跳頻通信接收機(jī)的AGC設(shè)計

梁衛(wèi)祖，卿 劍

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

跳頻通信接收機(jī)的AGC設(shè)計

梁衛(wèi)祖，卿 劍

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

提出了一種適用于跳頻通信接收機(jī)的AGC設(shè)計，通過簡單的模擬電路實(shí)現(xiàn)，并已成功應(yīng)用于225MHz—512MHz、符號率200k波特/秒、8PSK調(diào)制、跳頻速率1 000跳/秒的跳頻通信接收機(jī)。通過對跳頻通信接收機(jī)的AGC特性進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了AGC方案及其電路的實(shí)現(xiàn)過程。

自動增益控制 可變增益放大器 8移相鍵控 跳頻通信

1 引言

無線電波傳輸過程中，由于信號的遠(yuǎn)近效應(yīng)和傳播信道衰落，接收機(jī)所接收的信號強(qiáng)弱差異很大，超過100dB的變化范圍。天線、多徑、遮擋和信道衰落對信號的選擇性，會造成信號強(qiáng)弱隨著頻率發(fā)生變化，變化時間與跳頻速率有關(guān)。高階線性相位調(diào)制信號的相位和幅度發(fā)生變化，不恰當(dāng)?shù)腁GC（自動增益控制）會引起幅度調(diào)制，破壞信號包絡(luò)，導(dǎo)致解調(diào)誤碼。因此需要跳頻通信接收機(jī)具有良好的AGC特性，滿足動態(tài)范圍大、響應(yīng)時間適當(dāng)、穩(wěn)定時間快、引入信號失真小的要求，輸出信號幅度滿足A/D輸入范圍及后續(xù)數(shù)字信號處理的要求。

2 設(shè)計分析與工作原理

225MHz—512MHz跳頻通信接收機(jī)采用中頻數(shù)字化方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 跳頻通信接收機(jī)系統(tǒng)框圖

跳頻通信接收機(jī)主要工作指標(biāo)如下：

（1）輸入信號幅度范圍：-105dBm～+25dBm；

（2）輸出信號幅度范圍：-40dBm～0dBm；

（3）跳頻速率：1 000跳/秒；

（4）調(diào)制方式：8PSK；

（5）符號率：200波特/秒；

（6）輸出中頻頻率：21.4MHz。

2.1 設(shè)計分析

（1）動態(tài)范圍

接收機(jī)輸入信號范圍達(dá)到130dB，接收機(jī)的AGC由射頻AGC、中頻AGC和數(shù)字AGC多級配合完成，如圖1所示。各級處理信號范圍分別是-15dBm～+25dBm，-85dBm～-15dBm，-105dBm～-85dBm。其中射頻AGC的作用是防止LNA（低噪聲放大器）和混頻器進(jìn)入非線性工作區(qū)域，數(shù)字AGC在A/D采樣后，在數(shù)字域完成，接收信號超過70dB信號動態(tài)范圍時由中頻AGC電路完成，中頻AGC是接收機(jī)AGC的重要組成部分，下面的AGC分析圍繞著中頻AGC開展。

（2）響應(yīng)時間

8PSK調(diào)制信號符號率200k波特/秒，信號幅度變化周期為5μs。因此，要求AGC電路的反應(yīng)既要能跟得上輸入信號包絡(luò)的變化速度，又不會出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象，這就是響應(yīng)時間特性。

（3）環(huán)路穩(wěn)定時間

接收機(jī)的跳頻速率為1 000跳/秒，在跳頻波形設(shè)計時，跳與跳之間預(yù)留80μs用于頻率切換、發(fā)射功率穩(wěn)定和接收AGC穩(wěn)定。為了不影響有用信號的接收，要求AGC穩(wěn)定時間小于80μs。

2.2 中頻AGC環(huán)路工作原理

圖2是線性AGC環(huán)路一般模型，由VGA（可變增益放大器）電路、對數(shù)功率檢測電路和AGC電壓產(chǎn)生電路組成。VGA的控制電壓Vc與功率（單位為dBm）成線性關(guān)系，功率檢測電壓Vd與輸出功率（單位為dBm）成線性關(guān)系。功率檢測電壓Vd與參考電壓Vr之差經(jīng)過誤差電壓放大和低通濾波后得到的AGC電壓Vc來控制VGA。

圖2 AGC環(huán)路原理框圖

3 中頻AGC電路設(shè)計

3.1 可變增益放大電路

放大電路如圖3所示，選擇兩級AD8367作為可控增益放大器，增益變化率20mV/dB，調(diào)節(jié)范圍為-2.5dB～42.5dB，兩級級聯(lián)后增益變化率為10mV/dB，提供90dB的控制范圍，滿足中頻AGC設(shè)計指標(biāo)要求。

圖3 可變增益放大電路

3.2 對數(shù)功率檢測電路

功率檢測芯片AD8362是對數(shù)功率檢測器，芯片檢測輸出電壓與輸入功率分貝值成線性關(guān)系，檢測范圍-52dBm～+8dBm，變化率50mV/dB，AD8362外圍電路如圖4所示。

3.3 AGC電壓產(chǎn)生電路

圖5是典型的跳頻信號時域波形，要求AGC穩(wěn)定時間小于80μs，調(diào)制信號符號率200k波特/秒，包絡(luò)變化周期Ts=1/200k=5μs，要求AGC電路的響應(yīng)時間既要能跟得上輸入信號振幅的變化速度，又不能出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象。AGC電壓產(chǎn)生電路的充放電時間參數(shù)設(shè)計是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵。充放電時間參數(shù)設(shè)計成快放慢充，放電快，能快速響應(yīng)信號的變化；充電慢，在一個跳頻周期內(nèi)，AGC電壓基本保持不變，輸出信號幅度保持恒定。充電時間常數(shù)一般取τc=（20～100)×Ts=100μs～500μs。

圖4 對數(shù)功率檢測電路

圖5 跳頻信號典型時序

具體AGC電壓產(chǎn)生電路如圖4所示，其由NPN管（V12）、充放電電容（C178）和充電電阻（R191）組成共射放大電路。當(dāng)接收信號變大時，檢測電壓增大，NPN管導(dǎo)通，電容上電荷通過NPN管快速放電，AGC電壓減小，VGA增益下降，輸出功率減少。相反，接收信號變小時，檢測電壓變小，NPN管截止，電源通過充電電阻對電容進(jìn)行充電，AGC電壓增大，VGA增益提高，輸出功率增大。

充放電參數(shù)對AGC的響應(yīng)時間、環(huán)路穩(wěn)定性、信號包絡(luò)失真都有影響，參數(shù)可以通過理論計算和仿真得到，仿真電路如圖6所示。放電時間常數(shù)τr取決于NPN管C-E極飽和導(dǎo)通電阻和充放電電容，一般是200ns，充電時間常數(shù)τc=RC=510kΩ×1nF=510μs。

3.4 AGC復(fù)位電路

由于天線增益、多徑、遮擋對頻率的選擇性，導(dǎo)致到達(dá)接收機(jī)的信號幅度隨著頻率發(fā)生變化，需要每跳對AGC電壓進(jìn)行復(fù)位，防止上一跳的AGC電壓影響本跳信號的正常接收。AGC電壓充放電參數(shù)設(shè)計成快放慢充，復(fù)位的作用是使電路在復(fù)位期間變成快充，AGC電壓快速升高，使VGA的增益恢復(fù)到初始值，保證下一跳接收信號變?nèi)鯐r，輸出信號幅度在A/D動態(tài)范圍內(nèi)。如圖3所示，AGC電壓復(fù)位采用射極跟隨電路，在頻率切換信號為高電平期間，通過NPN管（V19）對電容（C178）快速充電。

跳頻接收的AGC電路測試波形如圖5所示，在ISP換頻信號10μs期間，AGC電壓恢復(fù)到初始值。信號到達(dá)后，對數(shù)功率檢測輸出電壓超過AGC環(huán)路起控門限，AGC電壓快速下降并穩(wěn)定。隨后AGC電壓不再隨著信號包絡(luò)發(fā)生變化，基本不會惡化接收信號質(zhì)量。

4 測試結(jié)果

圖7是室內(nèi)無線環(huán)境下，接收信號頻率在225MHz—512MHz內(nèi)隨機(jī)跳變，接收機(jī)AGC環(huán)路響應(yīng)圖。通過AGC環(huán)路閉環(huán)控制，AGC電壓隨著接收信號發(fā)生變化，調(diào)整VGA放大增益，使輸出中頻信號幅度保持恒定。在ISP換頻信號高電平有效時間內(nèi)，AGC電壓被復(fù)位到初始值，接收通道回到初始增益狀態(tài)，保證下一跳信號正常接收。

圖6 AGC環(huán)路充放電仿真圖

圖7 跳頻信號AGC環(huán)路響應(yīng)圖

5 AGC電路設(shè)計注意問題

（1）AGC環(huán)路時延影響

AGC響應(yīng)時間與VGA放大電路時延、功率檢測電路時延和AGC電壓產(chǎn)生電路時延有關(guān)。過大的時延會導(dǎo)致AGC環(huán)路不能及時響應(yīng)接收信號幅度變化，使信號包絡(luò)產(chǎn)生失真，放電時間過長，AGC穩(wěn)定時間變長。

因此，一般不建議在VGA放大電路和功率檢測電路之間使用時延較大的晶體濾波器或者聲表濾波器。例如，聲表濾波器時延一般有2μs，遠(yuǎn)大于放電時間常數(shù)τr。另外，功率檢測電壓輸出濾波電容也不能太大，其作用是濾除載波信號，以保證小的AGC環(huán)路時延。

（2）高低溫環(huán)境下的電路改進(jìn)

采用模擬電路實(shí)現(xiàn)AGC控制的缺點(diǎn)是器件參數(shù)容易受到溫度影響，溫度每變化1°C，NPN管B-E結(jié)電壓Vbe變化2mV。在溫度-40°C～+85°C范圍內(nèi)將變化±0.15V，這將導(dǎo)致起控點(diǎn)變化，若設(shè)計不當(dāng)會導(dǎo)致中頻輸出幅度超出A/D處理范圍。其解決辦法是設(shè)計好AGC環(huán)路起控點(diǎn)，常溫時輸出中頻信號幅度在A/D輸入范圍中間，兼顧高低溫下中頻信號輸出幅度。

（3）低信噪比情況改進(jìn)

由于模擬中頻濾波器矩形系數(shù)的影響，在低信噪比情況下，進(jìn)入檢測芯片的噪聲能量高于有用信號，對數(shù)功率檢測器輸出電壓被噪聲調(diào)制，AGC電壓控制VGA時破壞了放大信號包絡(luò)。其解決辦法是通過提高AGC環(huán)路起控門限，在靈敏度電平附近，AGC環(huán)路不起控，利用A/D器件的動態(tài)范圍，A/D采樣數(shù)字濾波后，進(jìn)行數(shù)字AGC處理。

6 結(jié)束語

設(shè)計優(yōu)良、性能完善的AGC電路是接收機(jī)設(shè)計成功的關(guān)鍵。由AD8367、AD8362和MMBT2222組成的簡單模擬電路實(shí)現(xiàn)了跳頻信號接收機(jī)的AGC設(shè)計。通過增加AGC電壓復(fù)位電路，解決了跳頻通信AGC頻率選擇性問題，針對AGC電路在溫度變化和低信噪比情況下的工作情況提出改進(jìn)方案。AGC電路具有動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定時間短、信號失真小等特點(diǎn)。

[1] 高吉祥,黃智偉,陳和,等. 高頻電子線路[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.

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[3] 徐曉夏,陳泉林,鄒文瀟,等. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008.

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[8] Analog Device Inc. AD8367 datasheet[Z]. 2001.

[9] Analog Device Inc. AD8362 datasheet[Z]. 2004.

[10] Fairchild Semiconductor Corporation. MMBT2222 datasheet[Z]. 1998.★

梁衛(wèi)祖：通信工程師，學(xué)士畢業(yè)于電子科技大學(xué)微電子技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任職于廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，主要從事射頻/微波電路設(shè)計。

卿劍：通信工程師，碩士畢業(yè)于湖南大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)任職于廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，主要從事射頻/微波電路設(shè)計。

AGC Design of Frequency Hopping Communication Receiver

LIANG Wei-zu, QING Jian
(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663, China)

A design of AGC (automatic gain control) suitable for frequency hopping (FH) communication receiver was presented. The design, which was implemented on simple analog circuit, had been applied FH communication receiver with 225MHz—512MHz, symbol rate 200k Bd/s, 8PSK modulation and FH rate 1 000hop/s. According to the analysis on AGC characteristics of FH communication receiver, AGC and its circuit implementation were described in detail.

automatic gain control variable gain amplifi er 8 phase shift keying(8PSK) frequency hopping communication

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.015

TN924

A

1006-1010(2015)14-0073-05

梁衛(wèi)祖,卿劍. 跳頻通信接收機(jī)的AGC設(shè)計[J]. 移動通信, 2015,39(14): 73-77.

2015-06-29

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn