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申请上海交通大学硕士学位论文90dB大动态范围可控AGC系统及其在雷达远程测量平台中的应用学校：上海交通大学院系：电子工程系专业：电磁场与微波技术姓名：张志刚导师：袁斌（副教授）上海交通大学电子信息与电气工程学院2009年1月 ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheMasterDegree90dBWIDEDYNAMICERANGECONTROLLABLEAGCSYSTEMDESIGNANDITSAPPLICATIONINRADARREMOTEMEASUREMENTPLATFORMAuthor:ZhigangZhangSpecialty:ElectromagneticFieldandMicrowaveTechnologyAdvisorⅠ:Prof.BinYuanAdvisorⅡ:SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaJanuary12,2009 上海交通大学硕士学位论文摘要90dB大动态范围可控AGC系统及其在雷达远程测量平台中的应用摘要AGC系统作为基础组件广泛应用于雷达/通讯接收机、智能天线、数码相机、助听器等多个方面。本文对现有AGC技术及发展历程进行了系统总结，针对AGC系统的主要参数：动态范围、回路建立时间进行了详尽分析。在给出多阶模拟AGC动态范围极值及影响因素基础上，提出了一种扩大系统动态范围的方法：引入前级放大技术以扩大采样数据动态范围，进而提高系统动态范围。针对模拟AGC参考电平调整困难及差分比较运算的不足，引入数字电平比对技术，实现输出增益动态可控。由此设计完成了一款基于两阶大动态范围可控AGC系统。实验表明，本文所研系统在−.352dBm±.005输出增益条件下，输入信号动态范围达90dB；输出增益浮动范围扩大前提下−.352dBm±5.1，系统可充分挖掘可变增益放大器的潜力，使输入信号动态范围达100dB。与既有系统比较，获得了动态范围15~30dB的扩大，充分证明了采样前级放大技术及数字对比技术的混合使用能有效扩大AGC系统动态范围。关键词：自动增益控制，大动态范围，数模混合技术，前级放大 上海交通大学硕士学位论文ABSTRACT90dBWIDEDYNAMICRANGECONTROLLABLEAGCSYSTEMDESIGNANDITSAPPLICATIONINRADARREMOTEMEASUREMENTPLATFORMABSTRACTAGCsystemcomponentsarewidelyusedasabasisforradar/communicationreceivers,smartantennas,digitalcameras,manyaspects,suchashearingaids.ThearticlesummarizedtheexistingtechnologyofAGCandanalyzedmainparametersofAGC:dynamicrange,theestablishmentlooptime.Accordingtothegivenmulti-stageAGC’sextremerangeandimpactfactors,weproposedamethodexpandingthedynamicrange.Pre-amplificationtechnologyisadoptedtoexpandthedynamicrangeofsampleddata,thusimprovingthesystemdynamicrange.ForanalogAGCreferenceleveladjustmentdifficultiesandthelackofcomputingdifferentialcomparison,digital-levelmatchingtechniquesisintroducedtoachievedynamicoutputgaincontrol.So,wedesignawidedynamicrangecontrollableAGCsystemwhichistwo–stage.Experimentsshowthatthesystem’sinputdynamicrangereachs90dBwhenitoutputgainisbetween−.352dBm±.005.System’sinputdynamicrangecanreach100dBwithVGAfullyusedwhenoutputgainfloatingscopeofthesystemisbetween−.352dBm±5.1.Comparedwith 上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTtheexsitingsystems,ourdesignsystemhas15~30expansioninthedynamicrange.Sosanmpingpre-amplificationanddigitalcontrasthybridtechnologycaneffectivelyexpandthedynamicrangeofAGCsystem.KEYWORDS:AutomaticGainControl,WideDynamicrange,Analog&digitaltechnology,Pre-amplification 上海交通大学硕士学位论文目录目录摘要.......................................................................................................................................................IIIABSTRACT.............................................................................................................................................IV第一章绪论...............................................................................................................................................11.1课题研究背景.............................................................................................................................11.2国内外研究概况.........................................................................................................................31.2.1国外研究概况.................................................................................................................41.2.2国内研究概况.................................................................................................................41.3本文研究概况.............................................................................................................................5第二章AGC系统理论基础.........................................................................................................................72.1概论.............................................................................................................................................72.1.1AGC系统的发展与分类...................................................................................................82.1.2AGC系统的主要参数.......................................................................................................82.2AGC系统原理...............................................................................................................................92.3几种常用的AGC系统.................................................................................................................102.3.1模拟AGC系统.................................................................................................................102.3.2数字AGC系统.................................................................................................................132.4本章小结...................................................................................................................................14第三章AGC系统参数分析.......................................................................................................................153.1AGC系统回路表达式的推导.....................................................................................................153.2AGC系统的分析及仿真.............................................................................................................173.2.1典型AGC系统公式推导.................................................................................................173.2.1模拟脉冲式AGC系统分析及仿真..................................................................................203.3本章小结...................................................................................................................................26第四章基于前级放大及数字技术的模拟可控AGC系统研究...............................................................274.1多阶模拟AGC动态范围极值及可实现性研究.........................................................................274.2基于取样前级放大的AGC系统动态范围研究.........................................................................314.3基于数字技术的模拟AGC系统可控设计.................................................................................324.4基于前级放大及数字技术的二阶模拟可控AGC系统框架设计.............................................334.5本章小结....................................................................................................................................34第五章90dB大动态范围可控AGC系统的设计与实现...........................................................................355.190dB大动态范围可控AGC系统设计.........................................................................................355.2主要模拟器件的选择与使用...................................................................................................35 上海交通大学硕士学位论文目录5.2.1A/D芯片的选择与使用.................................................................................................355.2.2VGA芯片的选择与使用.................................................................................................365.2.3D/A芯片的选择与使用.................................................................................................385.2.4检波芯片的选择与使用...............................................................................................395.3数字器件的选择与使用...........................................................................................................405.3.1MCU的选择.....................................................................................................................405.3.2MCU的配置.....................................................................................................................415.3.3增益控制查表的设计...................................................................................................425.4匹配电路的设计.......................................................................................................................425.5系统软件设计...........................................................................................................................455.5.1软件设计概述及框图...................................................................................................455.5.2MCU的软件设计.............................................................................................................455.6系统的实物及测量数据...........................................................................................................465.6.1电路原理图...................................................................................................................465.6.2电路实物图...................................................................................................................485.6.3测量图像及测量数据...................................................................................................495.7本章小结...................................................................................................................................63第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用...................................................................646.1概述...........................................................................................................................................646.2基于E8267D信号发生器远程控制平台研制...........................................................................656.2.1信号发生器远程控制平台的设计...............................................................................656.2.2信号发生器远程控制平台的实现...............................................................................666.3基于E4447A频谱分析仪远程控制平台研制...........................................................................676.3.1信号发生器远程控制平台的设计...............................................................................676.3.2频谱分析仪远程控制平台实现...................................................................................686.4雷达远程测量平台实测值........................................................................................................696.5本章小结....................................................................................................................................71第七章总结与展望.................................................................................................................................72参考文献.............................................................................................................................................73致谢.......................................................................................................................................................76攻读硕士学位期间已发表或录用的论文...............................................................................................77 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1课题研究背景当代正处在高科技战争时代，将来的战争模式是信息化战争，现代军事技术中各种武器装备越来越广泛地采用和依赖与无线电技术。自从雷达发明以后，雷达便成为电子战的主要角色。经过第二次世界大战及战后几场局部战争的考验和近代雷达技术发展的推动，是雷达对抗成为当代电子[1]战和军事电子领域中发展最为活跃的技术领域之一。对于雷达接收机，大动态范围设计是非常重要的。众所周知，在实际的雷达信号环境下，进入接收机频带的信号很多，除了有用信号频率外，还有杂波和干扰信号频率。如脉冲多普勒雷达接收机，其信号回波频谱中除了包括高度杂波、主瓣杂波、旁瓣杂波以及多个目标回波之外，还有接收机内部噪声。如果雷达接收机是一个理想的线性系统，这些信号很容易能被提出来。但是接收机总是存在某种程度的非线性，并且由于这种非线性作用，使得接收机信号的频谱总会有些变化。例如，进入接收机的这种回波信号的交调会产生两个或多个新频率信号，若非线性所产生的信号超过检测门限，则会形成“虚警”，为了保证“虚警”在一定的限度内，就必须提高检测门限，这样将会降低雷达对小信号的辨别能力，或者说可能产生“漏警”。而要实现雷达接收机大动态线性范围的方法就是选用动态范围大的器件，而现在要求接收机的动态范围60dB或者更高，这就需要选[2]用大动态范围的AGC系统来扩大或者保证雷达接收机的动态范围。[3]自动增益控制系统正是用来保证接收机动态范围的电路。当代雷达越来越先进，各种体制的雷达相继出现，大大加重了电子对抗中雷达接收机对目标信号的接受处理，需要自动增益控制系统来保证接收机正常工作。接收机中的AGC作用可以归纳为四个方面：(1).防止由于强信号引起的接收机过载。大家知道，雷达观测的目标（包括杂波和干扰信号）有大小、远近之分，因此反射信号的强弱程度可能变化很大。当大目标处于近距离时，其反射信号很强，这就可能是接收机发生过载现象，破坏接收机的正常工作。为了防止强信号使接收机过载，就要求接收机的增益可进行调节，当信号强时，使接收机工作于低增益状态；当信号弱时，则工作于高增益状态。(2).补偿接收机增益的不稳定。接收机工作时，由于电源电压的不稳定、环境温度的变化、电路工作参数的变化等，都可能引起接收机增益的不稳定，用AGC可以补偿这种增益的不稳定。(3).在跟踪雷达中用于保证角误差信号的归一化。在跟踪雷达中，要求角误差信号归一化。所谓“归一化的角误差信号”，是指跟踪雷达控制天线转动的误差控制信号要求只与目标对天线轴线的偏离角有关，而与回波信号的强弱无关。但实际雷1 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论达接收机的信号随目标的远近及反射面的大小而不同，假如接收机中没有自动增益控制，那么这个要求是达不到的。这是因为在雷达的实际工作中，即使天线波束的轴线与目标位置方向的夹角不变（此时要求角误差信号不变），接收机回波信号的强度也会随着目标距离（和目标反射面积）的变化而变化。在跟踪雷达中，要求接收机输出的角误差信号强度与目标的远近和强弱无关，接收机的增益必须是能够调整的，当输入信号弱时，接收机增益应该高；输入信号强时，接收机增益应该低。这种增益控制必须采用惰性较小的自动增益控制，使其输出信号的强度基本上保持为一个常数，成为归一化的角误差信号。(4).在多波束三坐标雷达中用来保证多通道接收机的增益平衡。多波束三坐标雷达有时也称为堆积多波束三坐标雷达，它是采用仰角方向的多波束来测高的。回波（目标）落入仰角某一高度的对应波束是由多路接收机输出回波的大小来确定的，这就要求多通道接收机的增益要相对一致，增益的变化就对应着测高误差的增大，所以多通道接收机[4]的增益平衡是非常重要的，这种多通道增益平衡就是有AGC来完成的。技术的进步让自动增益控制技术得到了新的应用。目前，通信领域以圆阵为基础智能天线引起了人们广泛的兴趣和重视，如图1.1和图1.2所示。图1.1智能天线接收系统Fig1.1Smartantennareceiversystem图1.2智能天线发射系统Fig1.2Smartantennatransminttersystem图中不论接收与发射系统，对天线的方向图与增益AGC起了至关重要的作用。事实上，圆阵不但在通讯领域得到关注，而且在雷达方面也得到了相应的应用。2 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论上世纪90年代以来，德国应用科学研究院（FGAN-FHR）为因应隐形飞机、空中悬停直升机、基于地形匹配技术的视距外低空飞行目标的探测，展开了多型米波雷达的技术研究。较为著名的有“LARISSA”和“MELISSA”。其中MELISSA雷达系统（图1.3）即以圆阵为基础构造而成。图1.3MELISSA雷达系统Fig1.3MELISSARadarSystems本项目组在研的项目之一包含有圆柱面阵列流形研究，具体框图如图1.2所示，以AGC技术为基础展开的相关工作是所述阵列流型研究的重要内容之一。为此研制一款大动态范围可控AGC系统并构建出相应的试验平台是项目完成的前提与关键。图1.4圆柱阵列天线系统框图Fig1.4Cylindricalarrayantennasystemdiagram1.2国内外研究概况自动增益控制系统已经有很长时间发展历史了，随着述职期间的飞速发展已经有最早的模拟AGC系统到现在的数字AGC系统。在其发展过程中出现过各种形式3 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论[1]的AGC系统，包括快速AGC系统，双曲线式AGC系统，步进式变时间常数的AGC系统，等等。国外的一些公司已经生产成型的能够实现AGC功能的集成芯片。随着[4]雷达性能的提高，对AGC的要求也在不断提高，瞬时自动增益控制系统也得到很快发展，同时对高动态范围的自动增益控制系统也有很大的发展。1.2.1国外研究概况国外早在七十年代就开展了自动控制增益系统的问题的研究，其中研究比较早的代表人物有DENNISR.MORGAN,他最早提出了自动增益控制系统（AGC）的概[5]念，他在数字信号处理过程中给出了一种植入AGC函数的方法，但是他所给出的AGC仅仅适用于A/D转换的过程。美国的SuperconductingSuperColliderLaboratory的EugenioJ.Tacconi和CarlosF.Christiansen研究了一种宽带及高速的自动增益控制系统，论文中给出了一种增益控制方程以及理想情况下的[6]增益控制曲线图。PatrickF.Camilleri和GeraldE.Sobelman将自动增益控制系统应用于听觉系统，即一种助听器的自动增益控制系统，文中提出了一种输入压缩系统，同时根据应用的场合不同提出了适用于听觉的自动增益系统的算法。AlexanderUtter,ShaneOuchi和DavidMoneyHarris在他们合作的一篇名为自适应双通道自动增益控制系统中，提出了基于两个通道和多通道的自动增益控制系统，在文中输入信号进来首先被分为多个通道每个通道的信号首先经过固定增益放大器和ADC转换器后在进入相加器和控制器最后完成自动增益调控的目的。紧接著DanielL.Noneaker、ArvindR.Raghaven和CarlW.Baumzai[6]研究了直接序列无线通信接收机中AGC系统的影响和作用；HWANG-CherngChow和I-HsinWang首先提出了基于芯片内部设计的自动增益控制系统，同时将自动增益控制系统应用与ASK接收机系统，文中也给出了其中的芯片制造工艺及内[7]部结构图。T.J.SHAN和T.KAILATH研究了自动增益控制系统中的自适应算法，并对以往自适应算法提出了改进。RichardSmithHughes在去年出了一本自动增益控制系统在无线电、视频、雷达方面的应该，书中给出了自动增益控制的一些基本概念，同时分析基于传统的自动增益控制的缺点。其中特别有影响的是JohnM.Khonry他在怎样提高自动增益控制系统的回路建立时间做了很大的研究，最[8]后提出了一种恒定时间的自动增益控制系统的方法。1.2.2国内研究概况国内的研究成果主要集中在具体的原理和方法实现上，对理论的研究较小。其中电子科技大学的彭启踪和秦开宇在《基于数字补偿技术的实时自动增益控制技术研究》一文中，针对数字化AGC系统提出了实时AGC的原理，指出了实时AGC关键技术的实现，以及实时AGC系统的应用。哈尔滨工业大学的任广辉和王健在4 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论[9]他们所著的《基于FPGA的快速自动增益控制系统设计》中，针对AGC系统中峰值检测，提出了有别于传统的方法，传统的峰值检测算法需要有乘法器的无线冲激响应滤波器或者有限冲激响应滤波器，这些都需要乘法器，这样会大量消耗FPGA或者DSP的资源，他们提出了直接比较峰值检测方法，并通过仿真得到验证。华中科技大学的张巍峰和胡修林在《数字中频AGC的快速算法设计》中提出了针对目前基于软件无线电的数字中频接收机中，由于现有A/D芯片的动态范围不足满足系统要求，提出了一种全数字化AGC的快速算法，给出了详细实现过程和仿真结果，该算法具有响应时间短、调节精度高的特点。国防科技大学的李悦丽和[11]薛国义在《雷达数字AGC技术的工程实现》中，主要研究了数字自动增益控制技术在雷达信号处理中的工程实现方法。给出了数字AGC的基本原理，给出了惰性AGC、灵敏度时间增益控制等结构图，并且根据实际经验讨论了数字AGC技术工程化设计中需要考虑的几个问题以及解决途径，提供了一个数字AGC调整的通用流程。华东电子工程研究所的郑生华在《振幅和差单脉冲雷达接收机高幅-相一[12]致性AGC的设计中》提出了数控衰减器实现振幅和差法单脉冲雷达接收机AGC的方法。华东师范大学的郑正奇和蒋传纪提出了大动态范围AGC在雷达测距系统中的[9]应用研究，哈尔滨工程大学司惜才分别对自动增益控制系统做了一些研究，还有中国电子科技集团公司第29研究所的李峥在《电子战接收机中的自动增益控[13][10]制》中对电子对抗中的自动增益控制系统做了研究工作，他根据电子战与雷达接收机不同的特点，讨论了电子接收机的最佳增益控制策略，并给出了基本的实现模型。南京电子技术研究所的钱丽已经成功研制了数字瞬时AGC系统（IAGC）[14]，但是目前大动态的范围的AGC系统还没有多少涉及。1.3本文研究概况本论文的工作分为三大部分，一般AGC系统的分析，雷达AGC系统的设计以及虚拟仪器的远程测量平台设计。全文共分为七章，分章叙述如下：第一章首先介绍了课题的研究背景，总结了AGC系统以及国内外研究的现状，指出本文选题的目的和实际意义；介绍了本系统的功能，最后介绍本论文的结构。第二章分析了自动增益控制系统的理论知识，分别介绍了AGC系统的分类，开环和闭环AGC两种，针对闭环AGC，分析了多种闭环AGC系统：其中有模拟式AGC和数字式AGC系统，最后提出本设计的AGC系统和具体的实现方法。第三章推到了AGC系统的回路表达式，分析了一个典型中频AGC系统。然后针对一个模拟的AGC系统进行详细的分析以及系统仿真。最后分析雷达信号的5 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论种类，给出AGC系统对雷达信号的检波与仿真。第四章本章主要介绍了多阶模拟AGC动态范围极值以及可实现性分析，其次给出基于取样前级放大技术是如何改善AGC系统的动态范围的研究，再次，根据课题背景的需要指出模拟AGC系统必须要数字化的原因。最后基于上面技术，提出了大动态范围AGC系统即闭环的模数AGC系统，以及实现该系统的框图。第五章本章主要介绍了本系统的设计，分为硬件设计与软件设计。首先给出了硬件设计框图，然后分别介绍了各个模拟以及数字芯片的选择与使用，同时还给出了几种针对本系统的匹配网络，最后介绍了系统的软件设计，给出了软件设计流程以及数字增益控制量的设计，最后通过实测数据比较验证了第四章所给出的理论，第六章本章介绍了基于Agilent测量仪器雷达远程虚拟测量的平台的设计，同时给出设计方案，针对信号发生器E8267D与频谱分析仪E4447A的软件设计，同时给出了整个雷达远程虚拟测量平台的系统框图，最后通过实测数据来验证模数AGC系统的可行性。最后一章给出了全文的总结以及对今后工作的展望。6 上海交通大学硕士学位论文第二章AGC系统理论基础第二章AGC系统理论基础2.1概论自动增益控制系统是一个在电子学领域中应用很广的系统，在广播、电视、通信和雷达接收机中几乎都不可避免地要加以采用，并且对它们的性能有重要的影响。AGC在雷达接收机的系统中一般的位于接收机的中频增益衰减及接收机的前端这个部位，自动增益控制是一种反馈技术，用来自动调整接收机的增益，以便[15]在雷达系统跟踪环路中保持适当的增益范围。自动增益控制系统之所以广泛应用于接收机中，是由于下列原因造成：接收机距辐射源的距离可以有很大变化、电波在空间传播有明显的衰落现象以及其他一些干扰因数，使得作用在接收机输入端的信号强度有很大变化和起伏。但是，接收机一般只能处理幅度变化不大的信号，信号过强过弱或忽大忽小都会是终端[16]设备失效。为了防止强信号引起的过载，需要增大接收机的动态范围，这就要有增益控制电路。一般雷达都有增益控制。跟踪雷达需要得到归一化的角误差信号，以使天线正确地跟踪运动目标，这就需要采用自动增益控制。因此，必须设置一个幅度调节系统，来保证接收机输出信号幅度的平稳性。在电子侦查中，要完成对信号的测量，必须控制设备的状态，如果衰减不足，将导致接收机处于非线性状态，可能产生谐波；如果衰减过大，又可能导致接收的信号太小，不利于参数的测量。目前的电子战接收机中，通常采用手动的方法来控制系统的增益。这种方法一方面导致操作员具有繁琐的操作，加大了操作员的工作量，另一方面，由于系统增益并不是一个单变量的函数，而是有前端增益控制、中频增益控制等多个调节量组合而成，操作员在进行增益控制的工作时，不能不对系统的构成及原理有较深入的理解，同时由于接收机往往有工作于密集的电磁信号环境中，为了增大系统的动态范围，防止强突发脉冲对系统的干扰，确[17]保系呕吐那个工作正常，应采用自动增益控制系统。自动增益控制系统（今后常常简称为AGC系统）就是一个自动幅度调节系统，其基本作用相当输入信号的幅度在很大的范围内变化是。严格地定制放大器的增益，使其输出信号的幅度保持不变或者只有很小的变化。也就是说，AGC系统是一个动态范围压缩装置。7 上海交通大学硕士学位论文第二章AGC系统理论基础2.1.1AGC系统的发展与分类AGC系统种类繁多，但究其构成方式总可以划分为开环和闭环两种类型。在开环AGC系统中，不存在输出电压对输入端的反馈；而在闭环AGC系统中则有这种形式的反馈存在。因此，有时直接称开环AGC系统为无反馈AGC系统，而称闭环AGC系统为有反馈AGC系统。因为反馈作用代表输出电压对输入端的影响，是一种反向作用，故有时将闭环AGC系统称为反向AGC系统，而将开环AGC系统称为前向AGC[18]系统。根据实现的方式，可以将闭环AGC系统划分为模拟式AGC系统与数字式AGC系统两大类，其中模拟自动增益控制系统又分为峰值型AGC系统和选通型AGC系统，还有时间增益控制系统STC，这其实也是AGC系统的一种。也可根据AGC系统中反馈电路有无放大器而划分成放大式AGC系统与非放大式AGC系统。对于连续AGC系[13]统，则还可按获得控制电压所以那个的检波方式分类。据此可分为公用检波器和独用检波器的系统。在AGC系统的发展过程中最初的是纯模拟式AGC系统，后来数字器件的飞速发展，AGC系统引入数字器件发展成为数字AGC系统。数字器件的速度越来越高，越有利提高AGC系统的速度，出现了快速数字AGC系统和瞬时AGC系统，同时也出现了动态范围比较大的AGC系统。2.1.2AGC系统的主要参数[19]属于AGC系统的指标包括静态指标和动态指标。静态指标是属于静态调节特性的。所谓静态调节特性是指在恒定幅度的输入信号（无起伏和调制）作用下，AGC系统的静态输出电压幅度与输入电压幅度之间的因数关系，即VtGUt()=()（2-1）1.AGC开始起作用的最小输入信号幅度U（通常称为起控电平）和相应min的输出信号幅度V；min2.AGC失去作用的最大输入信号幅度U(通常称为失控电平)和相应的输max出信号幅度U；max3.输入信号电压的动态范围，其定义为UmaxD=（2-2）srUmin式（2-2）用dB做单位则可表示为Ddsr(B)=20lgDsr（2-3）4.输出信号电压的动态范围，其定义为8 上海交通大学硕士学位论文第二章AGC系统理论基础VmaxD=或者Dd(B)=20lgD（2-4）scscscVmin5.AGC系统回路建立时间Ts输出信号幅度从加上跃变瞬间的起始值变化到满足不等式VtV()−∞()≤Δ（2-5）V()∞[20]所必须的时间长度。这里V(∞)是输出信号幅度在t→∞时的稳态值。AGC系统的过渡特性对于输入作用具有快速变化的那些情况是非常重要的。除了上述各种指标以外对任何AGC系统都有一个基本要求，就是在整个动态范围内都应当稳定而可靠地工作。除了保证不自激以外，还应具有适当的稳定裕量，以适应系统参数和环境条件的变化。2.2AGC系统原理开环AGC系统和闭环AGC系统在工程上都有应用。对数放大器就是一种开环AGC。开环AGC系统一般可以用下图来表示。图2.1开环AGC系统框图Fig2.1thediagramofopen-loopAGC图2.2闭环AGC系统框图Fig2.2thediagramofclosed-loopAGC[21]开环AGC系统的优点是：在输入信号幅度发生很大变化时，仍能精确做到输出幅度不变；其缺点是：惯性大，动作迟缓，对系统参数的变化敏感、闭环AGC能以一定的准确度保持系统输出电压幅度不变并且对系统尝试的变化不敏感，同时可以具有始终的快速响应，但是抗干扰能力不强，不适应输入快速的情况。开9 上海交通大学硕士学位论文第二章AGC系统理论基础环AGC系统和闭环AGC系统的优缺点将会在后面章节中展开讨论。任何闭环AGC系统的方框图都可以用图2.2表示。从图2.1和图2.2可以看出，开环AGC系统和闭环AGC系统都是有受控放大器和AGC电路组成，而且这两部分的结构和功能基本相同，不同的是开环AGC系统中AGC电路的输入是系统输入信号Ut()，而闭环AGC系统中AGC的输入是系统输出信号Vt()。E是自动增益控制系统中的门限比较的设定值，但AGC电路输入的电压小于E时，AGC电路输出控制量M(t)来控制受控放大器来调节输出（放大作用）的电压使之达到设定的E值，如果输入的电压大于E，同样AGC电路输出控制量M()t来控制受控放大器来调节输出（衰减作用）的电压使之达到设定的E值。自动增益控制系统的特性包括稳态特性和过渡过程（动态特性）、AGC系统的静态特性是指在恒定幅度的输入信号（无起伏和调制）作用下，系统达成稳态之后，各种量值之间的关系，其中有一个重要的参量是回路增益，以及传输系数。对于闭环AGC系统来说回路增益是系统的反馈作用大小的量度，其越大，输出电压的变化的幅度越小，但是也不能无限的大，因为回路增益同时关系到系统的动态品质和稳定性。AGC系统的过渡过程是指当它的输入端上作用一个快速变化的电压时，其输出电压幅度随时间的变化规律（可能增大也可能减小）。为了求得AGC系统的过渡过程，首先必须列出系统的运动方程式。2.3几种常用的AGC系统闭环AGC系统的分类有很多种，在接下来的内容中，将简要的分模拟和数字两大类来进行叙述。2.3.1模拟AGC系统在模拟接收机中，增益控制是通过可变的衰减器或可变增益的放大器实现的，根据最佳的动态范围完成增益控制的分配。当输入信号变化时，增益可以由负反馈控制系统自动完成。在负反馈控制系统中，信号的强度经平方律器件检波，反馈到可变增益级，使信号变化到规定的范围内，这种负反馈环路是一个经典的控制系统，环路的动态平衡是靠AGC的“充电”和“放电”来实现的。[22]一般接收机中采用的闭环模拟自动增益控制系统回路可用图2.3所示：10 上海交通大学硕士学位论文第二章AGC系统理论基础Ut()Vt()EAVtE()−Edd图2.3闭环模拟AGC系统简化框图Fig2.3thediagramofclosed-loopanalogAGC图2.3中，Ut()、Vt()理解为信号的包络值，E为反馈电路输出的AGC电A压，E为参考电平。通常认定：增益控制特性为GE()的受控放大器与反馈电dA路相比无惯性；反馈电路对信号包络而言是线性的，其频率特性为kFj(ω)。A模拟AGC到控制产生部分采用模拟电路实现，如图2.4所示，主要有输入放大器、检波器、低通滤波器和输出放大器几个部分构成。输入放大器有两个输入端，其中一个输入端的输入信号U为接收机的输出，另一个输入端的输入信号in为起控电平E。起控电平E决定当输入信号有多大时，AGC电路才开始控制中放大衰减器，目的在于既控制大信号的放大倍数又保证小信号得到较大的放大倍数。检波器检出信号的功率。滤波器用来平滑检波输出信号中变化较大的部分。滤波器通常采用图2.4所示的一阶低通滤波器，AGC到时间常数由低通滤波器中的RC值决定。输出U即为产生的AGC控制电压，直接控制中放大衰减器，调out节中放输出信号的幅度。UinUout图2.4模拟AGC系统框图Fig2.4thediagramofanalogAGC模拟型的AGC系统又分为a.峰值型AGC，b.选通型AGC，c.时间—增益控制STC等三种方式。a.峰值型AGC利用检波后的直流电压为AGC控制电压，具体应用框图如下：11 上海交通大学硕士学位论文第二章AGC系统理论基础UiUoUr图2.5峰值型AGC系统框图Fig2.5thediagramofpeak-detectingAGCAGC电压的产生电路:D1UUpoL1CC1R21图2.6峰值型AGC电压产生电路图Fig2.6thecontrolledvoltagecircuitofthepeak-detectingAGCb.选通型AGC[11]选通型AGC应用于单目标跟踪雷达接收机中，它具有更强的抗干扰能力。利用从目标反射回来的回波信号去跟踪系统，使雷达天线跟踪目标，并随着目标的移动而移动。它的组成框图如下：UiUoEL图2.7选通型AGC方框图Fig2.7thediagramofthechosenAGC当雷达天线指向某一空域内时同时有若干个目标同时存在，接收机将接收到若干个回波信号，由于跟踪雷达只跟踪单个目标，因而，这时雷达将无所适从。解决这个问题的办法是通过调节“选通波门”把所要跟踪目标回波信号选出，经[25]峰保、放大后送到跟踪机构。从AGC电路的工作来看，利用所有的回波产生AGC控制电压是不合适的。如果被跟踪的目标信号较弱，必定要求接收机有较高的增益。因此，最好的办法是用选通电路把所需要的回波信号选出，经过门限设置、峰保、放大后，输出AGC控制电压。c.时间—增益控制STC12 上海交通大学硕士学位论文第二章AGC系统理论基础[26][27]AGC系统还有一种叫做时间增益控制的系统（STC），接收机的增益随时间而增加，它应用于雷达接收机的前端或中频。因在近距离目标反射回来的信号很强，而位于十几公里或几十公里以外的目标回波很弱，如果把雷达接收机的增益尽量加大，以便观察远处的目标是，那么对于近距离目标来说，回波必然太强，很可能是接收机发生饱和或堵塞。相反，如果把接收机增益降低，则远方目标信号将因太弱而无法收到。因雷达目标回波近处的时间短，远处目标回波所需时间长，因此采用STC电路来解决这一矛盾。D1图2.8模拟式STCFig2.8thediagramofanalogSTC左图的二极管D1一般用PN管，通过控制PN管道导通电阻大小，控制输出信号的大小。一般STC电路用在接收机的前端，高频部分，把近距离大目标进行一定量的衰减，防止近程杂波干扰引起的接收机过载，，这种电路形式已经用在很多种型号的接收机中。2.3.2数字AGC系统[17][18]所谓数字AGC，指的就是利用数控衰减器，通过控制它的衰减量大小来调整中放增益大小或者是通过数字器件通过数字方法实现增益的控制。它的应用有两种方式，一种是雷达接收机自己实行闭环；另外一种是通过信号处理送给AGC控制信号，实现雷达系统的闭环。在数字接收机中，增益控制需要处理的问题，研究的途径和解决的方法同模拟接收机相似，但也存在很大的差异，首先，数字AGC也要求输出电平和过载保护，可是信号经过A/D转换器数字化后，其增益的衰减主要是通过采样数据的运算处理来完成的，基于DSP的增益控制线路简化了很多相同功能的模拟电路。其次，模拟接收机主要关心的问题是信号过载和外界环境对电路的影响，而数字接收机的主要问题则是A／D转换器的过载。由于窄带中频滤波在A/D转换器后，因此带内的信号将不再是设置接收机增益的主要参考。无论是MGC还是AGC方式，DSP处理器必须监测A/D转换器的输入电平，防止A/D转换器的过载的发生。所以，如果在A/D转换器的带宽内接收到一个强信号，同时窄带中频滤波器内有用信号很弱，就必须降低增益防止A/D转换器的过载，通过减少模拟增益，增加数字中频[28]处理增益，保持输出信号为一固定的幅度。13 上海交通大学硕士学位论文第二章AGC系统理论基础[28]第一种：接收机自己闭环，其方框图如图2.9所示：UUio图2.9接收机闭环的数字AGCFig2.9thediagramofclosed-loopdigitalSTC它是把检波后的信号放大、A/D采样保持，通过CPU送给数控衰减器作为控制数据，用数据来控制数控衰减器，以达到控制增益的目的。[17]第二种：由信号处理机送AGC控制信号，组成框图如图2.10所示：数控衰减器的控制由信号处理机来完成。在单目标跟踪雷达中，信号处理机将根据雷达需跟踪的目标的信号幅值大小，发给数控衰减器所需控制的数据。这种控制方式已在多部雷达系统中使用，控制精度高，反应时间也比较快。衰减器的步进根据需要有多种类型可供选择，典型的为0.5dB、1dB、10dB、20dB等，总的衰减量从十几dB到63dB，插入损耗只有2dB左右，频率范围从DC—2G，很多公司都有这样的产品，应用这种电路是目前的趋势。图2.10由信号处理机送AGC控制信号框图Fig2.10thediagramofsignalprocessorsendingcontrolledsignalinadigitalSTC2.4本章小结本章主要介绍了AGC系统的基本理论。首先介绍了AGC系统的一些基本概念，然后介绍了AGC系统的原理，并分别介绍了开环和闭环AGC系统的优缺点。在闭环AGC系统中，介绍了三种模拟式与两种数字式AGC系统。14 上海交通大学硕士学位论文第三章AGC系统的参数分析及推导第三章AGC系统参数分析3.1AGC系统回路表达式的推导由上一章节（图2.3）可以的分析，这样的一个回路可以视为一个参考输入为E，输出为Vt()的伺服系统，而将信号Ut()的变化视为扰动。在框图中仍称dUt()为输入信号。系统的有效性可用Vt()的相对变化量yV=ΔV对于Ut()的相对变化量x=ΔUU的抑制程度来测量。从图2.3所示的关系出发，对于频率为ω[3][31]的ΔU，经过不复杂的变换，在一次近似下，有y11==（3-1）x1−kUdGFj()ω1+KFj0()ωAdEAdGdG式中为工作点处GE()的斜率，Kk=−U为回路增益。（3-1）式就是A0AdEdEAA回路关于输入信号与输出信号的相对变化的频率特性。根据拉普拉斯变换，以s代替（3-1）式中的jω，输入信号与输出信号相对变化的传递函数也已得到。相[12]应的结构图如图3.1所示。X()sYs()KFs0()图3.1AGC拉普拉斯变换图Fig3.1theLaplacetransformofAGC在大多数情况下，自动增益控制的目的主要在于修正平均信号强度的变化以及抑制由于目标衰落而引起的信号起伏。此时输入信号可表为UtUU()=+（3-2）式中U为信号平均值；U为信号的起伏分量。这时，自动增益控制时常数可选定得小到消除信号包络中大部分低频欺负成分即可，不宜寻求过快的调整过程。[32][34]考虑任意时刻t，此时自动增益控制回路处在稳定状态。设回路中受控放大器增益为G，输入为U，输出为V，于是有15 上海交通大学硕士学位论文第三章AGC系统的参数分析及推导VU=GE=（3-3）d假定输入信号幅度限制改变ΔU，只要ΔU不超过放大器的瞬时动态范围从而不使放大器进入非线性区，则由于回路不能提供瞬时增益控制，放大器输出也将相应变化ΔUGi,若比较器是一相减器，则反馈电路所感受到的误差信号为ΔVU=ΔiG（3-4）在下一个脉冲到来之前，回路将调整其增益。设放大器增益控制特性为GGE=(A)，得到增益调整量就为dGΔG=ΔE（3-5）AdEA若反馈电路的增量增益为k，即AΔEkV=Δ（3-6）AA式（3-5）成为dGΔGk=ΔΔV（3-7）AdEA对于稳定的回路，下一脉冲到达时，应有()UUGGEUU+Δ()+Δ−d<(+Δ)GE−d（3-8）此式就是回路的稳定条件。进一步，如果系统在下一脉冲到来之前已完成由上一脉冲所携带的幅度变化信息引起的系统增益调整过程，即回路调整过程时间是有限的且限于在一个脉冲重复周期内完成，就应当有()UUGGE+Δ+(Δ)−d=0（3-9）这也就是回路的跟踪条件。注意到回路闭环时UΔU，并利用（3-4）、（3-7）两式，从（3-8）式可得dG−2)oo11oii1ui1在图4.1中，u为对数放大器输入电压的起点，对应的输出电压为u，ui1o1i2为对数放大器输入电压的终点，对应的输出电压为u。o2uouo2uo1oui1uui2i图4.1对数放大器的振幅特性Fig4.1LogAmplifieramplitudecharacter对数放大器的输入电压动态范围D为iui2（4-3）D=iui1对数放大器的输出电压动态范围D为ouo2（4-4）D=ouo1放大器的压缩系数C为D（4-5）iC=Do27 上海交通大学硕士学位论文第四章基于前级放大及数字技术的模拟可控AGC系统研究[45]对数放大器的动态范围一般指输入电压的动态范围，用对数表示时为'DDii=20lg(dB)（4-6）对数放大器的实际特性总是与理想的对数放大器有一定的偏差。随着输入电压值的不同，会有不同的偏差值。当输入电压为某值时，其偏差δ为uu−oeot（4-7）δ=uot式中，u表示实际对数特性曲线上与该输入电压对应的输出电压，u表示理oeot想对数特性曲线上与该输入电压对应的输出电压，一般用对数特性曲线上的最大偏差值δ来表示对数特性的精确性。max[45][46]对数放大器有很多种形式，常用的有连续检波式对数放大器和双增益对数放大器。连续检波式对数放大器由几级特性相同的限幅放大器级联起来，并将每级的输出分别进行检波并送到加法器，如下图所示。图中n路检波输出的信号相加后总的输出电压为u，与第一级输入电压u之间近似呈对数关系。oiuiKKKKKKKKKKDDDDDuo图4.2连续检波式对数放大器原理图Fig4.2Login-rowdetectoramplifierschematic连续检波式对数放大器的对数振幅用电压相加法得到，其单极振幅特性如图4.3所示。当输入电压较小时放大器工作于线性区，其增益为K，当输入电压较大时放大器工作于限幅区，其限幅电平为u。可以证明：利用这种电压连续相L加法得到振幅特性只能是近似的对数关系，其特性曲线如图4.4所示。uououonpnuuomLpmuo3pu3o2p2uo1p1ouibuioui1ui2ui3uimuinui图4.3对数放大器单极振幅特性图4.4电压连续相加法得到的近似对数特性Fig4.3AmplitudecharacterofaunipolarFig4.4Approximatelogcharacterofaddingvoltage28 上海交通大学硕士学位论文第四章基于前级放大及数字技术的模拟可控AGC系统研究当放大器的输入电压u从0逐渐增大时，最初各级均未进入限幅状态，这时i的输出电压图形如图4.4中的OP段。1图4.4的近似对数特性曲线可以看做是由多段折线所组成，其OP段的表达1式为23nn−1uKKoDi=+()uKuKi+ui+"++KuKiui（4-8）式中，K为检波器的电压传输系数。当输入电压增大到u时，末级正好达到限Di1幅电平u，图4.4中点P的坐标值为L1⎧uLu=⎪i1n⎪K⎨（4-9）⎛⎞1111⎪uK=+uKu++"++oD1LDL⎜⎟nn−−122⎪⎩⎝⎠KKKK当输入电压增大到u时，末前级正好达到限幅电平u，图4.4中点P的坐i2L2标值为⎧uLu=⎪i2n−1⎪K⎨（4-10）⎛⎞111⎪uK=+2uKu+"++oD2LDL⎜⎟n−22⎪⎩⎝⎠KKK依次类推，当第m级正好达到限幅电平u时，图4.4中点P的坐标值为Lm⎧uLu=⎪imnm−+1⎪K⎨（4-11）⎛⎞111⎪u=+mKuKu+"++omDLDL⎜⎟nm−2⎪⎩⎝⎠KKK当输入电压增大到u时，第1级正好达到限幅电平u，图4.4中点P的坐inLn标值为⎧uL⎪u=im⎨K（4-12）⎪un=Ku⎩omDL由式(4-11)解得n+11⎛⎞uKimm=ln⎜⎟（4-13）lnKu⎝⎠L29 上海交通大学硕士学位论文第四章基于前级放大及数字技术的模拟可控AGC系统研究代入式（4-11），得n+1Ku⎛⎞uK⎛⎞111DLimuK=+⎜⎟u⎜⎟+"++（4-14）omDLnm−2lnK⎝⎠uKL⎝⎠KK上式表示图4.4中各折线焦点上输出电压与输入电压的关系。等式右边的第一项为对数项，第二项为非对数项。当足够大且单极增益nK不太大时，对数特性偏差不大。连续检波式对数放大器的输入动态范围为uinuKLn−1D===K（4-15）inuuKiL1式（4-15）用dB表示为'D==20logDn20(−1)K（4-16）ii上式可图示为：级联与动态范围--理想情况下400350300250dB200动态范围150100500012345678910级联图4.5级联与动态范围-理想情况下Fig4.5Cascadeanddynamicrange–Idealcondition由图4.5可知级联可有效扩大放大器动态范围，且在理想情况下级联可实现增益动态范围的线性叠加。当单阶增益动态范围为45dB时，n阶级联电路可实现的动态范围极值为：D=45n(dB)nmax事实上，上述理想情况是难以实现的。级联匹配网络的失配及实际传输损耗均将带来一定的衰减，这将增大对可控增益放大器最大增益值的需求，进而减小动态范围。在实际工程中，对动态范围影响最大的因素来自于弱小信号的制约。因为，极弱信号的检测是困难的，尤其是输入信号很小时，对其检波后得到的电压有效值与门限电平比较及其困难，导致输出增益控制值难以准确输出。对于−70dBm的输入信号而言，通过可变增益放大器后，由于初始时刻可变增益放大器处于缺省状态，一般为0dB，系统的输出信号为−70dBm，通过检波后其输出30 上海交通大学硕士学位论文第四章基于前级放大及数字技术的模拟可控AGC系统研究−4电压有效值为7.0710×V，这是一个亚毫伏电压值，一般的模拟比较器和检测器对此难以进行准确比较（注：基于高精度电压基准模块的比较器例外），严重限制了系统高动态范围的实现。更为甚者，对于常见的增益可变放大器而言，弱小信号往往对应大增益值，而大增益状态下可变增益放大器又多处于不稳定状态，控制电平与增益关系曲线处于非线性状态，线性误差大幅增加（图4.6），使基于此建立的AGC动态范围严重消弱。图4.6调控电压与信号线性度Fig4.6Controlvoltageandsignallinearity总之，上述多种因素制约了多阶模拟AGC理想动态范围极值的达成。例如参[35][47]考文献中使用Analog公司的AD8367两块芯片级联，理想动态范围极值为90dB，现实中，在300MHz时只能实现70dB动态范围。,4.2基于取样前级放大的AGC系统动态范围研究通常模拟AGC系统的门限比较使用的是可变增益放大器的内部检波与比较器，其输出控制电压对弱信号反应不灵敏，导致了弱信号的输入后可变增益放大器不能够很好的输出一个比较稳定的值，或者输出的电压控制值使信号进入非线性调控区域。造成这个原因是AGC系统使用本身的检波器或者检波器没有放大的功能，导致了弱信号不能实现高增益的放大，消减了系统的动态范围。所以要是AGC系统能够对弱信号进行有效调节，必须在AGC系统中加入前级放大。由上节所述，没有加入取样前级放大的AGC系统对弱信号很难进行准确的增益调控。故本课题设计的AGC系统加入了前级放大，框图如下：图4.7含有采样前级放大的AGC框图Fig4.7DiagarmofAGCincludingamplificationpre-sampling31 上海交通大学硕士学位论文第四章基于前级放大及数字技术的模拟可控AGC系统研究由图4.7可以得出，当输入信号经过可变增益放大器输出后，通过检波放大后进行与门限电平比较后输出控制电压来调控可变增益放大器。由于该系统在检波后加入了放大的功能，是原本弱小的信号通过检波后，经过一定的放大倍数能够门限电压进行很精确的比较后，输出理想的控制电压。当放大的倍数为7.5时，相当于对输入的信号的最小范围进行了扩大，是原本比较小的信号能够检测出来，实际上扩大了系统的动态范围。通过取样前级放大实际上将系统的动态范围扩展了10log7.58.7≈dB。通过这个技术在一定程度上弥补了实际情况下级联AGC的动态范围，使其达到理想情况下的极值动态范围。4.3基于数字技术的模拟AGC系统可控设计智能天线方向图重构的一个重要手段就是针对阵元信号的增益调控，这在图1.1与图1.2所示的智能天线收发系统中可见一斑。项目组从事的圆柱阵列天线流型研究中（图4.8），对阵元的信号增益调控也是阵列方向图优化设计的重要手段之一。图4.8圆柱阵列天线图Fig4.8Cylindricalarrayantennadiagram传统的模拟AGC系统中，输出增益的调控决定于参考电平的制约，参考电平决定了系统输出增益的大小。遗憾的是，参考电平的调整对模拟AGC而言，并非来的快速简便。改良的方法之一就是引入数字电平比对技术以替代传统的差分运放电平比较技术。具体框图为EL图4.8传统模拟GC框图Fig4.8DiagarmoftranditionalanalogAGC32 上海交通大学硕士学位论文第四章基于前级放大及数字技术的模拟可控AGC系统研究从上图中可以看出传统模拟AGC的控制部分是通过模拟器件来实现的，门限比较是通过运算比较器来实现，这样一来门限的设定值相对固定，而且调节起来极不方便，即使可以通过变阻器来实现可变的门限电压，但是由于其门限的电平不可精确控制。图4.8含有数字比较技术的模拟GC框图Fig4.8DiagarmofanalogAGCincludingdigitalcomparison通过引入数字技术后的模拟AGC系统，可以很方便的设定门限的比较电平，而且实现很随意的输出电压增益幅值，其输出的电压只需要通过软件编写，而且由于采用数字电平比较技术可以精确到亚毫伏的级别。这样的设计的好处就是，AGC系统可以适用不同的应用场合和系统，根据具体的系统调节需要的输出增益值。4.4基于前级放大及数字技术的二阶模拟可控AGC系统框架设计本文提出了基于采样前级放大及数字技术的二阶模拟可控AGC系统框架设计，该系统的实际要求是能够进一步扩大接收机的动态范围，即AGC系统能够对大信号具有限幅作用或者进行幅度增益调制，防止接收机前端A/D转换过载，同时对小信号具有放大作用，能够方便接收机前端A/D转换提取出有用的信号。本[48]AGC系统采用的是模拟和数字器件结合闭环AGC设计方法-模拟加数字化的AGC系统，本文中称为模数AGC系统，该方法这种综合了模拟AGC系统和数字AGC系统的优点，分别利用了模拟级联的方法和前端放大扩大了整个AGC系统的动态范围，同时本系统的AGC系统一部分使用数字技术，具有输出增益可调节的功能，可以在一定范围内设置任意系统输出电压的幅度。从前面几章的叙述可知，现在的一般AGC系统都采用闭环的AGC系统，闭环AGC能以一定的准确度保持系统输出电压幅度不变并且对系统尝试的变化不敏感，同时可以具有始终的快速响应，故本课题的AGC系统也采用闭环系统，本系统的模[19]拟部分是检波和可变增益放大器（VGA），而数字部分采用了MCU和A/D，D/A芯片来进设计，AGC系统的数字增益控制量由数字部分通过软件查表得出，数字增益控制量通过D/A转变为模拟增益控制量输出给可变增益放大器，由可变增益33 上海交通大学硕士学位论文第四章基于前级放大及数字技术的模拟可控AGC系统研究放大器对输入信号进行幅度增益调制，使之输出信号仅在微小的幅度范围内变化，或者输出信号幅度趋于稳态。图4.9模数AGC系统原理框图Fig4.9theschematicdiagramofanalog&digitalAGC模数AGC系统的工作原理：系统接收到的信号进来以后，信号首先经过两个可变增益放大器，一开始系统没有设定增益控制量，所以信号可以直接通过可变增益放大器同时保持幅度不变，接着信号通过检波放大电路，由检波电路提取出信号的幅度进行放大，然后信号的幅度经过A/D转换电路，得到离散化的量化值；系统将离散化的幅度量化值与MCU设定的门限值进行数字电平比较，通过查表后输出数字增益控制量，数字增益控制量通过D/A转换成为模拟增益控制量来控制可变增益放大器，由可变增益放大器对输入信号的幅值进行调节，最后达到自动增益控制的目的。4.5本章小结本章基于多级模拟AGC级联技术与采样前级技术分别就这两项技术是如何扩大输入动态范围进行了详细的论述。首先基于放大器级联的技术的分析以及推到，在理想情况下，级联可以线性扩大动态范围，由于匹配网络会带来损耗，但其实对弱信号的高增益的放大是对动态范围影响最大的；其次基于取样前级放大的技术来弥补弱信号的高增益放大对系统的动态范围影响；为了模拟AGC可以很方便实现输出增益可调的功能我们引入了数字技术，通过数字电平的比较输出可变的增益值。然后，给出基于前级放大及数字技术的二阶模拟AGC系统的框架设计。34 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现第五章90dB大动态范围可控AGC系统的设计与实现5.190dB大动态范围可控AGC系统设计模数AGC系统通过模拟AGC二阶级联技术和取样放大技术实现大动态范围，同时通过数字化技术实现输出增益可调控。实现的框图如图5.1所示。图5.1模数AGC系统的实现框图Fig5.1Digaramofanalog&digitalAGC本课题AGC系统，使用了Aanlog公司的可变增益放大器AD8367芯片的级联，实现动态范围的扩大，同时利用检波放大芯片AD8361使系统的动态范围达到二阶级联系统的极值90dB。5.2主要模拟器件的选择与使用5.2.1A/D芯片的选择与使用从第2章节介绍中可以看到，在系统电路中A/D转换占有很重要地位，检波后信号的幅度的数字化的精确度直接和A/D芯片的选择有直接的关系，同时系统的动态范围的大小也一定程度上受A/D芯片的选择的制约，芯片转换的bit数目决定了动态范围。所以A/D芯片在选择时有速度和精度两方面的要求。在AGC系统后端提出了60dB的输入动态范围的指标，则最少需要10bit的A/D芯片，同时如果输入动态范围的电压表示为1mV-2V，根据AGC系统的特点，对于小信号而言如果精度不够，会造成输出波纹很大，例如使用8位A/D，精度为7.9mV（满量程2V），在某一个数字量时放大倍数为150倍，则输出的波纹大小为1.185V，而采用10位A/D，相应的波纹仅为285mV，因此选用10位A/D，本系统采用35 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现ATmega32芯片。ATmega32有一个10位的逐次逼近型ADC。该ADC是10位精度，0.5LSB的非线性度，正负2LSB的绝对精度，65～260μs的转换时间，最高分辨率时采样率高达15KSPS；ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V(GND)为基准。芯片还支持16路差分电压输入组合。两路差分输入(ADC1、ADC0与ADC3、ADC2)有可编程增益级，在A/D转换前给差分输入电压提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1)，而其他任何ADC输入可作为正输入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。5.2.2VGA芯片的选择与使用可控增益放大器（VGA）是AGC系统的重要组成部分，它的性能将直接影响到AGC系统的性能。可控放大器控制增益的方法一般有三种：改变直流工作条件控制增益；改变交流工作条件控制增益；通过电控衰减器控制增益。在本系统我选[30]择ADI公司的AD8367，它是通过电控衰减器来控制增益的。AD8367是AD公司推出的一款可变增益单端IF放大器，它使用AD公司先进的X-AMP结构，具有优异的增益控制特性。由于在片山集成了律方根检波器，因此，它也是全球首枚可以实现单片闭环AGC的VGA的芯片。该芯片带有可控制线性增益的高性能45dB可变增益放大器，并可以在任意低频到500MHz的频率范围内稳定工作。AD8367该芯片主要由可变衰减器、固定增益放大器和律方根检波器组成。它的输入级是总衰减量为45dB的可变衰减器，其中包含了一个200Ω单端梯形电阻网络和一个高斯内插器。AD8367最适合工作在200Ω阻抗系统，并可通过电阻或电抗无源网络来实现与其它通用阻抗系统（从射频系统的50Ω到数据转换器的1kΩ）的转换。AD8367内含无源可变衰减器和固定增益放大器，其电路噪声和失真性能局势增益和控制电压函数，且输入折合噪声随衰减量成比例增加。在接收系统中，如果接收到的信号很弱，则会有最大增益和最小噪声系数；而当接收到的信号电平较高时，系统将具有较低的增益和较大的噪声系数。因此，电路噪声系数随增益的变化不会对系统造成明显的影响。[48][49]AD8367典型应用-用作AGC放大器利用内部集成的精确律方根检波器，AD8367可以方便地配置成单片AGC放大36 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现器，其基本连接如图4.3所示。AD8367用作AGC放大器是，需选择反向增益控制模式。当输出信号的有效值超过354mV时，检波器将20mVdB的比例从DETO端输出与输入信号成正比的RSSI电压。将该RSSI电源作为AGC控制电压加到增益控制端GAIN，便可构成控制率为20mVdB的简单单片AGC放大器。当使用低于5V电源时，检波器的输出起点和比例都不会发生变化，即电源电压在2.7V~5.5V的范围内变化是，电路的AGC特性能够保持不变。按下图的连接方式，在大于35dB的输入范围内可以获得由于0.1dB的控制线性度。电路的时间常数τ可简单地有AGC电容C设定。事实上，τ是由AGC电容C和10kΩ的AGCAGCAGCAGC片山等效电阻R共同作用的结果。所以，时间常数如下：AGCτ=RC（5-1）AGCAGCAGC图5.2典型的AGC连接图Figure5.2basicconnectionsforAGCoperationAD8367是一个兼有VGA和AGC功能的高集成度中频放大器。它采用+5V供电，有两种工作模式可供选择（由引脚4外加逻辑电平来控制）：增益上升模式（MODE接高电平），在此模式下，它可以作为一个普通的压控增益放大器来使用；增益下降模式（MODE接低电平，通常接地），在此模式下，它可以方便的实现一个AGC[49][50]电路的功能。示意图如图5.3.图5.3AD8367增益控制模式图Figure5.3thechartofAD8367’sgaincontrol37 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现5.2.3D/A芯片的选择与使用从5.1.2节中知道AD8367的增益控制电压是一个单端输入的模拟量，这就要求MCU中的数字控制量经过D/A转换。这里选用ADI公司的AD0832。它是8位电流型D/A转换器。单电源供电,从+51V∼+5V均可正常工作。准电压的范围为±10V；电流流建立时间为1μs；MOS工艺，功耗20mW。转换器由输入寄存器和DAC寄存器构成两级数据输入锁存。使用时数据输入可以采用两级锁存形式，或单极锁存形式，或直接锁存。同时D/A转换器输出为单极性和双级性两种输出形式。其转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，而与其位数无关。DAC0832的原理图：D∼D07CSWR1ILEWR2XFER图5.4DAC0832原理图图5.5DA0832的控制时序图Figure5.4schematicdiagramofDAC0832Figure5.5TimingcontrolplansofDAC0832本次设计的自动增益控制系统（AGC）采用D/A转换器的双极性的输出方式,因为单极性输出方式通过运算放大器产生输出的电压是反向的电压不是正向的电压,所以采用双极性输出电压,这样就可以通过软件来达到所需要的正极性的电压而且产生的电压也能很好的稳定在一个想要的电压。[48][50]DAC0832双极性的电压输出电路图如下图：图5.6DA0832双极性电压输出框图Figure5.6bipolarvoltageoutputofDAC0832DAC0832输出电压是DACcodeVout=±Vref（5-2）128实际电路图如图5.7所示38 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现图5.7DA0832实际电路原理连接图Figure5.7SchematicofDAC08325.2.4检波芯片的选择与使用检波在自动增益控制系统（AGC）中是非常重要的一个环节，检波的作用就是将输入的雷达信号的幅值或者功率电平检测出来，方便后面的A/D转换，由于输入的信号的频率很高，如果没有检波芯片，直接使用A/D采样的话，这样必然导致A/D的采用速率很高，由奈奎斯特采样定律可知，要是很好地不失真恢复信号的波形，采样速率要求信号频率的两倍以上，这样对A/D要求太高，成本也很高，同时时序的控制也很困难，尽管信号数字化以后，数字检波很方便。所以根据本设计系统，我选择了ADI公司的AD8361这块芯片。[51]检测一个信号的真功率有效值（RMS）都要归结到检测信号的电压有效值上来。而检测有效值传统的方法是通过二极管平方律检波电路或热电偶发热装置来完成的。这两种自身有很多缺点。很难做到精确测量，而且线性和温度稳定性都不高，尤其在检测小功率射频信号时更是如此。随着模拟集成电路的发展，检[40]测有效值的最佳方法：有效值是通过如下公式定义的：1T2V=vdt(5-3)RMS∫T0利用模拟集成电路的运算功能很容易完成上述运算，而且可以做到测量精度高、输出线性好及温度稳定好。[39][41]AD8361的功能框图如图5.8所示：图5.8AD8361框图Figure5.8diagramofAD836139 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现被测的RF信号V加载第一个平方项输入端，由于输入端（RFIN）和地端IN（COMM）之间呈现225欧姆的电阻，所以必须要考虑匹配问题，接下来会在后面来讲解。[50][51]该器件有三种工作模式：表5.1工作模式、引脚连接与输出电压之间关系Table5.1ConnectionsandNominalTransferFunctionforGround,Internal,andSupplyReferenceModes参考模式IREFSREF输出偏移参考点输出接地参考VPOSCOMMZero7.5VIN内部参考OPENCOMM0.350V7.5VV+0.350IN电源参考VPOSVPOSV7.57.5VV+7.5sINs本次检波使用内部参考，因为无线信号如果直接检波使用，放大了7.5倍，利于后面的A/D芯片的数字化，采用内部参考后，由于有0.350V的参考电压，所以后面的A/D转换相对来说更方便，而且更精确。5.3数字器件的选择与使用5.3.1MCU的选择由于本系统是模拟和数字部分共同组成的系统，而数字部分的核心就是MCU，所以选择合适的处理器芯片将至关重要，通过对MCS51、ATmegaXX，TMS320C54XX系列等常用芯片的速度、计算能力、存储容容量、可靠性及开发难度的综合分析比较，最后需用ATmega32这个控制处理芯片。ATmega32是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega32的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾，由于系统接收到的信号通过检波后已经变成频率很低的低频信号，这个低频信号就是输入信号的[43]幅值，所以通过ATmega32是能够处理的过来的。ATmega32有如下特点：32K字节的系统内可编程Flash，1024字节EEPROM，2K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活定时器/计数器，片内/外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC。ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC40 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换是的开关噪声。ATmega32是一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega32具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估版。选择了这款单片机还有一个重要的原因，由于该款MCU集成了一个10位ADC的模块，采用这款单片机可以简化硬件的设计，如果使用一般的MCU，虽然功能强大，但是由于本身不带有ADC功能，所以必须配备外围的ADC电路，这样会导致硬件电路的复杂性，成本也很难压低，同时两个控制模块的时钟同步也是一个必须要考虑的问题，再加上MCU从外围的ADC中取得转换后的数字值，增加系统的软件的变成难度，所以最终确定了这款ATmega32作为本系统的数字控制单元。5.3.2MCU的配置ATmega32由于是具有44个管脚，每一个管脚都具有不同的作用，而本系统中有多个模块需要控制，所以合适的分配管脚就显得尤为重要了，分别具有四组控制口PA~PD，ATmega32中还有ADC的模块，而ADC这个模块有8路输入，这个8路输入占用了PA口，所以本系统也将PA作为模数转换的输入端口，由于只需要使用一个输入端口，所以我们使用PA7作为检波后的信号输入端。PB端口作为LCD的输入控制端，LCD有16个端口，除去地线和电源线，其中还有6位控制线，由于PA端口还有剩余的7个没有使用的端口，所以LCD的控制端口可以用PA未使用的端口来连接，PC端口作为数模输入端口，由于这是8位的数字端口输出，正好和DAC0832的输入端口的8位相吻合，而且只需要一次将数字输送过去就可以了，不要在考虑其他的问题，假如DA的位数是10位之类的，那就需要分成两次传送，那样才能将所需要的数字传送给DA转换器。增加了软件的复杂度和系统的开销时间。MCU的接口框图如图5.9所示：图5.9MCU接口框图Figure5.9InterfacediagramofMCU41 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现5.3.3增益控制查表的设计从理论上将A/D采样得到的数值通过计算就可以得到需要的控制量，直接在MCU中编写一个计算程序即可，但是一方面计算必然要涉及数的乘除，消耗时间长，除数非2的整次幂的除法很难实现；另一方面VGA并不能做到完全线性，包括其他器件的损耗，使得理想的控制量和实际需要的控制量经常不一致，使用计算的方法必定也需要一个修正表，既然童谣需要表格，和这节使用查表的方法来实现要做的工作的相同的，因此本系统中使用查表的方法得到控制量。表格的编写是工作的重点。由于本AGC系统中采用的A/D是10bit的，而D/A是8bit的，又要同时控制两级VGA，所以对应一个放大备受的表格大小应该是1024××82bit，这样的表格需要两个才能满足要求。如前面所述，人为编写的表格要消除放大器的非线性是很难实现的，必须通过调试不断修正表格中的数值。这些工作有人工完成工作量太大，也由程序来实现。5.4匹配电路的设计由系统总的框图5.1可知道，这个电路部分一共需要三个匹配电路，匹配电路是电路中重要的组成部分，特别当信号的频率升高或者信号的频率很高时，由于输入输出级间的电路中有阻抗不匹配问题，如果不加入匹配网络的话，那样会导致输入的信号有反射或者回波，这样会导致输入信号或者输出信号的幅值或者功率减小，致使信号失真，影响后面的信号分析。[44][45]匹配电路有多种设计方法：集总参数匹配，传输线匹配，变压器匹配等。而每一个匹配网络都有其一定的缺点。集总参数匹配又分为无耗元件LC匹配网络和有耗的纯电阻匹配网络。LC匹配网络虽然是无耗的但是由于只能是窄带的匹配网络，不能适应宽带，而且随着频率的升高分部参数效应也会越来越明显；纯电阻匹配网络虽说是有耗的，一个纯电阻网络插入损耗平均是11.5dB，但是由于电路近似和频率无关，所以可以实现宽频带的匹配网络。根据本系统的要求，由于本系统的中心频率是100MHz，由于AD8367的输入阻抗为200Ω，AD8361的输入阻抗是225Ω，而测试仪器一般是50Ω的系统，所以求出集总参数的原件匹配值。针对无耗LC匹配网络，由元件的拓扑结构可分为三种形式：L型，π型和T型。采用最简单的L型匹配网络。L型匹配是用两个点抗性元件来实现匹配，它可将任一负载阻抗匹配到主传输线上。L型匹配网络有两种形式，如图4.10所示。42 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现50Ω50Ω图5.10两种L型匹配网络Figure5.10TwoL-matchingnetworks表5.2L型匹配的设计值和实际采用值Table5.2Calculatedvalues&actualvaluesintheL-matchingnetworks频率输入匹配输出匹配计算值实际采用值计算值实际采用值100MHz13.8pF15P18.4pF18P137.7nH150nH182.6nH180nH[45]有耗纯电阻匹配网络设计如图5.11所示：图5.11纯电阻匹配网络Figure5.11Resistantmatchingnetworks有耗纯电阻匹配网络虽然对频率的不敏感，但是这样会带来信号很大的损耗，使用一个纯电阻网络会带来11.5dB插入损耗，如果输入和输出都使用纯电阻网络那样会带来23dB的插入损耗。使用纯电阻输入输出匹配网络的AGC系统，当输入信号为-10dBm时，输出信号为-23dBm就是这个问题如图5.12，理想设定输出值为3dBm，造成这个原因的就是纯电阻网络的插入损耗(23dB)。00-10-10-20-20-30-30-40-40-50-50-60-60-70-70-80-80-90-90-100-10020304050607080901001101202030405060708090100110120Frequency(20.0-120.0MHz)Frequency(20.0-120.0MHz)（a）输入峰值功率为-10dBm的信号（b）输出峰值功率为-23dBm的信号图5.12电阻匹配电路的实测数据Fig5.12Measurementdataofresistantmatchnetwork传输线匹配网络主要是利用传输线阻抗分布特性，把电阻从一个数值变换到另一个数值，来完成阻抗变换作用的。广泛使用的有3种形式：支节匹配器、阶梯式阻抗变换器和渐变线阻抗变换器等。虽然这些分部参数的匹配网络结构简43 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现单、变换效率高，但由于其以波长的结构尺寸较大（例如1/4波长左右），故仅适用于300MHz以上的频段。变压器匹配网络它是以传输线绕制在磁芯上而得名。这种阻抗变换器兼备了集总参数变压器和传输线的优点，因而可以做得体积小、功率容量大、工作频带相当宽（ff>10）。它除了具有阻抗变换作用外。基本类型的传输线变压maxmin22器阻抗变换比为1:N或N:1为整数。通常是用一对双线传输线或扭绞的三线绕制在一个磁芯上，或是用两对传输线分别绕在两个磁芯上，但是绕制时候必须要考虑传输线的长度，长度较长会增加损耗。[45][46]传输线变压器的传输损耗与传输线电长度的关系如表4.3。表5.3传输损耗与传输线电长度的关系（满足最佳传输条件）Table5.3Relationshipbetweentransmissionlossandthelengthofelectronictransmissionline(bestconditionsfortransmission)lλ01/81/61/51/41/3g传输损耗A=10lgTdB()00.0320.120.290.975.12T1Z1:ngZL图5.13变压器原理图Figure5.13Schematicdiagramoftransformer由于变压器的输入与输出功率相等可得22PIZPIZ=,=(5-4)in1gout2lI=nI,P=P(5-5)21inout由上式可以得出Zg1=(5-6)2Znl所以根据本系统输入阻抗的阻抗比，选择变压器的匝数比为1：2。44 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现5.5系统软件设计5.5.1软件设计概述及框图系统的软件部分是系统除硬件以外的另一主要部分，系统硬件为系统功能提供了电气性能上的支持，而系统软件的目的是维持这一系统正常工作、交换数据、处理错误以及处理正常的中断事件。总之，一个良好的系统软件可以使硬件系统发挥其最大作用，甚至弥补一些硬件上的不足。因此，系统的编制是非常重要的，占有和硬件原理设计同样重要的地位。本系统软件部分有MCU来完成，完成的工作主要有：对输入进来的模拟信号进行数字化，和参考门限电压进行判断，输出显示输入信号电压幅度，查表产生AGC控制量并送给D/A。总体框图如图所示。本系统MCU采用ATmega32系列的单片机，软件调试平台选用KEILC的软件编译器，这里使用C语言编写程序。它简单易学、易用、可视化、集成化设计环境等优点。该软件提供了完整的多平台设计环境，可以轻易满足特定设计的需要。同时它提供一种与结构无关的设计环境，使得设计人员无须精通器件的内部结构。图5.14软件各部分关系图Figure5.14Relationshipbetweenpartsofsoftware5.5.2MCU的软件设计初始化过程MCU上电复位后，首先要对系统进行初始化，才能确保软件系统工作正常。初始化过程如图5.15所示45 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现图5.15软件初始化流程图Figure5.15Initializationflowchartofsoftware1.LCD显示的初始化由于每次启动LCD都必须要初始化一次，因为如果不实现初始化的话，会导致显示不正常，而且如果在显示过程中初始化，不便于软件编写。2.屏蔽所有的中断。中断是为了使MCU具有对外界异步事件的处理能力而设置的。但中断事件发生是，要求MCU暂停当前的工作，转而去处理引起中断的事件，然而在初始化阶段，中断的产生会引起不可预料的错误，因此，想将中断屏蔽，再对其芯片进行其他设置。3.A/D芯片的初始化，由于A/D进行转换之前，必须要先启动一次A/D转换，同时也要设定是连续转换还是单次转换。4.在系统开始工作时，要开辟一定数量的数据内存块用来存储数据、计算数据的缓存、计算过程中用到的变量等，都需要初始化并是这些内存区域互不干扰。5.中断初始化，一个MCU系统很可能需要和外部多个异步时间爱你打交道，但这些不确定的事件发生时，要求DSP能够随时对之做出相应的反应和处理，中断就是提供了这样一种机制。5.6系统的实物及测量数据5.6.1电路原理图1.使用AD8367自身的检波器不需要使用外加检波的原理图，动态范围接近45dB。46 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现图5.16单AGC电路原理图Figure5.16SchematicdiagramofsingleAGC2.为了扩展动态范围，如果使用单一的AD8367将会使输入动态范围有限，如果要是控制的动态范围超过70dB，可以使用两个AD8367芯片级联，级联时，第一级工作于VGA方式，第二级应用于AGC方式，第二级检波输出作为两级的Vgain控制输入。当信号变化时，信号的强度经第二级内部平方律检波后，反馈到两级可变增益控制部分，自动完成增益控制。从整体看，实现了AGC功能。图5.17级联AD8367无外加检波方式Figure5.17CascadeAD8367withoutoutsidedetector这样连接的理由是：如果也将第一级工作于AGC方式，而此时第一级输出并不能达到内置参考点，将始终出于增益最大状态，而此时增益控制波动很大；并且这样谅解的控制增益不能平均分配，无法充分利用AD8367增益控制曲线中间段的良好线性特性。而将第二级检波同时控制两级的增益，既实现了AGC功能，同时也充分利用了AD8367增益控制曲线的线性特性。3.模数AGC的框图由于是分成两个部分的组成的，数字部分和模拟部分。下面的是第一版由于模数全部在一起，再加上布局不太合理,导致实验的失败。47 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现图5.18模数AGC的框图Figure5.18Diagramofanalog&digitalAGC第二版采用了模数分别制版，独立开来，这样的好处是避免了模拟部分与数字部分相互干扰，影响最终的设计结果。图5.19AGC的模数部分图5.20AGC的数字部分Figure5.19AnalogpartsofAGCFigure5.20DigitalpartsofAGC5.6.2电路实物图图5.21单片AGC系统实物图图5.22数字部分控制实物图Figure5.21Pictureofsingle–AGCsystemFigure5.22Digitalcontrolpart’sphoto图5.23模数结合AGC实物图图5.24级联AGC无外加检波实物图Fig5.23PhotoofAnalog&DigitalpartsFig5.24PhotoofcascadeAGCwithoutoutsidedetector48 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现图5.25级联AGC外加检波实物图(模数AGC的模拟部分)Figure5.25PhotoofcascadeAGCwithoutsidedetector5.6.3测量图像及测量数据在测量试验中我们使用AgilentE4447频谱分析仪和AgilentE8267D信号发生器作为测量仪器对上述的AGC进行测量，测量的信号输入频率为100MHz其测量结果如下。1.单片AGC系统的动态范围测量表5.4单片AGC系统实际测量数据（动态范围）Table5.4Measurementdataofsingla–chipAGCsystem输入幅值2522.52017.51512.5107.5输出幅值5.265.264.814.002.961.471.320.15输入幅值52.50-2.5-5-7.5-10-12.5输出幅值-1.22-1.56-1.58-1.57-1.57-1.57-1.57-1.56输入幅值-15-17.5-20-22.5-25-27.5-30-32.5输出幅值-1.56-1.57-1.56-1.58-1.57-2.11-4.12-6.36注：输入/输出幅值单位：dBm，输入频率：100MHz图5.26单片AGC系统测量系统实物图Figure5.26Blockdiagramofsingla–chipAGC’smeasurementsystem(a)输入峰值10dBm的信号(b)输出峰值为1.30dBm的信号图5.27单片AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为10dBm时）Figure5.27Input&outputsingalcurvesofsingle–chipAGCsystem49 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现(a)输入峰值-25dBm的信号(b)输出峰值为-1.58dBm的信号图5.28单片AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为-25dBm时）Figure5.28Input&outputsingalcurvesofsingle–chipAGCsystem(a)输入峰值-30dBm的信号(b)输出峰值为-4.17dBm的信号图5.29单片AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为-30dBm时）Figure5.29Input&outputsingalcurvesofsingle–chipAGCsystem单AGC系统的实测数据曲线单片AGC系统的实测输入与输出动态范围306输入幅值（dBm）20输出幅值（dBm）4102））dBm00dBm-10-2幅值（-20-4输出动态范围（-30-6-40-80510152025-40-30-20-100102030数目N输入动态范围（dBm）图5.30单片AGC系统的实测数据曲线图5.31单片AGC输入/输出动态范围曲线Figure5.30MeasurementdatacurvesFigure5.31Input&outputdynamicofsingle–chipAGCsystemrangecurvesofsingle–AGCsystem从表5.4的数据和图5.30、图5.31中的数据曲线可以看出，该单片AGC系统已经可以完成自动增益控制系统的功能，能够是输入的信号的幅度从−+27dBm~5dBm之间的变化调节到−1.57dBm左右的输出，实现了输入动态范围为32dB的增益调控；如果输出的幅值容许的变化在Δ=±1.5dBm时，即输出的增益在−−3.07dBm~0.07dBm之间变化，信号的输入的动态范围为−+28.5dBm~7.5dBm，单片AGC系统实现了36dB的动态范围；如果输出的幅值容许的变化在Δ=±3dBm的变化，即输出的变化在−4.57dBm~1.43dBm之间变化，那么输入的动态范围可以在−30dBm~12.5+dBm之间变化，那么单片AGC系统的动态范围就将达到了42.5dB。50 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现2.单片AGC系统的带宽测量表5.5单片AGC系统的带宽测量数据Table5.5Bandwithmeasurementdataofsingla–chipAGCsystem输入频率65708090100110输出幅值-4.68-4.07-3.12-2.3-1.57-0.95输入频率120130140150160输出幅值-0.360.150.611.001.23注：频率范围：MHz，幅值单位：dBm，输入幅度：-10dBm(a)频率为65MHz时(b)频率为65MHz时图5.32单片AGC系统的输出曲线Figure5.32Outputcurveofsingle–chipAGCsystem(a)频率为80MHz时(b)频率为90MHz时图5.33单片AGC系统的输出曲线Figure5.33Outputcurveofsingle–chipAGCsystem(a)频率为120MHz时(b)频率为130MHz时图5.34单片AGC系统的输出曲线Figure5.34Outputcurveofsingle–chipAGCsystem51 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现(a)频率为140MHz时(b)频率为150MHz时图5.35单片AGC系统的输出曲线Figure5.35Outputcurveofsingle–chipAGCsystem单片AGC系统带宽测量数据曲线210）-1dBm（-2输出幅度-3-4-560708090100110120130140150160频率（MHz）图5.36单片AGC系统的带宽测量数据曲线Figure5.36Bandwithmeasurementdatacurvesofsingle–chipAGCsystem从表5.5和图5.36中可以得出，在输入信号频率为100MHz时，输出的幅度或者增益是−1.57dBm，随着输入信号的频率逐渐降低时，单片AGC系统的输出增益也逐渐减小，当增益的变化Δ=−3dB时，信号的输入频率为65MHz，系统输出的增益为−4.68dBm；但是随着输入信号的频率逐渐升高时，单片AGC系统的输出增益也逐渐增大，当增益的变化Δ=+3dB时，信号的输入频率为160MHz，系统输出的增益为1.23dBm。所以当单片AGC系统的输出容许的增益变化为Δ=±3dB时，系统的信号输入频率的可以在65MHz~160MHz之间变化。3.双片AGC系统的动态范围测量表5.6双片AGC系统实际测量数据（动态范围）Table5.6MeasurementdataofcascadeAGCsystem输入幅值2522.52017.51512.5107.5输出幅值0.020.04-0.22-0.58-0.63-0.89-1.29-1.42输入幅值52.50-2.5-5-7.5-10-12.5输出幅值-1.42-1.42-1.42-1.42-1.41-1.42-1.41-1.42输入幅值-15-17.5-20-22.5-25-27.5-30-32.5输出幅值-1.41-1.41-1.42-1.42-1.40-1.42-1.42-1.43输入幅值-35-37.5-40-42.5-45-47.5-50-52.5输出幅值-1.42-1.41-1.48-1.56-1.68-1.86-2.11-2.35输入幅值-55-57.5-60-62.5-65-67.5-70输出幅值-2.87-3.52-3.71-5.12-6.03-7.79-10.48注：输入/输出幅度单位：dBm，输入信号：100MHz52 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现图5.37双片级联AGC系统的测量系统实物图Figure5.37MeasurementsystemphotoofcascadeAGCsystem(a)输入峰值25dBm的信号(b)输出峰值为0.02dBm的信号图5.38双片级联AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为25dBm时）Figure5.38Input&outputsingalcurvesofcascadeAGCsystem(wheninput=25dBm)(a)输入峰值20dBm的信号(b)输出峰值为-0.23dBm的信号图5.39双片级联AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为20dBm时）Figure5.39Input&outputsingalcurvesofcascadeAGCsystem(wheninput=20dBm)(a)输入峰值10dBm的信号(b)输出峰值为-1.25dBm的信号图5.40双片级联AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为10dBm时）Figure5.40Input&outputsingalcurvesofcascadeAGCsystem(wheninput=10dBm)53 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现(a)输入峰值-35dBm的信号(b)输出峰值为-1.42dBm的信号图5.41双片级联AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为-35dBm时）Figure5.41Input&outputsingalcurvesofcascadeAGCsystem(wheninput=-35dBm)(a)输入峰值-55dBm的信号(b)输出峰值为-2.86dBm的信号图5.42双片级联AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为-55dBm时）Figure5.42Input&outputsingalcurvesofcascadeAGCsystem(wheninput=-55dBm)(a)输入峰值-65dBm的信号(b)输出峰值为-6.26dBm的信号图5.43双片级联AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为-65dBm时）Figure5.43Input&outputsingalcurvesofcascadeAGCsystem(wheninput=-65dBm)双片AGC系统的实测输入与输出动态范围双片AGC系统的实测数据曲线23020输入幅值（dBm）0输出幅值（dBm）10-20））-10dBm-4dBm-20-6-30幅值（-40-8输出动态范围（-50-10-60-70-120510152025303540-80-60-40-2002040数目N输入动态范围（dBm）图5.44双片AGC的实测数据曲线图5.45双片AGC输入/输出动态范围曲线Figure5.44MeasurementdatacurvesFigure5.45Input&outputdynamicrangeofcascadeAGCsystemcurvesofcascadeAGCsystem54 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现从上面的表格5.6中和图5.44及图5.45的数据曲线可以得出，该双片AGC系统已经可以完成自动增益控制系统的功能，能够是输入的信号的幅度从−+50dBm~15dBm之间的变化调节到−1.42dBm左右的输出，实现了输入动态范围为65dB的增益调控；如果输出的幅值容许的变化在Δ=±1.5dBm时，即输出的增益在−+2.92dBm~0.08dBm之间变化，信号的输入的动态范围为−+55dBm~25dBm，双片AGC系统实现了80dB的动态范围；如果双片AGC系统输出的幅值容许的变化在Δ=±3dBm的变化，即输出的变化在−4.42dBm~1.58dBm之间变化，那么输入的动态范围可以在−62dBm~25+dBm之间变化，那么单片AGC系统的动态范围就将达到了85dB。假如考虑输出的增益在Δ=±3dBm内变化，而且设定的输出值取的比较好，那么就是输出的变化有6dB的变化，即系统输出可以从−6~dBm0dBm变化，这样双片AGC系统的输入的幅值范围为−+65dBm~25dBm，系统的动态范围为90dB，这个是理想情况下。在严格的情况下，双片AGC系统的动态范围和单片AGC系统的动态范围进行比较，双片AGC系统的动态范围仅比单片AGC增加了28dB，两倍不到一点。4.双片AGC系统的带宽测量表5.7双片AGC系统的带宽测量数据Table5.7BandwithmeasurementdataofcascadeAGCsystem输入频率65708090100110输出幅值-4.62-3.98-3.01-2.19-1.47-0.74输入频率120130140150160170输出幅值-0.140.390.851.231.441.60注：频率单位：MHz，幅值单位：dBm，输入幅度：-10dBm(a)频率为65MHz时(b)频率为70MHz时图5.46双片AGC系统的输出曲线Figure5.46OutputcurveofcascadeAGCsystem55 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现(a)频率为80MHz时(b)频率为90MHz时图5.47双片AGC系统的输出曲线Figure5.47OutputcurveofcascadeAGCsystem(a)频率为120MHz时(b)频率为130MHz时图5.48双片AGC系统的输出曲线Figure5.48OutputcurveofcascadeAGCsystem(a)频率为160MHz时(b)频率为170MHz时图5.49双片AGC系统的输出曲线Figure5.49OutputcurveofcascadeAGCsystem双片AGC系统带宽测量数据曲线210）-1dBm（-2输出幅度-3-4-56080100120140160180频率（MHz）图5.50双片AGC系统带宽测量数据曲线Figure5.50BandwithmeasurementdatacurvesofcascadeAGCsystem56 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现从表5.7和图5.50中可以得出，双片AGC系统在输入信号频率为100MHz时，输出的幅度或者增益是−1.42dBm，随着输入信号的频率逐渐降低时，双片AGC系统的输出增益也逐渐减小，当增益的变化Δ=−3dB时，信号的输入频率为65MHz，系统输出的增益为−4.62dBm；但是随着输入信号的频率逐渐升高时，双片AGC系统的输出增益也逐渐增大，当增益的变化Δ=+3dB时，信号的输入频率为170MHz，系统输出的增益为1.60dBm。所以当双片AGC系统的输出容许的增益变化为Δ=±3dB时，系统的信号输入频率的可以在65MHz~170MHz之间变化。这个和单片AGC系统的输入频率范围非常接近，主要是双片AGC系统和单片AGC系统在输入端的匹配电路是一致都是采用L型匹配。同时输入信号的频带上下不对称，造成频带不对称的原因是选用器件电容和电感的实际值和理论计算值有一定的差距。5.模数AGC系统的动态范围测量表5.8模数AGC系统实际测量数据Table5.8Measurementdataofsingla–chipAGCsystem输入幅值2522.52017.51512.5107.5输出幅值-3.10-3.12-3.51-3.52-3.52-3.51-3.51-3.51输入幅值52.50-2.5-5-7.5-10-12.5输出幅值-3.51-3.52-3.51-3.51-3.51-3.50-3.51-3.51输入幅值-15-17.5-20-22.5-25-27.5-30-32.5输出幅值-3.51-3.51-3.52-3.52-3.52-3.51-3.51-3.51输入幅值-35-37.5-40-42.5-45-47.5-50-52.5输出幅值-3.52-3.52-3.52-3.51-3.52-3.52-3.50-3.51输入幅值-55-57.5-60-62.5-65-67.5-70-72.5输出幅值-3.51-3.52-3.52-3.69-3.71-3.69-4.56-4.72输入幅值-75-77.5-80-82.5-85输出幅值-5.32-6.1-7.21-8.12-10.33注：输入信号100MHz，输入/输出幅值单位：dBm图5.51模数AGC系统的测量系统实物图Figure5.51Measurementsystemphotoofanalog&digitalAGCsystem57 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现(a)输入峰值25dBm(b)输出峰值为-3.10dBm的信号图5.52模数AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为25dBm时）Figure5.52Input&outputsingalcurvesofanalog&digitalAGCsystem(wheninput=25dBm)(a)输入峰值5dBm的信号(b)输出峰值为-3.52dBm的信号图5.53模数AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为5dBm时）Figure5.53Input&outputsingalcurvesofanalog&digitalAGCsystem(wheninput=5dBm)(a)输入峰值-55dBm的信号(b)输出峰值为-3.51dBm的信号图5.54模数AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为-55dBm时）Figure5.54Input&outputsingalcurvesofanalog&digitalAGCsystem(wheninput=-55dBm)(a)输入峰值-70dBm的信号(b)输出峰值为-4.72dBm的信号图5.55模数AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为-70dBm时）Figure5.55Input&outputsingalcurvesofanalog&digitalAGCsystem(wheninput=-70dBm)58 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现(a)输入峰值-80dBm的信号(b)输出峰值为-7.20dBm的信号图5.56模数AGC系统输入与输出信号曲线（当输入为-80dBm时）Figure5.56Input&outputsingalcurvesofanalog&digitalAGCsystem(wheninput=-80dBm)(a)输入峰值-85dBm的信号(b)输出峰值为-10.33dBm的信号图5.57模数AGC系统输出信号曲线（当输入信号为-85dBm时）Figure5.57Outputsingalcurvesofanalog&digitalAGCsystem(wheninput=-85dBm)模数AGC系统的实测输入与输出动态范围模数AGC系统的实测数据曲线-340-420输入幅值（dBm）输出幅值（dBm）-50）-6）dBm-20dBm-7-40-8幅值（-60输出动态范围（-9-80-10-100-1101020304050-100-80-60-40-2002040数目N输入动态范围（dBm）图5.58模数AGC的实测数据曲线图5.59模数AGC输入/输出动态范围曲线Figure5.58MeasurementdatacurvesofFigure5.59Input&outputdynamicrangeanalog&digitalAGCsystemcurvesofanalog&digitalAGCsystem从上面的表格5.8中和图5.58及图5.59的数据曲线可以得出，本课题的大动态范围AGC系统即模数AGC系统已经可以完成自动增益控制系统的功能，能够是输入的信号的幅度从−+70dBm~20dBm之间的变化调节到−3.52dBm左右的输出，实现了信号输入动态范围为90dB的自动增益调控功能；如果模数AGC系统输出的幅值容许的变化在Δ=±1.5dBm时，即输出的增益在59 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现−−5.02dBm~2.02dBm之间变化，信号的输入的动态范围为−75dBm~25+dBm，模数AGC系统实现了100dB的动态范围；如果输出的幅值容许的变化在Δ=±3dBm的变化，即输出的变化在−7.52dBm~0.52−dBm之间变化，那么输入的动态范围可以在−+80dBm~25dBm之间变化，那么模数AGC系统的动态范围就将达到了105dB。假如考虑模数AGC系统输出的增益在Δ=±3dBm内变化，而且设定的输出值取的比较好，那么就是输出的变化有6dB的变化，即系统输出可以从−−9~dBm3dBm变化，那么这样模数AGC系统的输入的幅值范围为−+85dBm~25dBm，系统的动态范围接近为110dB，这个是理想情况下。在严格的情况下，模数AGC系统的动态范围和双片AGC系统的动态范围、单片AGC系统的动态范围进行比较，可以获得更大的动态范围，远远领先于双片AGC系统和单片AGC系统。6.模数AGC的带宽测量表5.9模数AGC系统的带宽测量数据Table5.9Bandwithmeasurementdataofanalog&digitalAGCsystem输入频率65708090100110输出幅值-6.50-5.65-4.92-4.01-3.51-2.65输入频率120130140150160输出幅值-2.28-1.82-1.45-0.98-0.41注：频率单位：MHz，幅度单位：dBm，输入幅度：-10dBm(a)频率为65MHz时(b)频率为70MHz时图5.60模数AGC系统的输出曲线Figure5.60Outputcurveofanalog&digitalAGCsystem(a)频率为120MHz时(b)频率为130MHz时图5.61模数AGC系统的输出曲线Figure5.61Outputcurveofanalog&digitalAGCsystem60 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现(a)频率为140MHz时(b)频率为150MHz时图5.62模数AGC系统的输出曲线Figure5.62Outputcurveofanalog&digitalAGCsystem模拟AGC系统带宽测量数据曲线0-1-2）dBm-3（-4输出幅度-5-6-76080100120140160频率（MHz）图5.63模数AGC系统带宽测量数据曲线Figure5.63Bandwithmeasurementdatacurveofanalog&digitalAGCsystem从表5.9和图5.63中可以得出，模数AGC系统在输入信号频率为100MHz时，输出的幅度或者增益是−3.52dBm，随着输入信号的频率逐渐降低时，模数AGC系统的输出增益也逐渐减小，当增益的变化Δ=−3dB时，信号的输入频率为65MHz时，系统输出的增益为−6.53dBm；但是随着输入信号的频率逐渐升高时，模数AGC系统的输出增益也逐渐增大，当增益的变化Δ=+3dB时，信号的输入频率为160MHz时，系统输出的增益为−0.45dBm。所以当模数AGC系统的输出容许的增益变化为Δ=±3dB时，系统的信号输入频率的可以在65MHz~170MHz之间变化。这个和双片AGC系统、单片AGC系统的输入频率范围非常接近，主要是模数AGC系统和双片AGC系统、单片AGC系统在输入端的匹配电路是一致都是采用L型匹配。同时输入信号的频带上下不对称，造成频带不对称的原因是选用器件电容和电感的实际值和理论计算值有一定的差距。7.几种AGC系统的动态范围比较61 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现几种AGC系统的实测输入与输出动态范围几种AGC系统的实测数据曲线640模数AGC系统的输出动态范围（dBm）4单片AGC系统的输出动态范围（dBm）20双片AGC系统的输出动态范围（dBm）20）0dBm）-20-2dBm-4-40幅值（-6-60输入幅值（dBm）输出动态范围（模数AGC系统输出幅值（dBm）-8单片AGC系统输出幅值（dBm）-80双片AGC系统输出幅值（dBm）-10-100-12051015202530354045-100-80-60-40-2002040数目N输入动态范围（dBm）图5.64模数AGC的实测数据曲线图5.65几种AGC输入/输出动态范围曲线Figure5.64MeasurementdatacurvesofFigure5.65Input&outputdynamicrangeanalog&digitalAGCsystemcurvesofseveralAGCsystems由图5.64和图5.65中可以得出，三种AGC系统的动态范围之间的关系，模数AGC系统的动态范围大于双片AGC系统的动态范围，而双片AGC系统的动态范围又大于单片AGC系统的动态范围。模数AGC系统的动态范围90dB，而双片AGC系统的动态范围为65dB，单片AGC系统的动态范围为32dB。在严格的情况下，模数AGC的动态范围为90dB，达到了双片AGC系统的极值情况。模数AGC系统的动态范围比双片AGC系统的动态范围多25dB。而双片AGC系统的动态范围比单片AGC系统的动态范围大33dB，这个是通过可变增益放大器的级联技术扩大了动态范围。几种AGC系统带宽测量数据曲线2单片AGC系统1双片AGC系统模数AGC系统0-1）dBm-2（-3输出幅度-4-5-6-76080100120140160180频率（MHz）图5.66几种AGC系统带宽测量数据曲线Figure5.66BandwithmeasurementdatacurvesofseveralAGCsystems从图5.66中可以得出，三种AGC系统的带宽及增益变化关系。当输入信号的频率发生变化时，其系统输出的增益也随着变化，由于三种AGC系统的采用相同的匹配电路设计，故它们的输入频率带宽也是非常接近的。当系统的输出增益和中心频率增益相差Δ=±3dB时，其输入信号的下限输入频率为65MHz，上62 上海交通大学硕士学位论文第五章90dB大动态范围可控AGC的设计与实现限频率为160MHz左右，故三个系统的输入信号带宽都近似等于95MHz。5.7本章小结本章主要介绍了AGC系统的设计，其中包括硬件设计与软件设计。首先给出了系统硬件设计框图，然后分别介绍了MCU的选择和外围设计，同时介绍了A/D[48][49]转换器、可变增益放大器AD8367、功率电平检波器AD8361、DA转换器，还有匹配网络的设计等，接着给出了系统的软件设计，介绍了软件开发的环境和MCU的程序设计。本章最后给出了几种AGC的原理图和PCB图，以及实物图，最后分别测量了三款AGC系统的动态范围和带宽的增益值，通过实测的结果，发现最后模数AGC系统的的测量值满足了设计的要求，达到了90dB的动态范围，同时带宽也达到了95MHz左右。63 上海交通大学硕士学位论文第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用6.1概述雷达远程测量系统一般是由虚拟仪器组成的，在近代测量中，微波测量是一种非常精确的测量，极易收到外界的干扰，在测量场地上的人的干扰是明显的。如在天线参数测量时，人的存在对天线增益等结果影响十分大；其次从人的安全角度来看，微波测量时的电磁辐射对人的身体健康是有一定影响的，特别是特大功率雷达系统和人造卫星的电讯系统中。所以远程测量平台系统的研制是非常必要的，而远程测量平台系统的主要是利用虚拟仪器来构建这个系统。虚拟仪器（VirtualInstrument，缩写为VI）就是通用计算机加上特定的硬件设备，再加上为实现特定功能而编制的软件而形成的既有普通仪器的功能，又具有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。由于虚拟仪器的构成元素特点：硬件电子线路部分和计算机系统资源部分，这两部分可以使用某种连接方式相隔一定距离（距离由用户和所选连接方式决定），就实现了虚拟仪器在远程控制方面的应用。操作实际仪器（具被测设界面有相应接口）备用户计算机图6.1远程控制虚拟仪器连接方式功能框图Figure6.1DiagramofVirtualInstruments’remoteconnection雷达远程测量系统平台的框图：图6.2测量系统框图Figure6.2Diagramofmeasurementsystem64 上海交通大学硕士学位论文第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用6.2基于E8267D信号发生器远程控制平台研制[50]本节开始对基于E8267D的信号发生器远程控制平台进行研制。看出从设计目标出发，结合已有资源，确定信号发生器的型号，选择远程控制的解决方案，再到具体方案设计（主要包括用户界面设计和网络通信设计），以及最后本设计的实现情况。6.2.1信号发生器远程控制平台的设计信号发生器远程控制平台设计目标：实现计算机对信号发生器的远程控制，可以通过远程控制信号发生器产生点频连续波，也可以通过远程控制信号发生器产生雷达脉冲信号，在计算机前用户可方便修改信号发生器产生波形的参数，并且在用户界面上可以实时监测到信号发生器的状态。由本设计的研制目标，结合实验室已有仪器资源，本设计选定高端的信号发生器安捷伦E8267D。E8267D在频率范围上、精度上、调制方式上皆满足我们的设计目标，而且它是新型仪器，属于自动测试设备（ATE），具有多种与计算机连接的接口，如GPIB，USB，LAN等，可以实现虚拟仪器远程控制。在这里由于100MbpsLAN连接虽然要比USBv2.0慢，但比GPIB快得多（通常为500KBps）。另一方面，LAN适配器的锁定RJ-45连接器也可提供比USB更可靠的系统连接。此外，实验室都已装备了LAN，可以直接使用，而若使用GPIB接口，还要另行购买装在计算机上的GPIB卡，大大增加了成本。而且LAN还可作为数据共享的管道和系统的远地和共享操作机制，因此能承担双重的职责。把多台仪器接至系统只需要增加具有足够端口数（单独或级联）的集线器或交换器，所以在基于LAN的系统中没有对仪器数量的限制，对与以后的系统平台的扩展预留了空间。图6.3信号发生器远程控制平台结构图Figure6.3StructurediagramofSignalgenerator’sremotecontrolplatform由于上面的原因，本设计最终选定LAN这种接口方式作为E8267D信号发生器与计算机的连接方式，连接示意图见图6.3。65 上海交通大学硕士学位论文第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用6.2.2信号发生器远程控制平台的实现由于本设计是基于雷达信号的虚拟仪器的自动测量系统，所以信号的发生必须考虑到可以产生一些雷达信号，常用的一些雷达信号如下：普通脉冲信号普通连续波信线性调频信号雷规则脉冲调频信号达信号非线性调频信号信相位编码号脉冲编码信频率编码波形调相编码分连续噪声随机类信号采样噪声图6.4雷达信号分类Figure6.4ClassificationofRADARsignal把一种实际信号用计算机模拟出来，要经过以下几个步骤：（1）建立实际信号的数学模型，即所谓数学建模的过程；（2）得到产生实际信号的算法；（3）确定要编程序的数据结构；（4）最终把设计的算法和数据结构用计算机语言加以实现。在本设计中我编制了几个基础的雷达信号波形控制。图6.5雷达信号波形控制用户界面Figure6.5UserinterfaceincludingRADARsignal’scontrol从图6.5可见，在雷达信号波形库控制功能区，又分三个小功能区：脉冲调66 上海交通大学硕士学位论文第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用制、AM、FM/PM调制方式。脉冲调制部分，在脉冲源的下拉列表框中选择脉冲源种类之后，设定相应的脉冲调制的参数，选择相应的单位，点击其后的“确定”，点击pulse“on”，脉冲调制打开，点击pulse“off”，脉冲调制关闭。设x(t)为脉冲调制信号，y(t)为已调信号，并设载波频率为f，幅度为A，则yt()=xtA()cos(2iπft)（6-1）在这里脉冲调制信号x(t)有内部方波、外部脉冲源等选项。脉冲源选择为内方波，设置中心频率为300MHz，脉冲频率为50KHz，脉冲周期为20ms，脉冲宽度为10ms时，远程控制信号发生器产生脉冲调制信号，图6.6为这个脉冲调制信号在频谱分析仪上的包络图像。图6.6频谱仪上看到的脉冲信号包络Figure6.6PulsesignalenvelopintheSpectrumanalyzer6.3基于E4447A频谱分析仪远程控制平台研制频谱分析仪在整个虚拟仪器测量自动化过程中，是类似一个接收机的环节，而信号发生器是发射部分，自动增益控制系统（AGC）就是使用在频谱分析仪之前。6.3.1信号发生器远程控制平台的设计频谱分析仪远程控制平台的设计思路方法沿用了信号发生器远程控制平台的设计思路方法，因为那是已经被证明是正确的、可行的。频谱分析仪与计算机之间也是使用LAN连接，在网络通信上也是使用socket通信，在用户界面（GUI）设计上也是使用C++的MFC开发。但是它们之间毕竟是两个不同的系统，还是有很多的不同之处。[51]E4447A不仅在测量频率范围上、精度上皆满足我们的设计目标，而且它是新型仪器，属于自动测试设备（ATE），具有多种与计算机连接的接口，可以实现虚拟仪器远程控制。所以67 上海交通大学硕士学位论文第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用图6.7频谱分析仪远程控制平台结构图Figure6.7StructurediagramofSpectrumanalyzer’sremotecontrolplatform本设计最终选定LAN这种接口方式作为E8267D信号发生器与计算机的连接方式，连接示意图见图6.7。6.3.2频谱分析仪远程控制平台实现图6.8频谱分析仪远程控制平台用户界面图Figure6.8UserinterfaceofSpectrumanalyzer’sremotecontrolplatform频谱分析仪作为信号频域谱的测量仪器，鉴于此，用户界面中除必要的网络设置外，按频谱分析仪的功能主要分为幅度和频率两大控制区域。使用本远程控制平台时，首先设置网络地址及其端口。网络地址默认值192.168.2.130、端口为5025，这是E4447A的SCPISocket，用于解析SCPI命令。参考幅度用于调整显示器最上网格线代表的绝对幅值，一般为-10dBm，作为基准的参考幅度值。可在左边方框中填好，点击按钮即实现控制。当控制命令实现后，界面左边的信息方框将提供控制是否实现的信息。衰减用于频谱仪保护。频谱仪的输入衰减器会按照所设置的衰减值减小输入到混频器的信号功率值。常规设置为衰减10dB。Scale/Div用于显示器上设定y轴显示格所代表的单位。对数和线性用于设置频谱仪上显示图形是按线性显示还是对信号功率值取对数后显示。频率控制区域中，主要对中心频率，扫频宽度。分辨率带宽，扫频时间加以控制。中心频率的设置，可设置为3Hz-42.98GHz。68 上海交通大学硕士学位论文第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用扫频宽度取为Δ，则扫频的范围为中心频率-Δ/2到中心频率+Δ/2。建议上限频率不超过42.98GHz。分辨率带宽的设置不可大于8兆赫兹。扫频时间是在面板上所显示的扫频范围。单一画面和连续扫频用于对屏幕的设定，单一画面为使能时，画面禁止不动，可以精确的读数；连续扫频则是在显示器上不断的刷新所扫描的频谱。获取图像用于将频谱仪所显示的图像抓到本地的电脑。图6.8为扫频为零时（zerospan模式）下，频谱分析仪上显示检测到的脉冲雷达信号的包络，图像经过远程控制记录存储到计算机上。6.8在扫频为零时获取的脉冲包络Figure6.8Pulsesignalenvelopinthespectrumanalyzer(zerospan)6.4雷达远程测量平台实测值在雷达远程测量平台中，AGC的位置位于频谱分析仪之前，在测量中起保护仪器的作用，即对大信号进行缩小；而且便于提取小信号的值，即能够放大小信号。(a)没有加入AGC电路(b)加入AGC电路图6.9八木天线接收系统实物图Figure6.9PhotoofYagiantennasystems69 上海交通大学硕士学位论文第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用(a)无AGC模块系统的输出幅度(b)有AGC模块系统的输出幅度图6.10八木天线接收方向角为0度Figure6.10Yagiantennaorientationangleis0degree(a)无AGC模块系统的输出幅度(b)有AGC模块系统的输出幅度图6.11八木天线接收方向角为45度Figure6.11Yagiantennaorientationangleis45degree(a)无AGC模块系统的输出幅度(b)有AGC模块系统的输出幅度图6.12八木天线接收方向角为90度Figure6.12Yagiantennaorientationangleis90degree从图6.10、图6.11和图6.12可以看出，当天线的方向角发生变化时，由0度变化到90度后，天线接收到的增益在没有AGC系统的情况下，其接收到的增益由−35.31dBm变化到−42.58dBm，其增益绝对值变化达到了7.2dB；但是加入AGC系统后，天线接收到的增益仅从−3.19dBm变化到−3.35dBm，其增益的绝对值变化仅达到0.16dB。所以从测量平台验证了AGC的可行性。而且从上面可以得出AGC的功能除了一般的具有保护接收机的作用，具有缩小大信号，放大小信号；还有一个在未来也有可能的作用，就是接收天线假如加入AGC系统后，接收天线的方向角可以进一步扩大，理想情况下可以变成了全相型的天线，特别适合RFID等，需要全相型接收天线的场合。70 上海交通大学硕士学位论文第六章90dB大动态范围可控AGC在雷达远程测量中应用6.5本章小结本章提出了自动增益控制系统（AGC）虚拟仪器测量系统，然后简要地叙述了虚拟测量的历史也为什么需要虚拟测量系统。根据本系统特点结合虚拟仪器的特点分别设计出符合要求的测量软件和硬件平台。首先使用了安捷伦公司E8267D的信号发生器作为信号的发射端，根据雷达信号的几种波形设计了适合E8267D的信号发生软件，接着使用安捷伦公司E4447A频谱分析仪作为信号接收机，设计接收控制端软件，最后通过路由器把信号发生器、频谱分析仪和电脑连接起来构成一个测试系统，最后通过将设计的AGC系统加入远程测量系统进行测试，通过测试的结果验证了设计的AGC功能，同时也验证了AGC模块可以扩大接收天线的方向角，理想情况下AGC使接收天线变成全相型接收天线，最后指出其适用的场合等。71 上海交通大学硕士学位论文第七章总结与展望第七章总结与展望本文主要研究了大动态范围的AGC系统研究与设计，并进行了系统的硬件和软件方面的实现。在提出本系统的高动态AGC系统时，首先把传统的AGC分为闭环和开环两分类，接着针对闭环AGC又进行详细的介绍，有模拟的AGC系统和数字的AGC系统，分别指出其缺点和优点，最后提出了本课题的所设计的自动增益控制系统-即模数结合的AGC系统。然后针对AGC的参数和回路方程进行的推导，分别分析了一个中频的AGC系统和一个模拟脉冲AGC系统，推导出回路方程，以及对回路进行MATLAB仿真。在系统理论的方面，通过对多阶模拟AGC的动态范围极值分析和在实际使用中，由于可变增益放大器对弱信号的高增益会出现失真，这样就导致了系统的动态范围的减小，所以通过引入采样前级放大的技术来扩展对小信号的捕捉能力，在一定程度上扩展了系统的动态范围；同时为了实现可变增益输出，引入数字比较电平技术，这两项技术的引入使二阶AGC能够达到理想的90dB极值。最后给出了系统的框图。在系统的实现方面首先从系统的硬件框图来入手，分别介绍了硬件的各个部分的功能，以及各个部分的实现，针对各个硬件的功能选取合适的芯片，同时针对高频及射频信号阻抗匹配的问题，给出了设计的匹配电路，最后是系统的软件设计，给出软件设计的流程已经软件设计的特点。最后通过仪器的实际测量得到三款AGC的动态范围、以及带宽与增益的关系，通过实测数据的比较，验证了通过采样前级放大技术可以在实现二阶AGC的动态范围的极值，在一定的程度上扩大系统动态范围的可行性。在雷达远程测量平台中，利用信号发生器E8267D和频谱分析仪E4447D通过LAN的连接方式与PC相连，实现远程控制的测量平台，通过在测量过程中引入AGC模块，实现了接收天线的方向角的扩大。由于实验室中心没有频率比较的示波器，故没有对模数AGC系统的回路建立时间进行测量，所以希望在今后的实验中能够补测一下回路的建立时间。本系统的90dB大动态范围设计方法和硬件实现方法可以为今后设计更大的动态范围AGC提供一定的技术参考。72 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上海交通大学硕士学位论文致谢致谢在本篇论文完成之际，我首先要感谢袁斌教授对我研究生学习过程中的关心与指导。袁老师才思敏捷，知识渊博，分析问题深刻透彻，在我研究生学习期间留下了深刻的印象。袁老师渊博的学术知识，严谨的科学态度以及创新进取的精神都是我今后学习、工作的榜样。他不仅仅传授我专业知识，也教我如何去思考问题，还教给我许多为人处事的道理。如果没有袁老师的悉心帮助和指导，我的硕士工作是不可能完成的，在此对袁老师表示深深的感谢。感谢微波与射频技术研究中心的尹文言老师、金荣洪老师、周希朗老师、沈海根老师、肖高标老师、耿军平老师、周亮老师等，他们在我硕士期间的学习给予了许多的指导并提供了很多帮助。感谢在项目中给予我巨大支持的朱文斌、谢昕韬、朱会柱同学，与他们的交流常给予我启发，是他们的支持和鼓励是我度过了项目难关，最终完成该项目。他们扎实的理论基础、研究的求学态度、认真的工作作风都是值得我学习的地方。同时在电磁场微波实验室朝夕相处的那段日子将成为我人生中一段美好的回忆。感谢本文的评阅人在百忙之中抽出时间对本文进行仔细的阅读和评审；感谢答辩委员会的主任和各位委员在百忙之中参加我的论文答辩，他们的意见对我来说无疑是十分宝贵的。感谢我的父母、爷爷、奶奶、在我硕士研究生两年多的时间里对我学业上毫无保留的支持和生活上无微不至的关怀。没有他们的无私奉献，我不可能成为一名硕士研究生。特别是我的爷爷，尽管在离我毕业前仅不到两个月的时间内他永远地走了，谨以本文献给我最深爱的家人。76 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