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(jī)收到的信號強(qiáng)度差異很大^[1]。同時，在非恒包絡(luò)突發(fā)通信中，接收機(jī)收到的信號不連續(xù)，信號包絡(luò)中攜帶了有用信息。因此，接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)需要同時滿足動態(tài)范圍大、響應(yīng)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(shù)字信號處理的要求^[2]。在接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)中，響應(yīng)速度是其中最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，響應(yīng)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(yīng)速度太慢，則接收機(jī)輸出信號的電平無法跟上輸入信號電平的變化，信號會產(chǎn)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(yīng)速度太快，其調(diào)整速率超過了信號的調(diào)制速率，AGC環(huán)路會使信號產(chǎn)生寄生幅度調(diào)制，破壞信號原有的包絡(luò)，導(dǎo)致信號失真^[3]。因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，通常需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行仿真及測試，以找出AGC環(huán)路的最佳響應(yīng)時間，或者通過選擇幾組不同的響應(yīng)時間，來應(yīng)對不同的應(yīng)用場合^[4]。

1 傳統(tǒng)AGC的局限

    AGC是典型的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，用輸出信號與參考信號之間的誤差來調(diào)節(jié)可變增益放大器的增益，使得當(dāng)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(shù)字AGC，雖然其具體實(shí)現(xiàn)方式各不相同，但是其基本原理及構(gòu)成均相同，如圖1所示，都是由輸出信號檢測、誤差信號產(chǎn)生和可控增益放大三部分組成^[5]。其中，誤差信號產(chǎn)生電路是整個AGC環(huán)路的核心部分，AGC的響應(yīng)時間就是由該部分電路中環(huán)路濾波的時間常數(shù)決定的。

    圖2將突發(fā)通信中的幀結(jié)構(gòu)概括地分為兩個部分組成^[6]：保護(hù)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(jī)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(yīng)當(dāng)小于保護(hù)時間t₀；同時，為了避免AGC環(huán)路引入寄生調(diào)制導(dǎo)致信號失真，AGC環(huán)路的穩(wěn)定時間τ又必須遠(yuǎn)大于調(diào)制信號的單個符號時間t₁。當(dāng)突發(fā)信號的幀結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)是可行的。但是當(dāng)突發(fā)信號幀結(jié)構(gòu)中的t₀和t₁相差不大時，由于傳統(tǒng)模擬AGC環(huán)路的響應(yīng)時間單一，最佳穩(wěn)定時間τ_opt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(hù)時間短和符號速率慢之間的矛盾。

2 變速AGC的原理及設(shè)計(jì)

    變速AGC的工作原理是接收機(jī)在進(jìn)行突發(fā)通信時，AGC環(huán)路能夠根據(jù)信號的時域特點(diǎn)實(shí)時地進(jìn)行響應(yīng)速度切換，其響應(yīng)特性如圖3所示。

    當(dāng)突發(fā)信號到達(dá)之前，AGC環(huán)路工作在慢環(huán)狀態(tài)。當(dāng)突發(fā)信號到達(dá)時，信號電平快速上升并超過預(yù)設(shè)的門限值V_t，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(hù)時間內(nèi)快速達(dá)到穩(wěn)定，保證后續(xù)有用數(shù)據(jù)的無損接收。當(dāng)信號電平被穩(wěn)定到期望值V_s后，AGC環(huán)路又切換到慢環(huán)狀態(tài)，并一直保持到有用數(shù)據(jù)接收完畢，緩慢的AGC響應(yīng)速度能保證有用數(shù)據(jù)傳輸期間不會發(fā)生寄生幅度調(diào)制而引起信號失真。當(dāng)本次突發(fā)信號結(jié)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(jī)增益能快速放開。待接收機(jī)增益放開后，AGC環(huán)路又由快環(huán)狀態(tài)恢復(fù)到最初的慢環(huán)狀態(tài)，確保接收機(jī)穩(wěn)定工作并等待下一個突發(fā)信號的到來。當(dāng)下一個突發(fā)信號到達(dá)時，AGC環(huán)路重復(fù)以上響應(yīng)流程，周而復(fù)始。

    從以上的描述可以看出，這種自適應(yīng)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(dá)前，慢速等待；

    (2)階段二：突發(fā)信號到達(dá)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(jié)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(yù)置門限值V_t，并將其加到運(yùn)放N1A的正向輸入端（第3腳）上，當(dāng)突發(fā)信號到達(dá)之前，加在運(yùn)放N1A反向輸入端（第2腳）上的檢波電壓比V_t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?fàn)顟B(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(fù)電源-5 V、電阻R4及R5決定，將其設(shè)置為一接近于0 V的負(fù)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?fàn)顟B(tài)。此時，+5 V的電壓通過電阻R6加到模擬開關(guān)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(shù)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(yīng)

    當(dāng)突發(fā)信號到達(dá)后，隨著信號電平從無到有，檢波電壓迅速上升并超過V_t，因此運(yùn)放N1A的輸出腳（第1腳）的電壓發(fā)生反轉(zhuǎn)，由+5 V變?yōu)?5 V，使二極管V1由反向截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檎驅(qū)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(fù)電壓，使二極管V2處于正向?qū)顟B(tài)。此時，一個負(fù)電壓加到模擬開關(guān)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(lián)，由于R8的值遠(yuǎn)小于R7，因此并聯(lián)后AGC環(huán)路的時間常數(shù)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(guān)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(dāng)信號電平快速起控并減小至預(yù)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(shè)置的期望值V_s，信號電平從V_t下降到V_s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(dá)到快速穩(wěn)定的目的。

    有了圖4中的遲滯電路，當(dāng)AGC工作在快環(huán)模式時，運(yùn)放N1A第1腳上的電壓為-5 V，此時V1為正向?qū)顟B(tài)，電容C2左側(cè)引腳上的電壓約為-5 V。當(dāng)檢波信號電平降低至V_t以下時，運(yùn)放N1A第1腳上的電壓變?yōu)?5 V，此時V1變?yōu)榉聪蚪刂範(fàn)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(fù)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(nèi)，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(fù)電壓，使模擬開關(guān)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(nèi)，信號電平從預(yù)置門限值Vt成功下降到了期望值Vs，完整地實(shí)現(xiàn)了AGC的快速穩(wěn)定功能。當(dāng)電容C2放電結(jié)束后，運(yùn)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(guān)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(dāng)突發(fā)信號穩(wěn)定后，在其有用數(shù)據(jù)傳輸過程中，信號幅度始終被穩(wěn)定控制在期望值V_s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(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于調(diào)制信號的符號速率，因此AGC環(huán)路不會引起寄生幅度調(diào)制，信號也就不會產(chǎn)生額外失真。

2.4 階段四：快速釋放

    當(dāng)突發(fā)信號結(jié)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(dāng)脈沖前沿（下降沿）到達(dá)時，模擬開關(guān)S2由斷開狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài)，運(yùn)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(jìn)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?fàn)顟B(tài)變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通狀態(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(shù)顯著變小，AGC快速釋放使接收機(jī)增益迅速增大。當(dāng)脈沖后沿（上升沿）到達(dá)時，三極管V4由飽和導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)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(jù)突發(fā)信號的時域特性周而復(fù)始地完成對信號的慢速等待、快速穩(wěn)定（快速響應(yīng)、延遲切換）、慢速保持及快速釋放過程。

3 測試驗(yàn)證

    通過搭建如圖1所示的系統(tǒng)來驗(yàn)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(chǎn)生的檢波信號送給圖4所示的AGC環(huán)路進(jìn)行誤差電壓產(chǎn)生，最終產(chǎn)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(shù)字調(diào)制信號，該信號采用符號速率為50 kS/s的8PSK調(diào)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(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：

    (1)AGC起控時間：≤40 μs（相當(dāng)于2個符號時間）；

    (2)AGC釋放時間：≤80 μs（相當(dāng)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(shí)時頻譜分析儀對以上3個指標(biāo)進(jìn)行測試，以評估該AGC電路的性能。

3.1 AGC起控時間測試

    當(dāng)突發(fā)信號到達(dá)時，輸出信號及控制電壓的時域響應(yīng)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(diǎn)）。從圖5中可以看出，當(dāng)突發(fā)信號到達(dá)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(dāng)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(shí)現(xiàn)了快速穩(wěn)定。

3.2 信號質(zhì)量測試

    由于突發(fā)信號采用了符號速率為50 kS/s的8PSK調(diào)制，其單個符號時間t₁為20 μs。如前所述，穩(wěn)定后AGC的響應(yīng)時間τ必須遠(yuǎn)大于20 μs，才能保證信號質(zhì)量不惡化。實(shí)際該AGC電路將慢環(huán)時間常數(shù)設(shè)置為快環(huán)時間常數(shù)的1 000倍，即慢環(huán)AGC的響應(yīng)時間約為30 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 μs。

    圖6示出了最終輸出的信號質(zhì)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(zhì)量產(chǎn)生惡化。

3.3 AGC釋放時間測試

    當(dāng)突發(fā)信號結(jié)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(zhǔn)備下一幀信號的接收。此時輸出信號的響應(yīng)測試結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，突發(fā)信號結(jié)束后，控制電壓迅速升高，約30 μs時間內(nèi)即完成AGC及接收增益的釋放。

3.4 測試結(jié)果對比

    用同樣的測試方法，對傳統(tǒng)AGC電路進(jìn)行相同的指標(biāo)測試，其對比測試結(jié)果如表1所示。

    從以上測試結(jié)果可知，本文提出的變速AGC方案成功實(shí)現(xiàn)了快速穩(wěn)定和釋放，同時引入失真小，完全滿足設(shè)計(jì)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(jié)論

    本文針對非恒包絡(luò)突發(fā)通信系統(tǒng)，提出了一種變速AGC設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)AGC設(shè)計(jì)相比，本方案增加了快速AGC響應(yīng)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(jù)突發(fā)信號的幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)時地進(jìn)行響應(yīng)速度切換。實(shí)測結(jié)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(diǎn)，非常適合應(yīng)用于突發(fā)通信特別是非恒包絡(luò)突發(fā)通信系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾興雯，劉乃安，陳健．高頻電路原理與分析[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005．

[2] 梁衛(wèi)祖，卿劍．跳頻通信接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)[J]．移動通信，2015(14)：73-77．

[3] 張立哲，張子軒．AGC穩(wěn)定時間對DS_FH系統(tǒng)捕獲的影響[J]．計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2011(16)：46-49．

[4] 趙儉，張效義，于永莉．突發(fā)通信模式下數(shù)字自動增益控制的FPGA實(shí)現(xiàn)[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2006，28(3)：53-55．

[5] 胡俊杰，葉永杰，帥明．?dāng)?shù)字中頻接收機(jī)中數(shù)字AGC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．通信對抗，2015，34(1)：29-33．

[6] 井冰，葉凡，李寧，等．超寬帶系統(tǒng)中的快速雙閉環(huán)自動增益控制算法[J]．計(jì)算機(jī)工程，2014，40(7)：47-52．

[7] 王燕君．軟件無線電跳頻電臺接收機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)[J]．電訊技術(shù)，2012，52(6)：969-973．