井永成 尹軍艦 李仲茂 唐舸宇 冷永清

關(guān)鍵詞： 自動增益控制; Matlab?Simulink模型; 環(huán)路設(shè)計; 高動態(tài); 時域模型; 功率域模型

中圖分類號： TN108+.4?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）06?0083?05

Abstract： A complete automatic gain control （AGC） loop model based on the Matlab?Simulink is constructed and verified. The model can analyze the AGC control process from two respects of time amplitude and power amplitude， and well display and predict the loop feature， so as to conveniently evaluate whether the AGC loop can meet the requirements of the system. With the assist of the model， a high dynamic AGC loop with its input dynamic range of –72～–12 dBm and output dynamic range of –19.7～–19.2 dBm is implemented， taking the variable gain amplifier， radio detector， analog?to?digital converter， digital?to?analog converter and field programmable gate array （FPGA） as core devices. The output power difference of the loop simulation and actual test is less than 1.3 dB， and the control time processes are consistent， which indicates that the simulation results of the AGC loop are basically consistent with its actual test results.

Keywords： automatic gain control; Matlab?Simulink model; loop design; high dynamic; time?domain model; power?domain model

0 ?引 ?言

隨著接收機與信源間距離遠近的變化，天線端接收到的信號功率具有很大的波動[1?2]。為使基帶能夠正確解調(diào)信號，接收機前端需根據(jù)輸入信號的強度自動調(diào)整其增益，從而得到電平相對穩(wěn)定的輸出信號，這項功能是由系統(tǒng)中的自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）環(huán)路實現(xiàn)的。

在AGC環(huán)路中，環(huán)路結(jié)構(gòu)和算法是影響AGC環(huán)路性能的重要因素，因此如何保證算法和環(huán)路結(jié)構(gòu)的有機統(tǒng)一，是實現(xiàn)高性能AGC的難點。針對以上問題，相關(guān)文獻利用Matlab?Simulink建模仿真的方式來搭建電路結(jié)構(gòu)，驗證算法的合理性，進而評估整個通信系統(tǒng)乃至AGC環(huán)路的性能[3?5]。該方法可以從原理上對算法進行驗證，且算法的修改靈活、簡便。然而之前的工作僅涉及算法仿真，沒有在實際電路調(diào)試中體現(xiàn)出應(yīng)用價值。本文基于Matlab?Simulink建立一種新的AGC模型，該模型從理論上分析AGC環(huán)路的性能，提取關(guān)鍵參數(shù)，并將該關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)用于實際電路調(diào)試，極大地縮短了調(diào)試周期。

1 ?構(gòu)建AGC環(huán)路

AGC環(huán)路可由模擬器件構(gòu)成，也可由數(shù)字、模擬器件混合構(gòu)成，本文分析的數(shù)/模混合構(gòu)建的AGC環(huán)路，由檢波器、可變增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA）和ADC，DAC等電路元件構(gòu)成。如圖1所示，輸入信號經(jīng)過兩級相同的VGA放大后，通過耦合器向檢波器饋入適當電平的信號，檢波器的輸出電壓VDET由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由AGC算法單元進行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果決定DAC的輸出電壓，從而控制VGA的增益。其中：IFin為輸入信號;IFout為輸出信號;VG為VGA的控制電壓;VDET為檢波器輸出電壓。

2 ?AGC環(huán)路模型

隨著電路結(jié)構(gòu)的確定，電路中各個元件的選擇，以及元件與AGC算法的匹配問題成為能否實現(xiàn)AGC環(huán)路的關(guān)鍵。所以，需要對各個元件的通用模型建模，模擬實際電路，以降低實際電路的研發(fā)成本，提高效率。

基于AGC環(huán)路結(jié)構(gòu)和各部分的特性構(gòu)建了圖2所示的AGC時域模型，其中模塊1～模塊4分別為AGC輸入信號發(fā)生器、可變增益放大器模型、功率檢測器的模型以及AGC的算法模型。工作原理如下：通過AGC輸入信號發(fā)生器生成脈沖型的包絡(luò)信號，該信號經(jīng)可變放大器增益模型VGA1和VGA2放大后，由功率檢波器模塊檢測被放大后的信號功率，并將檢測值送入AGC算法模塊進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果決定VGA1和VGA2的控制電壓，進而控制增益，達到調(diào)整信號幅度的目的。

輸入信號發(fā)生器利用不同幅度的正弦波與不同相位的方波做點乘、疊加運算可模擬周期性變化的功率信號，用作AGC系統(tǒng)的激勵。

可變增益放大器的增益和控制電壓的關(guān)系有對數(shù)型、線性型、指數(shù)型等，但對數(shù)型具有更寬的增益范圍[9?10]，更符合實際系統(tǒng)需求，所以本文選用對數(shù)型進行建模。

功率檢測器的模型如圖4所示，輸入信號經(jīng)過限幅器1做半波整流得到正弦波的正半周期，在經(jīng)低通濾波器得到其直流分量，該直流分量代表了輸入正弦波的幅度，又通過轉(zhuǎn)換公式模塊將電壓幅度值轉(zhuǎn)換為功率值，最后根據(jù)所采用的檢波器模型插入檢波公式得到檢波電壓值。由于檢波器輸出電壓的區(qū)間受到供電電壓與器件特性的限制，因此最后經(jīng)過限幅器2限制合理的輸出電壓范圍，得到最終的輸出VDET。

根據(jù)不同檢波器特性可知，均方根檢波器可以用于各種波形的信號功率檢測。檢波公式的輸出電壓VDET與被檢測功率Pout在正常工作區(qū)域符合式（2）的線性關(guān)系。

3 ?結(jié)果與分析

為了測試AGC模型的實際應(yīng)用效果，經(jīng)過研究，選擇相應(yīng)的VGA器件[6]和功率檢波器[7]并搭建電路進行驗證。根據(jù)所選器件特性可知，式（1）和式（2）中，k取50，b取-5，k1取0.05，b1取2.65。目標功率Paim選定為-20.5 dBm。

AGC控制過程的時域模型仿真及實測結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5可以觀察到，輸入信號為周期性的脈沖型的包絡(luò)信號，輸出信號為有周期性的窄脈沖凸起的包絡(luò)信號，VGA的控制電壓波形也呈周期性變化，且變化周期和輸入信號的周期相同，但變化趨勢和輸入信號恰好相反。隨著輸入信號的幅度由大變小，檢波電壓VDET呈現(xiàn)一個負向的不規(guī)則的窄脈沖;隨著輸入信號的幅度由小變大，檢波電壓VDET呈現(xiàn)一個正向的不規(guī)則的窄脈沖，輸出信號呈現(xiàn)窄脈沖包絡(luò)信號;其余時間、檢波電壓VDET和輸出信號均保持一個恒定值。該正負脈沖的寬度近似等同于橢圓形標注所顯示的VGA1和VGA2之間的調(diào)整時延，也近似等同于輸出信號的窄脈沖寬度。這是因為AGC環(huán)路存在響應(yīng)時間，即從檢波器檢測到輸入信號變化到VGA的控制電壓做出調(diào)整所需的時間。這期間VGA的增益保持不變，輸入信號的波動呈現(xiàn)在輸出信號和檢波電壓的波形之上。

從圖6可以觀察到，中頻輸入信號為周期性的脈沖信號，該輸入信號由矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生，其功率以800 μs為周期變化，其中400 μs功率為-10 dBm，另外400 μs功率為0。中頻輸出信號有周期性的窄脈沖凸起，VGA的控制電壓VG和輸入信號的周期相同，但是變化趨勢相反。檢波器的檢波電壓VDET的變化趨勢基本和圖5中檢波電壓波形一致，但是在功率為0的時間段內(nèi)，VDET快速下降至一個較低的電平，隨后隨著VG的升高而漸漸升高。這是因為所使用的檢波器AD8362為均方根檢波器[7]，其檢測功率為工作頻帶內(nèi)積分總功率而非峰值功率。在目標頻率兩側(cè)，噪聲也被VGA放大而具有一定功率，因此即使輸入信號為零，檢波器仍能檢測到一個非零的積分噪聲功率，且該功率隨VGA增益的增加而增大。因此，圖6中輸入功率由高變低時，控制電壓與檢波電壓出現(xiàn)了較緩慢的非理想上升過程。除此之外，兩圖所呈現(xiàn)的AGC行為基本一致，仿真和實測結(jié)果吻合。

AGC的功率域模型的仿真結(jié)果與實測結(jié)果如圖7、圖8所示。

從圖7可以觀察到，輸入信號的功率范圍為-100～0 dBm。當輸入信號的功率范圍為-79.1 ～-19.49 dBm時，輸出信號的功率被穩(wěn)定地控制在

-20.5 dBm，與所設(shè)定的目標功率值相同。當輸入信號的功率范圍為-100～-79.1 dBm時，VGA的控制電壓保持最大值，可變增益放大器保持最大增益，所以輸出信號的功率隨輸入信號功率的增大而增大。當輸入信號的功率范圍為-19.49～0 dBm時，VGA的控制電壓保持最小值，可變增益放大器保持最小增益，輸出信號的功率也隨輸入信號功率的增大而增大。在輸入信號很弱或很強這兩種情況下，輸入信號強度超出了AGC可調(diào)整的范圍。根據(jù)以上的分析，通過仿真結(jié)果，該模型可以預(yù)測實際AGC電路中調(diào)整范圍的大小和調(diào)整特性。

從圖8可以觀察到，輸入信號的功率范圍為-100～0 dBm。當輸入信號的功率范圍為-72～-12 dBm時，輸出信號的功率被穩(wěn)定地控制在-19.7～-19.2 dBm之間。當輸入信號的功率范圍為-100～-72 dBm時，VGA的控制電壓保持最大值，可變增益放大器保持最大增益，所以輸出信號的功率隨輸入信號功率的增大而增大。當輸入信號的功率范圍為-12～0 dBm時，VGA的控制電壓保持最小值，可變增益放大器保持最小增益，輸出信號的功率也隨輸入信號功率的增大而增大。在輸入信號很弱或很強兩種情況下，輸入信號強度超出了AGC可調(diào)整的范圍。

通過與圖7對比，AGC環(huán)路實際可控輸入范圍為-72～-12 dBm，這與模型預(yù)測的-79.1～-19.49 dBm具有約7 dB的平移關(guān)系，這是噪聲與檢波器的均方根特性等非理想因素導致的。另外，因濾波器等無源器件參數(shù)的改變導致通道固定衰減及耦合系數(shù)發(fā)生變化，實際的AGC電路輸出功率范圍為-19.7～-19.2 dBm，和模型預(yù)測20.5 dBm相比，最大誤差為1.3 dB;除此之外，兩圖呈現(xiàn)的AGC行為基本一致，實測結(jié)果很好地印證了仿真結(jié)果。

4 ?結(jié) ?論

本文提出一種基于Matlab?Simulink的新高動態(tài)AGC環(huán)路模型。該模型從時域和功率的角度，分析了AGC環(huán)路的動態(tài)特性。在該模型的輔助下，實現(xiàn)了一種輸入功率為-72～-12 dBm，輸出功率為-19.7～

-19.2 dBm的高動態(tài)AGC電路。該AGC環(huán)路的實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，表明該模型具有良好的預(yù)測與分析特性。

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