一種改進型AGC的設計與實現

隋占菊,路 雯

(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

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

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,導致各通道增益不同,合控困難,易于受到干擾,產生自激和振蕩,由此造成設備不能正常工作,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設計思路

AGC就是自動幅度調節(jié)系統(tǒng)其基本作用相當輸入信號的幅度在很大的范圍內變化時,嚴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作為基礎組件,廣泛用于通信設備中。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,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設計主要考慮以下幾個方面:

①AGC應選擇合適的放大器電壓增益的控制方式,以適應通信系統(tǒng)的速率特性,并盡量保證電路結構簡單、性能穩(wěn)定、易于實現;

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

③AGC擔負著接收機中最主要的放大任務,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應該具有良好的頻帶放大性能;

⑤為了使解調器能正常工作,AGC在輸入信號變化60dB時應使輸出電平的變化限制在3 dB范圍內,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,硬件設計時應注意慎用敏感器件,精確計算增益分配,加強電源濾波,合理布局布線。

2 改進型AGC設計實現

2.1 工程中遇到的問題

某散射通信系統(tǒng)的調制解調分系統(tǒng)中,四通道AGC工作一段時間后出現自動增益控制混亂現象,使得解調器輸入電平劇烈變化,導致信號無法正確解調,設備通信能力喪失。在采取了多種硬件保護措施后,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。可變衰減為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絡,雖然實現了較大的動態(tài)范圍控制,信號動態(tài)范圍可達0～-60 dBm,能夠滿足系統(tǒng)設計要求。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,對于批生產來說不易實現,每一路AGC的增益一致性指標難以保障。并且由于多個PIN二極管和放大器的結合使用,AGC電路對干擾信號很敏感,容易使傳輸的信號發(fā)生幅度相位畸變等,其可靠性、穩(wěn)定性和適應性存在局限。面對將來的大批量生產,亟需改進AGC,既要實現原有功能,又要易于調試且去掉固有缺陷。

圖1 AGC單路原理

2.2 關鍵設計及實現

多通道AGC自激震蕩產生的原因復雜,具有很大的隨機性,增益控制部分的穩(wěn)定性是保證環(huán)路穩(wěn)定的基礎。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。可變增益放大器AGC一致性較好,且調試簡單,但是動態(tài)范圍一般40～50 dB,因此,改進型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結構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入AD8367前需要阻抗匹配。這之間若不進行阻抗匹配,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仿真計算,發(fā)現此匹配網絡插損較大,可達11 dB。根據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,總增益勉強滿足60 dB的設計指標。事實上,上述理想情況是難以實現的,實現起來具有不可靠性。級聯(lián)匹配網絡的微小失配及實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,進而減小動態(tài)范圍;實際工程中,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,導致輸出增益控制值難以準確輸出;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。總之,上述多種因素制約了級聯(lián)AD8367理想動態(tài)范圍極值的達成。因此,采用電感和電容進行阻抗匹配,以解決插損過大問題。利用軟件RFSim99計算的仿真圖如圖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,匹配轉換過程中,各頻點信號插損約為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的設計指標,且此種方法易于工程實現。

AD8367能夠實現精確的增益控制,單片控制范圍45 dB,它既能配置應用于外加電壓控制的VGA模式,同時內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。改進型AGC單路原理框圖如圖3所示。

圖3 改進型AGC單路原理

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

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設計思路,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時應使輸出電平的變化限制在3 dB范圍內,以保證解調器能正確解調,保證設備通信性能。因此設計一個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)范圍內的輸出電平波動等幾個性能指標。

實測時采用調制解調機箱產生的帶內兩頻半占空方波調制信號,首先將調制信號送入衰減器進行衰減后,再經AGC電路進行自動增益控制,最后將四通道AGC輸出信號經示波器進行觀察,測試結果如表1所示。

表1 四通道AGC測試結果

從表1可以看出,該改進AGC可以完成自動增益控制功能,實現了動態(tài)范圍為70 dB的增益調控。信號從0 dB衰減到70 dB時,AGC控制電壓呈線性增加,且經AGC調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,設備依然可以正常通信。此時,AGC控制電壓已呈非線性增加,達到最大值,且已經有較多噪聲參與起控,但經AGC調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。

根據測試結果表明,本改進型AGC電路當輸入信號動態(tài)范圍在-60～0 dBm時,各通道輸出信號滿足預期的AGC性能指標,且基本達到理想設計。

3.2 對比分析

如今企業(yè)的競爭壓力很大,一個好的產品要想在市場中博得先機,除了具有良好的性能外,還要具有低成本。這就需要挖掘內耗,在設計環(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的設計實現,可見裝配調試后,改進型AGC解決了工程應用中出現的問題,不易自激,擁有良好的通道一致性和增益控制,其性能達到了設計要求;改進型AGC在電路設計時,精確地計算了增益分配,合理選用器件,對電源加強處理,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。當前單板主要器材費用比較如表2所示,當前單塊印制板制作費用比較如表3所示。

表2 主要器件費用比較

表3 印制板制作費用比較

由表2可以看出,改進型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,且減輕了電源的負擔。另外,還根據軟件RFSim99仿真易于實現的濾波器,用普通電感電容代替成品器件,同樣保證性能,卻實現更靈活,且利于以后電路擴展。由表2可見,單塊改進AGC器件成本節(jié)約800余元。

表3為印制板制作費用比較,可以算出單塊改進AGC印制板可節(jié)省制作費用近千元。按實際每個調制解調機箱有2塊AGC計算,綜合主要器材及印制板費用比較,改進型AGC可節(jié)約3 000元左右,對于批量生產來說,成本數目降低將是可觀的。

4 結束語

根據工程應用中出現的問題,設計實現了一種改進型AGC,采用2級可變增益放大器來實現增益控制,且易于調試實現。既避免了固有的缺點,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。通過測試數據可以看出,改進型AGC性能優(yōu)良,滿足設計指標要求。通過對電路的細節(jié)設計,不僅節(jié)約了器材,降低了能耗,更大幅度地壓縮了產品成本,利于將來的大批量生產,有著廣泛的工程應用前景。

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