0 引言

    在無(wú)線電波傳輸過(guò)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(hào)強(qiáng)度差異很大^[1]。同時(shí)，在非恒包絡(luò)突發(fā)通信中，接收機(jī)收到的信號(hào)不連續(xù)，信號(hào)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(shí)滿足動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、引入信號(hào)失真小的要求，同時(shí)輸出信號(hào)幅度還需滿足后端ADC的動(dòng)態(tài)范圍及數(shù)字信號(hào)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(huì)引起信號(hào)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(hào)的電平無(wú)法跟上輸入信號(hào)電平的變化，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生非線性失真，或者信號(hào)幅度超過(guò)了ADC的動(dòng)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(guò)了信號(hào)的調(diào)制速率，AGC環(huán)路會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生寄生幅度調(diào)制，破壞信號(hào)原有的包絡(luò)，導(dǎo)致信號(hào)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(cè)試，以找出AGC環(huán)路的最佳響應(yīng)時(shí)間，或者通過(guò)選擇幾組不同的響應(yīng)時(shí)間，來(lái)應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(hào)與參考信號(hào)之間的誤差來(lái)調(diào)節(jié)可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆妫沟卯?dāng)輸入信號(hào)電平發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)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(hào)檢測(cè)、誤差信號(hào)產(chǎn)生和可控增益放大三部分組成^[5]。其中，誤差信號(hào)產(chǎn)生電路是整個(gè)AGC環(huán)路的核心部分，AGC的響應(yīng)時(shí)間就是由該部分電路中環(huán)路濾波的時(shí)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(gè)部分組成^[6]：保護(hù)碼（時(shí)間為t₀）和信息碼（時(shí)間為N×t₁，其中t₁為單個(gè)符號(hào)時(shí)間）。

    從上一節(jié)的論述可知，為了使接收機(jī)輸出信號(hào)的電平及時(shí)跟上輸入信號(hào)電平的變化，AGC環(huán)路的穩(wěn)定時(shí)間τ應(yīng)當(dāng)小于保護(hù)時(shí)間t₀；同時(shí)，為了避免AGC環(huán)路引入寄生調(diào)制導(dǎo)致信號(hào)失真，AGC環(huán)路的穩(wěn)定時(shí)間τ又必須遠(yuǎn)大于調(diào)制信號(hào)的單個(gè)符號(hào)時(shí)間t₁。當(dāng)突發(fā)信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)滿足條件t₁<<t₀時(shí)，AGC環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間τ的選擇只需滿足t₁<<τ<t₀即可，這時(shí)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(hào)幀結(jié)構(gòu)中的t₀和t₁相差不大時(shí)，由于傳統(tǒng)模擬AGC環(huán)路的響應(yīng)時(shí)間單一，最佳穩(wěn)定時(shí)間τ_opt很難或者無(wú)法選取出來(lái)。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(hào)保護(hù)時(shí)間短和符號(hào)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(shí)，AGC環(huán)路能夠根據(jù)信號(hào)的時(shí)域特點(diǎn)實(shí)時(shí)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(hào)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(hào)到達(dá)時(shí)，信號(hào)電平快速上升并超過(guò)預(yù)設(shè)的門(mén)限值V_t，此時(shí)AGC環(huán)路立即切換到快環(huán)狀態(tài)，其目的是使輸出信號(hào)及時(shí)跟蹤輸入信號(hào)的變化，在保護(hù)時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到穩(wěn)定，保證后續(xù)有用數(shù)據(jù)的無(wú)損接收。當(dāng)信號(hào)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(huì)發(fā)生寄生幅度調(diào)制而引起信號(hào)失真。當(dāng)本次突發(fā)信號(hào)結(jié)束時(shí)，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(kāi)。待接收機(jī)增益放開(kāi)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(gè)突發(fā)信號(hào)的到來(lái)。當(dāng)下一個(gè)突發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)，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(gè)階段：

    (1)階段一：突發(fā)信號(hào)到達(dá)前，慢速等待；

    (2)階段二：突發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)，快速穩(wěn)定；

    (3)階段三：有用信息傳輸時(shí)，慢速保持；

    (4)階段四：突發(fā)信號(hào)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(mén)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(hào)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(shí)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(shí)，+5 V的電壓通過(guò)電阻R6加到模擬開(kāi)關(guān)S1的控制腳上，將其置為斷開(kāi)狀態(tài)，電阻R8被斷開(kāi)。此時(shí)AGC環(huán)路濾波電路的時(shí)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(hào)到達(dá)后，隨著信號(hào)電平從無(wú)到有，檢波電壓迅速上升并超過(guò)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(shí)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(shí)，一個(gè)負(fù)電壓加到模擬開(kāi)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(shí)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(hào)穩(wěn)定前始終處于快環(huán)模式。如圖3所示，如果沒(méi)有該電路，當(dāng)信號(hào)電平快速起控并減小至預(yù)置門(mén)限值Vt以下時(shí)，AGC環(huán)路會(huì)立即切換回慢環(huán)模式。由于此時(shí)信號(hào)仍未降到由電阻R12和R13分壓所設(shè)置的期望值V_s，信號(hào)電平從V_t下降到V_s這段時(shí)間，AGC環(huán)路會(huì)工作在慢環(huán)狀態(tài)，其穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng)（如圖3中粗虛線所示），無(wú)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(shí)，運(yùn)放N1A第1腳上的電壓為-5 V，此時(shí)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(hào)電平降低至V_t以下時(shí)，運(yùn)放N1A第1腳上的電壓變?yōu)?5 V，此時(shí)V1變?yōu)榉聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)，電容C2所存儲(chǔ)的電荷開(kāi)始通過(guò)電阻R9和R10放電，于是N1B的第5腳上的負(fù)電壓不會(huì)立即消失，而是會(huì)隨著C2的放電逐漸上升。在這段時(shí)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(huì)保持-5 V的負(fù)電壓，使模擬開(kāi)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(shí)在這段時(shí)間內(nèi)，信號(hào)電平從預(yù)置門(mén)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(guò)第6腳上的電壓，此時(shí)N1B第7腳輸出+5 V高電平，使模擬開(kāi)關(guān)S1處于為斷開(kāi)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(hào)穩(wěn)定后，在其有用數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，信號(hào)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(shí)AGC環(huán)路的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于調(diào)制信號(hào)的符號(hào)速率，因此AGC環(huán)路不會(huì)引起寄生幅度調(diào)制，信號(hào)也就不會(huì)產(chǎn)生額外失真。

2.4 階段四：快速釋放

    當(dāng)突發(fā)信號(hào)結(jié)束時(shí)，后端軟件會(huì)送出一個(gè)脈沖信號(hào)，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(shí)，模擬開(kāi)關(guān)S2由斷開(kāi)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(shí)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(shí)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(shí)，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(kāi)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(hào)的到來(lái)。

    這樣，該AGC電路根據(jù)突發(fā)信號(hào)的時(shí)域特性周而復(fù)始地完成對(duì)信號(hào)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(guò)程。

3 測(cè)試驗(yàn)證

    通過(guò)搭建如圖1所示的系統(tǒng)來(lái)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(jí)Analog Devices公司的壓控可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）芯片AD8367，輸出信號(hào)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(hào)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(jí)AD8367完成增益控制^[7]。

    該系統(tǒng)的輸入信號(hào)為70 MHz的突發(fā)數(shù)字調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)采用符號(hào)速率為50 kS/s的8PSK調(diào)制，突發(fā)周期5 ms，其中有用信號(hào)持續(xù)時(shí)間為4 ms。其希望達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：

    (1)AGC起控時(shí)間：≤40 μs（相當(dāng)于2個(gè)符號(hào)時(shí)間）；

    (2)AGC釋放時(shí)間：≤80 μs（相當(dāng)于4個(gè)符號(hào)時(shí)間）；

    (3)矢量誤差幅度（EVM）：≤2%（穩(wěn)定后）。

    用示波器及實(shí)時(shí)頻譜分析儀對(duì)以上3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估該AGC電路的性能。

3.1 AGC起控時(shí)間測(cè)試

    當(dāng)突發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)，輸出信號(hào)及控制電壓的時(shí)域響應(yīng)如圖5所示。圖中，通道3為輸出信號(hào)，通道4為AGC環(huán)路輸出的誤差信號(hào)（即VGA的控制電壓），通道1為快、慢環(huán)切換控制信號(hào)（即圖4中二極管V2和電阻R6間的測(cè)試點(diǎn)）。從圖5中可以看出，當(dāng)突發(fā)信號(hào)到達(dá)并超過(guò)一定幅度時(shí)，AGC立即切換為快環(huán)模式，控制電壓迅速降低，使輸出信號(hào)電平迅速減小到期望的穩(wěn)定值；同時(shí)，合理的遲滯電路保證了當(dāng)信號(hào)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(shí)間約為30 μs，成功實(shí)現(xiàn)了快速穩(wěn)定。

3.2 信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

    由于突發(fā)信號(hào)采用了符號(hào)速率為50 kS/s的8PSK調(diào)制，其單個(gè)符號(hào)時(shí)間t₁為20 μs。如前所述，穩(wěn)定后AGC的響應(yīng)時(shí)間τ必須遠(yuǎn)大于20 μs，才能保證信號(hào)質(zhì)量不惡化。實(shí)際該AGC電路將慢環(huán)時(shí)間常數(shù)設(shè)置為快環(huán)時(shí)間常數(shù)的1 000倍，即慢環(huán)AGC的響應(yīng)時(shí)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(hào)質(zhì)量（EVM）測(cè)試。從圖中可以看出，輸出信號(hào)的EVM測(cè)試值為0.715%，證明AGC電路未對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生惡化。

3.3 AGC釋放時(shí)間測(cè)試

    當(dāng)突發(fā)信號(hào)結(jié)束時(shí)，一個(gè)脈沖觸發(fā)信號(hào)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(kāi)，準(zhǔn)備下一幀信號(hào)的接收。此時(shí)輸出信號(hào)的響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，突發(fā)信號(hào)結(jié)束后，控制電壓迅速升高，約30 μs時(shí)間內(nèi)即完成AGC及接收增益的釋放。

3.4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

    用同樣的測(cè)試方法，對(duì)傳統(tǒng)AGC電路進(jìn)行相同的指標(biāo)測(cè)試，其對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    從以上測(cè)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(shí)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(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法滿足突發(fā)通信的要求。

4 結(jié)論

    本文針對(duì)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(hào)的幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行響應(yīng)速度切換。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該AGC電路具有穩(wěn)定時(shí)間短、信號(hào)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)。

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