一種改進(jìn)型AGC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隋占菊,路 雯

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

自動增益控制技術(shù)是國內(nèi)外研究的熱門技術(shù)。無線通信環(huán)境下,由于受到信道衰落、通信距離和接收機(jī)環(huán)境的變化等干擾因素的影響,接收端信號電平產(chǎn)生較大幅度的變化。為了保證接收端信號在進(jìn)入解調(diào)環(huán)路前具有相對穩(wěn)定的信號電平,必須對輸入信號進(jìn)行自動增益控制。

在多通道、高集成度環(huán)境下的AGC電路中,若其敏感器件壓控特性不一致,導(dǎo)致各通道增益不同,合控困難,易于受到干擾,產(chǎn)生自激和振蕩,由此造成設(shè)備不能正常工作,通信能力下降。所以AGC電路的優(yōu)劣直接影響著系統(tǒng)的性能,是涉及通信性能的大問題。

1 AGC設(shè)計(jì)思路

AGC就是自動幅度調(diào)節(jié)系統(tǒng)其基本作用相當(dāng)輸入信號的幅度在很大的范圍內(nèi)變化時,嚴(yán)格地定制放大器的增益,使輸出信號的幅度保持不變或者只有很小的變化。也就是說,AGC是一個動態(tài)范圍壓縮裝置。

AGC作為基礎(chǔ)組件,廣泛用于通信設(shè)備中。為了保證系統(tǒng)工作正常,AGC必須能夠提供足夠的增益,使輸出信號滿足判決要求,它還必須是增益受控可變,具有一定的動態(tài)范圍。散射通信中,AGC中放大器電壓增益的控制方法很多,一類是改變放大器本身的參數(shù),使增益發(fā)生變化;另一類是在放大器級間插入可變衰減器,控制衰減量,使增益發(fā)生變化。AGC設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個方面:

①AGC應(yīng)選擇合適的放大器電壓增益的控制方式,以適應(yīng)通信系統(tǒng)的速率特性,并盡量保證電路結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn);

②AGC的輸入輸出端在通帶內(nèi)的阻抗必須盡量接近額定阻抗(比如50 Ω),以便實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)各部件之間的匹配連接;

③AGC擔(dān)負(fù)著接收機(jī)中最主要的放大任務(wù),輸入信號動態(tài)范圍變化大,所以AGC必須具備足夠的增益;

④為了使信號得到不失真的放大,AGC應(yīng)該具有良好的頻帶放大性能;

⑤為了使解調(diào)器能正常工作,AGC在輸入信號變化60dB時應(yīng)使輸出電平的變化限制在3 dB范圍內(nèi),即保持相對恒定的輸出幅度;

⑥為了使AGC電路穩(wěn)定性、抗干擾性強(qiáng),硬件設(shè)計(jì)時應(yīng)注意慎用敏感器件,精確計(jì)算增益分配,加強(qiáng)電源濾波,合理布局布線。

2 改進(jìn)型AGC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 工程中遇到的問題

某散射通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)分系統(tǒng)中,四通道AGC工作一段時間后出現(xiàn)自動增益控制混亂現(xiàn)象,使得解調(diào)器輸入電平劇烈變化,導(dǎo)致信號無法正確解調(diào),設(shè)備通信能力喪失。在采取了多種硬件保護(hù)措施后,雖然使得AGC延長了發(fā)生誤控制的間隔時間,但沒有從根本上完全消除由環(huán)路不穩(wěn)定造成的自動增益的誤控制。

AGC單路原理框圖如圖1所示?？勺兯p為2 k4e,由圖1可以看出,AGC增益控制部分是采用三級PIN二極管和放大器組成的可變衰減網(wǎng)絡(luò),雖然實(shí)現(xiàn)了較大的動態(tài)范圍控制,信號動態(tài)范圍可達(dá)0～-60 dBm,能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。但是,由于AGC合控要求每一路的增益一致,這就要求選擇的PIN二極管壓控特性一致,對于批生產(chǎn)來說不易實(shí)現(xiàn),每一路AGC的增益一致性指標(biāo)難以保障。并且由于多個PIN二極管和放大器的結(jié)合使用,AGC電路對干擾信號很敏感,容易使傳輸?shù)男盘柊l(fā)生幅度相位畸變等,其可靠性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性存在局限。面對將來的大批量生產(chǎn),亟需改進(jìn)AGC,既要實(shí)現(xiàn)原有功能,又要易于調(diào)試且去掉固有缺陷。

圖1 AGC單路原理

2.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

多通道AGC自激震蕩產(chǎn)生的原因復(fù)雜,具有很大的隨機(jī)性,增益控制部分的穩(wěn)定性是保證環(huán)路穩(wěn)定的基礎(chǔ)。為了避免AGC增益控制部分敏感器件使用,AGC電路自動增益控制可使用可變增益放大器?？勺冊鲆娣糯笃鰽GC一致性較好,且調(diào)試簡單,但是動態(tài)范圍一般40～50 dB,因此,改進(jìn)型AGC采用級聯(lián)可變增益放大器來滿足動態(tài)范圍和總增益要求。

AD8367是基于AD公司X-AMP結(jié)構(gòu)的可變增益中頻放大器,其可以在任意低頻到500 MHz頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,其輸入端阻抗為200 Ω,輸出端阻抗為50 Ω,而AGC輸入信號阻抗為50 Ω,這就意味著信號在進(jìn)入AD8367前需要阻抗匹配。這之間若不進(jìn)行阻抗匹配,勢必會造成此VGA放大器自激。采用AD公司推薦的電阻阻抗匹配法,利用軟件RFSim99仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)此匹配網(wǎng)絡(luò)插損較大,可達(dá)11 dB。根據(jù)AD8367小信號增益為42 dB,所以可得單通道放大器總增益為:

G2級理想=2×(42-11)=62。 (1)

由式(1)可見,總增益勉強(qiáng)滿足60 dB的設(shè)計(jì)指標(biāo)。事實(shí)上,上述理想情況是難以實(shí)現(xiàn)的,實(shí)現(xiàn)起來具有不可靠性。級聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)的微小失配及實(shí)際傳輸損耗均將帶來一定的衰減,這將增大對可控增益放大器最大增益值的需求,進(jìn)而減小動態(tài)范圍;實(shí)際工程中,極弱信號的監(jiān)測是困難的,尤其是輸入信號很小時,對其檢波后得到的電壓有效值與門限電平比較極其困難,導(dǎo)致輸出增益控制值難以準(zhǔn)確輸出;更為甚者,對于常見的增益可變放大器而言,弱小信號往往對應(yīng)大增益值,而大增益狀態(tài)下可變增益放大器又多處于不穩(wěn)定狀態(tài),控制電平與增益關(guān)系曲線處于非線性狀態(tài),線性誤差大幅增加,消弱了AGC的動態(tài)范圍?？傊?上述多種因素制約了級聯(lián)AD8367理想動態(tài)范圍極值的達(dá)成。因此,采用電感和電容進(jìn)行阻抗匹配,以解決插損過大問題。利用軟件RFSim99計(jì)算的仿真圖如圖2所示。

圖2 阻抗匹配的插損和駐波仿真曲線

由圖2可見,對于中心頻率70 MHz帶寬10 MHz的中頻信號,匹配轉(zhuǎn)換過程中,各頻點(diǎn)信號插損約為1 dB,駐波均大于等于20 dB。則單通道放大器總增益為:

由式(2)可見,總增益滿足AGC的設(shè)計(jì)指標(biāo),且此種方法易于工程實(shí)現(xiàn)。

AD8367能夠?qū)崿F(xiàn)精確的增益控制,單片控制范圍45 dB,它既能配置應(yīng)用于外加電壓控制的VGA模式,同時內(nèi)部還集成了平方律檢波器,因而也可以工作于自動增益控制模式。該AGC的輸入信號動態(tài)范圍為60 dB,因此采用兩級AD8367以拓寬其控制范圍,令2片AD8367均工作于VGA方式,外加檢波電路給出增益控制信號,閉環(huán)形成AGC功能。改進(jìn)型AGC單路原理框圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)型AGC單路原理

來自下變頻器的中頻信號經(jīng)濾波放大后送給級聯(lián)AD8367放大,進(jìn)行混頻濾波后信號分成2路,一路首先進(jìn)行二極管包絡(luò)檢波得到包絡(luò)信號,與其它通道檢波信號峰值檢波合并后產(chǎn)生AGC控制電壓,送給AD8367受控極,控制AD8367的增益大小;另一路調(diào)節(jié)幅度后送入解調(diào)器。

工作中,若輸出信號幅度很大,則AGC控制電壓下降,控制放大器增益,使其增益減小,從而進(jìn)一步使輸出信號減小。若輸出信號幅度很小,則控制過程與上述情況相反。這樣當(dāng)輸入信號增大或減小時,輸出信號的電平始終保持相對穩(wěn)定。

3 性能測試及對比分析

3.1 性能測試

考慮到以上AGC設(shè)計(jì)思路,AGC必須具備足夠的增益,具有良好的頻帶放大性能,具有自動增益控制性能。散射通信中,多通道AGC在輸入信號變化60 dB時應(yīng)使輸出電平的變化限制在3 dB范圍內(nèi),以保證解調(diào)器能正確解調(diào),保證設(shè)備通信性能。因此設(shè)計(jì)一個AGC時,通常主要考慮動態(tài)范圍、通道輸出幅度一致性、AGC動態(tài)范圍內(nèi)的輸出電平波動等幾個性能指標(biāo)。

實(shí)測時采用調(diào)制解調(diào)機(jī)箱產(chǎn)生的帶內(nèi)兩頻半占空方波調(diào)制信號,首先將調(diào)制信號送入衰減器進(jìn)行衰減后,再經(jīng)AGC電路進(jìn)行自動增益控制,最后將四通道AGC輸出信號經(jīng)示波器進(jìn)行觀察,測試結(jié)果如表1所示。

表1 四通道AGC測試結(jié)果

從表1可以看出,該改進(jìn)AGC可以完成自動增益控制功能,實(shí)現(xiàn)了動態(tài)范圍為70 dB的增益調(diào)控。信號從0 dB衰減到70 dB時,AGC控制電壓呈線性增加,且經(jīng)AGC調(diào)整后的各通道輸出信號波動范圍在1.51～1.46 V,輸出電平波動小于1 dB;相同衰減下,各通道輸出幅度差≤0.2 V,通道輸出幅度一致性小于1 dB;信號從衰減到80 dB時,設(shè)備依然可以正常通信。此時,AGC控制電壓已呈非線性增加,達(dá)到最大值,且已經(jīng)有較多噪聲參與起控,但經(jīng)AGC調(diào)整后的各通道輸出信號波動不大,輸出電平波動仍小于1 dB,各通道輸出幅度差≤0.2 V,通道輸出幅度一致性小于1 dB。

根據(jù)測試結(jié)果表明,本改進(jìn)型AGC電路當(dāng)輸入信號動態(tài)范圍在-60～0 dBm時,各通道輸出信號滿足預(yù)期的AGC性能指標(biāo),且基本達(dá)到理想設(shè)計(jì)。

3.2 對比分析

如今企業(yè)的競爭壓力很大,一個好的產(chǎn)品要想在市場中博得先機(jī),除了具有良好的性能外,還要具有低成本。這就需要挖掘內(nèi)耗,在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)做足功夫,也只有這樣,才能使企業(yè)效益邁上新的臺階。

比較2種AGC的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),可見裝配調(diào)試后,改進(jìn)型AGC解決了工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題,不易自激,擁有良好的通道一致性和增益控制,其性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求;改進(jìn)型AGC在電路設(shè)計(jì)時,精確地計(jì)算了增益分配,合理選用器件,對電源加強(qiáng)處理,優(yōu)化布線,用2層板代替原先的4層板,既保證了性能,又最大限度的節(jié)約了成本。當(dāng)前單板主要器材費(fèi)用比較如表2所示,當(dāng)前單塊印制板制作費(fèi)用比較如表3所示。

表2 主要器件費(fèi)用比較

表3 印制板制作費(fèi)用比較

由表2可以看出,改進(jìn)型AGC除了增加2個可變增益放大器外,大量刪減了放大器等器件的使用,這使AGC能耗明顯降低,且減輕了電源的負(fù)擔(dān)。另外,還根據(jù)軟件RFSim99仿真易于實(shí)現(xiàn)的濾波器,用普通電感電容代替成品器件,同樣保證性能,卻實(shí)現(xiàn)更靈活,且利于以后電路擴(kuò)展。由表2可見,單塊改進(jìn)AGC器件成本節(jié)約800余元。

表3為印制板制作費(fèi)用比較,可以算出單塊改進(jìn)AGC印制板可節(jié)省制作費(fèi)用近千元。按實(shí)際每個調(diào)制解調(diào)機(jī)箱有2塊AGC計(jì)算,綜合主要器材及印制板費(fèi)用比較,改進(jìn)型AGC可節(jié)約3 000元左右,對于批量生產(chǎn)來說,成本數(shù)目降低將是可觀的。

4 結(jié)束語

根據(jù)工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)型AGC,采用2級可變增益放大器來實(shí)現(xiàn)增益控制,且易于調(diào)試實(shí)現(xiàn)。既避免了固有的缺點(diǎn),又精確地完成了信號的阻抗匹配,克服了VGA級聯(lián)噪聲大等問題。通過測試數(shù)據(jù)可以看出,改進(jìn)型AGC性能優(yōu)良,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。通過對電路的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),不僅節(jié)約了器材,降低了能耗,更大幅度地壓縮了產(chǎn)品成本,利于將來的大批量生產(chǎn),有著廣泛的工程應(yīng)用前景。

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