無線接收機可變增益放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

于 蕾， 單明廣， 黃志金， 潘大鵬， 肖易寒

（哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

在現(xiàn)代社會中，無線通信充斥在這個世界的每個角落，讓一切都變得更加方便［1］。無線通信也因為自然界中的各種不可預(yù)測的因素受到了許多制約，造成傳輸信號的嚴(yán)重衰減，信號摻入噪聲等情況［2］。導(dǎo)致到達接收端的信號很弱或者信號強度有很大的起伏變化，無法很好地進行信號接收和處理。

本文設(shè)計了一種可用于信號接收機前端的可變增益放大器，實現(xiàn)對經(jīng)過自然界衰減的信號進行調(diào)整，使進入接收端的信號盡可能地可靠和穩(wěn)定，以便更好地進行信號接收和處理［3］。放大器的可變增益設(shè)置和自動增益控制兩種模式可以切換，使用更加靈活，適用情況更為廣泛。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

課題要求技術(shù)指標(biāo)如下：放大器輸入信號中心頻率為50 MHz且有超過4 MHz頻帶寬度，系統(tǒng)最大增益要超過60 dB。同時在20 dB以上可以以6 dB步進線性可調(diào)。

本文設(shè)計的可變增益放大器主要結(jié)構(gòu)有固定增益放大、壓控增益放大、輸出反饋、數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換和人機交互等模塊。

如圖1所示，使用前后兩級固定增益放大器與中間級聯(lián)的電壓控制放大器構(gòu)成系統(tǒng)的放大電路部分［4］，共同達到最大增益和可變增益的要求。控制部分選用STM32單片機作為控制芯片，反饋電路由檢波器AD8361構(gòu)成；數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換模塊為單片機內(nèi)部的A／DC和D／AC部分；人機交互界面分為按鍵輸入與LCD液晶顯示兩部分。

按鍵輸入控制信息給單片機，單片機通過內(nèi)部D／AC模塊輸出控制電壓。此控制電壓用于控制壓控放大器的增益，改變整個放大電路的增益。反饋電路將得到的放大電路輸出信號通過A／DC模塊傳入單片機，用來與鍵入值比較和LCD液晶屏顯示。

在自動增益模式下，通過按鍵輸入可以設(shè)置系統(tǒng)輸出信號的峰峰值（Upp），放大器自動調(diào)整增益，以實現(xiàn)輸入信號起伏時有穩(wěn)定的信號輸出，并在LCD液晶屏上實時顯示出設(shè)置的預(yù)期值和檢測的系統(tǒng)輸出值。

圖1 放大器結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 固定增益放大電路

放大電路中使用放大器OPA847和OPA657分別完成前級放大和后級放大，實現(xiàn)固定增益的功能。OPA847和OPA657都是寬帶超低噪聲電壓反饋運算放大器，在較高頻率下仍能保持良好的放大性能［5-6］。

在應(yīng)用電路方面也極其相似，如圖2、3所示，都采用反相信號輸入的連接方式，使用可變電阻來調(diào)整增益，使在實際電路中到達前級放大5倍，后級放大2倍的功能。

2.2 壓控增益放大電路

中間壓控放大器采用兩級AD603級聯(lián)。AD603是一款低噪聲、低功耗的芯片。可以通過改變FDBK和VOUT兩個接口的配置，有90 MHz、30 MHz和9 MHz 3種帶寬工作模式［7］。不同的帶寬也對應(yīng)不同的增益范圍，這里選擇90 MHz的寬頻帶模式，此時增益范圍為－11 dB～＋31 dB。電路連接如圖4所示。

圖2 OAP847放大電路圖

圖3 OPA657放大電路圖

圖4 壓控放大電路圖

2.3 反饋電路

反饋電路選用均值響應(yīng)功率檢波器AD8361，它最高可以在2．5 GHz的高頻情況下工作且AD8361的輸出電壓與輸入信號的峰峰值成穩(wěn)定的線性關(guān)系［8］。

反饋電路如圖5所示，這里將IREF引腳懸空，SREF引腳接地，配置成內(nèi)部參考模式。由于STM32單片機的A／DC模塊的模擬輸入不能超過VCC（3．3 V），為防止反饋電路輸出的電壓超出A／DC模塊輸入范圍，在反饋電路輸入端加入電阻衰減使AD8361輸入信號衰減為1／3。

圖5 反饋電路圖

2.4 STM32單片機

圖6 單片機連接電路圖

設(shè)計采用STM32F103ZET6作為控制芯片，設(shè)計中使用的電路如圖6所示。接在STM32的PE4、PE3、PE2接口，且為低電平觸發(fā)；按鍵S4連接在單片機的PA0接口，為高電平觸發(fā)。

液晶顯示模塊中，LCD1602的GND和VCC為電源接口，由直流電源直接供電；V0接口用于字符與背景對比度調(diào)節(jié)，通過電位器連接到電源。RS為控制選擇連接至單片機PG2引腳；RW為讀寫選擇，連接至PG4引腳；EN為使能端，連接至PG6引腳。LCD的接口D0～D7為8位數(shù)據(jù)端，連接的是單片機PORTD的低8位：PD0～PD7引腳。第15和16引腳為液晶的背光電源。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化編程方法，分別實現(xiàn)模擬輸入、模擬輸出、按鍵輸入和LCD液晶顯示等功能；將這些功能模塊綜合起來實現(xiàn)自動增益和可變增益控制功能；在主函數(shù)中完成模式切換功能。由單一到綜合，最終構(gòu)成一個功能豐富、結(jié)構(gòu)完整的控制部分程序。

3.1 可變增益模式設(shè)計

在可變增益模式下，通過測試得到整體放大電路的增益與壓控放大器的控制電壓的關(guān)系，想要放大器實現(xiàn)的增益值可以通過按鍵輸入設(shè)置，在按鍵掃描后得到鍵入的增益值，根據(jù)系統(tǒng)增益與控制電壓的關(guān)系計算出所需的控制電壓大小，單片機控制片內(nèi)D／AC模塊輸出所需的控制電壓，即可實現(xiàn)準(zhǔn)確設(shè)置系統(tǒng)增益的功能［11］。

同時反饋電路實時檢測系統(tǒng)輸出電壓的峰峰值，并經(jīng)過A／DC模塊轉(zhuǎn)換反饋到單片機內(nèi)。LCD液晶顯示模塊實時顯示出系統(tǒng)輸出信號峰峰值和設(shè)置的系統(tǒng)增益值［12］。如圖7所示。

3.2 自動增益模式設(shè)計

在自動增益控制模式下，反饋電路實時檢測系統(tǒng)輸出電壓的峰峰值，并經(jīng)過A／DC模塊轉(zhuǎn)換反饋到單片機內(nèi)。通過按鍵輸入可以設(shè)置預(yù)期的系統(tǒng)輸出信號峰峰值。然后此預(yù)設(shè)值與反饋值進行比較，當(dāng)它們之間的差值不超過8 mV峰峰值時，即認(rèn)為輸出穩(wěn)定達到預(yù)設(shè)值；當(dāng)差值超過8 mV峰峰值時，采用逐次逼近的方式自動調(diào)整單片機D／AC模塊的輸出控制電壓，每次調(diào)整5 mV峰峰值，直至達到認(rèn)定的穩(wěn)定狀態(tài)［13］。

同樣LCD液晶顯示模塊實時顯示出系統(tǒng)輸出信號電壓的峰峰值和設(shè)置的系統(tǒng)預(yù)期輸出信號峰峰值。如圖8所示。

4 放大器實物測試

4.1 可變增益功能測試

測試條件：連接好樣機，由直流穩(wěn)壓電源給硬件電路供電，信號發(fā)生器分別輸入46 MHz和54 MHz小信號；利用控制部分的按鍵設(shè)置增益值，測量輸出信號并計算增益值。

圖7 可變增益程序流程圖

圖8 自動增益控制程序流程圖

4.2 自動增益功能測試

測試條件：連接好樣機，由直流穩(wěn)壓電源給硬件電路供電，信號發(fā)生器產(chǎn)生50 MHz輸入信號；利用控制部分的按鍵輸入設(shè)置系統(tǒng)輸出峰峰值，測量輸出信號的幅度。

表1、2為測試數(shù)據(jù)的一部分，由測試數(shù)據(jù)可知，在可變增益模式下，系統(tǒng)實現(xiàn)了通過按鍵輸入準(zhǔn)確控制系統(tǒng)增益大小且在小信號輸入時可以達到超過60 dB的最大增益。在設(shè)計要求的50 MHz中心頻率，超過8 MHz的帶寬內(nèi)，系統(tǒng)增益起伏最大不超過1 dB。在自動增益控制模式下，實現(xiàn)對于起伏變化的輸入信號，可以準(zhǔn)確控制系統(tǒng)信號輸出電壓的峰峰值穩(wěn)定在0．7～3．0 V之間的任意值。

表1 可變增益測試部分?jǐn)?shù)據(jù)表

表2 自動增益測試部分?jǐn)?shù)據(jù)表（峰峰值）

5 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個可變增益放大器系統(tǒng)，可用于通信系統(tǒng)接收機前端對信號進行處理。該系統(tǒng)主要由放大電路部分和控制部分組成，放大電路部分的前級固定放大電路和后級固定放大電路都實現(xiàn)了對高頻信號放大，控制部分STM32片上的A／DC能夠準(zhǔn)確獲得輸入的電壓值，D／AC也能夠穩(wěn)定精確的輸出電壓；反饋電路的輸出電壓也很好地與輸入信號的峰峰值呈線性關(guān)系。該系統(tǒng)將模擬電子技術(shù)和單片機原理融合在一起，同時應(yīng)用在無線接收機通信系統(tǒng)，有利于提高學(xué)生的動手能力及綜合能力，該放大器已經(jīng)應(yīng)用在電子信息工程和通信工程專業(yè)的電子技術(shù)創(chuàng)新實踐的案例教學(xué)中。