AGC环路分析和设计考虑

AGC环路分析和设计考虑

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章问题的提出 1\o"CurrentDocument"第二章AGC环路分析 2\o"CurrentDocument"AGC电路在通信系统中的作用 2\o"CurrentDocument"AGC环路原理分析 2\o"CurrentDocument"对AGC电路的要求 6\o"CurrentDocument"AGC系统主要质量指标分析 7\o"CurrentDocument"2.5系统的动态特性分析 82.5.1准备工作 8\o"CurrentDocument"2.5.2运动方程式的建立及状态分析 9\o"CurrentDocument"2.6模拟AGC系统的一般设计考虑 11\o"CurrentDocument"第三章数字AGC系统特点及应用举例 13\o"CurrentDocument"数字AGC系统特点 13\o"CurrentDocument"数字接收机中AGC应用举例 13第四章总结 16\o"CurrentDocument"参考文献 17第一章问题的提出自动增益控制（AGC）系统是一个在电子学领域中应用很广泛的系统，在广播，电视，通信和雷达接收机中都不可避免地要加以采用，且对它们的性能有重要影响。该系统之所以广泛用于接收机中，是由于下列原因造成的：接收机距离辐射源的距离可以有很大变化；电波在空间传播有明显的衰落现象；及其它的一些干扰因素，使作用在接收机输入端的信号强度有很大变化和起伏。但是接收机终端设备一般只能处理幅度变化不大的信号，信号过强过弱或忽大忽小都会使终端设备失效。因此，必须设置一个幅度调节系统，来保证接收机输出信号幅度的平稳性。第二章AGC环路分析AGC电路在通信系统中的作用电子设备工作时，其输出功率是随着输入信号幅度的大小而变化的，输入信号强时，设备输出功率大；输入信号弱时，输出功率小。通信条件的改变，如通信距离和频率的改变，电离层和对流层等传播条件的改变，接收机所处环境的改变等等，会使接收机输入信号有很大的差异，而且许多情况下信号强度的变化是随机的甚至是快速的。我们希望设备输出电平变化范围尽可能的小，避免过强的信号使晶体管和终端器件过载而引起非线性失真及损坏器件。因此在输入弱信号时，接收机应有很高的增益，而在强输入信号时，接收机增益应小一些。只靠人工增益控制来实现这种要求是困难的，故必须采用AGC电路。AGC电路的作用是稳定设备的输出电平，即当输入信号电平变化很大时保持设备输出电平尽量稳定，或在允许的范围内变化。此外，AGC电路还可减小由于电路参数变化引起的接收机输出电平的变化。AGC环路原理分析图（2-1）AGC环路的一般模型如上图所示，是一个直流电压负反馈系统，控制信号代表信道输出幅度检波后的直流值与参考电压之间的误差值，若输入信号幅度变化，则控制信号也随着变化，其作用是使误差减小到最小值。AGC系统从根本上说是一个非线性系统。很难得到描述系统动态特性的非线性动态方程的通解。但是，对于一些系统，可以求得系统的闭环解。对于大多数系统可以根据系统的小信号模型导出近似解。图(2-2)线性(以分贝为单位)AGC系统图(2-2)是一个能用解析法求解的线性AGC系统。在这个系统中，可变增益放大器VGA的增益为G，服从以下的控制律：TOC\o"1-5"\h\zG=Ke+逐。 (2-1)因此： V=VKe+avC (2-2)匕，匕表示输入输出信号的包络幅度，气是一个常数，a是VGA的一个常量因子，对数放大器的增益V=lnV=lnKV。控制电压V=F(s)(V-V)=F(s)(V-lnKV) (2-3)K2为包络检波器的增益，F(s)为滤波器的传递函数。由(2-2)式得到lnV=aV+lnKV (2-4)控制电压为：aV=lnV-lnKV (2-5)即：lnV[1+aF(s)]=lnV.+aF(s)V+lnK-aF(s)lnK2 (2-6)

因为我们只对输入输出之间的关系感兴趣，则令K1=K2=1,得到对输入信号的响应为：(2-7)lnV[1+aF(s)]=lnV.+aF(s)V(2-7)因为由对数运算有下式关系：lnV=2.3%lnV=2.3%V所以，可得到下式：2.3 一 lnV=20V=0.115V(dB)令eo和分别表示以分贝为单位的输出和输入，则:_e 8.7aF(s)Vo1+aF(s) 1+aF(s)(2-8)(2-9)(2-10)因此，只要给出的输入量和输出量以分贝为单位表示，则具体的AGC电路便可以用线性微分方程来描述。该AGC系统就可以用如下图所示的线性负反馈系统等效方框图来描述。图(图(2-3)线性(以分贝为单位)AGC系统等效方框图图(2-3)中，环路的动态特性由滤波器的传递函数F(S)和可变增益放大器的系数a来描述。由于环路带宽必须受到限制，使它对存在于输入信号的任何幅度调制不作出响应，所以F(S)必须是低通滤波器。环路的稳定性取决于滤波器的阶数和环路增益。随着输入幅度的变化而产生的输出稳态增益为：Ae=△匕 (2-11)。1+aF(0)式中F(0)为滤波器的直流增益。应该使增量Ae°随输入幅度的变化尽可能小。为达到这一目的，应使直流环路增益尽可能大。°能够运用在此系统中的最简单的F(S)是一阶低通滤波器，且它的传递函数被定义为：(2-12)式中，K是滤波器的直流增益，B是滤波器的带宽，那么直流输出增益特性为：(2-13)则该线性AGC系统总的直流输出是:(2-14)_e 87VaK(2-14)o-1+aK1+aK从中可以看出若环路增益aK远大于1，则该线性系统的输出e几乎总等于8.7V，即输出幅度只与参考电压成正比，输入端的稳态改变被大大的减小了。含r有参考电压的AGC环路，称为延迟AGC。延迟AGC并不是指带宽的限制而延迟了增益控制，主要是指AGC环路包含有参考信号。简单的AGC环路里不含有参考电压，这在一般低要求的接收机中是常见的。具有一阶低通滤波器环路的AGC闭环传递函数为：AS+1Ae=1+^•——B (2-15)B(1+aK)+1对于所有的aK>0的闭环极点总在左半平面，所以这个系统基本是稳定的。闭环系统频率响应的幅频响应图如下图所示。为了对输入信号幅度变化作出响应，AGC环路应具有高通滤波器特性，即在高频时，AGC的作用很小。对于幅度调制信号，角频率气应低于最低调制频率®M：气=B(1+aK)sm (2-16)

图（2-4图（2-4）线性AGC系统的频率响应这意味着滤波器带宽要比最低调制频率小得多，其原因是负反馈增大了闭环带宽。如上所述，为了保持输出电平尽可能的恒定，应该保持尽可能大的直流环路 一.、、- 一 1 增益。一种方法是米用积分器作为滤波器，即F（s）=—（t=RC，是环路滤波的ST时间常数）。理想的积分器对直流的增益为无穷大，因此稳态输出幅度不会随着输入幅度的慢变化而变化。这种滤波器的输出为：(2-17)(2-18)（）e（s）st+8.7Vao st+ast+a(2-17)(2-18)在输入恒定时，稳态输出仍与参考电压成正比，即一小8.7Vlime(t)= rt—3° T2.3对AGC电路的要求（1）控制范围要大AGC电路的控制范围是指输出电平在规定范围内变化时所允许的输入信号电平的变化范围。输出电平变化一定时，相应的输入信号电平变化范围越大，则说明AGC的性能越好（2）信号失真要小AGC电压改变放大器增益时可能引起放大器工作状态，输入输出阻抗等发生变

化，由此引起的放大器输出信号的线性失真和非线性失真要尽可能地小。（3）响应时间要合适从输入信号电平开始变化到放大器增益作相应变化这一段时间，称为AGC电路的响应时间。常用AGC电路的时间常数，=RC来表示。响应时间越短，则AGC电路越能在输入信号电平快速变化时有效地稳定输出电平。但响应时间过短会带来其他问题，如接收等幅报信号时易产生点划不清而造成误码。一般来说，接收话音或调幅信号时，取0.02〜0.2s，接收等幅报时t取0.1〜1s。2.4AGC系统主要质量指标分析（1）环路增益的动态调节范围AGC系统中常用的质量指标是静态调节特性，静态调节特性是指：在恒定幅度的输入信号作用下，AGC系统的稳态输出电压幅度与输入电压幅度之间的函数关系，即U=GxU。G是受控放大器的电压增益，此特性与受控放大器的幅度特性是完全等同的，图（2-5）是此特性的一般形状。由图可得AGC开始起作用的最小输入信号幅度U（称为起控电平）和相应的输出信号幅度U，AGC失去作用的最大输入信号幅度™.（称为失控电平）和相应的输出信号幅度3"。图（2-5图（2-5）延迟式AGC静态调节特性输入信号电压的动态范围D=U"max或D（dB）=20lgD，输出信号电压的动态范srmin围D=Uemax围D=Uemax或D(dB)=20lgD,scminDsc器在起控点上的增益Gmin=择…，则压缩系数

srmin器在起控点上的增益Gmin=择…，则压缩系数

srminmaxUsrminC=Gmax。AGC的压缩系数恒等于受控放大器在增益调节过程中放大量的相对变化倍Gmin数。压缩系数也常以分贝数表示，即，理想AGC系统的D=1，因而其压缩系数等于sc

输入信号电压的动态范围。在实际的AGC系统中恒有C<D。（2）响应时间AGC电路是通过对可控增益放大器的控制来实现对输出信号振幅变化的限制，而增益的变化又取决于输入信号振幅的变化。因此，要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度，又不会出现反调制现象，这就是响应时间特性。对AGC电路的响应时间长短的要求取决于输入信号振幅的类型和特点。根据响应时间长短分别有慢速AGC和快速AGC之分。而响应时间长短的调节由环路带宽决定，主要是低通滤波器的带宽。低通滤波器带宽越宽，则响应时间越短，但容易出现反调制现象。（3）环路的稳定时间AGC环路稳定时间是指输入信号强弱变化时AGC环路输出稳定的时间，是表征AGC环路的关键指标之一。稳定时间的设计需要综合考虑通信系统工作频段的衰落特性，电磁环境，通信体制（信息传递速率，调制速率，信号功率变化频率）等因素。一般在满足平滑衰落的条件下，稳定时间要远大于信息的调制速率，小于该通信体制定义的功率变化频率，不能太短也不能太长，以免因为稳定时间太短使环路随输入信号的包络变化过快而引起频率失真导致误码；或因为太长而跟不上环路输入信号电平的变化，造成输出信号幅度超过AGC的幅度范围而引起误码。为了求得稳定时间，必须求得系统的动态运动方程式，运动方程式与输入信号有关。AGC环路的稳定时间是以传递函数的阶跃响应为准，指输出信号幅度从加上阶跃信号瞬间的起始值变化到满足下式所需的时间K（"—'。（咧<△，|匕（0+）一匕（8）|V（t）是输出信号的瞬态值，V（0+）是输出信号的初始值，V（3）是输出信号的稳o o o态值，△一般取10%，5%或2%。2.5系统的动态特性分析2.5.1准备工作（1）自动增益控制电路的转移函数AGC电路的动态特性由它的转移函数决定，在线性系统中，转移函数就是输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比，且假定系统具有零初始条件，转移函数完全决定了线性系统的运动特性。若该线性系统的滤波器是最简单的一1阶低通滤波器，则它的转移函数是二，时间常数，=RC。AGC电路的转移函T5+1数可以由它的各组成部分的转移函数适当组合而得到。由图（2-3）方框图可假设参考电压8.7V对整个系统的转移函数的影响可以忽略，则可得该系统的转移函数r是1TS+1TS+1（2）对数折线法由（2-1）式知系统的受控放大器的增益控制特性的增益与控制量成指数函数关系，因此，可把受控放大器的放大倍数取对数之后，再分段线性逼近。即lnG=lnG土by，（y<y<y） （2-20）o（i）1（/） i-1 i此方法称为对数折线法。式中lnGoi）——第1条对数折线段的截距；弓⑴——第1条对数折线段的斜率（取正值）。2.5.2运动方程式的建立及状态分析AGC系统的过渡过程是指：当它的输入端上作用一快速变化的电压时，其输出电压幅度随时间的变化规律。为了求得此规律，首先必须列出系统的运动方程。在此我们仅对输入为小跃变的过渡过程进行分析讨论。输入阶跃电压的幅度不足以使受控放大器的输出电压在过渡过程中发生瞬时限幅的情况为小跃变情况。在此情况下，不出现新的物理现象，AGC环路总是闭合的。小跃变小跃变由（2-19）式结合参考文献（3）P175-P195可得，该一阶AGC系统在输入阶跃电压A作用下的运动方程式（一级近似）如下：Tdusc(t)+(1+N)u(t)=u=lnA (2-21)dt escsrUmin(i)式中N=E«(i)，E=8.7七是延迟电压。由此可得到：u(t)=u(3)+u(t)=u(3)+lnAU")sc-u(3)(2-22)lnUmin(i)1+嘴是归一化的稳态输出电压，Um.（i）是虚拟的起控电平。系统的lnUmin(i)1+嘴是归一化的稳态输出电压，Um.（i）是虚拟的起控电平。系统的T时间吊数TA=1+N。过渡过程的时间长度T，规定为u（t）从t=0的初始值变e化到满足式U（t）—U（"|<A所必需的时间。△是U（8）△<0.1。再由式（2-22）得出决定ln（1+A）Usc（8）=u（8）+lnA-U（8）】e"4a ,E sc[ui（i） sc个给定的小数，一般取TS的条件式：由此解得：InT=taInA

uq)(1+N)l11+AX在输入为小跃变情况下，U^（t）过渡过程的一般形状如图（2-6）所示。在过渡过程中，AGC电路输出的控制量随时间的变化规律可通过图（2-6）一阶AGC的过渡过程（小跃变输入）y(t)=1lnG(t)，考虑到U(t)=ln(G(t)xAxE)和式(2-22)，可以得出b(i) G(i) "y(t)=y(8)(1-e-'Ta)，其中y(8)=^—\u(8)一ln———]。因为b(i) scUi(i)y（t）=Mo-M（t），M。是AGC电路输出的起始控制量。由以上式子得出M(t)=M(8)+[M-M(8)]e-tta (2-23)由此可见AGC系统的控制量随时间的变化规律与输出量随时间变化规律是一致的。在实际中，测量M(t)比测量uc(t)容易得多。2.6模拟AGC系统的一般设计考虑前面我们分析了发生在AGC系统中的一些物理过程，得出了表征系统性能的数学表达式。当已知系统有关参数后，利用这些数学关系式即可进行系统中有关发生过程的计算。很多情况下，利用这些数学关系式可以解决相反的问题，即按规定的技术要求去设计AGC系统。以下就是在具体设计过程中应当考虑的一些方面。受控放大器增益变化范围的决定受控放大器应当具有的增益变化范围，至少要等于AGC系统的压缩系数它由下式决定：G(dB)-G.(dB)>D(dB)-D(dB)=C(dB) ，式中 maXmn"SCG,G——分别是受控放大器的最大和最小增益。D『d"——分别是输入信号和输出信号的动态范围。C"=AGC系统的压缩系数。D,D是事先规定好的已知量，于是，根据上式即可决定受控增益应当具有的变化范围，而增益的绝对大小主要从接收机的灵敏度考虑决定。延迟电压E延迟电压E决定了输出电压的最小幅度%min，一般E可以根据实际需要选定。当已知受控放大器的初始增益G。时，E也决定了输入信号的起控电平U=%。实际的延迟电压可以加在AGC电路的任何一个组成级上，但E却srmin/Go是将这些延迟电压折算到AGC电路输入端上的数值。实际的延迟电压值e与E的关系为e=kE,k是从AGC电路输入端到引入。那一点的放大倍数。若对接收机噪声或杂波进行有效的自动增益控制，延迟电压应加在AGC检波器后面。若对调幅波的平均幅度进行自动增益控制，同时又要保持调制规律不失真，延迟电压只能加在AGC滤波器之后。受控级的位置在确定受控级的位置时应当考虑以下要求：a.保证接收机各级都不过载；b.不能恶化接收机的输入信噪比，即在控制增益的过程中不能增大接收机的噪声系数；c.不能在放大信号中引入过大的非线性失真。当用改变直流工作条件的方法进行自动增益控制时，起控前受控级的工作点总是选择在最佳状态：对于前置级可以获得最小的噪声系数；对于后置级可以获得很小的非线性失真。随着增益控制深度的增加，受控级的工作点将移至截止状态附近。会出现以下现象：前置受控级的噪声系数显著增大，且由于增益降低后对后级噪声的抑制能力也大为减弱，从而使接收机的噪声性能显著恶化。若受控的是末级或末前级，由于输入到这里的信号幅度较大，当此级增益降低时，其非线性失真将表现得更明显，而且输出限幅电平也要减小。为了防止信号的非线性失真过大，希望受控级的位置尽量靠前；但是，受控级过于靠前，将会引起接收机噪声性能的显著恶化。实际操作中，应综合考虑以上因素，选择合适的受控级的位置。受控级的数目受控级的数目n由算得的总的增益变化范围C和一个单级所能提供的增益变化范围c决定：n=C(B，一个单级所能提供的增益变化范围与具体的电路型式1 C1(dB)和控制方法有关。上式是在各个受控级具有相同的增益控制特性的基础上推导出来的。若各受控级的增益变化范围互不相同，则所选级数只需使下式成立就可以了：C1(dB)+C2(dB)++C(dB)>C(dB)第三章数字AGC系统特点及应用举例3.1数字AGC系统特点数字接收机中，增益控制需要处理的问题，研究的途径及解决的方法同模拟接收机基本相似，但也存在很大的差异。首先，数字AGC也要求输出电平和过载保护，可是信号经A/D转换器数字化后，其增益衰减主要是通过采样数据的运算处理完成的，基于DSP的增益控制线路简化了很多相同功能的模拟电路。其次，模拟接收机主要关心的问题是信号过载和外界环境对电路的影响，而数字接收机的主要问题则是A/D转换器的过载。由于窄带中频滤波在A/D转换器后，因此带内的信号将不再是设置接收机增益的主要参考。DSP处理器必须监测A/D转换器的输入电平，防止A/D转换器发生过载，所以，若在A/D转换器的带宽内接收到一个强信号，同时窄带中频滤波器内有用信号很弱，就必须降低增益防止A/D转换器过载，通过减少模拟增益，增加数字中频处理增益，保持输出信号为一固定的幅度。用DSP实现的AGC有以下优点：a.相对于二极管检波器，能够更准确的测量信号强度；卜更精确的增益衰减步进；。.更强的AGC控制能力；d.在DSP软件中任意改变建立时间和衰落时间。3.2数字接收机中AGC应用举例图（3-1）是一种数字接收机的方框图，采用了模拟和数字增益两级AGC控制，接收到的射频信号经混频变为中频，中频放大器是受AGC电压控制的可控放大器，放大后的中频信号经A/D采样后输入DSP，DSP对输入信号进行处理，经过AGC1系统产生中频放大器控制电压，AGC1的作用是使输入信号的峰-峰值限制在A/D的最大允许电压之内，防止输入采样的A/D溢出。数字放大器的增益由软件AGC2控制，使输出的音频信号电平恒定。图（3-1）数字接收机方框图

以此图为例阐述用软件的方法来实现AGC的功能。设AGC1的延迟电压为E,即阀值电压，信号输入值设为S(n)。当|S(n)|>E时，放大倍数G偏大，需减小放大倍数，即AGC1电压增大，相当于模拟AGC中的“充电”过程。当|S(n)|<E时，放大倍数G偏小，需增大放大倍数，即AGC1电压减小，相当于模拟AGC中的“放电”过程呈。若|S(n)>E，则增益G在上升时间内应该下降，即增益应n降低了AG=20(log|S(n)|-logE)dB (3-1)，因此每个样点增益应下降 20(lO§(n)l-loE*，其中n与AGC的AG=河。g跛l-logE)xb(3-2)，时间常数有关，AG=河。g跛l-logE)xb(3-2)，x—N a单位为V，则AGC1电压在每个样点应增加，将上式用下式替代得到(3-3)，JCX(邸(n)-lg耻=等(邸⑴-lg