文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.029
中文引用格式: 劉美銳. 適用于非恒包絡(luò)突發(fā)通信的AGC設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,42(6):105-108.
英文引用格式: Liu Meirui. AGC design for non constant envelope burst communication[J].Application of Electronic Technique,,2016,,42(6):105-108.
0 引言
在無線電波傳輸過程中,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)收到的信號不連續(xù),,信號包絡(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、引入信號失真小的要求,,同時(shí)輸出信號幅度還需滿足后端ADC的動(dòng)態(tài)范圍及數(shù)字信號處理的要求[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)輸出信號的電平無法跟上輸入信號電平的變化,,信號會(huì)產(chǎn)生非線性失真,,或者信號幅度超過了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)整速率超過了信號的調(diào)制速率,,AGC環(huán)路會(huì)使信號產(chǎn)生寄生幅度調(diào)制,破壞信號原有的包絡(luò),,導(dǎo)致信號失真[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)行仿真及測試,,以找出AGC環(huán)路的最佳響應(yīng)時(shí)間,或者通過選擇幾組不同的響應(yīng)時(shí)間,,來應(yīng)對不同的應(yīng)用場合[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),用輸出信號與參考信號之間的誤差來調(diào)節(jié)可變增益放大器的增益,使得當(dāng)輸入信號電平發(fā)生變化時(shí),,輸出信號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,都是由輸出信號檢測,、誤差信號產(chǎn)生和可控增益放大三部分組成[5],。其中,誤差信號產(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)符號時(shí)間),。
從上一節(jié)的論述可知,,為了使接收機(jī)輸出信號的電平及時(shí)跟上輸入信號電平的變化,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)制信號的單個(gè)符號時(shí)間t1,。當(dāng)突發(fā)信號的幀結(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τopt很難或者無法選取出來,。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)信號保護(hù)時(shí)間短和符號速率慢之間的矛盾,。
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)信號到達(dá)時(shí),,信號電平快速上升并超過預(yù)設(shè)的門限值Vt,,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及時(shí)跟蹤輸入信號的變化,,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)的無損接收,。當(dāng)信號電平被穩(wěn)定到期望值Vs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)制而引起信號失真,。當(dāng)本次突發(fā)信號結(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,。待接收機(jī)增益放開后,,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)信號的到來,。當(dāng)下一個(gè)突發(fā)信號到達(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)信號到達(dá)前,慢速等待,;
(2)階段二:突發(fā)信號到達(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)置門限值Vt,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Vt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的電壓通過電阻R6加到模擬開關(guān)S1的控制腳上,,將其置為斷開狀態(tài),,電阻R8被斷開,。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)信號到達(dá)后,,隨著信號電平從無到有,檢波電壓迅速上升并超過Vt,,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)路在信號穩(wěn)定前始終處于快環(huán)模式,。如圖3所示,如果沒有該電路,,當(dāng)信號電平快速起控并減小至預(yù)置門限值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)信號仍未降到由電阻R12和R13分壓所設(shè)置的期望值Vs,,信號電平從Vt下降到Vs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(如圖3中粗虛線所示),,無法達(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)檢波信號電平降低至Vt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所存儲的電荷開始通過電阻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),,信號電平從預(yù)置門限值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,,使模擬開關(guān)S1處于為斷開狀態(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)信號穩(wěn)定后,,在其有用數(shù)據(jù)傳輸過程中,,信號幅度始終被穩(wěn)定控制在期望值Vs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)制信號的符號速率,,因此AGC環(huán)路不會(huì)引起寄生幅度調(diào)制,信號也就不會(huì)產(chǎn)生額外失真,。
2.4 階段四:快速釋放
當(dāng)突發(fā)信號結(jié)束時(shí),,后端軟件會(huì)送出一個(gè)脈沖信號,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),,模擬開關(guān)S2由斷開狀態(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)信號的到來,。
這樣,,該AGC電路根據(jù)突發(fā)信號的時(shí)域特性周而復(fù)始地完成對信號的慢速等待、快速穩(wěn)定(快速響應(yīng),、延遲切換),、慢速保持及快速釋放過程。
3 測試驗(yàn)證
通過搭建如圖1所示的系統(tǒng)來驗(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Analog Devices公司的壓控可變增益放大器(VGA)芯片AD8367,輸出信號耦合一路送給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AD8367完成增益控制[7]。
該系統(tǒng)的輸入信號為70 MHz的突發(fā)數(shù)字調(diào)制信號,,該信號采用符號速率為50 kS/s的8PSK調(diào)制,,突發(fā)周期5 ms,其中有用信號持續(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)符號時(shí)間),;
(2)AGC釋放時(shí)間:≤80 μs(相當(dāng)于4個(gè)符號時(shí)間);
(3)矢量誤差幅度(EVM):≤2%(穩(wěn)定后),。
用示波器及實(shí)時(shí)頻譜分析儀對以上3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測試,,以評估該AGC電路的性能。
3.1 AGC起控時(shí)間測試
當(dāng)突發(fā)信號到達(dá)時(shí),,輸出信號及控制電壓的時(shí)域響應(yīng)如圖5所示,。圖中,通道3為輸出信號,,通道4為AGC環(huán)路輸出的誤差信號(即VGA的控制電壓),,通道1為快、慢環(huán)切換控制信號(即圖4中二極管V2和電阻R6間的測試點(diǎn)),。從圖5中可以看出,,當(dāng)突發(fā)信號到達(dá)并超過一定幅度時(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 信號質(zhì)量測試
由于突發(fā)信號采用了符號速率為50 kS/s的8PSK調(diào)制,其單個(gè)符號時(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質(zhì)量(EVM)測試,。從圖中可以看出,輸出信號的EVM測試值為0.715%,,證明AGC電路未對信號質(zhì)量產(chǎn)生惡化,。
3.3 AGC釋放時(shí)間測試
當(dāng)突發(fā)信號結(jié)束時(shí),,一個(gè)脈沖觸發(fā)信號將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,準(zhǔn)備下一幀信號的接收,。此時(shí)輸出信號的響應(yīng)測試結(jié)果如圖7所示,。從圖中可以看出,突發(fā)信號結(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 測試結(jié)果對比
用同樣的測試方法,,對傳統(tǒng)AGC電路進(jìn)行相同的指標(biāo)測試,,其對比測試結(jié)果如表1所示。
從以上測試結(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,無法滿足突發(fā)通信的要求,。
4 結(jié)論
本文針對非恒包絡(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)測結(jié)果表明,該AGC電路具有穩(wěn)定時(shí)間短,、信號失真小,、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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