高精度自動(dòng)增益控制接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱銀霞，張劍，田湘，胡婧，程劍

（陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,接收機(jī)在整個(gè)電子領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位[1]。由于受發(fā)射功率、電波傳播衰落、接收信號(hào)條件以及其他一些干擾因素的影響，導(dǎo)致接收機(jī)輸入端的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大，而接收機(jī)的輸出功率是隨著輸入信號(hào)的大小而變化的,因此接收機(jī)的輸出端會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱非常懸殊的信號(hào)功率[2-6]。如果信號(hào)放大增益過(guò)大，將導(dǎo)致接收機(jī)處于非線性狀態(tài)，可能產(chǎn)生諧波；如果放大不足，又可能導(dǎo)致接收的信號(hào)太小，不利于后續(xù)解調(diào)[7-10]。因此，必須要設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)范圍大、控制精度高的自動(dòng)增益控制（AGC）電路，在接收機(jī)輸入信號(hào)功率發(fā)生變化的情況下保證接收機(jī)輸出信號(hào)幅度的穩(wěn)定性[11-13]。

目前，自動(dòng)增益控制電路被廣泛應(yīng)用于各種接收機(jī)接收系統(tǒng)中[14]。控制方法主要有兩種: 一種是改變放大器本身的參數(shù),使其增益發(fā)生變化;另一種是在放大器級(jí)間插入可變衰減器,控制衰減量,使增益發(fā)生變化[15]。兩種方法均需檢測(cè)信號(hào)的功率大小。

本文利用數(shù)字自動(dòng)增益控制電路輔助調(diào)整模擬接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)增益控制。

1 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

本文提出的高精度自動(dòng)增益控制接收機(jī)的原理框圖如圖1 所示。

該接收機(jī)由模擬電路及數(shù)字電路共同組成。

為了適應(yīng)不同增益的LNB 設(shè)備，濾波器后插入一個(gè)15 dB 固定衰減器，若LNB 設(shè)備輸出信號(hào)功率大于-25 dBm則將入信號(hào)衰減，若小于-25 dBm 則不衰減；經(jīng)射頻（RF）放大器放大后與頻率綜合器產(chǎn)生的本地載波正交下變頻后變?yōu)榈椭蓄l信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大器放大和A/D采樣后送給數(shù)字電路部分進(jìn)行功率檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的參考值進(jìn)行比較得出誤差信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬控制電壓用于控制可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA），使其輸出的信號(hào)維持在固定的電平。該結(jié)構(gòu)適合各種類型的通信系統(tǒng)。

本文提出的接收機(jī)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）輸入信號(hào)頻率：900～2 250 MHz

（2）輸入信號(hào)電平：-70～-5 dBm

（3）通道AGC 增益控制范圍：65 dB

（4）輸出信號(hào)頻率：低中頻

2 模擬電路設(shè)計(jì)

2.1 正交下變頻

圖1 中可變?cè)鲆娣糯笃?、正交下變頻器、低通濾波器、輸出放大器為接收機(jī)模擬部分的核心，在本文中采用單片AD8347 來(lái)實(shí)現(xiàn)[16]。AD8347 是ADI 公司的一款集成有可控增益放大器、正交下變頻混頻器、差分放大電路等模塊的寬帶直接下變頻正交解調(diào)器。其能夠接收800～2 700 MHz 范圍內(nèi)的射頻輸入信號(hào)，只需單芯片及少量的外圍器件即可完成射頻信號(hào)到基帶至低中頻IQ信號(hào)的變換。

該芯片能夠提供69.5 dB 的可變?cè)鲆娣秶?，增益和控制電壓之間具有較好的線性關(guān)系，該芯片可輕松實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍的接收設(shè)計(jì)，符合本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)指標(biāo)。其主要引腳外部設(shè)計(jì)如圖2 所示。

正交下變頻的基本原理是以本振頻率為f0的一對(duì)正交載波與接收信號(hào)相乘，再通過(guò)濾波，可得到低中頻IQ 兩路信號(hào)。其原理框圖如圖3 所示。

設(shè)射頻信號(hào)為：

式中fc為接收信號(hào)射頻頻率。

射頻信號(hào)與本地產(chǎn)生的差分載波相乘后得到的IQ兩支路信號(hào)分別為：

通過(guò)低通濾波器濾波將和頻分量濾除，得到低中頻信號(hào)為：

低中頻信號(hào)的中心頻率為：

正交下變頻不存在頻譜混疊，可以更靈活地選擇中頻頻率。

由于接收信號(hào)頻率范圍較寬，為900～2250 MHz，同時(shí)接收信號(hào)頻率已知，文中的本振頻率f0為可變的，隨著輸入信號(hào)的變化不同。頻率配置關(guān)系滿足下式：

2.2 頻率綜合器

RF2052 是RFMD 公司推出的一款低功耗、高性能的寬帶頻率合成器，供電電壓為2.7～3.6 V，供電3 V 時(shí)電流約55～75 mA，功耗低，本設(shè)計(jì)中采用3.3 V 電壓供電。該芯片將本振（LO）和射頻混頻器集成在內(nèi)。本振是由N 分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)和壓控振蕩器組成，能夠產(chǎn)生一個(gè)相位噪聲低、頻率分辨率高的本振信號(hào)。本振信號(hào)可在300～2400MHz內(nèi)連續(xù)可調(diào)。參考源可接10～52MHz的外部晶振，也可以接10～104 MHz 的外部參考源，以滿足多種參考頻率的選擇，本設(shè)計(jì)參考源選用10 MHz 晶振。

RF2052 包含了2 個(gè)內(nèi)部和1 個(gè)外部VCO，外部VCO外接約1 nH 電感實(shí)現(xiàn)1 200～1 600 MHz 的頻率輸出，三個(gè)VCO 通過(guò)寄存器的控制字來(lái)選擇，VCO 的輸出可直接輸出或進(jìn)行2、4 分頻輸出，共同實(shí)現(xiàn)300～2 400 MHz的頻率輸出。VCO 覆蓋范圍如表1 所示。

表1 VCO 的覆蓋頻率范圍

本文中設(shè)計(jì)的頻率合成器輸出頻率為905～2 255 MHz，與輸入信號(hào)正交下變頻后輸出5 MHz 的低中頻信號(hào)，在905～1 200 MHz 使用的是內(nèi)部VCO1 的二分頻，在1 200～1 500 MHz 使用的是VCO3 的直接輸出，在1 500～2 100 MHz 使用內(nèi)部VCO2 的直接輸出，在2 100～2 255 MHz 使用內(nèi)部VCO12 的直接輸出，其中VCO3 使用的是外部電感。頻率合成器的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4 所示，外圍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要包括環(huán)路濾波器、控制電路及濾波器。芯片的系統(tǒng)控制部分由NXP 公司的LPC3250 來(lái)完成，芯片的所有寄存器均采用三線串行總線對(duì)其進(jìn)行讀寫操作，利用示波器捕捉的寫時(shí)序如圖5 所示。

3 數(shù)字AGC 電路設(shè)計(jì)

雖然AD8347 芯片內(nèi)部集成了檢波電路，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，但由于模擬AGC 易受干擾，在控制精度上會(huì)受影響。數(shù)字AGC 具有處理靈活、不會(huì)引入附加噪聲、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。故本文提出的高精度自動(dòng)增益控制接收機(jī)采用數(shù)字AGC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6 所示，其中標(biāo)深色為數(shù)字AGC 部分。

數(shù)字AGC 電路首先估計(jì)信號(hào)的功率，并與預(yù)先設(shè)計(jì)的功率參考值進(jìn)行比較，利用誤差信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)調(diào)整VGA 增益，從而保證進(jìn)入A/D 芯片的信號(hào)大小保持恒定。

數(shù)字AGC 的具體實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖7 所示。

數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出為2 路10 bit 的IQ 數(shù)字信號(hào)，IQ 信號(hào)接數(shù)字AGC 的輸入，分別對(duì)IQ 兩路信號(hào)求平方和得到信號(hào)的功率，實(shí)現(xiàn)功率檢測(cè)；平方和后信號(hào)的比特位數(shù)由10 bit 變?yōu)?0 bit，其后接限幅器將信號(hào)位數(shù)變?yōu)? bit，該信號(hào)與預(yù)設(shè)的參考值相減得到差值信號(hào)，比較器即通過(guò)限幅器與減法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，參考值的大小則根據(jù)需要的IQ 信號(hào)的幅度來(lái)確定；相減后的誤差信號(hào)通過(guò)累加器平滑濾波得到數(shù)字控制信號(hào)。

在具體實(shí)施中，數(shù)字檢測(cè)電路利用Xilinx 公司芯片XC6SLX100-2FGG484C 來(lái)實(shí)現(xiàn)。該芯片為數(shù)字可編程的FPGA 芯片，因此具有較強(qiáng)的應(yīng)用靈活性，可以根據(jù)需要更改運(yùn)算的比特位數(shù)，同時(shí)具有硬件電路運(yùn)算實(shí)時(shí)快捷的優(yōu)勢(shì)，使得數(shù)字檢測(cè)電路具有快速準(zhǔn)確的檢測(cè)運(yùn)算能力。并且，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的方式對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行檢測(cè)，比對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行模擬檢測(cè)的方式更具有穩(wěn)定性。

4 接收機(jī)版圖設(shè)計(jì)

本文根據(jù)圖1 的接收機(jī)框圖中完成了接收機(jī)的加工制作，如圖8 所示。

為提高接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，在接收機(jī)入口處增加一個(gè)15 dB 固定衰減器，在接收機(jī)輸入信號(hào)-70～-20 dBm范圍下不插入15 dB 固定衰減器，在接收機(jī)輸入信號(hào)-20～-5 dBm 范圍下插入15 dB 固定衰減器，確保進(jìn)A/D 前的基帶信號(hào)峰值保持在1 V 的前提下，通過(guò)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)字AGC 的預(yù)先設(shè)置參考值，得到模擬控制電壓及放大器增益情況如表2 所示。A/D 入口處實(shí)測(cè)電壓幅度波形如圖9 所示。

表2 輸入信號(hào)功率與增益之間的關(guān)系

實(shí)測(cè)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)在輸入信號(hào)-70～-10 dBm 范圍下輸出信號(hào)功率為±0.5 dB，其增益控制在±0.5 dB 范圍內(nèi)，控制精度高，動(dòng)態(tài)范圍大。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種由數(shù)字AGC 電路輔助控制模擬可變?cè)鲆娣糯笃鲗?shí)現(xiàn)高精度高動(dòng)態(tài)的接收機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明在輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為-70～-20 dBm時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器輸出峰值1 V 左右，控制精度誤差小于0.5 dB，實(shí)現(xiàn)了高精度的自動(dòng)增益控制。