隋占菊,路 雯

(中國(guó)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(dòng)增益控制技術(shù)是國(guó)內(nèi)外研究的熱門(mén)技術(shù)。無(wú)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(hào)電平產(chǎn)生較大幅度的變化。為了保證接收端信號(hào)在進(jìn)入解調(diào)環(huán)路前具有相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào)電平,必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)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(wèn)題。

1 AGC設(shè)計(jì)思路

AGC就是自動(dòng)幅度調(diào)節(jié)系統(tǒng)其基本作用相當(dāng)輸入信號(hào)的幅度在很大的范圍內(nèi)變化時(shí),嚴(yán)格地定制放大器的增益,使輸出信號(hào)的幅度保持不變或者只有很小的變化。也就是說(shuō),AGC是一個(gè)動(dòng)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(hào)滿足判決要求,它還必須是增益受控可變,具有一定的動(dòng)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(jí)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(gè)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(jiǎn)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(hào)動(dòng)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(hào)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(hào)變化60dB時(shí)應(yīng)使輸出電平的變化限制在3 dB范圍內(nèi),即保持相對(duì)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(shí)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(wèn)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(shí)間后出現(xiàn)自動(dòng)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(hào)無(wú)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(zhǎng)了發(fā)生誤控制的間隔時(shí)間,但沒(méi)有從根本上完全消除由環(huán)路不穩(wěn)定造成的自動(dòng)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(jí)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(dòng)態(tài)范圍控制,信號(hào)動(dòng)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(duì)于批生產(chǎn)來(lái)說(shuō)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(gè)PIN二極管和放大器的結(jié)合使用,AGC電路對(duì)干擾信號(hào)很敏感,容易使傳輸?shù)男盘?hào)發(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(duì)將來(lái)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(dòng)增益控制可使用可變?cè)鲆娣糯笃??？勺冊(cè)鲆娣糯笃鰽GC一致性較好,且調(diào)試簡(jiǎn)單,但是動(dòng)態(tài)范圍一般40～50 dB,因此,改進(jìn)型AGC采用級(jí)聯(lián)可變?cè)鲆娣糯笃鱽?lái)滿足動(dòng)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?cè)鲆嬷蓄l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(hào)阻抗為50 Ω,這就意味著信號(hào)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(shì)必會(huì)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(hào)增益為42 dB,所以可得單通道放大器總增益為:

G2級(jí)理想=2×(42-11)=62。 (1)

由式(1)可見(jiàn),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(lái)具有不可靠性。級(jí)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(lái)一定的衰減,這將增大對(duì)可控增益放大器最大增益值的需求,進(jìn)而減小動(dòng)態(tài)范圍;實(shí)際工程中,極弱信號(hào)的監(jiān)測(cè)是困難的,尤其是輸入信號(hào)很小時(shí),對(duì)其檢波后得到的電壓有效值與門(mén)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(duì)于常見(jiàn)的增益可變放大器而言,弱小信號(hào)往往對(duì)應(yīng)大增益值,而大增益狀態(tài)下可變?cè)鲆娣糯笃饔侄嗵幱诓环€(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(dòng)態(tài)范圍?？傊?上述多種因素制約了級(jí)聯(lián)AD8367理想動(dòng)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(guò)大問(wèn)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(jiàn),對(duì)于中心頻率70 MHz帶寬10 MHz的中頻信號(hào),匹配轉(zhuǎn)換過(guò)程中,各頻點(diǎn)信號(hào)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(jiàn),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(shí)內(nèi)部還集成了平方律檢波器,因而也可以工作于自動(dòng)增益控制模式。該AGC的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為60 dB,因此采用兩級(jí)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(hào),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(lái)自下變頻器的中頻信號(hào)經(jīng)濾波放大后送給級(jí)聯(lián)AD8367放大,進(jìn)行混頻濾波后信號(hào)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(hào),與其它通道檢波信號(hào)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(hào)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(hào)減小。若輸出信號(hào)幅度很小,則控制過(guò)程與上述情況相反。這樣當(dāng)輸入信號(hào)增大或減小時(shí),輸出信號(hào)的電平始終保持相對(duì)穩(wěn)定。

3 性能測(cè)試及對(duì)比分析

3.1 性能測(cè)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(dòng)增益控制性能。散射通信中,多通道AGC在輸入信號(hào)變化60 dB時(shí)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(gè)AGC時(shí),通常主要考慮動(dòng)態(tài)范圍、通道輸出幅度一致性、AGC動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輸出電平波動(dòng)等幾個(gè)性能指標(biāo)。

實(shí)測(cè)時(shí)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(hào),首先將調(diào)制信號(hào)送入衰減器進(jìn)行衰減后,再經(jīng)AGC電路進(jìn)行自動(dòng)增益控制,最后將四通道AGC輸出信號(hào)經(jīng)示波器進(jìn)行觀察,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 四通道AGC測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出,該改進(jìn)AGC可以完成自動(dòng)增益控制功能,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍為70 dB的增益調(diào)控。信號(hào)從0 dB衰減到70 dB時(shí),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(hào)波動(dòng)范圍在1.51～1.46 V,輸出電平波動(dòng)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(hào)從衰減到80 dB時(shí),設(shè)備依然可以正常通信。此時(shí),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(hào)波動(dòng)不大,輸出電平波動(dòng)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(cè)試結(jié)果表明,本改進(jìn)型AGC電路當(dāng)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍在-60～0 dBm時(shí),各通道輸出信號(hào)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(duì)比分析

如今企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)壓力很大,一個(gè)好的產(chǎn)品要想在市場(chǎng)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(tái)階。

比較2種AGC的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),可見(jiàn)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(wèn)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(shí),精確地計(jì)算了增益分配,合理選用器件,對(duì)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(gè)可變?cè)鲆娣糯笃魍?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(jiàn),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(gè)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(duì)于批量生產(chǎn)來(lái)說(shuō),成本數(shù)目降低將是可觀的。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)型AGC,采用2級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃鱽?lái)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(hào)的阻抗匹配,克服了VGA級(jí)聯(lián)噪聲大等問(wèn)題。通過(guò)測(cè)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(guò)對(duì)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(lái)的大批量生產(chǎn),有著廣泛的工程應(yīng)用前景。

[1]袁孝康.自動(dòng)增益控制與對(duì)數(shù)放大器[M].北京國(guó)防工業(yè)出版社,1987.

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