約束時間常數大動態數字AGC的設計

諶 波， 周 劼，王世練

（①中國工程物理研究院 電子工程研究所, 四川 綿陽 621900;②國防科技大學 電子科學與工程學院, 湖南 長沙 410073）

0 引言

通信距離的變化、發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，為保證中頻數字接收機中A/D的動態范圍和精度，要求AGC的動態范圍大，即從可變增益放大器的輸出中提取幅度并反饋控制其增益，使其輸出信號電平基本保持恒定[1]。可控動態范圍和時間常數是AGC的兩個關鍵指標，動態范圍即接收信號幅度變化的大小，時間常數通常指 AGC控制變化到穩定的上升時間的70%。在很多測控和通信系統中信號的瞬態響應的不穩定特性將對系統造成不必要的影響[2-3]，因此AGC時間常數的研究具有相當的必要性。

數字AGC的功能與模擬AGC一樣，實現結構如圖1所示[4-6]，其中內部AGC指輸入信號在接收機的A/D動態范圍內變動時使輸出信號保持穩定，而整個AGC的動態范圍和時間常數主要取決于由數字反饋控制和可變增益放大器（VGA，Variable Gain Amplifier）構成的“外部AGC”。

根據某單通道單脈沖數字跟蹤接收機對AGC的動態范圍、時間常數等特殊設計要求，現研究了約束時間常數下大動態數字AGC設計方法，給出了AGC數字控制環路的時間常數計算方法，仿真驗證了數字AGC的可靠瞬態工作特性，即AGC的時間常數在其動態范圍內幾乎不隨輸入信號幅度大小改變而變化。

1 原理與設計

模擬AGC是由檢波器，濾波器，積分器及壓控放大器（VGA）組成，其動態范圍一般能夠滿足數據輸入要求，但是模擬AGC的環路時間常數通常不能夠做的過高（一般小于10 ms）。采用圖1所示的數字AGC可以有效地解決上述問題，即通過數字反饋控制模式利用模擬VGA實現大輸入動態范圍的同時，在數字器件中完成檢波處理和環路濾波實現對時間常數的精確控制。

1.1 恒定時間常數的模擬AGC

文獻[1]給出了實現恒定時間常數的模擬 AGC電路，如圖2所示。

圖2 恒定時間常數AGC的設計原理

整個電路由對數放大器、指數放大器、積分器等幾部分組成，虛線框對應的環路輸出方程為：

對其求導，得：

取：

可以得到恒定時間常數為[1]：

通過調整MG 的大小即可改變時間常數。

1.2 數字AGC

基于模擬VGA和數字增益控制環路的AGC實現原理如圖3所示。

參照圖2，指數放大器由VGA代替，數字信號處理完成取對數和濾波積分。設采樣間隔為 Ts，環路濾波器增益為kp，VGA放大器的增益由式（3）計算，得到AGC的時間常數為：

式中，N為統計窗長。

圖3 數字AGC實現原理

2 仿真結果

計算機仿真參數如下：VGA的控制系數為0～120，動態范圍為60 dB，控制步進為0.5 dB，得到 kG1= 0.0576；采樣時鐘為40 MHz，信號中頻載波頻率為70 MHz，檢波后增益 kr2= 0 .015；環路濾波器增采用2階切比雪夫I型濾波器，參數為 r = 0 .5，wn= 0 .1。

圖4給出了取環路濾波器增益 kp= 0 .0586時AGC的輸入、輸出信號波形，其中統計窗長度 N=100，由式（5）計算得到AGC的時間常數為0.05 s，通過圖4(b)可以看出，所得到的時間常數與設計值基本吻合。

圖4 AGC的瞬態工作情況

通過改變pk可以得到不同的時間常數值，圖5給出了不同輸入信號幅度躍變時實測AGC時間常數的變化情況，隨輸入信號幅度的躍變，AGC的時間常數基本保持恒定。

圖5 輸入信號幅度變化對AGC時間常數的影響

3 結語

文中分析了約束時間常數下大動態數字AGC設計方法，給出了AGC數字控制環路的時間常數計算方法，通過計算機仿真驗證了約束時間常數下數字AGC的可靠瞬態工作特性。相關研究結論為恒定時間常數數字AGC的設計提供了有效的理論支撐，該設計框架已應用于某單通道單脈沖數字跟蹤接收機的FPGA實現。結果表明所設計AGC系統有效可靠。

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