文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.029
中文引用格式: 劉美銳. 適用于非恒包絡突發(fā)通信的AGC設計[J].電子技術應用,2016,42(6):105-108.
英文引用格式: Liu Meirui. AGC design for non constant envelope burst communication[J].Application of Electronic Technique,2016,42(6):105-108.
0 引言
在無線電波傳輸過程中,由于信道環(huán)境及接收條件的不同,接收機收到的信號強度差異很大[1]。同時,在非恒包絡突發(fā)通信中,接收機收到的信號不連續(xù),信號包絡中攜帶了有用信息。因此,接收機的AGC設計需要同時滿足動態(tài)范圍大、響應速度快、引入信號失真小的要求,同時輸出信號幅度還需滿足后端ADC的動態(tài)范圍及數字信號處理的要求[2]。在接收機的AGC設計中,響應速度是其中最關鍵的技術指標,響應速度太慢或者太快都會引起信號的失真。如果AGC環(huán)路的響應速度太慢,則接收機輸出信號的電平無法跟上輸入信號電平的變化,信號會產生非線性失真,或者信號幅度超過了ADC的動態(tài)范圍而引起誤碼;如果AGC環(huán)路的響應速度太快,其調整速率超過了信號的調制速率,AGC環(huán)路會使信號產生寄生幅度調制,破壞信號原有的包絡,導致信號失真[3]。因此,在實際的工程應用中,通常需要根據實際情況進行仿真及測試,以找出AGC環(huán)路的最佳響應時間,或者通過選擇幾組不同的響應時間,來應對不同的應用場合[4]。
1 傳統(tǒng)AGC的局限
AGC是典型的閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng),用輸出信號與參考信號之間的誤差來調節(jié)可變增益放大器的增益,使得當輸入信號電平發(fā)生變化時,輸出信號的電平能基本保持恒定。不論是模擬AGC還是數字AGC,雖然其具體實現方式各不相同,但是其基本原理及構成均相同,如圖1所示,都是由輸出信號檢測、誤差信號產生和可控增益放大三部分組成[5]。其中,誤差信號產生電路是整個AGC環(huán)路的核心部分,AGC的響應時間就是由該部分電路中環(huán)路濾波的時間常數決定的。
圖2將突發(fā)通信中的幀結構概括地分為兩個部分組成[6]:保護碼(時間為t0)和信息碼(時間為N×t1,其中t1為單個符號時間)。
從上一節(jié)的論述可知,為了使接收機輸出信號的電平及時跟上輸入信號電平的變化,AGC環(huán)路的穩(wěn)定時間τ應當小于保護時間t0;同時,為了避免AGC環(huán)路引入寄生調制導致信號失真,AGC環(huán)路的穩(wěn)定時間τ又必須遠大于調制信號的單個符號時間t1。當突發(fā)信號的幀結構滿足條件t1<<t0時,AGC環(huán)路穩(wěn)定時間τ的選擇只需滿足t1<<τ<t0即可,這時傳統(tǒng)的AGC環(huán)路設計是可行的。但是當突發(fā)信號幀結構中的t0和t1相差不大時,由于傳統(tǒng)模擬AGC環(huán)路的響應時間單一,最佳穩(wěn)定時間τopt很難或者無法選取出來。為此,本文提出了一種適用于突發(fā)通信的變速模擬AGC電路,以解決突發(fā)信號保護時間短和符號速率慢之間的矛盾。
2 變速AGC的原理及設計
變速AGC的工作原理是接收機在進行突發(fā)通信時,AGC環(huán)路能夠根據信號的時域特點實時地進行響應速度切換,其響應特性如圖3所示。
當突發(fā)信號到達之前,AGC環(huán)路工作在慢環(huán)狀態(tài)。當突發(fā)信號到達時,信號電平快速上升并超過預設的門限值Vt,此時AGC環(huán)路立即切換到快環(huán)狀態(tài),其目的是使輸出信號及時跟蹤輸入信號的變化,在保護時間內快速達到穩(wěn)定,保證后續(xù)有用數據的無損接收。當信號電平被穩(wěn)定到期望值Vs后,AGC環(huán)路又切換到慢環(huán)狀態(tài),并一直保持到有用數據接收完畢,緩慢的AGC響應速度能保證有用數據傳輸期間不會發(fā)生寄生幅度調制而引起信號失真。當本次突發(fā)信號結束時,AGC環(huán)路再由慢環(huán)狀態(tài)切換為快環(huán)狀態(tài),使接收機增益能快速放開。待接收機增益放開后,AGC環(huán)路又由快環(huán)狀態(tài)恢復到最初的慢環(huán)狀態(tài),確保接收機穩(wěn)定工作并等待下一個突發(fā)信號的到來。當下一個突發(fā)信號到達時,AGC環(huán)路重復以上響應流程,周而復始。
從以上的描述可以看出,這種自適應變速AGC方案的控制流程可以大致劃分為以下四個階段:
(1)階段一:突發(fā)信號到達前,慢速等待;
(2)階段二:突發(fā)信號到達時,快速穩(wěn)定;
(3)階段三:有用信息傳輸時,慢速保持;
(4)階段四:突發(fā)信號結束后,快速釋放。
2.1 階段一:慢速等待
變速AGC電路的原理圖如圖4所示。
電阻R2及R3將+5 V電壓分壓得到觸發(fā)快環(huán)的預置門限值Vt,并將其加到運放N1A的正向輸入端(第3腳)上,當突發(fā)信號到達之前,加在運放N1A反向輸入端(第2腳)上的檢波電壓比Vt小,因此N1A的第1腳輸出約+5 V的正電壓,使二極管V1處于反偏截止狀態(tài)。此時N1B的正向輸入端(第5腳)上的電壓為0 V,其反向輸入端(第6腳)上的電壓則由負電源-5 V、電阻R4及R5決定,將其設置為一接近于0 V的負電壓,因此N1B的第7腳也輸出約+5 V的正電壓,使二極管V2處于反偏截止狀態(tài)。此時,+5 V的電壓通過電阻R6加到模擬開關S1的控制腳上,將其置為斷開狀態(tài),電阻R8被斷開。此時AGC環(huán)路濾波電路的時間常數由阻值較大的電阻R7和電容C1決定,AGC工作在慢環(huán)模式。
2.2 階段二:快速穩(wěn)定
2.2.1 快速響應
當突發(fā)信號到達后,隨著信號電平從無到有,檢波電壓迅速上升并超過Vt,因此運放N1A的輸出腳(第1腳)的電壓發(fā)生反轉,由+5 V變?yōu)?5 V,使二極管V1由反向截止狀態(tài)變?yōu)檎驅顟B(tài)。此時N1B的正向輸入端(第5腳)上的電壓比反向輸入端(第6腳)上的電壓低,因此其輸出腳(第7腳)輸出約-5 V的負電壓,使二極管V2處于正向導通狀態(tài)。此時,一個負電壓加到模擬開關S1的控制腳上,將其置為閉合狀態(tài),阻值較小的電阻R8被接入環(huán)路濾波電路,與R7并聯,由于R8的值遠小于R7,因此并聯后AGC環(huán)路的時間常數大大減小,AGC切換為快環(huán)模式。
2.2.2 延遲切換
在圖4中,由C2、V3、R9和R10組成的AGC速度切換遲滯電路尤為關鍵,該電路保證了AGC環(huán)路在信號穩(wěn)定前始終處于快環(huán)模式。如圖3所示,如果沒有該電路,當信號電平快速起控并減小至預置門限值Vt以下時,AGC環(huán)路會立即切換回慢環(huán)模式。由于此時信號仍未降到由電阻R12和R13分壓所設置的期望值Vs,信號電平從Vt下降到Vs這段時間,AGC環(huán)路會工作在慢環(huán)狀態(tài),其穩(wěn)定時間變長(如圖3中粗虛線所示),無法達到快速穩(wěn)定的目的。
有了圖4中的遲滯電路,當AGC工作在快環(huán)模式時,運放N1A第1腳上的電壓為-5 V,此時V1為正向導通狀態(tài),電容C2左側引腳上的電壓約為-5 V。當檢波信號電平降低至Vt以下時,運放N1A第1腳上的電壓變?yōu)?5 V,此時V1變?yōu)榉聪蚪刂範顟B(tài),電容C2所存儲的電荷開始通過電阻R9和R10放電,于是N1B的第5腳上的負電壓不會立即消失,而是會隨著C2的放電逐漸上升。在這段時間內,N1B第5腳上的電壓仍然比其第6腳上的電壓低,因此第7腳會保持-5 V的負電壓,使模擬開關S1處于閉合狀態(tài),從而保證AGC仍然工作在快環(huán)模式。同時在這段時間內,信號電平從預置門限值Vt成功下降到了期望值Vs,完整地實現了AGC的快速穩(wěn)定功能。當電容C2放電結束后,運放N1B第5腳上的電壓升高至0 V,超過第6腳上的電壓,此時N1B第7腳輸出+5 V高電平,使模擬開關S1處于為斷開狀態(tài),從而使AGC切換至慢環(huán)模式。
2.3 階段三:慢速保持
當突發(fā)信號穩(wěn)定后,在其有用數據傳輸過程中,信號幅度始終被穩(wěn)定控制在期望值Vs處,AGC環(huán)路一直工作在慢環(huán)模式。由于慢環(huán)模式時AGC環(huán)路的響應速度遠遠低于調制信號的符號速率,因此AGC環(huán)路不會引起寄生幅度調制,信號也就不會產生額外失真。
2.4 階段四:快速釋放
當突發(fā)信號結束時,后端軟件會送出一個脈沖信號,使AGC環(huán)路的狀態(tài)再次發(fā)生變換。當脈沖前沿(下降沿)到達時,模擬開關S2由斷開狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài),運放N2A的反向端(第2腳)上的電壓被拉低并小于正向端(第3腳)上的電壓,因此N2A的輸出腳(第1腳)上的電壓由-5 V變?yōu)?5 V,進而電容C3右端的電壓由-5 V變?yōu)?5 V,此時三極管V4由截止狀態(tài)變?yōu)轱柡蛯顟B(tài),電阻R11與-5 V連接并被接入由N2B、C1及R7組成的AGC環(huán)路濾波電路中,由于R11的阻值較小,AGC環(huán)路濾波電路的時間常數顯著變小,AGC快速釋放使接收機增益迅速增大。當脈沖后沿(上升沿)到達時,三極管V4由飽和導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài),電阻R11與-5 V電壓斷開并脫離AGC環(huán)路濾波電路,AGC環(huán)路由快環(huán)(釋放)狀態(tài)變?yōu)槁h(huán)(等待)狀態(tài),等待下一次突發(fā)信號的到來。
這樣,該AGC電路根據突發(fā)信號的時域特性周而復始地完成對信號的慢速等待、快速穩(wěn)定(快速響應、延遲切換)、慢速保持及快速釋放過程。
3 測試驗證
通過搭建如圖1所示的系統(tǒng)來驗證本文提出的變速AGC電路的性能。其中,可控增益放大器選用兩級Analog Devices公司的壓控可變增益放大器(VGA)芯片AD8367,輸出信號耦合一路送給Linear Technology公司推出的檢波芯片LT5537,產生的檢波信號送給圖4所示的AGC環(huán)路進行誤差電壓產生,最終產生的電壓控制兩級AD8367完成增益控制[7]。
該系統(tǒng)的輸入信號為70 MHz的突發(fā)數字調制信號,該信號采用符號速率為50 kS/s的8PSK調制,突發(fā)周期5 ms,其中有用信號持續(xù)時間為4 ms。其希望達到的技術指標為:
(1)AGC起控時間:≤40 μs(相當于2個符號時間);
(2)AGC釋放時間:≤80 μs(相當于4個符號時間);
(3)矢量誤差幅度(EVM):≤2%(穩(wěn)定后)。
用示波器及實時頻譜分析儀對以上3個指標進行測試,以評估該AGC電路的性能。
3.1 AGC起控時間測試
當突發(fā)信號到達時,輸出信號及控制電壓的時域響應如圖5所示。圖中,通道3為輸出信號,通道4為AGC環(huán)路輸出的誤差信號(即VGA的控制電壓),通道1為快、慢環(huán)切換控制信號(即圖4中二極管V2和電阻R6間的測試點)。從圖5中可以看出,當突發(fā)信號到達并超過一定幅度時,AGC立即切換為快環(huán)模式,控制電壓迅速降低,使輸出信號電平迅速減小到期望的穩(wěn)定值;同時,合理的遲滯電路保證了當信號穩(wěn)定后,AGC正好從快環(huán)模式切換回慢環(huán)模式。從圖中可以看出,AGC穩(wěn)定時間約為30 μs,成功實現了快速穩(wěn)定。
3.2 信號質量測試
由于突發(fā)信號采用了符號速率為50 kS/s的8PSK調制,其單個符號時間t1為20 μs。如前所述,穩(wěn)定后AGC的響應時間τ必須遠大于20 μs,才能保證信號質量不惡化。實際該AGC電路將慢環(huán)時間常數設置為快環(huán)時間常數的1 000倍,即慢環(huán)AGC的響應時間約為30 ms,遠遠大于20 μs。
圖6示出了最終輸出的信號質量(EVM)測試。從圖中可以看出,輸出信號的EVM測試值為0.715%,證明AGC電路未對信號質量產生惡化。
3.3 AGC釋放時間測試
當突發(fā)信號結束時,一個脈沖觸發(fā)信號將AGC由慢環(huán)模式切換為快環(huán)模式,使接收增益能迅速放開,準備下一幀信號的接收。此時輸出信號的響應測試結果如圖7所示。從圖中可以看出,突發(fā)信號結束后,控制電壓迅速升高,約30 μs時間內即完成AGC及接收增益的釋放。
3.4 測試結果對比
用同樣的測試方法,對傳統(tǒng)AGC電路進行相同的指標測試,其對比測試結果如表1所示。
從以上測試結果可知,本文提出的變速AGC方案成功實現了快速穩(wěn)定和釋放,同時引入失真小,完全滿足設計要求。而傳統(tǒng)AGC方案要么引入失真較大,要么穩(wěn)定和釋放時間太長,無法滿足突發(fā)通信的要求。
4 結論
本文針對非恒包絡突發(fā)通信系統(tǒng),提出了一種變速AGC設計方案。與傳統(tǒng)AGC設計相比,本方案增加了快速AGC響應觸發(fā)電路、AGC速度切換遲滯電路、快速AGC釋放電路,使得AGC環(huán)路能夠根據突發(fā)信號的幀結構特點,實時地進行響應速度切換。實測結果表明,該AGC電路具有穩(wěn)定時間短、信號失真小、釋放速度快等特點,非常適合應用于突發(fā)通信特別是非恒包絡突發(fā)通信系統(tǒng)。
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