一種大動態(tài)范圍快速閉環(huán)的AGC電路設計

梁 軍，覃 周

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

由于接收機與發(fā)射機的距離隨機變化，通信頻點也是隨機變化，因此接收機的接收信號幅度變化很大，形成所謂的“遠近效應”。為了準確接收發(fā)射機發(fā)送的信號，必須要使用自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）電路[1,2]。在接收到弱信號時，接收機要對其進行放大，保持其信噪比不惡化，保證進入解調器或模數（Analog to Digital，AD）芯片輸入端的信號幅度達到最小門限值，信噪比滿足解調門限；在接收到強信號時，接收機要對其進行衰減，使其幅度小于解調器或AD芯片的最大輸入門限，信噪比滿足解調門限，保證解調器和AD芯片正常工作[3-5]。

超短波電臺工作在225～512 MHz頻段，接收信號范圍為-120～+10 dBm，而綜合業(yè)務單元AD芯片的輸入信號幅度為-50～+5 dBm，因此其要求信道接收最大增益為70 dB，最小增益為-5 dB，AGC控制范圍為-5～+70 dB。接收大信號時，接收機前端電路不能產生過大的互調分量，而且電臺跳頻接收時要求AGC閉環(huán)時間較短。超短波電臺跳頻速率為1 000跳/s，每跳的時間為1 ms。AGC的閉環(huán)時間越短，有用信號的時間越長，通過減少AGC的閉環(huán)時間，能夠提高信號的傳輸效率[6,7]。

1 AGC控制系統(tǒng)

在通信系統(tǒng)中，常用的AGC系統(tǒng)有反饋型、前饋型以及自適應型等形式。

1.1 反饋型AGC

反饋型AGC結構如圖1所示。

圖1 反饋型AGC結構

輸入信號經可變增益放大器放大后輸出，在輸出端耦合一部分信號送入峰值檢波器中。峰值檢波器根據耦合信號的大小輸出相應的檢波信號，經低通濾波器濾除干擾信號后再送回可變增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA）中，用該信號來控制VGA的增益，使輸入信號變化時輸出信號基本保持不變，形成1個負反饋系統(tǒng)[8]。

1.2 前饋型AGC

前饋型AGC結構如圖2所示。

圖2 前饋型AGC結構

將輸入信號分成2路，一路送入VGA放大，另一路進入峰值檢波器。峰值檢波器將射頻信號轉化為直流信號，通過低通濾波器濾除干擾信號，再控制VGA的增益。前饋型AGC最大的特點是響應迅速，其信號檢測與增益控制并行。由于前饋型AGC不會形成反饋環(huán)路，也沒有穩(wěn)定性的要求，因此可以處理較大的信號變化，但閉環(huán)的精度相對反饋型AGC稍差一些。

1.3 自適應型AGC

自適應型AGC特別適用于時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）突發(fā)通信系統(tǒng)，接收機存儲了上一幀相應時隙的接收信號電平強度記錄，在當前幀對應時隙突發(fā)數據來時，送入可變增益放大器的增益控制電平就由上一幀接收信號電平強度得到。通常在平穩(wěn)的TDMA通信環(huán)境中，信號衰落的深度不會太嚴重，衰落頻率與幀時間相比也并不高，有時為了更加精確會采用少量的瞬時反饋，以抵消控制電平引起的幅度誤差[9,10]。

以上3種AGC控制方式各有優(yōu)缺點：第1種方式實現比較簡單，但在跳頻系統(tǒng)中對AGC的閉環(huán)時間要求高；第2種方式閉環(huán)速度快，但閉環(huán)精度受限；第3種方式對閉環(huán)速度要求低，但其實現較復雜，信號衰落嚴重的通信環(huán)境中閉環(huán)精度不高。通信系統(tǒng)AGC設計時，要根據實際需求選擇AGC的種類。

2 AGC控制的實現方式

采用反饋型AGC結構，設計一個大動態(tài)范圍快速閉環(huán)的AGC控制電路。圖3為電臺射頻接收鏈路框架。

圖3 電臺射頻接收鏈路框架

采用二次變頻超外差結構，接收通路含3個接收功率檢測點和4處AGC控制點。當接收信號為微弱信號時，AGC控制全部不起控，信道增益最大；當接收信號逐漸增大時，4處AGC控制點逐漸起控。在接收通路上，4處AGC控制具體控制策略如下。

（1）在檢測點1處進行射頻檢波，現場可編程邏輯門陣列（Filed Programmable Gate Array，FPGA）控制AD芯片對檢波得到的模擬信號采樣，根據采樣值控制數模（Digital to Analog，DA）芯片輸出1個直流電壓來控制可變增益放大器AD603。通過控制可變增益放大器的控制電壓，使其增益在-11～31 dB內變化。

（2）在檢測點2處進行射頻檢波，FPGA控制AD芯片對檢波得到的模擬信號采樣，根據采樣值來控制AGC2的電子開關。電子開關能控制接收信號經過有20 dB增益的通道和直通通道，通過2個通道的切換實現20 dB的增益變化。

（3）在檢測點3處進行射頻檢波，FPGA控制AD芯片對檢波得到的模擬信號采樣，根據采樣值來控制AGC3的電子開關。電子開關能控制接收信號經過有20 dB增益的通道和直通通道，通過2個通道的切換實現20 dB的增益變化。

（4）第一級接收放大器前有1個限幅器，該限幅器最大能承受功率為1 W的信號。將進入第1級放大器的射頻大信號鉗位到7 dBm左右，防止信號過大損壞第1級放大器。

當所有AGC信號全部起控時，該AGC電路的最大衰減達到82 dB，滿足大于75 dB的要求。AGC起控時，先起控第1級AGC，當信號逐漸增大時再依次起控第2級、第3級、第4級AGC。當信號逐漸變小時，先釋放第4級AGC，再依次釋放第3級、第2級、第1級AGC。

當信道的射頻信號幅度快速變化時，檢測點的射頻信號幅度和射頻檢波芯片輸出信號幅度也會快速變化，濾波電容太大會影響射頻檢波芯片輸出信號幅度的快速變化，太小又會影響對干擾信號的抑制能力。基于此，在DA芯片輸出與AD603輸入間加入1 nF的濾波電容，既能濾除DA芯片輸出信號中的干擾信號，又不會影響DA芯片輸出信號的快速變化。此外，AD采樣芯片的采樣率要足夠高，這樣才能將快速變化的檢波輸出信號結果及時傳遞給FPGA進行處理。

3 AGC實測效果分析

將不同頻點、不同輸入幅度的射頻信號輸入到電臺的天線口，用頻譜儀測試輸入到數字板的中頻信號幅度。選取225 MHz、350 MHz、512 MHz的頻點作為測試點，測試結果如表1所示。

表1 AGC實測結果 單位：dBm

由表1可知，當射頻輸入幅度為-120～+10 dBm時，輸出中頻信號的幅度為-50～0 dBm，滿足數字板AD芯片輸入信號幅度為-50～+5 dBm的要求，AGC的動態(tài)增益范圍為-10～+70 dB。

4 結 論

簡要介紹了AGC電路的分類和工作原理，采用反饋型AGC結構設計了一個大動態(tài)范圍快速閉環(huán)的AGC控制電路。經過測試，該AGC控制電路的增益控制范圍為-10～+70 dB，閉環(huán)時間為30 μs，能夠廣泛應用于各種定頻、跳頻通信場景。