約束時(shí)間常數(shù)大動(dòng)態(tài)數(shù)字AGC的設(shè)計(jì)

諶 波， 周 劼，王世練

（①中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所, 四川 綿陽(yáng) 621900;②國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073）

0 引言

通信距離的變化、發(fā)射功率不等或反射面積變化等都可能造成接收端得到的功率起伏不定，為保證中頻數(shù)字接收機(jī)中A/D的動(dòng)態(tài)范圍和精度，要求AGC的動(dòng)態(tài)范圍大，即從可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮敵鲋刑崛》炔⒎答伩刂破湓鲆?，使其輸出信?hào)電平基本保持恒定[1]?？煽貏?dòng)態(tài)范圍和時(shí)間常數(shù)是AGC的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，動(dòng)態(tài)范圍即接收信號(hào)幅度變化的大小，時(shí)間常數(shù)通常指 AGC控制變化到穩(wěn)定的上升時(shí)間的70%。在很多測(cè)控和通信系統(tǒng)中信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)的不穩(wěn)定特性將對(duì)系統(tǒng)造成不必要的影響[2-3]，因此AGC時(shí)間常數(shù)的研究具有相當(dāng)?shù)谋匾浴?/p>

數(shù)字AGC的功能與模擬AGC一樣，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示[4-6]，其中內(nèi)部AGC指輸入信號(hào)在接收機(jī)的A/D動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)使輸出信號(hào)保持穩(wěn)定，而整個(gè)AGC的動(dòng)態(tài)范圍和時(shí)間常數(shù)主要取決于由數(shù)字反饋控制和可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA，Variable Gain Amplifier）構(gòu)成的“外部AGC”。

根據(jù)某單通道單脈沖數(shù)字跟蹤接收機(jī)對(duì)AGC的動(dòng)態(tài)范圍、時(shí)間常數(shù)等特殊設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)研究了約束時(shí)間常數(shù)下大動(dòng)態(tài)數(shù)字AGC設(shè)計(jì)方法，給出了AGC數(shù)字控制環(huán)路的時(shí)間常數(shù)計(jì)算方法，仿真驗(yàn)證了數(shù)字AGC的可靠瞬態(tài)工作特性，即AGC的時(shí)間常數(shù)在其動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)幾乎不隨輸入信號(hào)幅度大小改變而變化。

1 原理與設(shè)計(jì)

模擬AGC是由檢波器，濾波器，積分器及壓控放大器（VGA）組成，其動(dòng)態(tài)范圍一般能夠滿足數(shù)據(jù)輸入要求，但是模擬AGC的環(huán)路時(shí)間常數(shù)通常不能夠做的過(guò)高（一般小于10 ms）。采用圖1所示的數(shù)字AGC可以有效地解決上述問(wèn)題，即通過(guò)數(shù)字反饋控制模式利用模擬VGA實(shí)現(xiàn)大輸入動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，在數(shù)字器件中完成檢波處理和環(huán)路濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間常數(shù)的精確控制。

1.1 恒定時(shí)間常數(shù)的模擬AGC

文獻(xiàn)[1]給出了實(shí)現(xiàn)恒定時(shí)間常數(shù)的模擬 AGC電路，如圖2所示。

圖2 恒定時(shí)間常數(shù)AGC的設(shè)計(jì)原理

整個(gè)電路由對(duì)數(shù)放大器、指數(shù)放大器、積分器等幾部分組成，虛線框?qū)?yīng)的環(huán)路輸出方程為：

對(duì)其求導(dǎo)，得：

?。?/p>

可以得到恒定時(shí)間常數(shù)為[1]：

通過(guò)調(diào)整MG 的大小即可改變時(shí)間常數(shù)。

1.2 數(shù)字AGC

基于模擬VGA和數(shù)字增益控制環(huán)路的AGC實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

參照?qǐng)D2，指數(shù)放大器由VGA代替，數(shù)字信號(hào)處理完成取對(duì)數(shù)和濾波積分。設(shè)采樣間隔為 Ts，環(huán)路濾波器增益為kp，VGA放大器的增益由式（3）計(jì)算，得到AGC的時(shí)間常數(shù)為：

式中，N為統(tǒng)計(jì)窗長(zhǎng)。

圖3 數(shù)字AGC實(shí)現(xiàn)原理

2 仿真結(jié)果

計(jì)算機(jī)仿真參數(shù)如下：VGA的控制系數(shù)為0～120，動(dòng)態(tài)范圍為60 dB，控制步進(jìn)為0.5 dB，得到 kG1= 0.0576；采樣時(shí)鐘為40 MHz，信號(hào)中頻載波頻率為70 MHz，檢波后增益 kr2= 0 .015；環(huán)路濾波器增采用2階切比雪夫I型濾波器，參數(shù)為 r = 0 .5，wn= 0 .1。

圖4給出了取環(huán)路濾波器增益 kp= 0 .0586時(shí)AGC的輸入、輸出信號(hào)波形，其中統(tǒng)計(jì)窗長(zhǎng)度 N=100，由式（5）計(jì)算得到AGC的時(shí)間常數(shù)為0.05 s，通過(guò)圖4(b)可以看出，所得到的時(shí)間常數(shù)與設(shè)計(jì)值基本吻合。

圖4 AGC的瞬態(tài)工作情況

通過(guò)改變pk可以得到不同的時(shí)間常數(shù)值，圖5給出了不同輸入信號(hào)幅度躍變時(shí)實(shí)測(cè)AGC時(shí)間常數(shù)的變化情況，隨輸入信號(hào)幅度的躍變，AGC的時(shí)間常數(shù)基本保持恒定。

圖5 輸入信號(hào)幅度變化對(duì)AGC時(shí)間常數(shù)的影響

3 結(jié)語(yǔ)

文中分析了約束時(shí)間常數(shù)下大動(dòng)態(tài)數(shù)字AGC設(shè)計(jì)方法，給出了AGC數(shù)字控制環(huán)路的時(shí)間常數(shù)計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了約束時(shí)間常數(shù)下數(shù)字AGC的可靠瞬態(tài)工作特性。相關(guān)研究結(jié)論為恒定時(shí)間常數(shù)數(shù)字AGC的設(shè)計(jì)提供了有效的理論支撐，該設(shè)計(jì)框架已應(yīng)用于某單通道單脈沖數(shù)字跟蹤接收機(jī)的FPGA實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)AGC系統(tǒng)有效可靠。

[1] KHOURY J M. On the Design of Constant Settling Time AGC Circuits[J]. IEEE Tansactions on Circuits and Systems. 1998,45(03):283-294.

[2] 段宇輝，鐘驥. 多跳FH/MFSK系統(tǒng)在部分頻帶干擾下的性能分析[J].通信技術(shù)，2007,40(12):7-9.

[3] 劉偉，崔衛(wèi)國(guó).非線性失真和相位噪聲對(duì)DSTBC-DFDM性能影響[J].通信技術(shù)，2007,40(11):110-112.

[4] WANG W Z. Implementation of Mix Feedback/Feedforward Analog and Digital AGC[C]// IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology 2004 ICMMT 4thInternational conference On Prceedings.[s.l.]:Beijing,2004:377-381.

[5] 李磊, 朱長(zhǎng)根. 全數(shù)字接收機(jī)中的 AGC 設(shè)計(jì)與數(shù)字化實(shí)現(xiàn)[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2008, 10(06): 97-99.

[6] 劉艷. 基于FPGA的大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字AGC的實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2009, 17(08): 42-44.