一種大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)數控AGC電路的設計

摘要：介紹了一種大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)數控AGC電路的設計原理、基本結構及工作過(guò)程，給出了一種應用于數字中頻接收機(DIFR)中大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)數控AGC電路的具體實(shí)現方法，該方法可以利用數字電路的優(yōu)點(diǎn)和特殊的電路結構實(shí)現大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)數控自動(dòng)增益放大／衰減。
關(guān)鍵字：實(shí)時(shí)數字電路；自動(dòng)增益控制；大動(dòng)態(tài)范圍；數字增益補償

0 引言
在頻譜分析儀、中頻接收機等諸多儀器中，動(dòng)態(tài)范圍是衡量?jì)x器性能的重要指標之一。為了擴大儀器的動(dòng)態(tài)范圍，在頻譜儀、接收機等儀器中經(jīng)常采用自動(dòng)增益控制電路(AGC電路)。AGC電路是一種在輸入信號幅度變化很大的情況下，其輸出信號幅度可保持恒定或僅在較小范圍內變化的自動(dòng)控制電路。
與模擬AGC相比，數控AGC由于反饋部分的主要功能由數字部分實(shí)現，故其AGC控制可以更加容易地得到實(shí)現。利用數字信號處理精度高的特點(diǎn)，可以精確地實(shí)現數字增益補償，使系統具有快速收斂和精確地穩態(tài)響應等優(yōu)點(diǎn)。
AGC電路分為非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)兩種。前一種電路采用后反饋技術(shù)來(lái)實(shí)現，因此，在有實(shí)時(shí)性要求的場(chǎng)合不能使用；而后一種AGC電路則采用前饋技術(shù)實(shí)現，能夠實(shí)現對信號的實(shí)時(shí)調理，因而克服了非實(shí)時(shí)性電路的缺點(diǎn)。在數字化中頻頻譜分析儀和數字中頻接收機等測量?jì)x器中，由于A(yíng)DC器件存在量化噪聲、孔徑抖動(dòng)、差分非線(xiàn)性失真、熱噪聲等誤差，故會(huì )造成ADC輸入動(dòng)態(tài)范圍及有效輸出位數的下降，從而限制了儀器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，難以滿(mǎn)足設計要求。對于一個(gè)14位ADC器件來(lái)說(shuō)，當參考電壓為1V時(shí)，在理想情況下，其所能轉換的信號電平功率為-65 dBm～13dBm，動(dòng)態(tài)范圍為78 dB。而在噪聲、量化誤差等因素的影響下，該范圍還會(huì )被進(jìn)一步壓縮，從而降低儀器的性能指標。為了保證儀器有更寬的動(dòng)態(tài)范圍和更高的幅度精度，本設計采用實(shí)時(shí)自動(dòng)量程控制技術(shù)，該技術(shù)可使ADC轉換器工作在最佳狀態(tài)下，以減少量化誤差的影響，提高信噪比，從而得到較大的動(dòng)態(tài)范圍。

1 實(shí)時(shí)數控AGC原理
實(shí)時(shí)數控AGC電路通常采用前饋式電路結構，以在信號到達ADC器件前完成對其調理。這種電路一般由預選濾波器、放大一抗混疊濾波電路、數控增益放大／衰減電路、模數轉換電路、信號幅度提取電路、邏輯規則產(chǎn)生模塊和數字增益補償模塊組成，其電路結構如圖1所示。其中邏輯規則產(chǎn)生模塊和數字增益補償模塊為數字信號處理部分，可在FPGA器件內部實(shí)現。

前端模擬混頻后得到的中頻信號首先經(jīng)過(guò)一組單極點(diǎn)濾波器(包含LC濾波器、晶體濾波器)來(lái)濾除帶外信號，然后通過(guò)選通再輸出到信號幅度提取電路和放大-抗混疊電路?？够殳B濾波器能夠更有效地濾除帶外信號，避免采樣頻譜混疊。該電路一般具有多個(gè)極點(diǎn)，所以有顯著(zhù)的群時(shí)延特性，對于一個(gè)快速上升的中頻模擬信號，經(jīng)過(guò)抗混疊濾波器后，通常會(huì )產(chǎn)生時(shí)延，這個(gè)時(shí)間可以換算為多個(gè)采樣時(shí)間間隔。而延遲可使信號在送入ADC之前有充裕的時(shí)間被數控增益芯片放大／衰減，以適應ADC器件的工作范圍。信號幅度提取電路先提取輸入信號的幅值，然后再經(jīng)過(guò)量化后，被轉換為檔位信息，再通過(guò)邏輯規則產(chǎn)生模塊根據檔位信息配置數控增益芯片進(jìn)行放大／衰減。當輸入信號幅度較大時(shí)，邏輯規則產(chǎn)生模塊應立即減小增益，以防止ADC器件過(guò)載；而當輸入信號幅度長(cháng)時(shí)間保持較小時(shí)，邏輯規則產(chǎn)生模塊才會(huì )增加增益，這樣可減小輸入信號有效噪聲，提高ADC的輸出有效位數(ENOB)。同時(shí)，采樣之后的數字增益補償模塊則根據檔位信息提供的補償值相應地調節采樣數據，以實(shí)時(shí)補償前端模擬電路的增益，從而準確恢復出輸入的模擬中頻信號幅度。