一種大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)數(shù)控AGC電路的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)數(shù)控AGC電路的設(shè)計(jì)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(jī)(DIFR)中大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)數(shù)控AGC電路的具體實(shí)現(xiàn)方法，該方法可以利用數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)和特殊的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)數(shù)控自動(dòng)增益放大／衰減。
關(guān)鍵字：實(shí)時(shí)數(shù)字電路；自動(dòng)增益控制；大動(dòng)態(tài)范圍；數(shù)字增益補(bǔ)償

0 引言
在頻譜分析儀、中頻接收機(jī)等諸多儀器中，動(dòng)態(tài)范圍是衡量?jī)x器性能的重要指標(biāo)之一。為了擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍，在頻譜儀、接收機(jī)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(hào)幅度變化很大的情況下，其輸出信號(hào)幅度可保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)，故其AGC控制可以更加容易地得到實(shí)現(xiàn)。利用數(shù)字信號(hào)處理精度高的特點(diǎn)，可以精確地實(shí)現(xiàn)數(shù)字增益補(bǔ)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(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)來實(shí)現(xiàn)，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(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)調(diào)理，因而克服了非實(shí)時(shí)性電路的缺點(diǎn)。在數(shù)字化中頻頻譜分析儀和數(shù)字中頻接收機(jī)等測(cè)量?jī)x器中，由于ADC器件存在量化噪聲、孔徑抖動(dòng)、差分非線性失真、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(shù)的下降，從而限制了儀器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，難以滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于一個(gè)14位ADC器件來說，當(dāng)參考電壓為1V時(shí)，在理想情況下，其所能轉(zhuǎn)換的信號(hào)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(biāo)。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(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)自動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍。

1 實(shí)時(shí)數(shù)控AGC原理
實(shí)時(shí)數(shù)控AGC電路通常采用前饋式電路結(jié)構(gòu)，以在信號(hào)到達(dá)ADC器件前完成對(duì)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(hào)幅度提取電路、邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊和數(shù)字增益補(bǔ)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(bǔ)償模塊為數(shù)字信號(hào)處理部分，可在FPGA器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

前端模擬混頻后得到的中頻信號(hào)首先經(jīng)過一組單極點(diǎn)濾波器(包含LC濾波器、晶體濾波器)來濾除帶外信號(hào)，然后通過選通再輸出到信號(hào)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(hào)，避免采樣頻譜混疊。該電路一般具有多個(gè)極點(diǎn)，所以有顯著的群時(shí)延特性，對(duì)于一個(gè)快速上升的中頻模擬信號(hào)，經(jīng)過抗混疊濾波器后，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(hào)在送入ADC之前有充裕的時(shí)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(hào)幅度提取電路先提取輸入信號(hào)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(jìn)行放大／衰減。當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，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(hào)幅度長(zhǎng)時(shí)間保持較小時(shí)，邏輯規(guī)則產(chǎn)生模塊才會(huì)增加增益，這樣可減小輸入信號(hào)有效噪聲，提高ADC的輸出有效位數(shù)(ENOB)。同時(shí)，采樣之后的數(shù)字增益補(bǔ)償模塊則根據(jù)檔位信息提供的補(bǔ)償值相應(yīng)地調(diào)節(jié)采樣數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)補(bǔ)償前端模擬電路的增益，從而準(zhǔn)確恢復(fù)出輸入的模擬中頻信號(hào)幅度。