芯耀
1万
一、什么是AGC，它有什么用？
AGC（Automatic Gain Control）的作用就是监控接收到的信号，然后自动调节接收器的增益，在手机或者移动设备里特别好用。
基站发出来的信号传到移动设备时，要经过各种路径和地形，接收信号的强度就会忽强忽弱。而且无线移动设备移动速度不一样，也会让信号强度波动。如果信号突然变强10倍（10dB），甚至几十dB呢？前端放大器就会过载、饱和，没法正常放大了，可能直接锁死、严重失真，或者出其他问题。这时候前端等于没用了，得等信号回到正常范围才行。
在这种信号随时变化的情况下，得先把信号的强度（也就是增益）控制好，再传给基带处理部分去解码数据。
移动设备里这种能自动监控和调节增益的智能功能，就叫自动增益控制（AGC）。它是接收器信号处理环节里的关键模块。
二、AGC的工作原理是什么？
移动设备里这种能自动监控和调节增益的智能功能，就叫自动增益控制（AGC）。它是接收器信号处理环节里的关键模块。
就像上图里显示的，普通接收器会有几个特定模块（图里标成阴影的那些）。
1、检波器
AGC模块中包含一个检波器，可以分为包络检测器、平方律检测器、真有效值检测器和对数检测器。最早的AGC用的是包络检测和平方律检测，因为当时只有这两种方法能实际做出来。现在，具有真有效值检测和对数检测特性的芯片很容易买到，在一些应用中能让系统性能更好，接下来我们分别介绍一下它们。
包络检测器（也叫峰值检测器）：包络检测器（通常是半波或全波二极管电路）的输出和瞬时射频输入电压的绝对值成正比，下图所示。峰值检测器是最古老也最简单的一种，用一个二极管和一个电容来捕捉并保持输入信号的最大值，这个值经过缓冲处理后就能用来控制压控放大器（VCA）了。
低通滤波能消除射频频率两倍的纹波。它和传统矿石收音机里的基本解调电路很像，其实就是对调幅信号包络进行峰值检测的装置。峰值信号输出经过缩放和缓冲后，就用来驱动VCA。峰值电压允许下降的速度，决定了AGC的衰减速率。
平方律检测器：这种检测器的瞬时输出和射频输入电压的平方成正比，也就是说，它的输出和输入功率成正比。
真有效值检测器：它的结构是平方律检测器后面接一个低通滤波器，再后面是开平方电路。低通滤波器的作用是完成有效值计算里的“求平均”步骤。因为有开平方电路，这种检测器的平均输出和信号电压成正比，而不是和功率成正比。用运算放大器搭个基础的真有效值检测器不算难，不过现在更常见的是用单颗集成电路——里面已经集成了所有需要的运算放大器和相关电路（下图所示）。
如上图所示，ADI公司的AD8361是一款小巧的集成电路，里面集成了完整的有效值转直流检测功能，工作频率最高能到2.5GHz。
对数检测器：这种检测器的输出是线性的，和射频输入电压的对数成正比。它的设计核心是利用二极管的电压和电流之间的指数关系，但实际能用的电路其实挺复杂的，最实用的办法还是用集成电路来实现。因为这种设计带对数特性，所以对数检测器通常能处理的输入信号范围特别宽，一般能到60到80dB甚至更高。
举个例子，LT5534这款芯片，是个50MHz到3GHz的单片射频功率检测器，能测量的射频信号动态范围有60dB（下图所示）。它能把dB刻度的射频信号精确转换成线性刻度的直流电压。这60dB的输入动态范围，是通过级联的射频检测器和射频限幅器实现的，把这些器件的输出加起来，就能生成一个准确的、和输入射频信号dB值成对数线性关系的直流电压。
LT5534芯片，用了一连串级联的对数放大器，能在50MHz到3GHz的频率范围内，实现60dB动态范围的对数到线性功率响应。值得注意的是，数据手册第一页的图里专门标出了一个很重要的点——性能会随温度变化。
检测器的响应规律（线性、对数、平方律这些），会影响信号强度突然大幅变化时，控制环路的动态反应。这关系到环路的稳定性，还有平衡状态会不会受输入信号的波形或者峰值因数影响。
2、AGC的环路响应时间
AGC环路的响应时间也很重要。通常来说，这里有个权衡：环路要能快速响应输入信号的变化，但又不能把信号本身的幅度调制给弄乱了。不同类型的检测器，对输入幅度变化的响应方式不一样，这一点很关键（下图所示）。
上面提到的四种AGC检测器，各自在功率范围和响应速度上都有大致的界限。
要是环路响应太快，结果会很麻烦 —— 信号里本来有正常的幅度调制，可环路非要去稳定输出电平，就会产生不想要的增益调制。这种“增益波动”会严重影响整个信号链的性能。
3、可变增益放大器（VGA）
要实现AGC功能，在链路上还得加一个可变增益放大器（VGA），然后把AGC算法装在FPGA或者DSP里。如果电路里原来的低噪声放大器（LNA）不是可变增益型的，那也得换成可变增益的。另外，因为AGC算法是处理数字数据的，所以还得加一个ADC。
AGC算法会一直盯着接收信号强度指示（RSSI），或者基带的I、Q信号，然后判断LNA和VGA需要调整多少增益。RSSI其实就是和接收瞬时输入功率对应的电压，要么通过射频功率检测器（额外加的模块）算出来，要么用基带信号矢量的I²+Q²算出来。
可变增益的LNA和VGA一般会带模拟衰减器（VVA，Voltage Varible Attenuator）或者数字衰减器（DSA，Digital Attenuator），能用模拟电压或者数字指令控制。调整增益的方式，就是通过这些衰减器来调节衰减量。
AGC不光影响无线射频链路，光链路也会受影响，比如自由空间光通信，或者光纤信道 —— 温度变化、光纤移动或弯曲、工作参数偏移，这些慢慢发生的变化都会导致信号波动。这些非射频场景后面还会细讲。
雷达也需要AGC，因为回波信号强度取决于一些不可控的未知因素，比如目标的雷达截面积（RCS）和距离。信号衰减是跟着距离平方走的，而雷达信号要走个来回，衰减就是距离的四次方了。声纳也一样，虽然不是射频，但本质是“无线”传输，也有这问题。
三、AGC在transceiver收发芯片中的应用
Transceiver的自动增益控制（AGC）功能包含了上面我们提到的检波器以及VGA等关键器件，其中的功率触发，一般分为峰值功率触发和均值功率触发，对于调制信号的应用场景，我们通常使用峰值触发，并且峰值触发门限和释放门限要设置恰当，并且要考虑AGC衰减档位，不然的话，就会产生乒乓效应。
乒乓效应指的是当信号的触发门限与释放门限设置过近时，系统会因输入信号的小幅波动而在两种状态间频繁切换，形成类似“乒乓球来回弹跳”的震荡现象。这里举个例子说明，例如AGC触发峰值门限设置为-1dbfs，释放峰值门限设置为-11dbfs，因为-5dbfs（相当于-1dbfs回退4db，这4db的余量就能够避免乒乓效应）减去6db（对应AGC第一档衰减，因为此时已经触发了一档AGC）等于-11dbfs，其中6db是每一级衰减档位。现在主流使用的AGC控制方案一般有两个，一种是采用transceiver自身的AGC，当大信号来了的时候，transceiver自己检测到，然后控制其内部DSA进行衰减，但是需要通过其数据接口把具体衰减DSA的值上报给FPGA，以便FPGA后期对整个接收链路的数模增益进行补偿。另一种就是transceiver检测到大信号后，上报给FPGA，由FPGA通过SPI或者GPIO接口，控制transceiver内部的DSA对大信号进行衰减，这里需要注意的是，通过SPI控制的衰减响应速度慢于GPIO控制的衰减速度，如果是需要快速衰减的应用场景，需要选择GPIO的控制方式。因为是FPGA控制transceiver进行衰减的，其本身就知道衰减了多少值，就不需要transceiver在进行单独上报了。好了，以上便是关于AGC功能常见的相关知识，希望对你有所帮助。
