0 引言

    在无线电波传输过程中，由于信道环境及接收条件的不同，接收机收到的信号强度差异很大^[1]。同时，在非恒包络突发通信中，接收机收到的信号不连续，信号包络中携带了有用信息。因此，接收机的AGC设计需要同时满足动态范围大、响应速度快、引入信号失真小的要求，同时输出信号幅度还需满足后端ADC的动态范围及数字信号处理的要求^[2]。在接收机的AGC设计中，响应速度是其中最关键的技术指标，响应速度太慢或者太快都会引起信号的失真。如果AGC环路的响应速度太慢，则接收机输出信号的电平无法跟上输入信号电平的变化，信号会产生非线性失真，或者信号幅度超过了ADC的动态范围而引起误码；如果AGC环路的响应速度太快，其调整速率超过了信号的调制速率，AGC环路会使信号产生寄生幅度调制，破坏信号原有的包络，导致信号失真^[3]。因此，在实际的工程应用中，通常需要根据实际情况进行仿真及测试，以找出AGC环路的最佳响应时间，或者通过选择几组不同的响应时间，来应对不同的应用场合^[4]。

1 传统AGC的局限

    AGC是典型的闭环负反馈控制系统，用输出信号与参考信号之间的误差来调节可变增益放大器的增益，使得当输入信号电平发生变化时，输出信号的电平能基本保持恒定。不论是模拟AGC还是数字AGC，虽然其具体实现方式各不相同，但是其基本原理及构成均相同，如图1所示，都是由输出信号检测、误差信号产生和可控增益放大三部分组成^[5]。其中，误差信号产生电路是整个AGC环路的核心部分，AGC的响应时间就是由该部分电路中环路滤波的时间常数决定的。

    图2将突发通信中的帧结构概括地分为两个部分组成^[6]：保护码（时间为t₀）和信息码（时间为N×t₁，其中t₁为单个符号时间）。

    从上一节的论述可知，为了使接收机输出信号的电平及时跟上输入信号电平的变化，AGC环路的稳定时间τ应当小于保护时间t₀；同时，为了避免AGC环路引入寄生调制导致信号失真，AGC环路的稳定时间τ又必须远大于调制信号的单个符号时间t₁。当突发信号的帧结构满足条件t₁<<t₀时，AGC环路稳定时间τ的选择只需满足t₁<<τ<t₀即可，这时传统的AGC环路设计是可行的。但是当突发信号帧结构中的t₀和t₁相差不大时，由于传统模拟AGC环路的响应时间单一，最佳稳定时间τ_opt很难或者无法选取出来。为此，本文提出了一种适用于突发通信的变速模拟AGC电路，以解决突发信号保护时间短和符号速率慢之间的矛盾。

2 变速AGC的原理及设计

    变速AGC的工作原理是接收机在进行突发通信时，AGC环路能够根据信号的时域特点实时地进行响应速度切换，其响应特性如图3所示。

    当突发信号到达之前，AGC环路工作在慢环状态。当突发信号到达时，信号电平快速上升并超过预设的门限值V_t，此时AGC环路立即切换到快环状态，其目的是使输出信号及时跟踪输入信号的变化，在保护时间内快速达到稳定，保证后续有用数据的无损接收。当信号电平被稳定到期望值V_s后，AGC环路又切换到慢环状态，并一直保持到有用数据接收完毕，缓慢的AGC响应速度能保证有用数据传输期间不会发生寄生幅度调制而引起信号失真。当本次突发信号结束时，AGC环路再由慢环状态切换为快环状态，使接收机增益能快速放开。待接收机增益放开后，AGC环路又由快环状态恢复到最初的慢环状态，确保接收机稳定工作并等待下一个突发信号的到来。当下一个突发信号到达时，AGC环路重复以上响应流程，周而复始。

    从以上的描述可以看出，这种自适应变速AGC方案的控制流程可以大致划分为以下四个阶段：

    (1)阶段一：突发信号到达前，慢速等待；

    (2)阶段二：突发信号到达时，快速稳定；

    (3)阶段三：有用信息传输时，慢速保持；

    (4)阶段四：突发信号结束后，快速释放。

2.1 阶段一：慢速等待

    变速AGC电路的原理图如图4所示。

    电阻R2及R3将+5 V电压分压得到触发快环的预置门限值V_t，并将其加到运放N1A的正向输入端（第3脚）上，当突发信号到达之前，加在运放N1A反向输入端（第2脚）上的检波电压比V_t小，因此N1A的第1脚输出约+5 V的正电压，使二极管V1处于反偏截止状态。此时N1B的正向输入端（第5脚）上的电压为0 V，其反向输入端（第6脚）上的电压则由负电源-5 V、电阻R4及R5决定，将其设置为一接近于0 V的负电压，因此N1B的第7脚也输出约+5 V的正电压，使二极管V2处于反偏截止状态。此时，+5 V的电压通过电阻R6加到模拟开关S1的控制脚上，将其置为断开状态，电阻R8被断开。此时AGC环路滤波电路的时间常数由阻值较大的电阻R7和电容C1决定，AGC工作在慢环模式。

2.2 阶段二：快速稳定

2.2.1 快速响应

    当突发信号到达后，随着信号电平从无到有，检波电压迅速上升并超过V_t，因此运放N1A的输出脚（第1脚）的电压发生反转，由+5 V变为-5 V，使二极管V1由反向截止状态变为正向导通状态。此时N1B的正向输入端（第5脚）上的电压比反向输入端（第6脚）上的电压低，因此其输出脚（第7脚）输出约-5 V的负电压，使二极管V2处于正向导通状态。此时，一个负电压加到模拟开关S1的控制脚上，将其置为闭合状态，阻值较小的电阻R8被接入环路滤波电路，与R7并联，由于R8的值远小于R7，因此并联后AGC环路的时间常数大大减小，AGC切换为快环模式。

2.2.2 延迟切换

    在图4中，由C2、V3、R9和R10组成的AGC速度切换迟滞电路尤为关键，该电路保证了AGC环路在信号稳定前始终处于快环模式。如图3所示，如果没有该电路，当信号电平快速起控并减小至预置门限值Vt以下时，AGC环路会立即切换回慢环模式。由于此时信号仍未降到由电阻R12和R13分压所设置的期望值V_s，信号电平从V_t下降到V_s这段时间，AGC环路会工作在慢环状态，其稳定时间变长（如图3中粗虚线所示），无法达到快速稳定的目的。

    有了图4中的迟滞电路，当AGC工作在快环模式时，运放N1A第1脚上的电压为-5 V，此时V1为正向导通状态，电容C2左侧引脚上的电压约为-5 V。当检波信号电平降低至V_t以下时，运放N1A第1脚上的电压变为+5 V，此时V1变为反向截止状态，电容C2所存储的电荷开始通过电阻R9和R10放电，于是N1B的第5脚上的负电压不会立即消失，而是会随着C2的放电逐渐上升。在这段时间内，N1B第5脚上的电压仍然比其第6脚上的电压低，因此第7脚会保持-5 V的负电压，使模拟开关S1处于闭合状态，从而保证AGC仍然工作在快环模式。同时在这段时间内，信号电平从预置门限值Vt成功下降到了期望值Vs，完整地实现了AGC的快速稳定功能。当电容C2放电结束后，运放N1B第5脚上的电压升高至0 V，超过第6脚上的电压，此时N1B第7脚输出+5 V高电平，使模拟开关S1处于为断开状态，从而使AGC切换至慢环模式。

2.3 阶段三：慢速保持

    当突发信号稳定后，在其有用数据传输过程中，信号幅度始终被稳定控制在期望值V_s处，AGC环路一直工作在慢环模式。由于慢环模式时AGC环路的响应速度远远低于调制信号的符号速率，因此AGC环路不会引起寄生幅度调制，信号也就不会产生额外失真。

2.4 阶段四：快速释放

    当突发信号结束时，后端软件会送出一个脉冲信号，使AGC环路的状态再次发生变换。当脉冲前沿（下降沿）到达时，模拟开关S2由断开状态变为闭合状态，运放N2A的反向端（第2脚）上的电压被拉低并小于正向端（第3脚）上的电压，因此N2A的输出脚（第1脚）上的电压由-5 V变为+5 V，进而电容C3右端的电压由-5 V变为+5 V，此时三极管V4由截止状态变为饱和导通状态，电阻R11与-5 V连接并被接入由N2B、C1及R7组成的AGC环路滤波电路中，由于R11的阻值较小，AGC环路滤波电路的时间常数显著变小，AGC快速释放使接收机增益迅速增大。当脉冲后沿（上升沿）到达时，三极管V4由饱和导通状态变为截止状态，电阻R11与-5 V电压断开并脱离AGC环路滤波电路，AGC环路由快环（释放）状态变为慢环（等待）状态，等待下一次突发信号的到来。

    这样，该AGC电路根据突发信号的时域特性周而复始地完成对信号的慢速等待、快速稳定（快速响应、延迟切换）、慢速保持及快速释放过程。

3 测试验证

    通过搭建如图1所示的系统来验证本文提出的变速AGC电路的性能。其中，可控增益放大器选用两级Analog Devices公司的压控可变增益放大器（VGA）芯片AD8367，输出信号耦合一路送给Linear Technology公司推出的检波芯片LT5537，产生的检波信号送给图4所示的AGC环路进行误差电压产生，最终产生的电压控制两级AD8367完成增益控制^[7]。

    该系统的输入信号为70 MHz的突发数字调制信号，该信号采用符号速率为50 kS/s的8PSK调制，突发周期5 ms，其中有用信号持续时间为4 ms。其希望达到的技术指标为：

    (1)AGC起控时间：≤40 μs（相当于2个符号时间）；

    (2)AGC释放时间：≤80 μs（相当于4个符号时间）；

    (3)矢量误差幅度（EVM）：≤2%（稳定后）。

    用示波器及实时频谱分析仪对以上3个指标进行测试，以评估该AGC电路的性能。

3.1 AGC起控时间测试

    当突发信号到达时，输出信号及控制电压的时域响应如图5所示。图中，通道3为输出信号，通道4为AGC环路输出的误差信号（即VGA的控制电压），通道1为快、慢环切换控制信号（即图4中二极管V2和电阻R6间的测试点）。从图5中可以看出，当突发信号到达并超过一定幅度时，AGC立即切换为快环模式，控制电压迅速降低，使输出信号电平迅速减小到期望的稳定值；同时，合理的迟滞电路保证了当信号稳定后，AGC正好从快环模式切换回慢环模式。从图中可以看出，AGC稳定时间约为30 μs，成功实现了快速稳定。

3.2 信号质量测试

    由于突发信号采用了符号速率为50 kS/s的8PSK调制，其单个符号时间t₁为20 μs。如前所述，稳定后AGC的响应时间τ必须远大于20 μs，才能保证信号质量不恶化。实际该AGC电路将慢环时间常数设置为快环时间常数的1 000倍，即慢环AGC的响应时间约为30 ms，远远大于20 μs。

    图6示出了最终输出的信号质量（EVM）测试。从图中可以看出，输出信号的EVM测试值为0.715%，证明AGC电路未对信号质量产生恶化。

3.3 AGC释放时间测试

    当突发信号结束时，一个脉冲触发信号将AGC由慢环模式切换为快环模式，使接收增益能迅速放开，准备下一帧信号的接收。此时输出信号的响应测试结果如图7所示。从图中可以看出，突发信号结束后，控制电压迅速升高，约30 μs时间内即完成AGC及接收增益的释放。

3.4 测试结果对比

    用同样的测试方法，对传统AGC电路进行相同的指标测试，其对比测试结果如表1所示。

    从以上测试结果可知，本文提出的变速AGC方案成功实现了快速稳定和释放，同时引入失真小，完全满足设计要求。而传统AGC方案要么引入失真较大，要么稳定和释放时间太长，无法满足突发通信的要求。

4 结论

    本文针对非恒包络突发通信系统，提出了一种变速AGC设计方案。与传统AGC设计相比，本方案增加了快速AGC响应触发电路、AGC速度切换迟滞电路、快速AGC释放电路，使得AGC环路能够根据突发信号的帧结构特点，实时地进行响应速度切换。实测结果表明，该AGC电路具有稳定时间短、信号失真小、释放速度快等特点，非常适合应用于突发通信特别是非恒包络突发通信系统。

参考文献

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