跳频通信接收机的AGC设计

梁卫祖，卿 剑

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

跳频通信接收机的AGC设计

梁卫祖，卿 剑

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

提出了一种适用于跳频通信接收机的AGC设计，通过简单的模拟电路实现，并已成功应用于225MHz—512MHz、符号率200k波特/秒、8PSK调制、跳频速率1 000跳/秒的跳频通信接收机。通过对跳频通信接收机的AGC特性进行分析，详细阐述了AGC方案及其电路的实现过程。

自动增益控制 可变增益放大器 8移相键控 跳频通信

1 引言

无线电波传输过程中，由于信号的远近效应和传播信道衰落，接收机所接收的信号强弱差异很大，超过100dB的变化范围。天线、多径、遮挡和信道衰落对信号的选择性，会造成信号强弱随着频率发生变化，变化时间与跳频速率有关。高阶线性相位调制信号的相位和幅度发生变化，不恰当的AGC（自动增益控制）会引起幅度调制，破坏信号包络，导致解调误码。因此需要跳频通信接收机具有良好的AGC特性，满足动态范围大、响应时间适当、稳定时间快、引入信号失真小的要求，输出信号幅度满足A/D输入范围及后续数字信号处理的要求。

2 设计分析与工作原理

225MHz—512MHz跳频通信接收机采用中频数字化方案，系统框图如图1所示：

图1 跳频通信接收机系统框图

跳频通信接收机主要工作指标如下：

（1）输入信号幅度范围：-105dBm～+25dBm；

（2）输出信号幅度范围：-40dBm～0dBm；

（3）跳频速率：1 000跳/秒；

（4）调制方式：8PSK；

（5）符号率：200波特/秒；

（6）输出中频频率：21.4MHz。

2.1 设计分析

（1）动态范围

接收机输入信号范围达到130dB，接收机的AGC由射频AGC、中频AGC和数字AGC多级配合完成，如图1所示。各级处理信号范围分别是-15dBm～+25dBm，-85dBm～-15dBm，-105dBm～-85dBm。其中射频AGC的作用是防止LNA（低噪声放大器）和混频器进入非线性工作区域，数字AGC在A/D采样后，在数字域完成，接收信号超过70dB信号动态范围时由中频AGC电路完成，中频AGC是接收机AGC的重要组成部分，下面的AGC分析围绕着中频AGC开展。

（2）响应时间

8PSK调制信号符号率200k波特/秒，信号幅度变化周期为5μs。因此，要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号包络的变化速度，又不会出现反调制现象，这就是响应时间特性。

（3）环路稳定时间

接收机的跳频速率为1 000跳/秒，在跳频波形设计时，跳与跳之间预留80μs用于频率切换、发射功率稳定和接收AGC稳定。为了不影响有用信号的接收，要求AGC稳定时间小于80μs。

2.2 中频AGC环路工作原理

图2是线性AGC环路一般模型，由VGA（可变增益放大器）电路、对数功率检测电路和AGC电压产生电路组成。VGA的控制电压Vc与功率（单位为dBm）成线性关系，功率检测电压Vd与输出功率（单位为dBm）成线性关系。功率检测电压Vd与参考电压Vr之差经过误差电压放大和低通滤波后得到的AGC电压Vc来控制VGA。

图2 AGC环路原理框图

3 中频AGC电路设计

3.1 可变增益放大电路

放大电路如图3所示，选择两级AD8367作为可控增益放大器，增益变化率20mV/dB，调节范围为-2.5dB～42.5dB，两级级联后增益变化率为10mV/dB，提供90dB的控制范围，满足中频AGC设计指标要求。

图3 可变增益放大电路

3.2 对数功率检测电路

功率检测芯片AD8362是对数功率检测器，芯片检测输出电压与输入功率分贝值成线性关系，检测范围-52dBm～+8dBm，变化率50mV/dB，AD8362外围电路如图4所示。

3.3 AGC电压产生电路

图5是典型的跳频信号时域波形，要求AGC稳定时间小于80μs，调制信号符号率200k波特/秒，包络变化周期Ts=1/200k=5μs，要求AGC电路的响应时间既要能跟得上输入信号振幅的变化速度，又不能出现反调制现象。AGC电压产生电路的充放电时间参数设计是实现目标的关键。充放电时间参数设计成快放慢充，放电快，能快速响应信号的变化；充电慢，在一个跳频周期内，AGC电压基本保持不变，输出信号幅度保持恒定。充电时间常数一般取τc=（20～100)×Ts=100μs～500μs。

图4 对数功率检测电路

图5 跳频信号典型时序

具体AGC电压产生电路如图4所示，其由NPN管（V12）、充放电电容（C178）和充电电阻（R191）组成共射放大电路。当接收信号变大时，检测电压增大，NPN管导通，电容上电荷通过NPN管快速放电，AGC电压减小，VGA增益下降，输出功率减少。相反，接收信号变小时，检测电压变小，NPN管截止，电源通过充电电阻对电容进行充电，AGC电压增大，VGA增益提高，输出功率增大。

充放电参数对AGC的响应时间、环路稳定性、信号包络失真都有影响，参数可以通过理论计算和仿真得到，仿真电路如图6所示。放电时间常数τr取决于NPN管C-E极饱和导通电阻和充放电电容，一般是200ns，充电时间常数τc=RC=510kΩ×1nF=510μs。

3.4 AGC复位电路

由于天线增益、多径、遮挡对频率的选择性，导致到达接收机的信号幅度随着频率发生变化，需要每跳对AGC电压进行复位，防止上一跳的AGC电压影响本跳信号的正常接收。AGC电压充放电参数设计成快放慢充，复位的作用是使电路在复位期间变成快充，AGC电压快速升高，使VGA的增益恢复到初始值，保证下一跳接收信号变弱时，输出信号幅度在A/D动态范围内。如图3所示，AGC电压复位采用射极跟随电路，在频率切换信号为高电平期间，通过NPN管（V19）对电容（C178）快速充电。

跳频接收的AGC电路测试波形如图5所示，在ISP换频信号10μs期间，AGC电压恢复到初始值。信号到达后，对数功率检测输出电压超过AGC环路起控门限，AGC电压快速下降并稳定。随后AGC电压不再随着信号包络发生变化，基本不会恶化接收信号质量。

4 测试结果

图7是室内无线环境下，接收信号频率在225MHz—512MHz内随机跳变，接收机AGC环路响应图。通过AGC环路闭环控制，AGC电压随着接收信号发生变化，调整VGA放大增益，使输出中频信号幅度保持恒定。在ISP换频信号高电平有效时间内，AGC电压被复位到初始值，接收通道回到初始增益状态，保证下一跳信号正常接收。

图6 AGC环路充放电仿真图

图7 跳频信号AGC环路响应图

5 AGC电路设计注意问题

（1）AGC环路时延影响

AGC响应时间与VGA放大电路时延、功率检测电路时延和AGC电压产生电路时延有关。过大的时延会导致AGC环路不能及时响应接收信号幅度变化，使信号包络产生失真，放电时间过长，AGC稳定时间变长。

因此，一般不建议在VGA放大电路和功率检测电路之间使用时延较大的晶体滤波器或者声表滤波器。例如，声表滤波器时延一般有2μs，远大于放电时间常数τr。另外，功率检测电压输出滤波电容也不能太大，其作用是滤除载波信号，以保证小的AGC环路时延。

（2）高低温环境下的电路改进

采用模拟电路实现AGC控制的缺点是器件参数容易受到温度影响，温度每变化1°C，NPN管B-E结电压Vbe变化2mV。在温度-40°C～+85°C范围内将变化±0.15V，这将导致起控点变化，若设计不当会导致中频输出幅度超出A/D处理范围。其解决办法是设计好AGC环路起控点，常温时输出中频信号幅度在A/D输入范围中间，兼顾高低温下中频信号输出幅度。

（3）低信噪比情况改进

由于模拟中频滤波器矩形系数的影响，在低信噪比情况下，进入检测芯片的噪声能量高于有用信号，对数功率检测器输出电压被噪声调制，AGC电压控制VGA时破坏了放大信号包络。其解决办法是通过提高AGC环路起控门限，在灵敏度电平附近，AGC环路不起控，利用A/D器件的动态范围，A/D采样数字滤波后，进行数字AGC处理。

6 结束语

设计优良、性能完善的AGC电路是接收机设计成功的关键。由AD8367、AD8362和MMBT2222组成的简单模拟电路实现了跳频信号接收机的AGC设计。通过增加AGC电压复位电路，解决了跳频通信AGC频率选择性问题，针对AGC电路在温度变化和低信噪比情况下的工作情况提出改进方案。AGC电路具有动态范围大、响应速度快、稳定时间短、信号失真小等特点。

[1] 高吉祥,黄智伟,陈和,等. 高频电子线路[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002.

[2] 张玉兴. 射频模拟电路[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002.

[3] 徐晓夏,陈泉林,邹文潇,等. 模拟电子技术基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008.

[4] 陈洪亮,田社平,吴雪,等. 电路分析基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2009.

[5] 耿新涛,王凤. 宽带数字接收机AGC设计方法分析[J]. 无线电工程, 2007(10): 37-20.

[6] 王会. 面向卫星导航接收机应用的自动增益控制环路设计[D]. 成都: 电子科技大, 2009.

[7] 徐兴福. ADS2008射频电路设计与仿真实例[M]. 北京:电子工业出版社, 2009.

[8] Analog Device Inc. AD8367 datasheet[Z]. 2001.

[9] Analog Device Inc. AD8362 datasheet[Z]. 2004.

[10] Fairchild Semiconductor Corporation. MMBT2222 datasheet[Z]. 1998.★

梁卫祖：通信工程师，学士毕业于电子科技大学微电子技术专业，现任职于广州海格通信集团股份有限公司，主要从事射频/微波电路设计。

卿剑：通信工程师，硕士毕业于湖南大学电子信息工程专业，现任职于广州海格通信集团股份有限公司，主要从事射频/微波电路设计。

AGC Design of Frequency Hopping Communication Receiver

LIANG Wei-zu, QING Jian
(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663, China)

A design of AGC (automatic gain control) suitable for frequency hopping (FH) communication receiver was presented. The design, which was implemented on simple analog circuit, had been applied FH communication receiver with 225MHz—512MHz, symbol rate 200k Bd/s, 8PSK modulation and FH rate 1 000hop/s. According to the analysis on AGC characteristics of FH communication receiver, AGC and its circuit implementation were described in detail.

automatic gain control variable gain amplifi er 8 phase shift keying(8PSK) frequency hopping communication

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.015

TN924

A

1006-1010(2015)14-0073-05

梁卫祖,卿剑. 跳频通信接收机的AGC设计[J]. 移动通信, 2015,39(14): 73-77.

2015-06-29

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn