一種全數(shù)字AGC超帶寬自適應(yīng)射頻放大器的設(shè)計(jì)

晏 勇,雷 航,梁 潘

(1.阿壩師范學(xué)院電子信息與自動(dòng)化學(xué)院， 四川 阿壩 623002；2.電子科技大學(xué) 信息與軟件工程學(xué)院， 成都 610054； 3.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 士官管理學(xué)院， 成都 610100)

復(fù)雜電磁環(huán)境中，射頻電路很大程度影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的性能，為了提高放大器的自適應(yīng)性與通帶內(nèi)的平坦度，提高無(wú)線射頻信號(hào)的傳輸距離與傳輸質(zhì)量，降低信道噪聲、減小誤碼率，本文設(shè)計(jì)了一種0.5～3.5 GHz全數(shù)字AGC超帶寬自適應(yīng)射頻放大器。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研人員與學(xué)者對(duì)射頻放大器進(jìn)行了大量研究，劉丹丹等[3]提出了一種基于跨導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)的超帶寬低噪聲放大器，在噪聲系數(shù)、反射系數(shù)、信號(hào)增益方面取得了一定的改善，但采用跨導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)增加了電路的復(fù)雜性，對(duì)功率有一定的損耗；楊光義等[4]設(shè)計(jì)了全差分可控射頻帶寬放大器，采用全差分輸入，抑制共模干擾，優(yōu)化系統(tǒng)噪聲系數(shù)，但在射頻放大器中差分放大電路需單雙轉(zhuǎn)換，電路復(fù)雜應(yīng)用受到了一定局限；吳進(jìn)等[6]提出通過(guò)射頻放大器選通無(wú)源阻容網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，提高放大器線性度，但微弱信號(hào)放大能力受到了限制；王景帥等[7]設(shè)計(jì)了一種帶消調(diào)的可變?cè)鲆娣糯笃鳎瑴p小誤碼率與信道衰落，采用兩級(jí)模擬AGC級(jí)聯(lián)閉環(huán)控制電路，調(diào)整輸入電阻Ri與反饋電阻Rf阻值改變放大電路增益，但控制精度有待進(jìn)一步提高。

針對(duì)上述問(wèn)題本文將K-means算法用于射頻數(shù)字自適應(yīng)濾波，按信號(hào)強(qiáng)度自主調(diào)節(jié)放大器增益，確保無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)發(fā)射功率動(dòng)態(tài)變化范圍在合理區(qū)間波動(dòng)，全數(shù)字AGC閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高增益、超帶寬、低噪聲、高線性度的自適應(yīng)射頻放大器。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全數(shù)字AGC超帶寬自適應(yīng)射頻放大器分為恒定峰值電壓輸出與預(yù)置增益臺(tái)階兩種工作模式；系統(tǒng)包括：數(shù)字信號(hào)處理器DSP與K-means自適應(yīng)數(shù)字濾波、射頻低噪聲前置放大電路LNA、數(shù)字程控增益放大電路DPGA、射頻功率放大電路RFPA、射頻AD轉(zhuǎn)換電路等[1]，射頻放大系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 射頻放大系統(tǒng)組成框圖

射頻低噪聲前置放大器LNA選用砷化鎵GaAS增強(qiáng)型偽電子高遷移率ATF-54143場(chǎng)效應(yīng)管，源級(jí)串聯(lián)電感負(fù)反饋，漏極-柵極并聯(lián)RLC負(fù)反饋，拓展放大器工作頻帶，降低輸入噪聲。兩級(jí)數(shù)字程控增益放大器ADL5240插入線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，改善放大器阻抗匹配與增益帶內(nèi)平坦度；數(shù)字程控增益放大電路ADL5240、射頻功率放大電路NBB310、射頻AD轉(zhuǎn)換電路ADC32RF44、數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6678構(gòu)成全數(shù)字AGC閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，K-means數(shù)字濾波算法濾除射頻信號(hào)數(shù)字化過(guò)程中的附加噪聲，抑制放大器直流失調(diào)，改善線性度，提高穩(wěn)定性與自適應(yīng)性[2]。

1.2 系統(tǒng)增益分配

LNA為射頻放大系統(tǒng)最前端，以最小噪聲系數(shù)與最小反射系數(shù)為主，設(shè)置固定增益+12 dB。DPGA完成射頻信號(hào)增益調(diào)節(jié)，高增益同時(shí)根據(jù)輸入信號(hào)大小調(diào)整增益，使輸出電壓幅度能夠保持穩(wěn)定[3]，提高系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)增益調(diào)節(jié)的自適應(yīng)性，每一級(jí)DPGA增益范圍為-31.5 dB到+18.5 dB；RFPA提高信號(hào)輸出功率，電壓增益+10 dB，采用微帶線阻抗匹配，減小信號(hào)失真與反射，實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，射頻放大器各級(jí)增益如圖2所示。

圖2 射頻放大器各級(jí)增益分配框圖

2 全數(shù)字AGC設(shè)計(jì)

2.1 射頻前端LNA設(shè)計(jì)

射頻前端放大器自身噪聲系數(shù)是影響整個(gè)射頻放大系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)，對(duì)靈敏度起決定作用，射頻放大前端LNA采用最小噪聲系數(shù)匹配[4-5]，如式(1)：

(1)

其中:NFn各級(jí)放大電路噪聲系數(shù)；Gn各級(jí)放大電路增益。

射頻前端LNA正常工作，必須滿足放大器穩(wěn)定度，ATF-54143射頻放大電路引入S參數(shù)，采用k-δ準(zhǔn)則分析LNA絕對(duì)穩(wěn)定條件[6]，如式(2)和式(3)：

(2)

δ=S11S22-S12S21

(3)

式(2)和式(3)同時(shí)滿足K>1和|δ|<1,射頻前端LNA處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[7]。

為了避免射頻放大器在信號(hào)傳輸過(guò)程中發(fā)生反射，提高放大器增益的線性度，降低傳輸損耗，保證信號(hào)完整性，射頻前端LNA輸入阻抗設(shè)計(jì)為50 Ω[8]，高速信號(hào)微帶線模型特性阻抗Z0，如式(4)：

(4)

ξre電路板等效相對(duì)介電常數(shù)，如式(5)：

(5)

其中：w為微帶線寬度；h為電路板基片厚度；ξr為電路板基片相對(duì)介電常數(shù)，選用RF-4射頻電路板ξr=4.4，PCB基板厚度H=0.8 mm，損耗交正切值tgθ=0.04，由式(4)和(5)得，特征阻抗Z0=53.21 Ω。借助ADS仿真平臺(tái)進(jìn)一步優(yōu)化阻抗匹配模型和參數(shù)，修正特征阻抗[9-10]，ATF-54143射頻前端LNA原理如圖3所示。

圖3 ATF-54143射頻前端LNA原理圖

圖3所示，R1、R2、R3為L(zhǎng)NA直流偏置電阻，直流電源電壓VCC=+5 V，偏置電壓VDS=+3.5 V，偏置電流IDS=30 mA；C1、C2輸入輸出耦合電容，C3、C4、C5旁路電容，L1、L2高頻額流電感。ME1、MN1、MC1輸入單枝短截微帶線阻抗匹配電路，ME2、MN2、MC2為輸出微帶線阻抗匹配電路，MN3、MN4源極負(fù)反饋微帶線電路[11-12]。

2.2 數(shù)字程控增益放大器DPGA設(shè)計(jì)

數(shù)字程控增益放大電路采用兩級(jí)DPGA閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)[13]，ADL5240為100～4 000 MHz射頻數(shù)字程控放大器，+5 V供電，內(nèi)嵌射頻放大器AMP固定增益20 dB和6位數(shù)字步進(jìn)衰減器DSA，分辨率0.5 dB，單級(jí)AMP-DSA環(huán)路配置方式增益范圍-31.5 dB到+18.5 dB，DSA衰減器采用串行輸入，ADL5240-DPGA原理如圖4所示[13-14]。

圖4 ADL5240-DPGA原理圖

根據(jù)數(shù)字程控增益放大器DPGA射頻采樣、濾波輸出數(shù)字信號(hào)的幅度，首先粗調(diào)兩級(jí)ADL5240增益臺(tái)階，粗調(diào)兩級(jí)DPGA增益臺(tái)階相同[15]當(dāng)粗調(diào)分辨率過(guò)大不能滿足輸出電壓設(shè)置時(shí)，轉(zhuǎn)由單級(jí)DPGA增益細(xì)調(diào)，完成輸出電壓或增益調(diào)整[16]。

AGC射頻AD集成電路ADC32RF44，14位雙通道高速數(shù)字轉(zhuǎn)換器，+5 V參考電壓Vref，分辨率0.3 mV，支持4 GHz射頻輸入信號(hào)采樣[17]；射頻功率放大器采用單片MMIC射頻功率放大集成電路NBB310；數(shù)字AGC閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制電路采用8 核定點(diǎn)和浮點(diǎn)DSP-TMS320C6678，實(shí)現(xiàn)反饋控制網(wǎng)絡(luò) AGC自適應(yīng)數(shù)字濾波與增益臺(tái)階設(shè)定等功能[18]。

3 K-means數(shù)字自適應(yīng)濾波算法

K-means數(shù)字自適應(yīng)濾波是基于距離的聚類(lèi)算法，通過(guò)無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，遍歷選取離種子點(diǎn)最近的均值，濾除射頻信號(hào)數(shù)字化產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)AGC自適應(yīng)數(shù)字濾波，降低噪聲，提高系統(tǒng)自適性與線性度[19-20]。

K-means自適應(yīng)數(shù)字濾波算法首先選取內(nèi)聚K值，給定周期射頻信號(hào)數(shù)據(jù)集X={x1,x2,…,xk},k=1,2,3,…，每一個(gè)樣本元素為射頻信號(hào)單獨(dú)一個(gè)周期采樣點(diǎn)的集合x(chóng)m={x1m,x2m,…,xkm},k=1,2,3,…;m=1,2,3,…。

步驟1 計(jì)算射頻AD轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)集合X與平均樣本距離：

(6)

式(6)中，d(xi,xj)代表樣本元素xi與xj間的歐氏間距。

步驟2 計(jì)算射頻離散數(shù)字信號(hào)集合X的特征空間：

(7)

式(7)中，r取樣元素的維度，F(xiàn)i與fi分別表示離散射頻信號(hào)數(shù)據(jù)集合第i個(gè)特征的極大值和極小值。

步驟3 計(jì)算射頻信號(hào)樣本元素i的密度參數(shù)：

(8)

步驟4 計(jì)算數(shù)據(jù)i與數(shù)字射頻取樣信號(hào)的距離，根據(jù)特征空間Feature(X)大小，元素i的距離：

令：Den(i)=Density(i)，F(xiàn)ea(X)=Feature(X)得

(9)

步驟5 計(jì)算射頻離散數(shù)字信號(hào)樣本i的異類(lèi)參數(shù)：

(10)

式(10)中，T為射頻離散數(shù)字信號(hào)密度大于樣本數(shù)據(jù)i的數(shù)量。

步驟6 計(jì)算射頻離散數(shù)字信號(hào)樣本i的權(quán)重：

(11)

射頻離散數(shù)字信號(hào)樣本i的權(quán)重M(i)與Density(i)、A(i)成正比，與D(i)成反比；Density(i)值越大，點(diǎn)i在Distance(X)范圍內(nèi)奇異越小，D(i)值越小，點(diǎn)i在Distance(X)附近越接近下一采樣點(diǎn)，A(i)越大，射頻信號(hào)重復(fù)采樣奇異越小。每次射頻信號(hào)采樣后根據(jù)權(quán)值M(i) 選取下一采樣點(diǎn)集合劃分合理性，抑制射頻采樣輸出噪聲信號(hào)，提高放大器輸出線性度[21-23]。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

一種全數(shù)字AGC超帶寬自適應(yīng)射頻放大器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，分析測(cè)試儀器：10 GHz數(shù)字存儲(chǔ)示波器DOS81004A，6 GHz射頻信號(hào)發(fā)生器E4438C，直流電源E3631A，6 GHz網(wǎng)絡(luò)分析儀8753E，仿真軟件ADS、Matlab 2018a等，測(cè)試輸入信號(hào)頻率2.4 GHz。

K-means數(shù)字自適應(yīng)濾波特性采用Matlab2018a完成仿真，射頻高速AD采樣后經(jīng)K-means數(shù)字濾波前后離散射頻信號(hào)仿真如圖5所示。

圖5 K-means數(shù)字濾波前后離散射頻信號(hào)仿真圖

從圖5可看出，射頻離散數(shù)字信號(hào)經(jīng)K-means自適應(yīng)濾波后，有效抑制和濾除疊加在射頻信號(hào)采樣后的噪聲，改善了射頻AD采樣的噪聲系數(shù)與線性度。

設(shè)置輸入峰值ui=1 mV，調(diào)整放大器增益至最大，改變輸入信號(hào)頻率f由0.5～4 GHz，測(cè)試放大器通頻帶及帶內(nèi)平坦度，輸入信號(hào)頻率與電壓增益曲線如圖6所示。

圖6 輸入信號(hào)頻率與電壓增益曲線

分析圖6可知，輸入信號(hào)在0.5 GHz至3.5 GHz時(shí)，數(shù)字AGC放大器增益由600變化至818，即+55.3 dB至+58.3 dB，輸入信號(hào)為1.8 GHz放大電路增益最大，輸入信號(hào)為2.4 GHz放大電路增益756，即+57.1 dB；輸入信號(hào)在1.2 GHz至2.6 GHz時(shí)，帶內(nèi)起伏小于0.8 dB。

放大器在預(yù)置電壓增益臺(tái)階工作模式下，輸入信號(hào)峰值ui=1 mV，頻率f=2.4 GHz，預(yù)置增益臺(tái)階與測(cè)試增益臺(tái)階曲線如圖7所示。

圖7 預(yù)置增益臺(tái)階與測(cè)試增益臺(tái)階曲線

由圖7可知，放大器理想狀態(tài)下鏈路各級(jí)總增益-41 dB至+59 dB，放大器增益臺(tái)階為-13 dB至+18 dB時(shí)，誤差為0 dB；設(shè)置增益臺(tái)階+55 dB時(shí)，實(shí)際增益+54.2 dB，誤差0.8 dB；設(shè)置增益臺(tái)階-41 dB時(shí)，實(shí)際增益-39.5 dB，誤差-1.5 dB。

放大器在輸出恒定峰值電壓工作模式下，預(yù)置輸出信號(hào)峰值電壓uo=100 mV，預(yù)置輸出與測(cè)試輸出電壓峰值如表1所示。

表1 預(yù)置輸出與測(cè)試輸出峰值電壓(uo=100 mV)

實(shí)物測(cè)試過(guò)程中受器件非線性與分布參數(shù)、焊接、制作工藝等因素影響放大器誤差略有增加，系統(tǒng)采用PID與非線性分段處理相結(jié)合的方法，逐次逼近減小誤差。經(jīng)測(cè)試，全數(shù)字AGC超帶寬自適應(yīng)射頻放大器各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足應(yīng)用設(shè)計(jì)要求，參數(shù)優(yōu)于前文所述射頻放大器。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字AGC超帶寬自適應(yīng)射頻放大器，具有恒定峰值電壓與預(yù)置增益臺(tái)階兩種工作模式，采用全數(shù)字閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了放大器線性度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試，放大器能有效抑制系噪聲信號(hào)，增益臺(tái)階最小分辨率0.5 dB，0.5～3.5 GHz頻率范圍內(nèi)，增益為-41 dB到+58.3 dB，帶內(nèi)起伏小于0.8 dB，在國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者研究的基礎(chǔ)上對(duì)放大器的精度、頻率、平坦度等方面進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、高效，有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。