AGC環(huán)路分析和設計考慮知識分享

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。AGC環(huán)路分析和設計考慮AGC環(huán)路分析和設計考慮目錄TOCo1-3hzuHYPERLINKl_Toc116552541第一章問題的提出PAGEREF_Toc116552541h1HYPERLINKl_Toc116552542第二章AGC環(huán)路分析PAGEREF_Toc116552542h2HYPERLINKl_Toc1165525432.1AGC電路在通信系統(tǒng)中的作用PAGEREF_Toc116552543h2HYPERLINKl_Toc1165525442.2AGC環(huán)路原理分析PAGEREF_Toc11

2、6552544h2HYPERLINKl_Toc1165525452.3對AGC電路的要求PAGEREF_Toc116552545h6HYPERLINKl_Toc1165525462.4AGC系統(tǒng)主要質(zhì)量指標分析PAGEREF_Toc116552546h7HYPERLINKl_Toc1165525472.5系統(tǒng)的動態(tài)特性分析PAGEREF_Toc116552547h8HYPERLINKl_Toc1165525482.5.1準備工作PAGEREF_Toc116552548h8HYPERLINKl_Toc1165525492.5.2運動方程式的建立及狀態(tài)分析PAGEREF_Toc116552549h

3、9HYPERLINKl_Toc1165525502.6模擬AGC系統(tǒng)的一般設計考慮PAGEREF_Toc116552550h11HYPERLINKl_Toc116552551第三章數(shù)字AGC系統(tǒng)特點及應用舉例PAGEREF_Toc116552551h13HYPERLINKl_Toc1165525523.1數(shù)字AGC系統(tǒng)特點PAGEREF_Toc116552552h13HYPERLINKl_Toc1165525533.2數(shù)字接收機中AGC應用舉例PAGEREF_Toc116552553h13HYPERLINKl_Toc116552554第四章總結(jié)PAGEREF_Toc116552554h16HY

4、PERLINKl_Toc116552555參考文獻PAGEREF_Toc116552555h17第一章問題的提出自動增益控制（AGC）系統(tǒng)是一個在電子學領(lǐng)域中應用很廣泛的系統(tǒng)，在廣播，電視，通信和雷達接收機中都不可避免地要加以采用，且對它們的性能有重要影響。該系統(tǒng)之所以廣泛用于接收機中，是由于下列原因造成的：接收機距離輻射源的距離可以有很大變化；電波在空間傳播有明顯的衰落現(xiàn)象；及其它的一些干擾因素，使作用在接收機輸入端的信號強度有很大變化和起伏。但是接收機終端設備一般只能處理幅度變化不大的信號，信號過強過弱或忽大忽小都會使終端設備失效。因此，必須設置一個幅度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，來保證接收機輸出信號幅度的

5、平穩(wěn)性。第二章AGC環(huán)路分析2.1AGC電路在通信系統(tǒng)中的作用電子設備工作時，其輸出功率是隨著輸入信號幅度的大小而變化的，輸入信號強時，設備輸出功率大；輸入信號弱時，輸出功率小。通信條件的改變，如通信距離和頻率的改變，電離層和對流層等傳播條件的改變，接收機所處環(huán)境的改變等等，會使接收機輸入信號有很大的差異，而且許多情況下信號強度的變化是隨機的甚至是快速的。我們希望設備輸出電平變化范圍盡可能的小，避免過強的信號使晶體管和終端器件過載而引起非線性失真及損壞器件。因此在輸入弱信號時，接收機應有很高的增益，而在強輸入信號時，接收機增益應小一些。只靠人工增益控制來實現(xiàn)這種要求是困難的，故必須采用AGC電

6、路。AGC電路的作用是穩(wěn)定設備的輸出電平，即當輸入信號電平變化很大時保持設備輸出電平盡量穩(wěn)定，或在允許的范圍內(nèi)變化。此外，AGC電路還可減小由于電路參數(shù)變化引起的接收機輸出電平的變化。變增益放大器或電調(diào)衰減器放大器AGC檢波器低通濾波器DC放大器直流參考電壓信號輸入信號輸出2.2AGC環(huán)路原理分析圖（2-1）AGC環(huán)路的一般模型如上圖所示，是一個直流電壓負反饋系統(tǒng)，控制信號代表信道輸出幅度檢波后的直流值與參考電壓之間的誤差值，若輸入信號幅度變化，則控制信號也隨著變化，其作用是使誤差減小到最小值。AGC系統(tǒng)從根本上說是一個非線性系統(tǒng)。很難得到描述系統(tǒng)動態(tài)特性的非線性動態(tài)方程的通解。但是，對于一些

7、系統(tǒng)，可以求得系統(tǒng)的閉環(huán)解。對于大多數(shù)系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的小信號模型導出近似解。輸出信號vo可變增益放大器Gain=GAGC包絡檢波器低通濾波器F(S)參考電壓Vr輸入信號vi對數(shù)放大器V1V2VC圖（2-2）線性（以分貝為單位）AGC系統(tǒng)圖（2-2）是一個能用解析法求解的線性AGC系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，可變增益放大器VGA的增益為G，服從以下的控制律：(2-1)因此：Vo=P*ViVo=PVi=(2-2)，表示輸入輸出信號的包絡幅度，是一個常數(shù)，a是VGA的一個常量因子，對數(shù)放大器的增益?？刂齐妷海?-3）K2為包絡檢波器的增益，F(xiàn)(s)為濾波器的傳遞函數(shù)。由（2-2）式得到(2-4)控制電壓為

8、：(2-5)即：(2-6)因為我們只對輸入輸出之間的關(guān)系感興趣，則令，得到對輸入信號的響應為：(2-7)因為由對數(shù)運算有下式關(guān)系：(2-8)所以，可得到下式：（dB）(2-9)令eo和ei分別表示以分貝為單位的輸出和輸入，則：(2-10)因此，只要給出的輸入量和輸出量以分貝為單位表示，則具體的AGC電路便可以用線性微分方程來描述。該AGC系統(tǒng)就可以用如下圖所示的線性負輸出信號eo（分貝值）可變增益放大器低通濾波器F(S)參考電壓8.7Vr輸入信號ei（分貝值）+反饋系統(tǒng)等效方框圖來描述。圖（2-3）線性(以分貝為單位)AGC系統(tǒng)等效方框圖圖（2-3）中，環(huán)路的動態(tài)特性由濾波器的傳遞函數(shù)F（S）

9、和可變增益放大器的系數(shù)a來描述。由于環(huán)路帶寬必須受到限制，使它對存在于輸入信號的任何幅度調(diào)制不作出響應，所以F（S）必須是低通濾波器。環(huán)路的穩(wěn)定性取決于濾波器的階數(shù)和環(huán)路增益。隨著輸入幅度的變化而產(chǎn)生的輸出穩(wěn)態(tài)增益為：(2-11)式中F（0）為濾波器的直流增益。應該使增量eo隨輸入幅度的變化盡可能小。為達到這一目的，應使直流環(huán)路增益盡可能大。能夠運用在此系統(tǒng)中的最簡單的F（S）是一階低通濾波器，且它的傳遞函數(shù)被定義為：(2-12)式中，K是濾波器的直流增益，B是濾波器的帶寬，那么直流輸出增益特性為：(2-13)則該線性AGC系統(tǒng)總的直流輸出是：（2-14）從中可以看出若環(huán)路增益遠大于1，則該線

10、性系統(tǒng)的輸出幾乎總等于，即輸出幅度只與參考電壓成正比，輸入端的穩(wěn)態(tài)改變被大大的減小了。含有參考電壓的AGC環(huán)路，稱為延遲AGC。延遲AGC并不是指帶寬的限制而延遲了增益控制，主要是指AGC環(huán)路包含有參考信號。簡單的AGC環(huán)路里不含有參考電壓，這在一般低要求的接收機中是常見的。具有一階低通濾波器環(huán)路的AGC閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(2-15)對于所有的aK0的閉環(huán)極點總在左半平面，所以這個系統(tǒng)基本是穩(wěn)定的。閉環(huán)系統(tǒng)頻率響應的幅頻響應圖如下圖所示。為了對輸入信號幅度變化作出響應，AGC環(huán)路應具有高通濾波器特性，即在高頻時，AGC的作用很小。對于幅度調(diào)制信號，角頻率L應低于最低調(diào)制頻率M：（2-16）0BB

11、（1aK）圖（2-4）線性AGC系統(tǒng)的頻率響應這意味著濾波器帶寬要比最低調(diào)制頻率小得多，其原因是負反饋增大了閉環(huán)帶寬。如上所述，為了保持輸出電平盡可能的恒定，應該保持盡可能大的直流環(huán)路增益。一種方法是采用積分器作為濾波器，即（=RC，是環(huán)路濾波的時間常數(shù)）。理想的積分器對直流的增益為無窮大，因此穩(wěn)態(tài)輸出幅度不會隨著輸入幅度的慢變化而變化。這種濾波器的輸出為：(2-17)在輸入恒定時，穩(wěn)態(tài)輸出仍與參考電壓成正比，即(2-18)2.3對AGC電路的要求（1）控制范圍要大AGC電路的控制范圍是指輸出電平在規(guī)定范圍內(nèi)變化時所允許的輸入信號電平的變化范圍。輸出電平變化一定時，相應的輸入信號電平變化范圍越

12、大，則說明AGC的性能越好（2）信號失真要小AGC電壓改變放大器增益時可能引起放大器工作狀態(tài)，輸入輸出阻抗等發(fā)生變化，由此引起的放大器輸出信號的線性失真和非線性失真要盡可能地小。（3）響應時間要合適從輸入信號電平開始變化到放大器增益作相應變化這一段時間，稱為AGC電路的響應時間。常用AGC電路的時間常數(shù)來表示。響應時間越短，則AGC電路越能在輸入信號電平快速變化時有效地穩(wěn)定輸出電平。但響應時間過短會帶來其他問題，如接收等幅報信號時易產(chǎn)生點劃不清而造成誤碼。一般來說，接收話音或調(diào)幅信號時取0.020.2s,接收等幅報時取0.11s。2.4AGC系統(tǒng)主要質(zhì)量指標分析（1）環(huán)路增益的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍AG

13、C系統(tǒng)中常用的質(zhì)量指標是靜態(tài)調(diào)節(jié)特性，靜態(tài)調(diào)節(jié)特性是指：在恒定幅度的輸入信號作用下，AGC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出電壓幅度與輸入電壓幅度之間的函數(shù)關(guān)系，即。G是受控放大器的電壓增益，此特性與受控放大器的幅度特性是完全等同的，圖（2-5）是此特性的一般形狀。由圖可得AGC開始起作用的最小輸入信號幅度（稱為起控電平）和相應的輸出信號幅度，AGC失去作用的最大輸入信號幅度（稱為失控電平）和相應的輸出信號幅度。圖（2-5）延遲式AGC靜態(tài)調(diào)節(jié)特性輸入信號電壓的動態(tài)范圍或，輸出信號電壓的動態(tài)范圍或，被放大信號的壓縮系數(shù)。定義，受控放大器在起控點上的增益，在失控點上的增益，則壓縮系數(shù)。AGC的壓縮系數(shù)恒等于受控放大

14、器在增益調(diào)節(jié)過程中放大量的相對變化倍數(shù)。壓縮系數(shù)也常以分貝數(shù)表示，即，理想AGC系統(tǒng)的，因而其壓縮系數(shù)等于輸入信號電壓的動態(tài)范圍。在實際的AGC系統(tǒng)中恒有。（2）響應時間AGC電路是通過對可控增益放大器的控制來實現(xiàn)對輸出信號振幅變化的限制，而增益的變化又取決于輸入信號振幅的變化。因此，要求AGC電路的反應既要能跟得上輸入信號振幅的變化速度，又不會出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象，這就是響應時間特性。對AGC電路的響應時間長短的要求取決于輸入信號振幅的類型和特點。根據(jù)響應時間長短分別有慢速AGC和快速AGC之分。而響應時間長短的調(diào)節(jié)由環(huán)路帶寬決定，主要是低通濾波器的帶寬。低通濾波器帶寬越寬，則響應時間越短，但容易

15、出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象。（3）環(huán)路的穩(wěn)定時間AGC環(huán)路穩(wěn)定時間是指輸入信號強弱變化時AGC環(huán)路輸出穩(wěn)定的時間，是表征AGC環(huán)路的關(guān)鍵指標之一。穩(wěn)定時間的設計需要綜合考慮通信系統(tǒng)工作頻段的衰落特性，電磁環(huán)境，通信體制（信息傳遞速率，調(diào)制速率，信號功率變化頻率）等因素。一般在滿足平滑衰落的條件下，穩(wěn)定時間要遠大于信息的調(diào)制速率，小于該通信體制定義的功率變化頻率，不能太短也不能太長，以免因為穩(wěn)定時間太短使環(huán)路隨輸入信號的包絡變化過快而引起頻率失真導致誤碼；或因為太長而跟不上環(huán)路輸入信號電平的變化，造成輸出信號幅度超過AGC的幅度范圍而引起誤碼。為了求得穩(wěn)定時間，必須求得系統(tǒng)的動態(tài)運動方程式，運動方程式與輸入

16、信號有關(guān)。AGC環(huán)路的穩(wěn)定時間是以傳遞函數(shù)的階躍響應為準，指輸出信號幅度從加上階躍信號瞬間的起始值變化到滿足下式所需的時間，是輸出信號的瞬態(tài)值，是輸出信號的初始值，是輸出信號的穩(wěn)態(tài)值，一般取10%，5%或2%。2.5系統(tǒng)的動態(tài)特性分析2.5.1準備工作（1）自動增益控制電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)AGC電路的動態(tài)特性由它的轉(zhuǎn)移函數(shù)決定，在線性系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)移函數(shù)就是輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉普拉斯變換之比，且假定系統(tǒng)具有零初始條件，轉(zhuǎn)移函數(shù)完全決定了線性系統(tǒng)的運動特性。若該線性系統(tǒng)的濾波器是最簡單的一階低通濾波器，則它的轉(zhuǎn)移函數(shù)是，時間常數(shù)。AGC電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)可以由它的各組成部分的轉(zhuǎn)移函數(shù)適當組合而得到

17、。由圖（2-3）方框圖可假設參考電壓對整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)的影響可以忽略，則可得該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)是（2-19）。（2）對數(shù)折線法由（2-1）式知系統(tǒng)的受控放大器的增益控制特性的增益與控制量成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，因此，可把受控放大器的放大倍數(shù)取對數(shù)之后，再分段線性逼近。即，（2-20）此方法稱為對數(shù)折線法。式中第條對數(shù)折線段的截距；第條對數(shù)折線段的斜率（取正值）。2.5.2運動方程式的建立及狀態(tài)分析AGC系統(tǒng)的過渡過程是指：當它的輸入端上作用一快速變化的電壓時，其輸出電壓幅度隨時間的變化規(guī)律。為了求得此規(guī)律，首先必須列出系統(tǒng)的運動方程。在此我們僅對輸入為小躍變的過渡過程進行分析討論。輸入階躍電壓的幅度不

18、足以使受控放大器的輸出電壓在過渡過程中發(fā)生瞬時限幅的情況為小躍變情況。在此情況下，不出現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，AGC環(huán)路總是閉合的。TSt1Vsct(t)/Vsct()1小躍變由（2-19）式結(jié)合參考文獻（3）P175-P195可得，該一階AGC系統(tǒng)在輸入階躍電壓A作用下的運動方程式（一級近似）如下：（2-21）式中，E=8.7是延遲電壓。由此可得到：（2-22）是歸一化的穩(wěn)態(tài)輸出電壓，是虛擬的起控電平。系統(tǒng)的時間常數(shù)。過渡過程的時間長度，規(guī)定為從的初始值變化到滿足式所必需的時間。是一個給定的小數(shù)，一般取。再由式（2-22）得出決定TS的條件式：，由此解得：，在輸入為小躍變情況下，過渡過程的一般形狀如

19、圖(2-6)所示。在過渡過程中，AGC電路輸出的控制量隨時間的變化規(guī)律可通過下列推演得出，由于，因而有t圖（2-6）一階AGC的過渡過程（小躍變輸入），考慮到和式（2-22），可以得出），其中。因為，是AGC電路輸出的起始控制量。由以上式子得出（2-23）由此可見AGC系統(tǒng)的控制量隨時間的變化規(guī)律與輸出量隨時間變化規(guī)律是一致的。在實際中，測量比測量容易得多。2.6模擬AGC系統(tǒng)的一般設計考慮前面我們分析了發(fā)生在AGC系統(tǒng)中的一些物理過程，得出了表征系統(tǒng)性能的數(shù)學表達式。當已知系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)后，利用這些數(shù)學關(guān)系式即可進行系統(tǒng)中有關(guān)發(fā)生過程的計算。很多情況下，利用這些數(shù)學關(guān)系式可以解決相反的問題，即

20、按規(guī)定的技術(shù)要求去設計AGC系統(tǒng)。以下就是在具體設計過程中應當考慮的一些方面。（1）受控放大器增益變化范圍的決定受控放大器應當具有的增益變化范圍，至少要等于AGC系統(tǒng)的壓縮系數(shù)它由下式?jīng)Q定：，式中分別是受控放大器的最大和最小增益。分別是輸入信號和輸出信號的動態(tài)范圍。AGC系統(tǒng)的壓縮系數(shù)。是事先規(guī)定好的已知量，于是，根據(jù)上式即可決定受控增益應當具有的變化范圍，而增益的絕對大小主要從接收機的靈敏度考慮決定。（2）延遲電壓E延遲電壓E決定了輸出電壓的最小幅度，一般E可以根據(jù)實際需要選定。當已知受控放大器的初始增益時，E也決定了輸入信號的起控電平。實際的延遲電壓可以加在AGC電路的任何一個組成級上，但

21、E卻是將這些延遲電壓折算到AGC電路輸入端上的數(shù)值。實際的延遲電壓值與E的關(guān)系為,是從AGC電路輸入端到引入e那一點的放大倍數(shù)。若對接收機噪聲或雜波進行有效的自動增益控制，延遲電壓應加在AGC檢波器后面。若對調(diào)幅波的平均幅度進行自動增益控制，同時又要保持調(diào)制規(guī)律不失真，延遲電壓只能加在AGC濾波器之后。（3）受控級的位置在確定受控級的位置時應當考慮以下要求：a.保證接收機各級都不過載；b.不能惡化接收機的輸入信噪比，即在控制增益的過程中不能增大接收機的噪聲系數(shù)；c.不能在放大信號中引入過大的非線性失真。當用改變直流工作條件的方法進行自動增益控制時，起控前受控級的工作點總是選擇在最佳狀態(tài)：對于前

22、置級可以獲得最小的噪聲系數(shù)；對于后置級可以獲得很小的非線性失真。隨著增益控制深度的增加，受控級的工作點將移至截止狀態(tài)附近。會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：前置受控級的噪聲系數(shù)顯著增大，且由于增益降低后對后級噪聲的抑制能力也大為減弱，從而使接收機的噪聲性能顯著惡化。若受控的是末級或末前級，由于輸入到這里的信號幅度較大，當此級增益降低時，其非線性失真將表現(xiàn)得更明顯，而且輸出限幅電平也要減小。為了防止信號的非線性失真過大，希望受控級的位置盡量靠前；但是，受控級過于靠前，將會引起接收機噪聲性能的顯著惡化。實際操作中，應綜合考慮以上因素，選擇合適的受控級的位置。（4）受控級的數(shù)目受控級的數(shù)目n由算得的總的增益變化范圍C

23、和一個單級所能提供的增益變化范圍決定：，一個單級所能提供的增益變化范圍與具體的電路型式和控制方法有關(guān)。上式是在各個受控級具有相同的增益控制特性的基礎上推導出來的。若各受控級的增益變化范圍互不相同，則所選級數(shù)只需使下式成立就可以了：第三章數(shù)字AGC系統(tǒng)特點及應用舉例3.1數(shù)字AGC系統(tǒng)特點數(shù)字接收機中，增益控制需要處理的問題，研究的途徑及解決的方法同模擬接收機基本相似，但也存在很大的差異。首先，數(shù)字AGC也要求輸出電平和過載保護，可是信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化后，其增益衰減主要是通過采樣數(shù)據(jù)的運算處理完成的，基于DSP的增益控制線路簡化了很多相同功能的模擬電路。其次，模擬接收機主要關(guān)心的問題是信號

24、過載和外界環(huán)境對電路的影響，而數(shù)字接收機的主要問題則是A/D轉(zhuǎn)換器的過載。由于窄帶中頻濾波在A/D轉(zhuǎn)換器后，因此帶內(nèi)的信號將不再是設置接收機增益的主要參考。DSP處理器必須監(jiān)測A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電平，防止A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)生過載，所以，若在A/D轉(zhuǎn)換器的帶寬內(nèi)接收到一個強信號，同時窄帶中頻濾波器內(nèi)有用信號很弱，就必須降低增益防止A/D轉(zhuǎn)換器過載，通過減少模擬增益，增加數(shù)字中頻處理增益，保持輸出信號為一固定的幅度。用DSP實現(xiàn)的AGC有以下優(yōu)點：a.相對于二極管檢波器，能夠更準確的測量信號強度；b.更精確的增益衰減步進；c.更強的AGC控制能力；d.在DSP軟件中任意改變建立時間和衰落時間。3.2數(shù)

25、字接收機中AGC應用舉例圖（3-1）是一種數(shù)字接收機的方框圖，采用了模擬和數(shù)字增益兩級AGC控制，接收到的射頻信號經(jīng)混頻變?yōu)橹蓄l，中頻放大器是受AGC電壓控制的可控放大器，放大后的中頻信號經(jīng)A/D采樣后輸入DSP，DSP對輸入信號進行處理，經(jīng)過AGC1系統(tǒng)產(chǎn)生中頻放大器控制電壓，AGC1的作用是使輸入信號的峰-峰值限制在A/D的最大允許電壓之內(nèi)，防止輸入采樣的A/D溢出。數(shù)字放大器的增益由軟件AGC2控制，使輸出的音頻信號電平恒定?；祛l可控中頻放大器A/D解調(diào)數(shù)字放大器AGC2計算AGC1計算圖（3-1）數(shù)字接收機方框圖以此圖為例闡述用軟件的方法來實現(xiàn)AGC的功能。設AGC1的延遲電壓為E，即閥值電壓，信號輸入值設為S（n）。當時，放大倍數(shù)偏大，需減小放大倍數(shù)，即AGC1電壓增大，相當于模擬AGC中的“充電”過程。當時，放大倍數(shù)偏小，需增大放大倍數(shù)，即AGC1電壓減小，相當于模擬AGC中的“放電”過程。若，則增益在上升時間內(nèi)應該下降，即增益應降低了（3-1），因此每個樣點增益應下降，其中與AGC的時間常數(shù)有關(guān)，=上升時間抽樣頻率。假設AGC1的總增益控制量為，單位為，電壓變化范圍為，則有（3-2），單位為V，則AGC1電壓在每個樣點應增加，將上式用下式替代得到（3-3），變量，這是與AGC的時間常數(shù)有關(guān)的一個變量，也