013. №. 1. С. 40–45.Prasolov A. A., Shpak S. A. Simulation of the Transient Digital Automatic Gain Control. Informatsionnye tekhnologii modelirovaniya i upravleniya [Information Technology Modeling and Management]. 2013, no. 1, pp. 40–45. (In Russ.)Raj A. A. B. FPGA-Based Embedded System Developer's Guide. Boca Raton: CRC Press, 2018. 804 p.Raj A. A. B. FPGA-Based Embedded System Developer's Guide. Boca Raton, CRC Press, 2018, 804 p.Bouganis C. S., Constantinides G. A. Synthesis of DSP algorithms from infinite precision specifications // High-Level Synthesis. Dordrecht: Springer, 2008. P. 197-214.Bouganis C. S., Constantinides G. A. Synthesis of DSP Algorithms from Infinite Precision Specifications. High-Level Synthesis. Dordrecht: Springer, 2008, pp. 197–214.Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Профессия, 2003. 752 с.Besekerskii V. A., Popov E. P. Teoriya sistem avtomaticheskogo upravleniya [Theory of Automatic Control Systems]. SPb, Professiya, 2003, 752 p. (In Russ.)Pat. USA 6,292,120. Int.Cl. H03M 1/18 (2006.01.01). Automatic gain control for input to analog to digital converter / D. Painchaud, L. J. Wachter. Publ. 09/18/2001.Painchaud D., Wachter L. J. Pat. USA 6,292,120. Int.Cl. H03M 1/18 (2006.01.01). Automatic Gain Control for Input to Analog to Digital Converter. Publ. 09.18.2001.Azou S., Luca M. B., Burel G. Automatic gain control in a Kalman filter based synchronization chaotic receiver // Proc. of IEEE Communications Conf., Bucharest, Romania, June 3–5, 2004. Piscataway: IEEE, 2004. P. 1–4.Azou S., Luca M. B., Burel G. Automatic Gain Control in a Kalman Filter Based Synchronization Chaotic Receiver. Proc. of IEEE Communications Conf., Bucharest, Romania, June 3–5, 2004. Piscataway, IEEE, 2004, pp. 1–4.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.