一種大動態(tài)范圍的實時數(shù)控AGC電路的設(shè)計

摘要：介紹了一種大動態(tài)范圍的實時數(shù)控AGC電路的設(shè)計原理、基本結(jié)構(gòu)及工作過程，給出了一種應(yīng)用于數(shù)字中頻接收機(DIFR)中大動態(tài)范圍的實時數(shù)控AGC電路的具體實現(xiàn)方法，該方法可以利用數(shù)字電路的優(yōu)點和特殊的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大動態(tài)范圍的實時數(shù)控自動增益放大／衰減。
關(guān)鍵字：實時數(shù)字電路；自動增益控制；大動態(tài)范圍；數(shù)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，動態(tài)范圍是衡量儀器性能的重要指標之一。為了擴大儀器的動態(tài)范圍，在頻譜儀、接收機等儀器中經(jīng)常采用自動增益控制電路(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(nèi)變化的自動控制電路。
與模擬AGC相比，數(shù)控AGC由于反饋部分的主要功能由數(shù)字部分實現(xiàn)，故其AGC控制可以更加容易地得到實現(xiàn)。利用數(shù)字信號處理精度高的特點，可以精確地實現(xiàn)數(shù)字增益補償，使系統(tǒng)具有快速收斂和精確地穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點。
AGC電路分為非實時和實時兩種。前一種電路采用后反饋技術(shù)來實現(xiàn)，因此，在有實時性要求的場合不能使用；而后一種AGC電路則采用前饋技術(shù)實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的實時調(diào)理，因而克服了非實時性電路的缺點。在數(shù)字化中頻頻譜分析儀和數(shù)字中頻接收機等測量儀器中，由于ADC器件存在量化噪聲、孔徑抖動、差分非線性失真、熱噪聲等誤差，故會造成ADC輸入動態(tài)范圍及有效輸出位數(shù)的下降，從而限制了儀器的輸入動態(tài)范圍，難以滿足設(shè)計要求。對于一個14位ADC器件來說，當(dāng)參考電壓為1V時，在理想情況下，其所能轉(zhuǎn)換的信號電平功率為-65 dBm～13dBm，動態(tài)范圍為78 dB。而在噪聲、量化誤差等因素的影響下，該范圍還會被進一步壓縮，從而降低儀器的性能指標。為了保證儀器有更寬的動態(tài)范圍和更高的幅度精度，本設(shè)計采用實時自動量程控制技術(shù)，該技術(shù)可使ADC轉(zhuǎn)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，從而得到較大的動態(tài)范圍。

1 實時數(shù)控AGC原理
實時數(shù)控AGC電路通常采用前饋式電路結(jié)構(gòu)，以在信號到達ADC器件前完成對其調(diào)理。這種電路一般由預(yù)選濾波器、放大一抗混疊濾波電路、數(shù)控增益放大／衰減電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號幅度提取電路、邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊和數(shù)字增益補償模塊組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊和數(shù)字增益補償模塊為數(shù)字信號處理部分，可在FPGA器件內(nèi)部實現(xiàn)。

前端模擬混頻后得到的中頻信號首先經(jīng)過一組單極點濾波器(包含LC濾波器、晶體濾波器)來濾除帶外信號，然后通過選通再輸出到信號幅度提取電路和放大-抗混疊電路。抗混疊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極點，所以有顯著的群時延特性，對于一個快速上升的中頻模擬信號，經(jīng)過抗混疊濾波器后，通常會產(chǎn)生時延，這個時間可以換算為多個采樣時間間隔。而延遲可使信號在送入ADC之前有充裕的時間被數(shù)控增益芯片放大／衰減，以適應(yīng)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)過量化后，被轉(zhuǎn)換為檔位信息，再通過邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊根據(jù)檔位信息配置數(shù)控增益芯片進行放大／衰減。當(dāng)輸入信號幅度較大時，邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊應(yīng)立即減小增益，以防止ADC器件過載；而當(dāng)輸入信號幅度長時間保持較小時，邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊才會增加增益，這樣可減小輸入信號有效噪聲，提高ADC的輸出有效位數(shù)(ENOB)。同時，采樣之后的數(shù)字增益補償模塊則根據(jù)檔位信息提供的補償值相應(yīng)地調(diào)節(jié)采樣數(shù)據(jù)，以實時補償前端模擬電路的增益，從而準確恢復(fù)出輸入的模擬中頻信號幅度。