《電子技術(shù)應(yīng)用》
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適用于非恒包絡(luò)突發(fā)通信的AGC設(shè)計
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
劉美銳
中國電子科技集團公司第十研究所,,四川 成都610036
摘要: 在非恒包絡(luò)突發(fā)通信中,,要求接收機的自動增益控制(AGC)響應(yīng)速度快、引入失真小,。針對傳統(tǒng)AGC的響應(yīng)時間單一不可調(diào)問題,,提出了一種適用于突發(fā)通信的變速AGC設(shè)計方案,。本方案AGC環(huán)路根據(jù)突發(fā)信號的幀結(jié)構(gòu)特點,實時地進行響應(yīng)速度切換,。突發(fā)信號到達時AGC能快速穩(wěn)定,,穩(wěn)定后AGC能慢速保持,突發(fā)信號結(jié)束時AGC又能快速釋放,。本方案通過簡單的模擬電路實現(xiàn),,實測結(jié)果表明該AGC方案穩(wěn)定時間短,信號失真小,,釋放速度快,,適用于突發(fā)通信特別是非恒包絡(luò)突發(fā)通信系統(tǒng)。
中圖分類號: TN850.3
文獻標識碼: 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[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.
AGC design for non constant envelope burst communication
Liu Meirui
No.10 Institute of China Electronics Technology Group Corporation,,Chengdu 610036,,China
Abstract: In the non constant envelope burst communication system, the automatic gain control(AGC) of receiver requires fast response and low distortion introduced. Compared to the traditional AGC circuit whose response time is not adjustable, this paper presents a variable speed AGC design which is suitable for the burst communication. According to the frame structure characteristics of the burst signal, the response speed of this AGC circuit can be switched in real time. When the burst signal arrives, the AGC circuit is quickly stabilized, after which it returns to slow hold mode, and when the burst is complete, the AGC circuit is triggered into fast release mode. The AGC scheme is implemented by simple analog circuits, and the test results show that the settling time is short, the release rate is fast, and the signal distortion is small. In a word, this AGC scheme is suitable for burst communication, especially for non constant envelope burst communication system.
Key words : non constant envelope;burst communication,;automatic gain control,;response time;signal distortion,;frame structure

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,接收機收到的信號強度差異很大[1],。同時,,在非恒包絡(luò)突發(fā)通信中,接收機收到的信號不連續(xù),,信號包絡(luò)中攜帶了有用信息,。因此,接收機的AGC設(shè)計需要同時滿足動態(tài)范圍大,、響應(yīng)速度快,、引入信號失真小的要求,同時輸出信號幅度還需滿足后端ADC的動態(tài)范圍及數(shù)字信號處理的要求[2],。在接收機的AGC設(shè)計中,,響應(yīng)速度是其中最關(guān)鍵的技術(shù)指標,響應(yīng)速度太慢或者太快都會引起信號的失真,。如果AGC環(huán)路的響應(yīng)速度太慢,,則接收機輸出信號的電平無法跟上輸入信號電平的變化,信號會產(chǎn)生非線性失真,,或者信號幅度超過了ADC的動態(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)路會使信號產(chǎn)生寄生幅度調(diào)制,破壞信號原有的包絡(luò),,導致信號失真[3],。因此,在實際的工程應(yīng)用中,,通常需要根據(jù)實際情況進行仿真及測試,,以找出AGC環(huán)路的最佳響應(yīng)時間,或者通過選擇幾組不同的響應(yīng)時間,,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,使得當輸入信號電平發(fā)生變化時,,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AGC環(huán)路的核心部分,,AGC的響應(yīng)時間就是由該部分電路中環(huán)路濾波的時間常數(shù)決定的,。

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    圖2將突發(fā)通信中的幀結(jié)構(gòu)概括地分為兩個部分組成[6]:保護碼(時間為t0)和信息碼(時間為N×t1,其中t1為單個符號時間),。

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    從上一節(jié)的論述可知,,為了使接收機輸出信號的電平及時跟上輸入信號電平的變化,AGC環(huán)路的穩(wěn)定時間τ應(yīng)當小于保護時間t0,;同時,,為了避免AGC環(huán)路引入寄生調(diào)制導致信號失真,AGC環(huán)路的穩(wěn)定時間τ又必須遠大于調(diào)制信號的單個符號時間t1,。當突發(fā)信號的幀結(jié)構(gòu)滿足條件t1<<t0時,,AGC環(huán)路穩(wěn)定時間τ的選擇只需滿足t1<<τ<t0即可,這時傳統(tǒng)的AGC環(huán)路設(shè)計是可行的,。但是當突發(fā)信號幀結(jié)構(gòu)中的t0和t1相差不大時,,由于傳統(tǒng)模擬AGC環(huán)路的響應(yīng)時間單一,最佳穩(wěn)定時間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)信號保護時間短和符號速率慢之間的矛盾,。

2 變速AGC的原理及設(shè)計

    變速AGC的工作原理是接收機在進行突發(fā)通信時,,AGC環(huán)路能夠根據(jù)信號的時域特點實時地進行響應(yīng)速度切換,其響應(yīng)特性如圖3所示,。

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    當突發(fā)信號到達之前,,AGC環(huán)路工作在慢環(huán)狀態(tài)。當突發(fā)信號到達時,,信號電平快速上升并超過預設(shè)的門限值Vt,,此時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跟蹤輸入信號的變化,在保護時間內(nèi)快速達到穩(wěn)定,,保證后續(xù)有用數(shù)據(jù)的無損接收,。當信號電平被穩(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)傳輸期間不會發(fā)生寄生幅度調(diào)制而引起信號失真。當本次突發(fā)信號結(jié)束時,,AGC環(huán)路再由慢環(huán)狀態(tài)切換為快環(huán)狀態(tài),,使接收機增益能快速放開。待接收機增益放開后,,AGC環(huán)路又由快環(huán)狀態(tài)恢復到最初的慢環(huán)狀態(tài),,確保接收機穩(wěn)定工作并等待下一個突發(fā)信號的到來。當下一個突發(fā)信號到達時,,AGC環(huán)路重復以上響應(yīng)流程,,周而復始。

    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階段:

    (1)階段一:突發(fā)信號到達前,,慢速等待;

    (2)階段二:突發(fā)信號到達時,,快速穩(wěn)定,;

    (3)階段三:有用信息傳輸時,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,。

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    電阻R2及R3將+5 V電壓分壓得到觸發(fā)快環(huán)的預置門限值Vt,,并將其加到運放N1A的正向輸入端(第3腳)上,當突發(fā)信號到達之前,,加在運放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處于反偏截止狀態(tài),。此時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處于反偏截止狀態(tài),。此時,+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AGC環(huán)路濾波電路的時間常數(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)

    當突發(fā)信號到達后,,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由反向截止狀態(tài)變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài),。此時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的負電壓,使二極管V2處于正向?qū)顟B(tài),。此時,,一個負電壓加到模擬開關(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的值遠小于R7,,因此并聯(lián)后AGC環(huán)路的時間常數(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,,當信號電平快速起控并減小至預置門限值Vt以下時,,AGC環(huán)路會立即切換回慢環(huán)模式。由于此時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這段時間,,AGC環(huán)路會工作在慢環(huán)狀態(tài),其穩(wěn)定時間變長(如圖3中粗虛線所示),,無法達到快速穩(wěn)定的目的,。

    有了圖4中的遲滯電路,當AGC工作在快環(huán)模式時,,運放N1A第1腳上的電壓為-5 V,,此時V1為正向?qū)顟B(tài),電容C2左側(cè)引腳上的電壓約為-5 V。當檢波信號電平降低至Vt以下時,,運放N1A第1腳上的電壓變?yōu)?5 V,,此時V1變?yōu)榉聪蚪刂範顟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腳上的負電壓不會立即消失,,而是會隨著C2的放電逐漸上升。在這段時間內(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腳會保持-5 V的負電壓,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,。同時在這段時間內(nèi),信號電平從預置門限值Vt成功下降到了期望值Vs,,完整地實現(xiàn)了AGC的快速穩(wěn)定功能,。當電容C2放電結(jié)束后,運放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AGC環(huán)路的響應(yīng)速度遠遠低于調(diào)制信號的符號速率,,因此AGC環(huán)路不會引起寄生幅度調(diào)制,,信號也就不會產(chǎn)生額外失真。

2.4 階段四:快速釋放

    當突發(fā)信號結(jié)束時,,后端軟件會送出一個脈沖信號,,使AGC環(huán)路的狀態(tài)再次發(fā)生變換。當脈沖前沿(下降沿)到達時,,模擬開關(guān)S2由斷開狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài),,運放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,,進而電容C3右端的電壓由-5 V變?yōu)?5 V,,此時三極管V4由截止狀態(tài)變?yōu)轱柡蛯顟B(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)路濾波電路的時間常數(shù)顯著變小,AGC快速釋放使接收機增益迅速增大,。當脈沖后沿(上升沿)到達時,,三極管V4由飽和導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟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)信號的時域特性周而復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 測試驗證

    通過搭建如圖1所示的系統(tǒng)來驗證本文提出的變速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)時間為4 ms,。其希望達到的技術(shù)指標為:

    (1)AGC起控時間:≤40 μs(相當于2個符號時間),;

    (2)AGC釋放時間:≤80 μs(相當于4個符號時間);

    (3)矢量誤差幅度(EVM):≤2%(穩(wěn)定后),。

    用示波器及實時頻譜分析儀對以上3個指標進行測試,,以評估該AGC電路的性能。

3.1 AGC起控時間測試

    當突發(fā)信號到達時,,輸出信號及控制電壓的時域響應(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),。從圖5中可以看出,,當突發(fā)信號到達并超過一定幅度時,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,合理的遲滯電路保證了當信號穩(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)定時間約為30 μs,,成功實現(xiàn)了快速穩(wěn)定,。

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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,其單個符號時間t1為20 μs,。如前所述,,穩(wěn)定后AGC的響應(yīng)時間τ必須遠大于20 μs,才能保證信號質(zhì)量不惡化,。實際該AGC電路將慢環(huán)時間常數(shù)設(shè)置為快環(huán)時間常數(shù)的1 000倍,,即慢環(huán)AGC的響應(yīng)時間約為30 ms,遠遠大于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,。

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3.3 AGC釋放時間測試

    當突發(fā)信號結(jié)束時,一個脈沖觸發(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,,準備下一幀信號的接收。此時輸出信號的響應(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時間內(nèi)即完成AGC及接收增益的釋放,。

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3.4 測試結(jié)果對比

    用同樣的測試方法,對傳統(tǒng)AGC電路進行相同的指標測試,,其對比測試結(jié)果如表1所示,。

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    從以上測試結(jié)果可知,本文提出的變速AGC方案成功實現(xiàn)了快速穩(wěn)定和釋放,,同時引入失真小,,完全滿足設(shè)計要求。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)計方案,。與傳統(tǒng)AGC設(shè)計相比,,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,實時地進行響應(yīng)速度切換,。實測結(jié)果表明,,該AGC電路具有穩(wěn)定時間短、信號失真小,、釋放速度快等特點,,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)。

參考文獻

[1] 曾興雯,,劉乃安,陳?。哳l電路原理與分析[M].西安:西安電子科技大學出版社,,2005.

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

[3] 張立哲,,張子軒.AGC穩(wěn)定時間對DS_FH系統(tǒng)捕獲的影響[J].計算機與網(wǎng)絡(luò),2011(16):46-49.

[4] 趙儉,,張效義,,于永莉.突發(fā)通信模式下數(shù)字自動增益控制的FPGA實現(xiàn)[J].艦船科學技術(shù),2006,,28(3):53-55.

[5] 胡俊杰,,葉永杰,帥明.數(shù)字中頻接收機中數(shù)字AGC的設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信對抗,,2015,,34(1):29-33.

[6] 井冰,葉凡,,李寧,,等.超寬帶系統(tǒng)中的快速雙閉環(huán)自動增益控制算法[J].計算機工程,2014,,40(7):47-52.

[7] 王燕君.軟件無線電跳頻電臺接收機射頻前端設(shè)計[J].電訊技術(shù),,2012,52(6):969-973.

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