0 引言
    在頻譜分析儀、中頻接收機(jī)等諸多儀器中，動(dòng)態(tài)范圍是衡量儀器性能的重要指標(biāo)之一。為了擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍，在頻譜儀、接收機(jī)等儀器中經(jīng)常采用自動(dòng)增益控制電路(AGC電路)。AGC電路是一種在輸入信號幅度變化很大的情況下，其輸出信號幅度可保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化的自動(dòng)控制電路。
    與模擬AGC相比，數(shù)控AGC由于反饋部分的主要功能由數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)，故其AGC控制可以更加容易地得到實(shí)現(xiàn)。利用數(shù)字信號處理精度高的特點(diǎn)，可以精確地實(shí)現(xiàn)數(shù)字增益補(bǔ)償，使系統(tǒng)具有快速收斂和精確地穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。
    AGC電路分為非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)兩種。前一種電路采用后反饋技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，因此，在有實(shí)時(shí)性要求的場合不能使用；而后一種AGC電路則采用前饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的實(shí)時(shí)調(diào)理，因而克服了非實(shí)時(shí)性電路的缺點(diǎn)。在數(shù)字化中頻頻譜分析儀和數(shù)字中頻接收機(jī)等測量儀器中，由于ADC器件存在量化噪聲、孔徑抖動(dòng)、差分非線性失真、熱噪聲等誤差，故會(huì)造成ADC輸入動(dòng)態(tài)范圍及有效輸出位數(shù)的下降，從而限制了儀器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，難以滿足設(shè)計(jì)要求。對于一個(gè)14位ADC器件來說，當(dāng)參考電壓為1V時(shí)，在理想情況下，其所能轉(zhuǎn)換的信號電平功率為-65 dBm～13dBm，動(dòng)態(tài)范圍為78 dB。而在噪聲、量化誤差等因素的影響下，該范圍還會(huì)被進(jìn)一步壓縮，從而降低儀器的性能指標(biāo)。為了保證儀器有更寬的動(dòng)態(tài)范圍和更高的幅度精度，本設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)自動(dòng)量程控制技術(shù)，該技術(shù)可使ADC轉(zhuǎn)換器工作在最佳狀態(tài)下，以減少量化誤差的影響，提高信噪比，從而得到較大的動(dòng)態(tài)范圍。

1 實(shí)時(shí)數(shù)控AGC原理
    實(shí)時(shí)數(shù)控AGC電路通常采用前饋式電路結(jié)構(gòu)，以在信號到達(dá)ADC器件前完成對其調(diào)理。這種電路一般由預(yù)選濾波器、放大一抗混疊濾波電路、數(shù)控增益放大／衰減電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號幅度提取電路、邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊和數(shù)字增益補(bǔ)償模塊組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊和數(shù)字增益補(bǔ)償模塊為數(shù)字信號處理部分，可在FPGA器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

    前端模擬混頻后得到的中頻信號首先經(jīng)過一組單極點(diǎn)濾波器(包含LC濾波器、晶體濾波器)來濾除帶外信號，然后通過選通再輸出到信號幅度提取電路和放大-抗混疊電路?？够殳B濾波器能夠更有效地濾除帶外信號，避免采樣頻譜混疊。該電路一般具有多個(gè)極點(diǎn)，所以有顯著的群時(shí)延特性，對于一個(gè)快速上升的中頻模擬信號，經(jīng)過抗混疊濾波器后，通常會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，這個(gè)時(shí)間可以換算為多個(gè)采樣時(shí)間間隔。而延遲可使信號在送入ADC之前有充裕的時(shí)間被數(shù)控增益芯片放大／衰減，以適應(yīng)ADC器件的工作范圍。信號幅度提取電路先提取輸入信號的幅值，然后再經(jīng)過量化后，被轉(zhuǎn)換為檔位信息，再通過邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊根據(jù)檔位信息配置數(shù)控增益芯片進(jìn)行放大／衰減。當(dāng)輸入信號幅度較大時(shí)，邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊應(yīng)立即減小增益，以防止ADC器件過載；而當(dāng)輸入信號幅度長時(shí)間保持較小時(shí)，邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊才會(huì)增加增益，這樣可減小輸入信號有效噪聲，提高ADC的輸出有效位數(shù)(ENOB)。同時(shí)，采樣之后的數(shù)字增益補(bǔ)償模塊則根據(jù)檔位信息提供的補(bǔ)償值相應(yīng)地調(diào)節(jié)采樣數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)補(bǔ)償前端模擬電路的增益，從而準(zhǔn)確恢復(fù)出輸入的模擬中頻信號幅度。

2 實(shí)時(shí)AGC電路的關(guān)鍵技術(shù)
    實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)AGC電路的關(guān)鍵在于抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)、邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)和數(shù)字增益補(bǔ)償模塊的設(shè)計(jì)。
    設(shè)計(jì)中，AGC的實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先是對輸入信號的實(shí)時(shí)放大／衰減，設(shè)計(jì)可采用前饋式電路結(jié)構(gòu)，并將信號分為兩路進(jìn)行處理，通常需要在放大-抗混疊濾波電路的延遲時(shí)間段內(nèi)完成對信號的檔位信息判斷及控制自動(dòng)增益放大／衰減芯片增益的改變，從而實(shí)現(xiàn)對輸入信號的實(shí)時(shí)放大／衰減；其次是利用數(shù)字電路對數(shù)據(jù)后處理的能力來實(shí)時(shí)完成數(shù)字增益補(bǔ)償。
    對于前者，其關(guān)鍵在于抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)。抗混疊濾波器的作用有二，其一是濾除帶外信號，防止頻譜混疊；其二是產(chǎn)生一定時(shí)間的延遲。一般將抗混疊濾波器設(shè)計(jì)成低通或者帶通濾波器，并采用模擬器件電感和電容搭建而成，這樣就會(huì)產(chǎn)生固定時(shí)間的延遲。要實(shí)現(xiàn)對輸入信號的實(shí)時(shí)放大／衰減，就要精心設(shè)計(jì)并利用這個(gè)延遲時(shí)間，在延遲時(shí)間內(nèi)同步地完成一系列檢測、控制及計(jì)算工作，包括用信號幅度提取電路得到輸入信號的包絡(luò)電平功率，用邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊并通過包絡(luò)電平功率的量化值判斷出檔位信息，再根據(jù)檔位信息生成各個(gè)檔位的電壓增益值，同時(shí)配置數(shù)控增益放大／衰減器對信號進(jìn)行放大／衰減。
    而對于后者，其關(guān)鍵在于數(shù)字增益補(bǔ)償模塊的設(shè)計(jì)。當(dāng)邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊生成檔位信息后，可根據(jù)檔位信息計(jì)算出每一個(gè)檔位的補(bǔ)償值，然后將其送入數(shù)字增益補(bǔ)償模塊。數(shù)字增益補(bǔ)償模塊利用該補(bǔ)償值對ADC轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到輸入信號的幅度值。流水線型ADC器件轉(zhuǎn)換操作存在的固定延遲時(shí)間一般為采樣周期的固定倍數(shù)，所以，在數(shù)字增益補(bǔ)償時(shí)，不能出現(xiàn)對信號的誤補(bǔ)償，以防止補(bǔ)償后的信號發(fā)生畸變，因而要求時(shí)間同步。在數(shù)字邏輯中，時(shí)間同步或延遲的控制較容易實(shí)現(xiàn)，可用D觸發(fā)器或者計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)延遲，這樣延遲時(shí)間也容易控制。
    要得到輸入信號的準(zhǔn)確幅度值，在數(shù)字增益補(bǔ)償模塊中僅采用移位是不行的，還需要在移位的基礎(chǔ)上進(jìn)行校準(zhǔn)，其原因有兩條，第一：由于在前端電路中模擬器件固有缺陷的存在導(dǎo)致了中頻信號在經(jīng)過調(diào)理電路后存在一定的電平誤差，因此，在數(shù)字增益補(bǔ)償時(shí)，需要校準(zhǔn)這個(gè)誤差；第二：對數(shù)字信號左移／右移一位，相應(yīng)的功率電平將放大／衰減6 dB。所以，移位只能實(shí)現(xiàn)6 dB整數(shù)倍增益的補(bǔ)償，而不能實(shí)現(xiàn)其它增益值的補(bǔ)償。此外，在加入自動(dòng)增益放大／衰減后，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍將增加，故需要考慮信號表征的問題，通過對ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行位擴(kuò)展能有效地解決這個(gè)問題。
    在整個(gè)實(shí)時(shí)AGC電路中，邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊將起到紐帶作用，它是電路的控制核心，因此，采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)可對其他電路進(jìn)行控制。根據(jù)包絡(luò)幅度量化值，該模塊可產(chǎn)生檔位信息并計(jì)算出每一檔位的放大／衰減增益值和補(bǔ)償值，同時(shí)配置數(shù)控增益放大／衰減器以調(diào)節(jié)增益，同時(shí)提供補(bǔ)償值至數(shù)字增益補(bǔ)償模塊。AGC電路對信號進(jìn)行放大／衰減實(shí)質(zhì)上是對信號的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行某種“映射”。根據(jù)輸入信號的大小可將其劃分為不同的檔位，自動(dòng)增益控制的作用是將不同檔位的信號加以放大／衰減，并將各檔輸入信號范圍均“映射”到ADC器件最佳工作范圍內(nèi)，其映射關(guān)系如圖2所示。在對信號進(jìn)行分檔時(shí)，要考慮“映射”后的信號范圍應(yīng)匹配ADC器件信號的輸入范圍，所以，分檔不宜選擇過少，并且，同一檔位信號大小也不能相差太大，以防止“映射”后的信號落在ADC最佳工作范圍之外。

    圖2中，DRh，DR1，DR2，DR3，DR4，DR5和DR1是分別對應(yīng)不同輸入信號的功率電平值，Dh和D1對應(yīng)ADC器件最佳工作范圍的最大和最小功率電平值。

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    圖3所示是一種應(yīng)用于數(shù)字中頻接收機(jī)的大動(dòng)態(tài)范圍實(shí)時(shí)數(shù)控AGC電路的原理框圖。

    射頻信號經(jīng)前端混頻處理后可輸出21．4 MHz的模擬中頻信號，該中頻信號的功率電平范圍為-80 dBm～20 dBm。經(jīng)過預(yù)選濾波器，該中頻信號將分別被送入到抗混疊濾波電路和信號幅度提取電路。設(shè)計(jì)中，在對信號進(jìn)行幅度提取前，應(yīng)先對信號進(jìn)行不同增益的放大，增益分別為0 dB和40 dB，經(jīng)放大后的信號可送入峰值包絡(luò)檢波器中得到幅度值，從而完成信號幅度的提取。之后，可用分辨率比較低的ADC器件對幅度值進(jìn)行量化，當(dāng)輸入信號比較大時(shí)，可根據(jù)0dB通道的量化值得到檔位信息；而當(dāng)輸入信號比較小時(shí)，則可根據(jù)40 dB通道的量化值得到檔位信息。因此，根據(jù)不同增益通道的量化值來判斷檔位信息的方法極大地豐富了檔位信息，進(jìn)而精確地實(shí)現(xiàn)數(shù)控增益放大／衰減。
    設(shè)計(jì)可選用AD公司推出的線性數(shù)控增益放大／衰減芯片AD8369，并采用兩片數(shù)控芯片級聯(lián)的方式對輸入信號進(jìn)行實(shí)時(shí)放大／衰減，共可得到90 dB的增益調(diào)節(jié)范圍。邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊可同時(shí)控制兩片數(shù)控增益放大／衰減芯片，以使增益平均分配在兩級數(shù)控增益放大／衰減芯片上，從而實(shí)現(xiàn)增益的粗調(diào)和細(xì)調(diào)。設(shè)計(jì)時(shí)可選用AD公司的14位ADC器件ADS6145來對模擬信號進(jìn)行量化。
    由于ADS6145轉(zhuǎn)換時(shí)的參考電壓為1 V，故應(yīng)將該輸入信號幅度值盡可能的放大／衰減到略小于1 Vpp。本設(shè)計(jì)中的具體操作是將每一檔位中的最大輸入信號功率放大／衰減到12 dBm，這樣可以保證ADC工作在最佳狀態(tài)，以使輸出有效位最大。根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，便可以得到具體的分檔信息及表1所列的對應(yīng)放大／衰減量表。

4 結(jié)束語
    本文采用前饋式電路結(jié)構(gòu)，并利用抗混疊電路的延遲特性實(shí)現(xiàn)了對輸入信號的實(shí)時(shí)放大／衰減。同時(shí)利用FPGA器件良好的數(shù)字特性實(shí)現(xiàn)了數(shù)控AGC的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了對信號的實(shí)時(shí)數(shù)字增益補(bǔ)償，有效減少了電路體積。同時(shí)，采用兩級數(shù)控增益放大／衰減器級聯(lián)和根據(jù)兩路不同增益通道提取的幅度值來判斷檔位信息，也提高了實(shí)時(shí)數(shù)控AGC電路的動(dòng)態(tài)范圍和整個(gè)系統(tǒng)的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)AGC的電路功能，并有效擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍。