射頻接收機中自動增益控制電路建模與設(shè)計

王 帥，張 杰，張彥峰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在無線通信中，由于受距離遠近、電磁波輻射功率大小及氣象條件等各種因素影響，射頻接收機接收到的射頻信號功率強度動態(tài)范圍較大。為了保證接收機輸出信號強度和信號質(zhì)量，接收機需要AGC電路[1-2]。

在實際電路應(yīng)用中，一般要求AGC電路的增益調(diào)整時間恒定，與接收到的信號功率大小無關(guān)，與設(shè)置的穩(wěn)定輸出功率值無關(guān)。同時，時分通信體制要求射頻接收機具有較小的AGC穩(wěn)定時間，而QPSK等信號調(diào)制體制要求射頻接收機具有較大的AGC穩(wěn)定時間[3-5]。因此，AGC電路增益調(diào)整時間的長短十分關(guān)鍵。

1 AGC環(huán)路分析

射頻接收機兼容QPSK和時分體制，要求該接收機AGC穩(wěn)定時間(AGC時間常數(shù)是穩(wěn)定到63.2%所需時間，AGC穩(wěn)定時間一般是幾倍的時間常數(shù))在35～40 μs，傳統(tǒng)的設(shè)計方法是根據(jù)經(jīng)驗值進行初值電裝，再根據(jù)測試結(jié)果不斷修正再測試，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不合適則需要重新投板再加工，缺乏準(zhǔn)確的理論設(shè)計和仿真設(shè)計。

典型的AGC電路原理框圖如圖1所示，一般由可變增益放大器(VGA)、檢波器、比較電路和環(huán)路濾波電路組成[6-7]。檢波電壓經(jīng)過與基準(zhǔn)電壓的比較和環(huán)路濾波，產(chǎn)生的控制電壓調(diào)整可變增益放大器增益，使輸出信號電平在較小的范圍內(nèi)波動。

圖1 AGC電路原理框圖

AGC電路的優(yōu)點是具有優(yōu)秀的線性特性且電路實現(xiàn)不需要大動態(tài)范圍的檢波器；缺點是存在一定的不穩(wěn)定性，即為了保持穩(wěn)定性限定了最大的環(huán)路濾波帶寬，限定的最大環(huán)路濾波帶寬限制了最小的AGC電路時間常數(shù)。Vout和Vin分別是輸入輸出信號的幅度，G(Vc)是受電壓Vc控制的可變增益放大器增益[8]，則:

Vout=Vin·G(Vc)。

(1)

y(t)=x(t)+ln(G(Vc))。

(2)

圖2 自動增益控制環(huán)路模型

可變增益放大器的增益控制電壓為：

(3)

對式(2)兩邊求導(dǎo)，并把式(3)代入，得到:

(4)

假如L(s)和比較電路用圖3所示電路來實現(xiàn)，本文稱其為RC比較環(huán)路濾波電路。

圖3 RC比較環(huán)路濾波電路

根據(jù)圖3可以推導(dǎo)出：

(5)

結(jié)合式(3)～式(5)得到：

(6)

(7)

時間常數(shù)為：

(8)

G(Vc)=k1ekVc，

(9)

式中，k1為常數(shù)，所以要求可變增益放大器的增益與控制電壓成指數(shù)關(guān)系，即增益的對數(shù)跟控制電壓成線性關(guān)系，可以實現(xiàn)AGC時間常數(shù)恒定的要求[10-11]。

2 AGC電路建模

根據(jù)上節(jié)論述得到了AGC電路恒定時間常數(shù)的要求，但仍然缺少復(fù)雜AGC電路時間常數(shù)的詳細(xì)公式，沒有解決特定AGC時間常數(shù)的設(shè)計難題。本文對實際射頻接收機AGC電路進行建模，模型如圖4所示。

該模型不同于圖2的模型，圖2的模型是基于電壓進行建模運算，雖然進行了對數(shù)轉(zhuǎn)換，但仍然不夠直觀。圖4的模型直接采用實際接收機接收功率進行建模運算[12-14]，該模型的Pin，Pout分別代表AGC電路的輸入功率和輸出功率，量值為dBm；GdB(Vc)表示可變增益放大器的增益與控制電壓的對數(shù)關(guān)系，表達式為GdB(Vc)=kg·Vc，kg是可變增益放大器對數(shù)增益與控制電壓的線性斜率，單位為dB/V,該可變增益放大器的特性符合上節(jié)的AGC電路恒定時間常數(shù)的限定要求。D(Pout)表征檢波電壓與輸出功率成對數(shù)關(guān)系，表達式為D(Pout)=kd·Pout，kd是檢波器電壓與輸出功率的線性斜率，單位為V/dBm。H(s)和C(s)表征AGC電路中比較和環(huán)路濾波電路的實際數(shù)學(xué)建模。因此得到式(10)～式(13)。

圖4 射頻接收機AGC電路模型

(10)

Vc=H(s)Vdec+C(s)Vref，

(11)

Pout=Pin+kg(kdH(s)Pout+C(s)Vref)，

(12)

(13)

(14)

(15)

根據(jù)式(13)可知，Pout為Pin和Vref經(jīng)過各自閉環(huán)傳遞函數(shù)線性疊加的結(jié)果，即式(14)～式(15)。對于一個實際AGC電路，Vref為固定值，根據(jù)上一節(jié)知道，圖4配置模型的AGC時間常數(shù)與Vref無關(guān)。因此對于圖4模型的AGC時間常數(shù)只需要分析式(14)，而式(15)影響最后的收斂穩(wěn)定值。

(16)

根據(jù)式(14)得到Pout1的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(17)

圖4類型的AGC電路時間常數(shù)為式(18)，與式(8)相吻合。

(18)

根據(jù)式(18)可知圖4類型的AGC電路時間常數(shù)與該電路的電容C容值、電阻R阻值成正比，與可變增益放大器增益斜率和檢波斜率成反比。

當(dāng)一個AGC電路可變增益放大器和檢波芯片已經(jīng)確定，則影響AGC時間常數(shù)的主要因素就是比較環(huán)路濾波電路。下面針對另外2種射頻接收機常用的AGC電路進行AGC時間常數(shù)公式推導(dǎo)，圖5是一種較為常用的比較環(huán)路濾波電路(本文稱為常用一階比較環(huán)路濾波電路)，對該電路采用本文論述的方法進行分析，得到閉環(huán)傳遞函數(shù)式(19)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時間常數(shù)公式為式(20)，根據(jù)公式知道AGC電路的時間常數(shù)與電容容值成正比，與R1和R2阻值正相關(guān)，與可變增益放大器增益斜率和檢波斜率成反相關(guān)。

圖5 常用一階比較環(huán)路濾波電路

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

圖6 常用二階比較環(huán)路濾波電路

3 仿真驗證和電路驗證

上節(jié)對射頻接收機的AGC電路進行了具體建模，對3種常見的比較環(huán)路濾波電路進行了AGC時間常數(shù)公式推導(dǎo)，得到了具體的表達式。本節(jié)采用電子設(shè)計軟件進行建模仿真，仿真結(jié)果與上節(jié)的公式結(jié)論進行對比驗證，對常用二階比較環(huán)路濾波電路進行加工制作，測試其AGC穩(wěn)定時間。

采用Keysight公司的Advanced Design System(ADS)軟件對接收機的AGC電路進行建模仿真，仿真原理圖如圖7所示，該仿真針對的是RC比較環(huán)路濾波電路[15]。模型中采用兩級可變增益放大器來保證AGC電路的動態(tài)范圍，增益斜率為100 dB/V，檢波器的檢波斜率為0.05 V/dB,在原理圖中對AMP6的VoltSlope參數(shù)進行了合適設(shè)置使其匹配實際檢波器斜率[16-18]。因此kg=100 dB/V，kd=0.05 V/dB，R=40 kΩ，C=100 nF，根據(jù)式(18)計算得到時間常數(shù)為0.8 ms(穩(wěn)定到63.2%)，假設(shè)穩(wěn)定到86.5%為整個AGC電路的穩(wěn)定時間，那么穩(wěn)定時間為2倍時間常數(shù)，即為1.6 ms。ADS仿真結(jié)果如圖8所示，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析得到向下恢復(fù)時間常數(shù)為0.809 ms，穩(wěn)定時間為1.617 ms；向上恢復(fù)時間常數(shù)為0.807 ms，穩(wěn)定時間為1.616 ms;與模型公式理論計算結(jié)果吻合很好。

圖7 ADS軟件下AGC電路仿真原理圖

對圖5模型(常用一階比較環(huán)路濾波電路)進行ADS軟件仿真，可變增益放大器參數(shù)和檢波器參數(shù)同圖7一致，其他參數(shù)為R1=39 kΩ，R2=30 kΩ，C=100 nF；圖6模型(常用二階比較環(huán)路濾波電路)相應(yīng)參數(shù)為R1=10 kΩ，R2=10 kΩ，R3=39 kΩ，R4=10 kΩ，C1=1 nF，C2=16 pF。按照式(20)可以計算出常用一階比較環(huán)路濾波電路模型在該參數(shù)下的時間常數(shù)為3.78 ms；而采用ADS軟件對其進行仿真得到下降恢復(fù)時間常數(shù)為3.82 ms，上升恢復(fù)時間常數(shù)為3.74 ms。按照式(23)計算出常用二階比較環(huán)路濾波電路模型在該參數(shù)下無阻尼自然振蕩角頻率為790 570 rad/s,阻尼系數(shù)為7.97。因為阻尼系數(shù)大于1，該拓?fù)錇檫^阻尼，極點

閉環(huán)極點p2比p1距虛軸遠得多，故忽略p2對輸出的影響，把二階系統(tǒng)近似作為一階系統(tǒng)來處理，因此，時間常數(shù)計算為τ3=-1/p1=20 μs；采用ADS軟件對其電路結(jié)構(gòu)進行仿真，得到下降恢復(fù)時間常數(shù)為19 μs，上升恢復(fù)時間常數(shù)為19 μs。3種電路結(jié)構(gòu)模型理論計算和ADS軟件仿真結(jié)果對比如表1所示。

表1 AGC時間常數(shù)理論計算和ADS仿真對比

拓?fù)漕愋屠碚撚嬎銜r間常數(shù)ADS仿真下降恢復(fù)時間常數(shù)ADS仿真上升恢復(fù)時間常數(shù)圖3拓?fù)?RC比較環(huán)路濾波電路)0.800ms0.809ms0.807ms圖5拓?fù)?常用一階比較環(huán)路濾波電路)3.780ms3.820ms3.740ms圖6拓?fù)?常用二階比較環(huán)路濾波電路)20.00μs19.00μs19.00μs

該射頻接收機實際要求AGC穩(wěn)定時間為35～40 μs，采用常用二階比較環(huán)路濾波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和舉例的各個電阻和電容參數(shù)進行實際電路制作，圖9為加工電裝后的實際電路，該電路的AGC時間常數(shù)理論計算為20 μs，ADS仿真結(jié)果為19 μs，各自達到穩(wěn)定時間(86.5%穩(wěn)定)分別為40,38 μs。實際測試結(jié)果如圖10所示，AGC穩(wěn)定時間為36.8 μs，與理論計算和軟件仿真結(jié)果吻合良好，滿足實際系統(tǒng)要求。

圖9 接收機中的AGC電路

圖10 示波器測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文對射頻接收機中自動增益控制電路進行了建模分析，得到了穩(wěn)定時間常數(shù)的電路條件。在此基礎(chǔ)上提出了射頻接收機中自動增益控制電路的物理模型，對于3種常見自動增益控制電路進行了時間常數(shù)公式推導(dǎo)和ADS電子設(shè)計軟件仿真驗證，而且進行了實際射頻接收機電路制作和測試，理論計算結(jié)果、軟件仿真結(jié)果和實際電路測試結(jié)果吻合良好，證明了模型的準(zhǔn)確性和軟件仿真的可行性。對于特定AGC時間常數(shù)的自動增益控制電路設(shè)計，采用本文的公式和方法可以準(zhǔn)確計算出該AGC電路的時間常數(shù)，利用ADS電子設(shè)計軟件繼續(xù)對電路參數(shù)進行仿真優(yōu)化直到滿足系統(tǒng)需求的AGC時間，節(jié)約了后期大量的調(diào)試時間，本文的設(shè)計方法對AGC電路設(shè)計有很好的理論指導(dǎo)作用。