雙環(huán)AGC 電路的起控點(diǎn)參數(shù)分析與設(shè)計(jì)

陳 新

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

AGC 是一種典型的自動(dòng)增益控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)適應(yīng)輸入信號(hào)的變化，穩(wěn)定輸出所需電平信號(hào)，具有平衡輸出信號(hào)與給定參考信號(hào)的誤差調(diào)節(jié)作用，從而保障接收機(jī)性能的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)單環(huán)AGC 只能處理30～40 dB 范圍的信號(hào)，無(wú)法滿足大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的處理。隨著通信技術(shù)發(fā)展，遠(yuǎn)近距離傳輸需求多樣，接收機(jī)收到的信號(hào)變化范圍大，要求通信接收機(jī)至少能夠處理110 dB 以上范圍的信號(hào)，雙環(huán)AGC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過(guò)搭建兩級(jí)自動(dòng)增益控制電路，疊加控制量之和，從而增大控制范圍，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)處理能力。保障基于雙環(huán)AGC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)輸出穩(wěn)定性，一般是通過(guò)檢波比較放大電路來(lái)進(jìn)行起控，恰當(dāng)?shù)钠鹂攸c(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)是接收機(jī)在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)音頻輸出變化符合要求的關(guān)鍵。

1 雙環(huán)AGC 電路的設(shè)計(jì)

雙環(huán)AGC 電路通過(guò)構(gòu)建獨(dú)立的射頻AGC 和中頻AGC 環(huán)路，配置各自獨(dú)立的檢波電路、比較放大電路、環(huán)路濾波電路，使其在接收信號(hào)從弱到強(qiáng)變化過(guò)程中，建立了中頻AGC 先起控、射頻AGC 后起控的基本原則，提升了接收機(jī)對(duì)大小信號(hào)的兼容能力；并針對(duì)極小接收信號(hào)設(shè)計(jì)了中頻放大電路，進(jìn)一步保障了微弱信號(hào)的處理能力。圖1 為雙環(huán)AGC 電路設(shè)計(jì)原理框圖。

圖1 雙環(huán)AGC 電路設(shè)計(jì)原理框圖

1.1 射頻AGC 電路

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍控制，射頻AGC 電路采用兩級(jí)低失真硅PIN 二極管可變衰減器，并選用由Avago 公司生產(chǎn)的ALM-38140 芯片，該芯片具備30 dB 左右增益控制能力，射頻電路兩級(jí)AGC 控制量則具備約60 dB 控制范圍。

射頻AGC 環(huán)路由定向耦合器、檢波器、兩路比較放大及環(huán)路濾波電路（運(yùn)放）、兩級(jí)可變衰減器等組成。該環(huán)路的關(guān)鍵是參考電壓以及環(huán)路濾波參數(shù)的設(shè)置。其中參考電壓設(shè)置保證了當(dāng)小信號(hào)輸入時(shí)，只有中頻AGC 起控而射頻AGC 不起控，從而保證在輸出信號(hào)幅度恒定的情況下不會(huì)顯著惡化接收通道的噪聲系數(shù)；而當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度大到一定程度時(shí)，射頻AGC 開(kāi)始起控，從而保證接收通道上所有器件都處于線性工作狀態(tài)，接收通道不飽和、互調(diào)指標(biāo)達(dá)標(biāo)。而環(huán)路濾波參數(shù)的設(shè)置則可以控制各種調(diào)制方式下的AGC 響應(yīng)時(shí)間。

1.2 中頻AGC 電路

中頻AGC 電路采用集成中放器件實(shí)現(xiàn)。本文選用某型號(hào)集成中放MXX-7010，其具有超過(guò)60 dB 的控制范圍，內(nèi)部集成了檢波電路、比較電路以及VGA 電路等。集成中放MXX-7010 對(duì)經(jīng)過(guò)它的射頻信號(hào)進(jìn)行檢波，再與其內(nèi)置的參考電壓進(jìn)行比較后輸出誤差電壓。誤差電壓在外加的環(huán)路濾波電路中進(jìn)行濾波（即AGC響應(yīng)時(shí)間設(shè)置）后，將所得的控制電壓送回集成中放，控制其內(nèi)集成的可變衰減網(wǎng)絡(luò)，與射頻AGC 控制量疊加，形成超過(guò)120 dB 動(dòng)態(tài)信號(hào)大小控制，實(shí)現(xiàn)雙環(huán)AGC 的大動(dòng)態(tài)范圍控制。

2 雙環(huán)AGC 電路起控參數(shù)分析與設(shè)計(jì)

單環(huán)AGC 電路由于檢波點(diǎn)只有一個(gè)，射頻AGC 和中頻AGC 都要受同一檢波電壓的控制，很難找到合適的參考電壓，兩者在起控時(shí)相互影響。而雙環(huán)AGC 電路相較于單環(huán)AGC 電路的優(yōu)勢(shì)主要在于：射頻AGC 和中頻AGC 電路分別起控，起控參數(shù)可以各自調(diào)節(jié)，達(dá)到總體平衡，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)音頻幅度穩(wěn)定輸出。

由于中頻AGC 電路采用的是集成中放器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，雙環(huán)AGC 電路的參數(shù)調(diào)節(jié)主要從射頻AGC 電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文針對(duì)起控參數(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)際電路應(yīng)用分析進(jìn)行分析。

根據(jù)GJB 1125A—2002 要求，話音AM 調(diào) 幅為30%，幅度為1.5 mV（-103 dBm），動(dòng)態(tài)范圍為100 dBm（-103～-3 dBm），動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)音頻輸出變化不能超過(guò)±3 dB。一般接收信號(hào)經(jīng)天線都會(huì)通過(guò)功率放大模塊進(jìn)行放大，本文假設(shè)功放增益為16 dB，參考軍標(biāo)要求，接收機(jī)接收信號(hào)的范圍則為-87～13 dBm。

基于雙環(huán)AGC 電路原理，選用適合本文電路分析的元器件，射頻電路放大器選用Hittite 公司的HMC478MP86E 器件，運(yùn)算放大器選用AD 公司OP279GSZ 器件。AGC 比較放大電路如圖2 所示。

圖2 AGC 比較放大電路

比較放大電路參考電壓Uref（單位為V）為：

在變頻鏈路后測(cè)試信號(hào)，分別將-87 dBm、-37 dBm和13 dBm 的電平送入接收機(jī)，測(cè)試接收調(diào)制度變化范圍，如表1 所示。

表1 音頻波動(dòng)范圍測(cè)試結(jié)果

為了方便信號(hào)測(cè)試，將中頻放大濾波鏈路單獨(dú)提取出來(lái)進(jìn)行分析，如圖3 所示。將13 dBm 送至模塊接收口，在中頻放大濾波鏈路輸出口測(cè)試，測(cè)得信號(hào)輸出為-1.79 dBm，信號(hào)調(diào)制度變?yōu)?0.8%（波動(dòng)3.18 dB，不滿足軍標(biāo)要求），中頻放大濾波鏈路后出現(xiàn)信號(hào)壓縮。

圖3 中頻放大濾波電路原理框圖

單獨(dú)測(cè)試放大器指標(biāo)，該接收信號(hào)下放大器功率輸出為15.51 dBm，通過(guò)器件資料得知放大器增益指標(biāo)為22 dB，在輸出功率為15.51 dBm 情況下，放大器已進(jìn)入非線性區(qū)，通過(guò)實(shí)際測(cè)試得到的增益情況如圖4 所示。

圖4 放大器增益曲線

通過(guò)查詢器件資料發(fā)現(xiàn)，該放大器P1dB 壓縮點(diǎn)為15～18 dB，而實(shí)測(cè)放大器功率輸出為15.51 dBm，接近器件的P1dB 壓縮，放大器輸出功率進(jìn)入非線性區(qū)，導(dǎo)致接收機(jī)AGC 動(dòng)態(tài)范圍臨界，音頻輸出控制異常。放大器輸出功率曲線如圖5 所示。

圖5 放大器輸出功率曲線

通過(guò)理論分析AM 信號(hào)調(diào)試情況，假設(shè)高頻載波為vc=Vcmcoswct，則AM 信號(hào)為：

為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，令調(diào)制信號(hào)為單音余弦波：

將公式（2）代入公式（1）中，得到：

推導(dǎo)出載波功率POT為：

峰值功率Pmax為：

當(dāng)AM 信號(hào)調(diào)制度為30%時(shí)，峰值功率（單位為dB）公式如下：

結(jié)合電路設(shè)計(jì)問(wèn)題，調(diào)制度為30%的AM 信號(hào)，通過(guò)放大器HMC478MP86E 的峰值功率為15.51 dBm。該功率值接近器件資料的典型P1dB 值。

因此，在該雙環(huán)AGC 控制電路設(shè)計(jì)中，起控電壓不合理導(dǎo)致射頻AGC 環(huán)路余量預(yù)留不足，使得部分接收機(jī)的射頻AGC 環(huán)路輸出信號(hào)接近飽和狀態(tài)（即中頻放大鏈路中的HMC478MP86E 輸出功率接近器件P1dB）。

射頻AGC 環(huán)路需要降低起控點(diǎn)、提早起控，避免過(guò)大信號(hào)通過(guò)放大器放大達(dá)到PI 壓縮點(diǎn)，將電路中起控點(diǎn)電阻參數(shù)R2由51 kΩ 更改為62 kΩ，如圖6 所示。

圖6 AGC 比較放大電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

因?yàn)锳GC 是一種典型的自動(dòng)增益控制系統(tǒng)，可動(dòng)態(tài)適應(yīng)輸入信號(hào)的變化，穩(wěn)定輸出所需電平信號(hào)。其在電路中起到了平衡輸出信號(hào)與給定參考信號(hào)的誤差調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而保障接收機(jī)性能的穩(wěn)定性。

運(yùn)放參考電壓（單位為V）公式為：

此時(shí)放大器輸出功率為4 dBm 左右，較原來(lái)下降近10 dBm，極大地遠(yuǎn)離了放大器P1 壓縮點(diǎn)功率值。通過(guò)對(duì)接收機(jī)信號(hào)幅度測(cè)試，AGC 波動(dòng)范圍滿足±3 dB 要求，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 音頻波動(dòng)范圍測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于接收機(jī)大動(dòng)態(tài)范圍控制提出了雙環(huán)AGC電路兩級(jí)控制電路設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的雙環(huán)增益動(dòng)態(tài)控制，達(dá)到超過(guò)120 dB 大動(dòng)態(tài)變化的信號(hào)控制；定義了中頻AGC 先起控、射頻AGC 后起控的基本原則。

對(duì)雙環(huán)AGC 起控點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行了分析論證，并結(jié)合實(shí)際電路應(yīng)用表明：雙環(huán)AGC 起控點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)直接關(guān)系接收機(jī)音頻波動(dòng)范圍和性能的穩(wěn)定性。起控點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程既要考慮因?yàn)樯漕lAGC 起控太早而惡化接收通道的噪聲系數(shù)，又要避免射頻AGC 起控太晚造成接收通道飽和或是互調(diào)指標(biāo)惡化，合理的信號(hào)分配能夠使電路中各元器件工作于最佳狀態(tài)下。