一種寬帶接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)

梁大恒+董國華

【摘 要】主要介紹了一種適用于225—512MHz的寬帶數(shù)字中頻AGC接收機(jī)的設(shè)計(jì)，該接收機(jī)的信號帶寬是5MHz，OFDM調(diào)制。通過對寬帶信號接收機(jī)的需求進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了AGC電路及控制方案的逐步實(shí)現(xiàn)過程。

【關(guān)鍵詞】AGC UHF 寬帶 數(shù)字中頻接收機(jī)

無線電系統(tǒng)中，由于受發(fā)射功率大小、收發(fā)距離遠(yuǎn)近和電波傳播衰落等各種因素的影響，接收機(jī)所接收的信號強(qiáng)弱變化范圍很大，信號強(qiáng)度的變化可從幾微伏到幾百毫伏[1]，有幾十甚至上百dB的變化，在現(xiàn)在的數(shù)字中頻接收機(jī)中，把A/D變換前移到了中頻部分，因?yàn)锳/D變換的動態(tài)范圍只有20～30dB，要求射頻低噪聲放大器（LNA）和自動增益控制（AGC）電路能夠提供大動態(tài)、高靈敏度、寬帶放大[2]。

1 UHF接收機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文所設(shè)計(jì)的接收機(jī)用于5MHz帶寬的設(shè)備中，接收機(jī)的射頻信號輸入范圍是225—512MHz，輸入幅度-100～+10dBm，接收機(jī)的輸出是70MHz中頻信號，輸出信號幅度要求是-25～-5dBm。

接收機(jī)采用超外差結(jié)構(gòu)，一次變頻，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 AGC動態(tài)范圍的計(jì)算

根據(jù)上文，接收機(jī)的輸入最小信號是-100dBm，輸出最小幅度要求是-25dBm，因此最大增益是： -25-（-100）=75dB。

接收機(jī)的最大輸入是10dBm，最大輸出信號是-5dBm，因此最小衰減量是：10-（-5）=15dB。

因此，AGC要實(shí)現(xiàn)的控制范圍是-15～+75dB，則整個接收通道的AGC動態(tài)范圍要求是大于75-

（-15）=90dB。

3 可變增益放大（VGA）的設(shè)計(jì)

VGA單元可以用模擬手段及數(shù)字手段實(shí)現(xiàn)，但由于模擬AGC難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、靈活的AGC控制算法，所以很難滿足寬帶多載波、多模式數(shù)字中頻電路AGC的控制要求[3]。

為了實(shí)現(xiàn)精確增益可控，本設(shè)計(jì)采用數(shù)控衰減器+固定增益放大器的方式（見圖2黑色框部分），利用數(shù)控衰減器，通過控制它的衰減量大小來調(diào)整增益大小或者是采用數(shù)字器件通過數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)增益的控制[4]，這樣可以實(shí)現(xiàn)精度為1dB的增益控制，選用的固定增益放大器是SGA-4586Z，選用的數(shù)控衰減器是HMC470LP3E。

SGA-4586Z可以在70MHz提供大約28.5dB的增益，HMC470LP3E的衰減可控范圍是0～31dB，控制精度1dB，因此使用這兩個器件組合可以實(shí)現(xiàn)-2.5～+28.5dB的VGA。

4 信號強(qiáng)度檢測點(diǎn)的設(shè)計(jì)

信號幅度檢測電路是信號數(shù)據(jù)流的幅度檢測電路，可通過峰值檢測電路或均值檢測電路實(shí)現(xiàn)[5]，AGC系統(tǒng)需要在接收通道中設(shè)置信號強(qiáng)度檢測位置來采集接收通道各處的信號能量，通過確認(rèn)各處的信號強(qiáng)度安排合理的通道增益，保證輸出中頻信號落在要求的范圍內(nèi)。

信號強(qiáng)度檢測需要兼顧到射頻部分及中頻部分，因此在第一級調(diào)諧濾波器、第一級和第二級中頻濾波器后加入場強(qiáng)檢測電路（見圖2和圖4中的場強(qiáng)檢測部件），用于檢測該處的信號強(qiáng)度。

5 中頻部分的增益及AGC實(shí)現(xiàn)

接收機(jī)中頻部分只對中頻頻率進(jìn)行濾波和放大處理，因?yàn)樘幚淼念l率單一，應(yīng)該將大部分AGC控制范圍放在這個部分，所以本設(shè)計(jì)在中頻頻段放置2級VGA電路。

中頻部分放置了2個SAW濾波器，每個插損為6dB，因此還需要在中頻部分加入一個補(bǔ)償放大器，用于補(bǔ)償中頻濾波器產(chǎn)生的12dB的通道損耗。中頻部分功能框圖如圖2所示。

由于用了一個放大器來補(bǔ)償中頻濾波器的插損，所以2級VGA能夠給中頻-57～-5dB的增益可調(diào)范圍。

6 射頻部分的增益AGC

由于中頻部分只能提供5dB的最大衰減量和57dB的最大增益，因此射頻部分還要能夠提供最少10dB的衰減量和最少18dB的放大量。

按照中頻的VGA的處理辦法，使用VGA代替LNA，得到如圖3所示的射頻VGA電路。但是，如果在射頻部分使用VGA來代替LNA，會使得接收機(jī)的噪聲系數(shù)變得很差，影響接收機(jī)的性能。

7 射頻部分電路的優(yōu)化

為了避免使用VGA直接代替LNA引起的接收性能變差的問題，需將射頻部分電路進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化措施如下：

（1）將LNA的增益分?jǐn)偟?個放大器上，由于LNA要大于22dB，如果考慮射頻部分調(diào)諧濾波器的插損及混頻器的變頻損耗，使用2個14dB低噪聲放大器來代替圖3的低噪放。

（2）第二級放大器放置在次級調(diào)諧濾波器之后，并與HMC470LP3E組成VGA，可實(shí)現(xiàn)17dB的插損及最大14dB的增益可調(diào)范圍。

（3）第一級低噪放采用開關(guān)來選擇放大及直通，進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，規(guī)定當(dāng)輸入信號大于5dBm時(shí)打開直通通路，保證接收機(jī)處于線性狀態(tài)。

按照優(yōu)化措施改進(jìn)后，射頻部分構(gòu)成如圖4所示。

8 AGC的控制辦法

AGC的控制辦法是把強(qiáng)度檢測后的信號進(jìn)行A/D采樣保持，通過CPU對檢波的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判決[6]，并計(jì)算出送給數(shù)控衰減器的控制數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)來控制數(shù)控衰減器，以達(dá)到控制增益的目的，形成了如圖5所示的數(shù)字閉環(huán)AGC：

射頻部分的圖4和中頻部分的圖2構(gòu)成了整個具有AGC功能的接收機(jī)，共有4個可以控制增益的位置，分別是：第一級低噪放放大直通選擇、射頻第一級VGA、中頻第一級VGA及中頻第二級VGA。

接收機(jī)傳輸?shù)氖菐挒?MHz的寬帶信號，該信號對接收機(jī)的線性度有要求，因此要保證在整個通路中，不要有器件工作在飽和區(qū)。在接收通路中，信號經(jīng)過各級放大濾波后，越靠近中頻輸出端口，信號能量就越大，因此越靠近中頻輸出，放大器就越接近飽和工作區(qū)。endprint

為此，各級VGA都應(yīng)該有調(diào)整增益的優(yōu)先級，根據(jù)各個放大器進(jìn)入飽和工作區(qū)的先后順序，進(jìn)行調(diào)制控制的優(yōu)先順序?yàn)椋褐蓄l第二級VGA>中頻第一級VGA>射頻第一級VGA>第一級低噪放放大直通選擇。

通過設(shè)定調(diào)制的優(yōu)先順序后，可以保證通道內(nèi)各器件在各種增益條件下處于線性工作狀態(tài)，確保了接收通道的線性。

9 接收通道的AGC行為分析

通過設(shè)定接收通道的AGC控制辦法及各級VGA的控制順序后，對接收通道的AGC進(jìn)行行為分析，結(jié)果如圖6所示：

根據(jù)圖6可見，信號從-100dBm逐級增大到+10dBm的過程中，輸出信號落在-20.2～-10.3dBm，滿足-25～-5dBm的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在輸入信號不斷加大的過程，各級AGC也是按照預(yù)先設(shè)定好的調(diào)整順序先后起到增益調(diào)整的作用。

在輸入信號由0dBm到10dBm變化時(shí)，第一級低噪放的增益直通開關(guān)狀態(tài)變成直通狀態(tài)，使信號直通，符合設(shè)計(jì)的要求，保證了后續(xù)電路工作在線性區(qū)內(nèi)。

10 結(jié)論

本文主要介紹了一種寬帶接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)思路，并詳細(xì)解析從設(shè)計(jì)需求、通道搭建到AGC行為分析的設(shè)計(jì)過程。由于設(shè)計(jì)中設(shè)定的電路模塊參數(shù)和實(shí)際器件特性一致，所以實(shí)物的測試結(jié)果與圖6的設(shè)計(jì)結(jié)果基本相同。

在設(shè)計(jì)中，將設(shè)備中的數(shù)字控制資源與AGC功能進(jìn)行結(jié)合，可以獲取精確的AGC控制，同時(shí)也能用數(shù)字資源來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的AGC控制，具有很好的拓展性，便于AGC接收機(jī)適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾興雯，劉乃安，陳健. 高頻電路原理與分析[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 2005.

[2] 王利眾，費(fèi)元春，郭德淳. 數(shù)字接收機(jī)中頻電路的研究[J]. 電訊技術(shù)， 2002（1）： 39-41.

[3] 曹鵬，費(fèi)元春. 大動態(tài)寬帶數(shù)字中頻AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003（5）： 613-616.

[4] 鄭生華. 振幅和差單脈沖雷達(dá)接收機(jī)高幅-相一致性AGC的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子， 2000（4）： 37-40.

[5] 耿新濤，王鳳. 寬帶數(shù)字接收機(jī)AGC設(shè)計(jì)方法分析[J]. 無線電工程， 2007（10）： 62-64.

[6] 喻斌，陳軍波，李青俠. 數(shù)字AGC的分析與設(shè)計(jì)[J]. 桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2003（5）： 35-37.★endprint

為此，各級VGA都應(yīng)該有調(diào)整增益的優(yōu)先級，根據(jù)各個放大器進(jìn)入飽和工作區(qū)的先后順序，進(jìn)行調(diào)制控制的優(yōu)先順序?yàn)椋褐蓄l第二級VGA>中頻第一級VGA>射頻第一級VGA>第一級低噪放放大直通選擇。

通過設(shè)定調(diào)制的優(yōu)先順序后，可以保證通道內(nèi)各器件在各種增益條件下處于線性工作狀態(tài)，確保了接收通道的線性。

9 接收通道的AGC行為分析

通過設(shè)定接收通道的AGC控制辦法及各級VGA的控制順序后，對接收通道的AGC進(jìn)行行為分析，結(jié)果如圖6所示：

根據(jù)圖6可見，信號從-100dBm逐級增大到+10dBm的過程中，輸出信號落在-20.2～-10.3dBm，滿足-25～-5dBm的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在輸入信號不斷加大的過程，各級AGC也是按照預(yù)先設(shè)定好的調(diào)整順序先后起到增益調(diào)整的作用。

在輸入信號由0dBm到10dBm變化時(shí)，第一級低噪放的增益直通開關(guān)狀態(tài)變成直通狀態(tài)，使信號直通，符合設(shè)計(jì)的要求，保證了后續(xù)電路工作在線性區(qū)內(nèi)。

10 結(jié)論

本文主要介紹了一種寬帶接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)思路，并詳細(xì)解析從設(shè)計(jì)需求、通道搭建到AGC行為分析的設(shè)計(jì)過程。由于設(shè)計(jì)中設(shè)定的電路模塊參數(shù)和實(shí)際器件特性一致，所以實(shí)物的測試結(jié)果與圖6的設(shè)計(jì)結(jié)果基本相同。

在設(shè)計(jì)中，將設(shè)備中的數(shù)字控制資源與AGC功能進(jìn)行結(jié)合，可以獲取精確的AGC控制，同時(shí)也能用數(shù)字資源來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的AGC控制，具有很好的拓展性，便于AGC接收機(jī)適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾興雯，劉乃安，陳健. 高頻電路原理與分析[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 2005.

[2] 王利眾，費(fèi)元春，郭德淳. 數(shù)字接收機(jī)中頻電路的研究[J]. 電訊技術(shù)， 2002（1）： 39-41.

[3] 曹鵬，費(fèi)元春. 大動態(tài)寬帶數(shù)字中頻AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003（5）： 613-616.

[4] 鄭生華. 振幅和差單脈沖雷達(dá)接收機(jī)高幅-相一致性AGC的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子， 2000（4）： 37-40.

[5] 耿新濤，王鳳. 寬帶數(shù)字接收機(jī)AGC設(shè)計(jì)方法分析[J]. 無線電工程， 2007（10）： 62-64.

[6] 喻斌，陳軍波，李青俠. 數(shù)字AGC的分析與設(shè)計(jì)[J]. 桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2003（5）： 35-37.★endprint

為此，各級VGA都應(yīng)該有調(diào)整增益的優(yōu)先級，根據(jù)各個放大器進(jìn)入飽和工作區(qū)的先后順序，進(jìn)行調(diào)制控制的優(yōu)先順序?yàn)椋褐蓄l第二級VGA>中頻第一級VGA>射頻第一級VGA>第一級低噪放放大直通選擇。

通過設(shè)定調(diào)制的優(yōu)先順序后，可以保證通道內(nèi)各器件在各種增益條件下處于線性工作狀態(tài)，確保了接收通道的線性。

9 接收通道的AGC行為分析

通過設(shè)定接收通道的AGC控制辦法及各級VGA的控制順序后，對接收通道的AGC進(jìn)行行為分析，結(jié)果如圖6所示：

根據(jù)圖6可見，信號從-100dBm逐級增大到+10dBm的過程中，輸出信號落在-20.2～-10.3dBm，滿足-25～-5dBm的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在輸入信號不斷加大的過程，各級AGC也是按照預(yù)先設(shè)定好的調(diào)整順序先后起到增益調(diào)整的作用。

在輸入信號由0dBm到10dBm變化時(shí)，第一級低噪放的增益直通開關(guān)狀態(tài)變成直通狀態(tài)，使信號直通，符合設(shè)計(jì)的要求，保證了后續(xù)電路工作在線性區(qū)內(nèi)。

10 結(jié)論

本文主要介紹了一種寬帶接收機(jī)的AGC設(shè)計(jì)思路，并詳細(xì)解析從設(shè)計(jì)需求、通道搭建到AGC行為分析的設(shè)計(jì)過程。由于設(shè)計(jì)中設(shè)定的電路模塊參數(shù)和實(shí)際器件特性一致，所以實(shí)物的測試結(jié)果與圖6的設(shè)計(jì)結(jié)果基本相同。

在設(shè)計(jì)中，將設(shè)備中的數(shù)字控制資源與AGC功能進(jìn)行結(jié)合，可以獲取精確的AGC控制，同時(shí)也能用數(shù)字資源來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的AGC控制，具有很好的拓展性，便于AGC接收機(jī)適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾興雯，劉乃安，陳健. 高頻電路原理與分析[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 2005.

[2] 王利眾，費(fèi)元春，郭德淳. 數(shù)字接收機(jī)中頻電路的研究[J]. 電訊技術(shù)， 2002（1）： 39-41.

[3] 曹鵬，費(fèi)元春. 大動態(tài)寬帶數(shù)字中頻AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003（5）： 613-616.

[4] 鄭生華. 振幅和差單脈沖雷達(dá)接收機(jī)高幅-相一致性AGC的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子， 2000（4）： 37-40.

[5] 耿新濤，王鳳. 寬帶數(shù)字接收機(jī)AGC設(shè)計(jì)方法分析[J]. 無線電工程， 2007（10）： 62-64.

[6] 喻斌，陳軍波，李青俠. 數(shù)字AGC的分析與設(shè)計(jì)[J]. 桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2003（5）： 35-37.★endprint