梁衛(wèi)祖，卿 劍

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

跳頻通信接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)

梁衛(wèi)祖，卿 劍

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

提出了一種適用于跳頻通信接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)，通過簡單的模擬電路實(shí)現(xiàn)，并已成功應(yīng)用于225MHz—512MHz、符號(hào)率200k波特/秒、8PSK調(diào)制、跳頻速率1 000跳/秒的跳頻通信接收機(jī)。通過對(duì)跳頻通信接收機(jī)的AGC特性進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了AGC方案及其電路的實(shí)現(xiàn)過程。

自動(dòng)增益控制 可變增益放大器 8移相鍵控 跳頻通信

1 引言

無線電波傳輸過程中，由于信號(hào)的遠(yuǎn)近效應(yīng)和傳播信道衰落，接收機(jī)所接收的信號(hào)強(qiáng)弱差異很大，超過100dB的變化范圍。天線、多徑、遮擋和信道衰落對(duì)信號(hào)的選擇性，會(huì)造成信號(hào)強(qiáng)弱隨著頻率發(fā)生變化，變化時(shí)間與跳頻速率有關(guān)。高階線性相位調(diào)制信號(hào)的相位和幅度發(fā)生變化，不恰當(dāng)?shù)腁GC（自動(dòng)增益控制）會(huì)引起幅度調(diào)制，破壞信號(hào)包絡(luò)，導(dǎo)致解調(diào)誤碼。因此需要跳頻通信接收機(jī)具有良好的AGC特性，滿足動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)時(shí)間適當(dāng)、穩(wěn)定時(shí)間快、引入信號(hào)失真小的要求，輸出信號(hào)幅度滿足A/D輸入范圍及后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理的要求。

2 設(shè)計(jì)分析與工作原理

225MHz—512MHz跳頻通信接收機(jī)采用中頻數(shù)字化方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 跳頻通信接收機(jī)系統(tǒng)框圖

跳頻通信接收機(jī)主要工作指標(biāo)如下：

（1）輸入信號(hào)幅度范圍：-105dBm～+25dBm；

（2）輸出信號(hào)幅度范圍：-40dBm～0dBm；

（3）跳頻速率：1 000跳/秒；

（4）調(diào)制方式：8PSK；

（5）符號(hào)率：200波特/秒；

（6）輸出中頻頻率：21.4MHz。

2.1 設(shè)計(jì)分析

（1）動(dòng)態(tài)范圍

接收機(jī)輸入信號(hào)范圍達(dá)到130dB，接收機(jī)的AGC由射頻AGC、中頻AGC和數(shù)字AGC多級(jí)配合完成，如圖1所示。各級(jí)處理信號(hào)范圍分別是-15dBm～+25dBm，-85dBm～-15dBm，-105dBm～-85dBm。其中射頻AGC的作用是防止LNA（低噪聲放大器）和混頻器進(jìn)入非線性工作區(qū)域，數(shù)字AGC在A/D采樣后，在數(shù)字域完成，接收信號(hào)超過70dB信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍時(shí)由中頻AGC電路完成，中頻AGC是接收機(jī)AGC的重要組成部分，下面的AGC分析圍繞著中頻AGC開展。

（2）響應(yīng)時(shí)間

8PSK調(diào)制信號(hào)符號(hào)率200k波特/秒，信號(hào)幅度變化周期為5μs。因此，要求AGC電路的反應(yīng)既要能跟得上輸入信號(hào)包絡(luò)的變化速度，又不會(huì)出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象，這就是響應(yīng)時(shí)間特性。

（3）環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間

接收機(jī)的跳頻速率為1 000跳/秒，在跳頻波形設(shè)計(jì)時(shí)，跳與跳之間預(yù)留80μs用于頻率切換、發(fā)射功率穩(wěn)定和接收AGC穩(wěn)定。為了不影響有用信號(hào)的接收，要求AGC穩(wěn)定時(shí)間小于80μs。

2.2 中頻AGC環(huán)路工作原理

圖2是線性AGC環(huán)路一般模型，由VGA（可變增益放大器）電路、對(duì)數(shù)功率檢測電路和AGC電壓產(chǎn)生電路組成。VGA的控制電壓Vc與功率（單位為dBm）成線性關(guān)系，功率檢測電壓Vd與輸出功率（單位為dBm）成線性關(guān)系。功率檢測電壓Vd與參考電壓Vr之差經(jīng)過誤差電壓放大和低通濾波后得到的AGC電壓Vc來控制VGA。

圖2 AGC環(huán)路原理框圖

3 中頻AGC電路設(shè)計(jì)

3.1 可變增益放大電路

放大電路如圖3所示，選擇兩級(jí)AD8367作為可控增益放大器，增益變化率20mV/dB，調(diào)節(jié)范圍為-2.5dB～42.5dB，兩級(jí)級(jí)聯(lián)后增益變化率為10mV/dB，提供90dB的控制范圍，滿足中頻AGC設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3 可變增益放大電路

3.2 對(duì)數(shù)功率檢測電路

功率檢測芯片AD8362是對(duì)數(shù)功率檢測器，芯片檢測輸出電壓與輸入功率分貝值成線性關(guān)系，檢測范圍-52dBm～+8dBm，變化率50mV/dB，AD8362外圍電路如圖4所示。

3.3 AGC電壓產(chǎn)生電路

圖5是典型的跳頻信號(hào)時(shí)域波形，要求AGC穩(wěn)定時(shí)間小于80μs，調(diào)制信號(hào)符號(hào)率200k波特/秒，包絡(luò)變化周期Ts=1/200k=5μs，要求AGC電路的響應(yīng)時(shí)間既要能跟得上輸入信號(hào)振幅的變化速度，又不能出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象。AGC電壓產(chǎn)生電路的充放電時(shí)間參數(shù)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵。充放電時(shí)間參數(shù)設(shè)計(jì)成快放慢充，放電快，能快速響應(yīng)信號(hào)的變化；充電慢，在一個(gè)跳頻周期內(nèi)，AGC電壓基本保持不變，輸出信號(hào)幅度保持恒定。充電時(shí)間常數(shù)一般取τc=（20～100)×Ts=100μs～500μs。

圖4 對(duì)數(shù)功率檢測電路

圖5 跳頻信號(hào)典型時(shí)序

具體AGC電壓產(chǎn)生電路如圖4所示，其由NPN管（V12）、充放電電容（C178）和充電電阻（R191）組成共射放大電路。當(dāng)接收信號(hào)變大時(shí)，檢測電壓增大，NPN管導(dǎo)通，電容上電荷通過NPN管快速放電，AGC電壓減小，VGA增益下降，輸出功率減少。相反，接收信號(hào)變小時(shí)，檢測電壓變小，NPN管截止，電源通過充電電阻對(duì)電容進(jìn)行充電，AGC電壓增大，VGA增益提高，輸出功率增大。

充放電參數(shù)對(duì)AGC的響應(yīng)時(shí)間、環(huán)路穩(wěn)定性、信號(hào)包絡(luò)失真都有影響，參數(shù)可以通過理論計(jì)算和仿真得到，仿真電路如圖6所示。放電時(shí)間常數(shù)τr取決于NPN管C-E極飽和導(dǎo)通電阻和充放電電容，一般是200ns，充電時(shí)間常數(shù)τc=RC=510kΩ×1nF=510μs。

3.4 AGC復(fù)位電路

由于天線增益、多徑、遮擋對(duì)頻率的選擇性，導(dǎo)致到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)幅度隨著頻率發(fā)生變化，需要每跳對(duì)AGC電壓進(jìn)行復(fù)位，防止上一跳的AGC電壓影響本跳信號(hào)的正常接收。AGC電壓充放電參數(shù)設(shè)計(jì)成快放慢充，復(fù)位的作用是使電路在復(fù)位期間變成快充，AGC電壓快速升高，使VGA的增益恢復(fù)到初始值，保證下一跳接收信號(hào)變?nèi)鯐r(shí)，輸出信號(hào)幅度在A/D動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。如圖3所示，AGC電壓復(fù)位采用射極跟隨電路，在頻率切換信號(hào)為高電平期間，通過NPN管（V19）對(duì)電容（C178）快速充電。

跳頻接收的AGC電路測試波形如圖5所示，在ISP換頻信號(hào)10μs期間，AGC電壓恢復(fù)到初始值。信號(hào)到達(dá)后，對(duì)數(shù)功率檢測輸出電壓超過AGC環(huán)路起控門限，AGC電壓快速下降并穩(wěn)定。隨后AGC電壓不再隨著信號(hào)包絡(luò)發(fā)生變化，基本不會(huì)惡化接收信號(hào)質(zhì)量。

4 測試結(jié)果

圖7是室內(nèi)無線環(huán)境下，接收信號(hào)頻率在225MHz—512MHz內(nèi)隨機(jī)跳變，接收機(jī)AGC環(huán)路響應(yīng)圖。通過AGC環(huán)路閉環(huán)控制，AGC電壓隨著接收信號(hào)發(fā)生變化，調(diào)整VGA放大增益，使輸出中頻信號(hào)幅度保持恒定。在ISP換頻信號(hào)高電平有效時(shí)間內(nèi)，AGC電壓被復(fù)位到初始值，接收通道回到初始增益狀態(tài)，保證下一跳信號(hào)正常接收。

圖6 AGC環(huán)路充放電仿真圖

圖7 跳頻信號(hào)AGC環(huán)路響應(yīng)圖

5 AGC電路設(shè)計(jì)注意問題

（1）AGC環(huán)路時(shí)延影響

AGC響應(yīng)時(shí)間與VGA放大電路時(shí)延、功率檢測電路時(shí)延和AGC電壓產(chǎn)生電路時(shí)延有關(guān)。過大的時(shí)延會(huì)導(dǎo)致AGC環(huán)路不能及時(shí)響應(yīng)接收信號(hào)幅度變化，使信號(hào)包絡(luò)產(chǎn)生失真，放電時(shí)間過長，AGC穩(wěn)定時(shí)間變長。

因此，一般不建議在VGA放大電路和功率檢測電路之間使用時(shí)延較大的晶體濾波器或者聲表濾波器。例如，聲表濾波器時(shí)延一般有2μs，遠(yuǎn)大于放電時(shí)間常數(shù)τr。另外，功率檢測電壓輸出濾波電容也不能太大，其作用是濾除載波信號(hào)，以保證小的AGC環(huán)路時(shí)延。

（2）高低溫環(huán)境下的電路改進(jìn)

采用模擬電路實(shí)現(xiàn)AGC控制的缺點(diǎn)是器件參數(shù)容易受到溫度影響，溫度每變化1°C，NPN管B-E結(jié)電壓Vbe變化2mV。在溫度-40°C～+85°C范圍內(nèi)將變化±0.15V，這將導(dǎo)致起控點(diǎn)變化，若設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致中頻輸出幅度超出A/D處理范圍。其解決辦法是設(shè)計(jì)好AGC環(huán)路起控點(diǎn)，常溫時(shí)輸出中頻信號(hào)幅度在A/D輸入范圍中間，兼顧高低溫下中頻信號(hào)輸出幅度。

（3）低信噪比情況改進(jìn)

由于模擬中頻濾波器矩形系數(shù)的影響，在低信噪比情況下，進(jìn)入檢測芯片的噪聲能量高于有用信號(hào)，對(duì)數(shù)功率檢測器輸出電壓被噪聲調(diào)制，AGC電壓控制VGA時(shí)破壞了放大信號(hào)包絡(luò)。其解決辦法是通過提高AGC環(huán)路起控門限，在靈敏度電平附近，AGC環(huán)路不起控，利用A/D器件的動(dòng)態(tài)范圍，A/D采樣數(shù)字濾波后，進(jìn)行數(shù)字AGC處理。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)優(yōu)良、性能完善的AGC電路是接收機(jī)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。由AD8367、AD8362和MMBT2222組成的簡單模擬電路實(shí)現(xiàn)了跳頻信號(hào)接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)。通過增加AGC電壓復(fù)位電路，解決了跳頻通信AGC頻率選擇性問題，針對(duì)AGC電路在溫度變化和低信噪比情況下的工作情況提出改進(jìn)方案。AGC電路具有動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定時(shí)間短、信號(hào)失真小等特點(diǎn)。

[1] 高吉祥,黃智偉,陳和,等. 高頻電子線路[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.

[2] 張玉興. 射頻模擬電路[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.

[3] 徐曉夏,陳泉林,鄒文瀟,等. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008.

[4] 陳洪亮,田社平,吳雪,等. 電路分析基礎(chǔ)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

[5] 耿新濤,王鳳. 寬帶數(shù)字接收機(jī)AGC設(shè)計(jì)方法分析[J]. 無線電工程, 2007(10): 37-20.

[6] 王會(huì). 面向衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)應(yīng)用的自動(dòng)增益控制環(huán)路設(shè)計(jì)[D]. 成都: 電子科技大, 2009.

[7] 徐興福. ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2009.

[8] Analog Device Inc. AD8367 datasheet[Z]. 2001.

[9] Analog Device Inc. AD8362 datasheet[Z]. 2004.

[10] Fairchild Semiconductor Corporation. MMBT2222 datasheet[Z]. 1998.★

梁衛(wèi)祖：通信工程師，學(xué)士畢業(yè)于電子科技大學(xué)微電子技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任職于廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，主要從事射頻/微波電路設(shè)計(jì)。

卿劍：通信工程師，碩士畢業(yè)于湖南大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)任職于廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，主要從事射頻/微波電路設(shè)計(jì)。

AGC Design of Frequency Hopping Communication Receiver

LIANG Wei-zu, QING Jian
(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663, China)

A design of AGC (automatic gain control) suitable for frequency hopping (FH) communication receiver was presented. The design, which was implemented on simple analog circuit, had been applied FH communication receiver with 225MHz—512MHz, symbol rate 200k Bd/s, 8PSK modulation and FH rate 1 000hop/s. According to the analysis on AGC characteristics of FH communication receiver, AGC and its circuit implementation were described in detail.

automatic gain control variable gain amplifi er 8 phase shift keying(8PSK) frequency hopping communication

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.015

TN924

A

1006-1010(2015)14-0073-05

梁衛(wèi)祖,卿劍. 跳頻通信接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(14): 73-77.

2015-06-29

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn