约束时间常数大动态数字AGC的设计

谌 波， 周 劼，王世练

（①中国工程物理研究院 电子工程研究所, 四川 绵阳 621900;②国防科技大学 电子科学与工程学院, 湖南 长沙 410073）

0 引言

通信距离的变化、发射功率不等或反射面积变化等都可能造成接收端得到的功率起伏不定，为保证中频数字接收机中A/D的动态范围和精度，要求AGC的动态范围大，即从可变增益放大器的输出中提取幅度并反馈控制其增益，使其输出信号电平基本保持恒定[1]。可控动态范围和时间常数是AGC的两个关键指标，动态范围即接收信号幅度变化的大小，时间常数通常指 AGC控制变化到稳定的上升时间的70%。在很多测控和通信系统中信号的瞬态响应的不稳定特性将对系统造成不必要的影响[2-3]，因此AGC时间常数的研究具有相当的必要性。

数字AGC的功能与模拟AGC一样，实现结构如图1所示[4-6]，其中内部AGC指输入信号在接收机的A/D动态范围内变动时使输出信号保持稳定，而整个AGC的动态范围和时间常数主要取决于由数字反馈控制和可变增益放大器（VGA，Variable Gain Amplifier）构成的“外部AGC”。

根据某单通道单脉冲数字跟踪接收机对AGC的动态范围、时间常数等特殊设计要求，现研究了约束时间常数下大动态数字AGC设计方法，给出了AGC数字控制环路的时间常数计算方法，仿真验证了数字AGC的可靠瞬态工作特性，即AGC的时间常数在其动态范围内几乎不随输入信号幅度大小改变而变化。

1 原理与设计

模拟AGC是由检波器，滤波器，积分器及压控放大器（VGA）组成，其动态范围一般能够满足数据输入要求，但是模拟AGC的环路时间常数通常不能够做的过高（一般小于10 ms）。采用图1所示的数字AGC可以有效地解决上述问题，即通过数字反馈控制模式利用模拟VGA实现大输入动态范围的同时，在数字器件中完成检波处理和环路滤波实现对时间常数的精确控制。

1.1 恒定时间常数的模拟AGC

文献[1]给出了实现恒定时间常数的模拟 AGC电路，如图2所示。

图2 恒定时间常数AGC的设计原理

整个电路由对数放大器、指数放大器、积分器等几部分组成，虚线框对应的环路输出方程为：

对其求导，得：

取：

可以得到恒定时间常数为[1]：

通过调整MG 的大小即可改变时间常数。

1.2 数字AGC

基于模拟VGA和数字增益控制环路的AGC实现原理如图3所示。

参照图2，指数放大器由VGA代替，数字信号处理完成取对数和滤波积分。设采样间隔为 Ts，环路滤波器增益为kp，VGA放大器的增益由式（3）计算，得到AGC的时间常数为：

式中，N为统计窗长。

图3 数字AGC实现原理

2 仿真结果

计算机仿真参数如下：VGA的控制系数为0～120，动态范围为60 dB，控制步进为0.5 dB，得到 kG1= 0.0576；采样时钟为40 MHz，信号中频载波频率为70 MHz，检波后增益 kr2= 0 .015；环路滤波器增采用2阶切比雪夫I型滤波器，参数为 r = 0 .5，wn= 0 .1。

图4给出了取环路滤波器增益 kp= 0 .0586时AGC的输入、输出信号波形，其中统计窗长度 N=100，由式（5）计算得到AGC的时间常数为0.05 s，通过图4(b)可以看出，所得到的时间常数与设计值基本吻合。

图4 AGC的瞬态工作情况

通过改变pk可以得到不同的时间常数值，图5给出了不同输入信号幅度跃变时实测AGC时间常数的变化情况，随输入信号幅度的跃变，AGC的时间常数基本保持恒定。

图5 输入信号幅度变化对AGC时间常数的影响

3 结语

文中分析了约束时间常数下大动态数字AGC设计方法，给出了AGC数字控制环路的时间常数计算方法，通过计算机仿真验证了约束时间常数下数字AGC的可靠瞬态工作特性。相关研究结论为恒定时间常数数字AGC的设计提供了有效的理论支撑，该设计框架已应用于某单通道单脉冲数字跟踪接收机的FPGA实现。结果表明所设计AGC系统有效可靠。

[1] KHOURY J M. On the Design of Constant Settling Time AGC Circuits[J]. IEEE Tansactions on Circuits and Systems. 1998,45(03):283-294.

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