AGC環路設計的Matlab-Simulink模型建模及驗證

井永成 尹軍艦 李仲茂 唐舸宇 冷永清

關鍵詞： 自動增益控制; Matlab?Simulink模型; 環路設計; 高動態; 時域模型; 功率域模型

中圖分類號： TN108+.4?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）06?0083?05

Abstract： A complete automatic gain control （AGC） loop model based on the Matlab?Simulink is constructed and verified. The model can analyze the AGC control process from two respects of time amplitude and power amplitude， and well display and predict the loop feature， so as to conveniently evaluate whether the AGC loop can meet the requirements of the system. With the assist of the model， a high dynamic AGC loop with its input dynamic range of –72～–12 dBm and output dynamic range of –19.7～–19.2 dBm is implemented， taking the variable gain amplifier， radio detector， analog?to?digital converter， digital?to?analog converter and field programmable gate array （FPGA） as core devices. The output power difference of the loop simulation and actual test is less than 1.3 dB， and the control time processes are consistent， which indicates that the simulation results of the AGC loop are basically consistent with its actual test results.

Keywords： automatic gain control; Matlab?Simulink model; loop design; high dynamic; time?domain model; power?domain model

0 ?引 ?言

隨著接收機與信源間距離遠近的變化，天線端接收到的信號功率具有很大的波動[1?2]。為使基帶能夠正確解調信號，接收機前端需根據輸入信號的強度自動調整其增益，從而得到電平相對穩定的輸出信號，這項功能是由系統中的自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）環路實現的。

在AGC環路中，環路結構和算法是影響AGC環路性能的重要因素，因此如何保證算法和環路結構的有機統一，是實現高性能AGC的難點。針對以上問題，相關文獻利用Matlab?Simulink建模仿真的方式來搭建電路結構，驗證算法的合理性，進而評估整個通信系統乃至AGC環路的性能[3?5]。該方法可以從原理上對算法進行驗證，且算法的修改靈活、簡便。然而之前的工作僅涉及算法仿真，沒有在實際電路調試中體現出應用價值。本文基于Matlab?Simulink建立一種新的AGC模型，該模型從理論上分析AGC環路的性能，提取關鍵參數，并將該關鍵參數應用于實際電路調試，極大地縮短了調試周期。

1 ?構建AGC環路

AGC環路可由模擬器件構成，也可由數字、模擬器件混合構成，本文分析的數/模混合構建的AGC環路，由檢波器、可變增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA）和ADC，DAC等電路元件構成。如圖1所示，輸入信號經過兩級相同的VGA放大后，通過耦合器向檢波器饋入適當電平的信號，檢波器的輸出電壓VDET由ADC轉換為數字量，再由AGC算法單元進行數據處理，處理結果決定DAC的輸出電壓，從而控制VGA的增益。其中：IFin為輸入信號;IFout為輸出信號;VG為VGA的控制電壓;VDET為檢波器輸出電壓。

2 ?AGC環路模型

隨著電路結構的確定，電路中各個元件的選擇，以及元件與AGC算法的匹配問題成為能否實現AGC環路的關鍵。所以，需要對各個元件的通用模型建模，模擬實際電路，以降低實際電路的研發成本，提高效率。

基于AGC環路結構和各部分的特性構建了圖2所示的AGC時域模型，其中模塊1～模塊4分別為AGC輸入信號發生器、可變增益放大器模型、功率檢測器的模型以及AGC的算法模型。工作原理如下：通過AGC輸入信號發生器生成脈沖型的包絡信號，該信號經可變放大器增益模型VGA1和VGA2放大后，由功率檢波器模塊檢測被放大后的信號功率，并將檢測值送入AGC算法模塊進行數據處理，根據處理結果決定VGA1和VGA2的控制電壓，進而控制增益，達到調整信號幅度的目的。

輸入信號發生器利用不同幅度的正弦波與不同相位的方波做點乘、疊加運算可模擬周期性變化的功率信號，用作AGC系統的激勵。

可變增益放大器的增益和控制電壓的關系有對數型、線性型、指數型等，但對數型具有更寬的增益范圍[9?10]，更符合實際系統需求，所以本文選用對數型進行建模。

功率檢測器的模型如圖4所示，輸入信號經過限幅器1做半波整流得到正弦波的正半周期，在經低通濾波器得到其直流分量，該直流分量代表了輸入正弦波的幅度，又通過轉換公式模塊將電壓幅度值轉換為功率值，最后根據所采用的檢波器模型插入檢波公式得到檢波電壓值。由于檢波器輸出電壓的區間受到供電電壓與器件特性的限制，因此最后經過限幅器2限制合理的輸出電壓范圍，得到最終的輸出VDET。

根據不同檢波器特性可知，均方根檢波器可以用于各種波形的信號功率檢測。檢波公式的輸出電壓VDET與被檢測功率Pout在正常工作區域符合式（2）的線性關系。

3 ?結果與分析

為了測試AGC模型的實際應用效果，經過研究，選擇相應的VGA器件[6]和功率檢波器[7]并搭建電路進行驗證。根據所選器件特性可知，式（1）和式（2）中，k取50，b取-5，k1取0.05，b1取2.65。目標功率Paim選定為-20.5 dBm。

AGC控制過程的時域模型仿真及實測結果如圖5、圖6所示。

從圖5可以觀察到，輸入信號為周期性的脈沖型的包絡信號，輸出信號為有周期性的窄脈沖凸起的包絡信號，VGA的控制電壓波形也呈周期性變化，且變化周期和輸入信號的周期相同，但變化趨勢和輸入信號恰好相反。隨著輸入信號的幅度由大變小，檢波電壓VDET呈現一個負向的不規則的窄脈沖;隨著輸入信號的幅度由小變大，檢波電壓VDET呈現一個正向的不規則的窄脈沖，輸出信號呈現窄脈沖包絡信號;其余時間、檢波電壓VDET和輸出信號均保持一個恒定值。該正負脈沖的寬度近似等同于橢圓形標注所顯示的VGA1和VGA2之間的調整時延，也近似等同于輸出信號的窄脈沖寬度。這是因為AGC環路存在響應時間，即從檢波器檢測到輸入信號變化到VGA的控制電壓做出調整所需的時間。這期間VGA的增益保持不變，輸入信號的波動呈現在輸出信號和檢波電壓的波形之上。

從圖6可以觀察到，中頻輸入信號為周期性的脈沖信號，該輸入信號由矢量信號發生器產生，其功率以800 μs為周期變化，其中400 μs功率為-10 dBm，另外400 μs功率為0。中頻輸出信號有周期性的窄脈沖凸起，VGA的控制電壓VG和輸入信號的周期相同，但是變化趨勢相反。檢波器的檢波電壓VDET的變化趨勢基本和圖5中檢波電壓波形一致，但是在功率為0的時間段內，VDET快速下降至一個較低的電平，隨后隨著VG的升高而漸漸升高。這是因為所使用的檢波器AD8362為均方根檢波器[7]，其檢測功率為工作頻帶內積分總功率而非峰值功率。在目標頻率兩側，噪聲也被VGA放大而具有一定功率，因此即使輸入信號為零，檢波器仍能檢測到一個非零的積分噪聲功率，且該功率隨VGA增益的增加而增大。因此，圖6中輸入功率由高變低時，控制電壓與檢波電壓出現了較緩慢的非理想上升過程。除此之外，兩圖所呈現的AGC行為基本一致，仿真和實測結果吻合。

AGC的功率域模型的仿真結果與實測結果如圖7、圖8所示。

從圖7可以觀察到，輸入信號的功率范圍為-100～0 dBm。當輸入信號的功率范圍為-79.1 ～-19.49 dBm時，輸出信號的功率被穩定地控制在

-20.5 dBm，與所設定的目標功率值相同。當輸入信號的功率范圍為-100～-79.1 dBm時，VGA的控制電壓保持最大值，可變增益放大器保持最大增益，所以輸出信號的功率隨輸入信號功率的增大而增大。當輸入信號的功率范圍為-19.49～0 dBm時，VGA的控制電壓保持最小值，可變增益放大器保持最小增益，輸出信號的功率也隨輸入信號功率的增大而增大。在輸入信號很弱或很強這兩種情況下，輸入信號強度超出了AGC可調整的范圍。根據以上的分析，通過仿真結果，該模型可以預測實際AGC電路中調整范圍的大小和調整特性。

從圖8可以觀察到，輸入信號的功率范圍為-100～0 dBm。當輸入信號的功率范圍為-72～-12 dBm時，輸出信號的功率被穩定地控制在-19.7～-19.2 dBm之間。當輸入信號的功率范圍為-100～-72 dBm時，VGA的控制電壓保持最大值，可變增益放大器保持最大增益，所以輸出信號的功率隨輸入信號功率的增大而增大。當輸入信號的功率范圍為-12～0 dBm時，VGA的控制電壓保持最小值，可變增益放大器保持最小增益，輸出信號的功率也隨輸入信號功率的增大而增大。在輸入信號很弱或很強兩種情況下，輸入信號強度超出了AGC可調整的范圍。

通過與圖7對比，AGC環路實際可控輸入范圍為-72～-12 dBm，這與模型預測的-79.1～-19.49 dBm具有約7 dB的平移關系，這是噪聲與檢波器的均方根特性等非理想因素導致的。另外，因濾波器等無源器件參數的改變導致通道固定衰減及耦合系數發生變化，實際的AGC電路輸出功率范圍為-19.7～-19.2 dBm，和模型預測20.5 dBm相比，最大誤差為1.3 dB;除此之外，兩圖呈現的AGC行為基本一致，實測結果很好地印證了仿真結果。

4 ?結 ?論

本文提出一種基于Matlab?Simulink的新高動態AGC環路模型。該模型從時域和功率的角度，分析了AGC環路的動態特性。在該模型的輔助下，實現了一種輸入功率為-72～-12 dBm，輸出功率為-19.7～

-19.2 dBm的高動態AGC電路。該AGC環路的實測結果與仿真結果基本吻合，表明該模型具有良好的預測與分析特性。

參考文獻

[1] SONG Y， YU X， JIN Z， et al. A 49?dB DR wide locking range hybrid AGC for an ISM?band receiver in 0.18 μm CMOS [C]// Proceedings of IEEE International Symposium on Radio?Frequency Integration Technology. Hefei： IEEE， 2014： 1?3.

[2] 池保勇，余志平，石秉學.CMOS射頻集成電路分析與設計[M].北京：清華大學出版社，2006.

CHI Baoyong， YU Zhiping， SHI Bingxue. Analysis and design of CMOS RF integated circuits [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2006.

[3] 尹立賢.基于Simulink模擬與數字通信系統建模研究[J].信息化建設，2016（5）：66.

YIN Lixian. Modeling of analog and digital communication system based on Simulink [J]. Informatization construction， 2016（5）： 66.

[4] 高穎，馮浩，張順，等.基于Simulink的模擬與數字通信系統建模與仿真[J].現代電子技術，2013，36（7）：64?67.

GAO Ying， FENG Hao， ZHANG Shun， et al. Modeling and simulation of analog and digital communication systems based on Simulink [J]. Modern electronics technique， 2013， 36（7）： 64?67.

[5] 陳永森，吳海.基于Simulink的數字AGC系統設計與仿真[J].艦船電子對抗，2010，33（5）：88?91.

CHEN Yongsen， WU Hai. Design and simulation of digital AGC system based on Simulink [J]. Shipboard electronic countermeasure， 2010， 33（5）： 88?91.

[6] Analog Devices Inc. AD8367： 500MHz， linear?in?dB VGA with AGC detector （Rev. A） [EB/OL]. [2005?07?05]. http：//www.analog.com/media/en/technical?documentation/evaluation?documentation/AD8367.pdf.

[7] Analog Devices Inc. AD8362： 50 Hz to 3.8 GHz 65 dB TruPwr? detector （Rev. F） [EB/OL]. [2016?09?15]. https：//www.analog.com/media/en/technical?documentation/data?sheets/AD8362.pdf.

[8] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2016.

FAN Changxin， CAO Lina. Principles of communications [M]. Beijing： National Defense Industry Press， 2016.

[9] 蘇明.短波接收機前端大范圍AGC控制電路的研制[D].武漢：武漢理工大學，2012.

SU Ming. The design of the large range AGC control circuit in the front?end of short?wave receiver [D]. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2012.

[10] KHOURY J M. On the design of constant settling time AGC circuits [J]. IEEE transactions on circuits and systems II： analog & digital signal processing， 1998， 45（3）： 283?294.