一种大动态范围快速闭环的AGC电路设计

梁 军，覃 周

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

由于接收机与发射机的距离随机变化，通信频点也是随机变化，因此接收机的接收信号幅度变化很大，形成所谓的“远近效应”。为了准确接收发射机发送的信号，必须要使用自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）电路[1,2]。在接收到弱信号时，接收机要对其进行放大，保持其信噪比不恶化，保证进入解调器或模数（Analog to Digital，AD）芯片输入端的信号幅度达到最小门限值，信噪比满足解调门限；在接收到强信号时，接收机要对其进行衰减，使其幅度小于解调器或AD芯片的最大输入门限，信噪比满足解调门限，保证解调器和AD芯片正常工作[3-5]。

超短波电台工作在225～512 MHz频段，接收信号范围为-120～+10 dBm，而综合业务单元AD芯片的输入信号幅度为-50～+5 dBm，因此其要求信道接收最大增益为70 dB，最小增益为-5 dB，AGC控制范围为-5～+70 dB。接收大信号时，接收机前端电路不能产生过大的互调分量，而且电台跳频接收时要求AGC闭环时间较短。超短波电台跳频速率为1 000跳/s，每跳的时间为1 ms。AGC的闭环时间越短，有用信号的时间越长，通过减少AGC的闭环时间，能够提高信号的传输效率[6,7]。

1 AGC控制系统

在通信系统中，常用的AGC系统有反馈型、前馈型以及自适应型等形式。

1.1 反馈型AGC

反馈型AGC结构如图1所示。

图1 反馈型AGC结构

输入信号经可变增益放大器放大后输出，在输出端耦合一部分信号送入峰值检波器中。峰值检波器根据耦合信号的大小输出相应的检波信号，经低通滤波器滤除干扰信号后再送回可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA）中，用该信号来控制VGA的增益，使输入信号变化时输出信号基本保持不变，形成1个负反馈系统[8]。

1.2 前馈型AGC

前馈型AGC结构如图2所示。

图2 前馈型AGC结构

将输入信号分成2路，一路送入VGA放大，另一路进入峰值检波器。峰值检波器将射频信号转化为直流信号，通过低通滤波器滤除干扰信号，再控制VGA的增益。前馈型AGC最大的特点是响应迅速，其信号检测与增益控制并行。由于前馈型AGC不会形成反馈环路，也没有稳定性的要求，因此可以处理较大的信号变化，但闭环的精度相对反馈型AGC稍差一些。

1.3 自适应型AGC

自适应型AGC特别适用于时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）突发通信系统，接收机存储了上一帧相应时隙的接收信号电平强度记录，在当前帧对应时隙突发数据来时，送入可变增益放大器的增益控制电平就由上一帧接收信号电平强度得到。通常在平稳的TDMA通信环境中，信号衰落的深度不会太严重，衰落频率与帧时间相比也并不高，有时为了更加精确会采用少量的瞬时反馈，以抵消控制电平引起的幅度误差[9,10]。

以上3种AGC控制方式各有优缺点：第1种方式实现比较简单，但在跳频系统中对AGC的闭环时间要求高；第2种方式闭环速度快，但闭环精度受限；第3种方式对闭环速度要求低，但其实现较复杂，信号衰落严重的通信环境中闭环精度不高。通信系统AGC设计时，要根据实际需求选择AGC的种类。

2 AGC控制的实现方式

采用反馈型AGC结构，设计一个大动态范围快速闭环的AGC控制电路。图3为电台射频接收链路框架。

图3 电台射频接收链路框架

采用二次变频超外差结构，接收通路含3个接收功率检测点和4处AGC控制点。当接收信号为微弱信号时，AGC控制全部不起控，信道增益最大；当接收信号逐渐增大时，4处AGC控制点逐渐起控。在接收通路上，4处AGC控制具体控制策略如下。

（1）在检测点1处进行射频检波，现场可编程逻辑门阵列（Filed Programmable Gate Array，FPGA）控制AD芯片对检波得到的模拟信号采样，根据采样值控制数模（Digital to Analog，DA）芯片输出1个直流电压来控制可变增益放大器AD603。通过控制可变增益放大器的控制电压，使其增益在-11～31 dB内变化。

（2）在检测点2处进行射频检波，FPGA控制AD芯片对检波得到的模拟信号采样，根据采样值来控制AGC2的电子开关。电子开关能控制接收信号经过有20 dB增益的通道和直通通道，通过2个通道的切换实现20 dB的增益变化。

（3）在检测点3处进行射频检波，FPGA控制AD芯片对检波得到的模拟信号采样，根据采样值来控制AGC3的电子开关。电子开关能控制接收信号经过有20 dB增益的通道和直通通道，通过2个通道的切换实现20 dB的增益变化。

（4）第一级接收放大器前有1个限幅器，该限幅器最大能承受功率为1 W的信号。将进入第1级放大器的射频大信号钳位到7 dBm左右，防止信号过大损坏第1级放大器。

当所有AGC信号全部起控时，该AGC电路的最大衰减达到82 dB，满足大于75 dB的要求。AGC起控时，先起控第1级AGC，当信号逐渐增大时再依次起控第2级、第3级、第4级AGC。当信号逐渐变小时，先释放第4级AGC，再依次释放第3级、第2级、第1级AGC。

当信道的射频信号幅度快速变化时，检测点的射频信号幅度和射频检波芯片输出信号幅度也会快速变化，滤波电容太大会影响射频检波芯片输出信号幅度的快速变化，太小又会影响对干扰信号的抑制能力。基于此，在DA芯片输出与AD603输入间加入1 nF的滤波电容，既能滤除DA芯片输出信号中的干扰信号，又不会影响DA芯片输出信号的快速变化。此外，AD采样芯片的采样率要足够高，这样才能将快速变化的检波输出信号结果及时传递给FPGA进行处理。

3 AGC实测效果分析

将不同频点、不同输入幅度的射频信号输入到电台的天线口，用频谱仪测试输入到数字板的中频信号幅度。选取225 MHz、350 MHz、512 MHz的频点作为测试点，测试结果如表1所示。

表1 AGC实测结果 单位：dBm

由表1可知，当射频输入幅度为-120～+10 dBm时，输出中频信号的幅度为-50～0 dBm，满足数字板AD芯片输入信号幅度为-50～+5 dBm的要求，AGC的动态增益范围为-10～+70 dB。

4 结 论

简要介绍了AGC电路的分类和工作原理，采用反馈型AGC结构设计了一个大动态范围快速闭环的AGC控制电路。经过测试，该AGC控制电路的增益控制范围为-10～+70 dB，闭环时间为30 μs，能够广泛应用于各种定频、跳频通信场景。