王一冰，楊亞博

(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610041)

射頻自動增益控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

王一冰，楊亞博

(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610041)

近年來通信技術(shù)在不斷更新，通信的頻率也越來越高，自動增益控制系統(tǒng)能夠?qū)敵龇冗M(jìn)行精確控制，穩(wěn)定信號輸出幅度，因此降低了對激勵信號的動態(tài)范圍要求，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于通信等高頻電路系統(tǒng)中.介紹了一種射頻自動增益控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，該類系統(tǒng)用于射頻前端接收機等設(shè)備，可較好地提升接收機性能并降低成本.

寬帶；數(shù)字衰減；自動控制；系統(tǒng)

早先的AGC電路多為模擬電路，采用可變增益放大器結(jié)合簡單的AGC控制電路來實現(xiàn)，具有動態(tài)范圍較大、增益較高，且電路結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單等優(yōu)點，但對于脈寬小的信號難以控制，在穩(wěn)定性方面很難做得很好.因現(xiàn)代通信技術(shù)對系統(tǒng)的抗干擾能力要求越來越高，模擬AGC電路無法像數(shù)字AGC電路那樣具有靈活可調(diào)的算法，所以數(shù)字AGC電路將得到越來越廣泛的應(yīng)用[1].

本文主要對自動增益控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究，對系統(tǒng)的通頻帶進(jìn)行了拓寬并完成了自動增益算法的設(shè)計，為射頻自動增益控制系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)打下基礎(chǔ)，可用于通信等高頻設(shè)備，對其發(fā)展趨于數(shù)字化、穩(wěn)定性、低功耗有指導(dǎo)性意義.

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

系統(tǒng)是由程控衰減模塊、固定增益放大器、調(diào)理模塊、ADC模塊、存儲器和FPGA模塊等部分組成.當(dāng)幅度未知的信號輸入時，通過整個系統(tǒng)后都能使輸出信號的幅度穩(wěn)定在預(yù)定目標(biāo)值附近，簡單說整個系統(tǒng)可以理解成射頻數(shù)字自動增益控制器.

系統(tǒng)的工作原理如圖1，接收機接收到的信號Vi(0.5～5.5V)經(jīng)過射頻開關(guān)完成量程自動切換，量程分為直通檔位1，固定放大10倍檔位2和固定放大100倍檔位3.默認(rèn)選擇檔位1，對信號不進(jìn)行放大；如果后面FPGA判斷信號小于0.05V時射頻開關(guān)切換至檔位3，對信號放大100倍；如果后面FPGA判斷信號小于0.5V時射頻開關(guān)切換至檔位2，對信號放10倍，再進(jìn)入程控衰減模塊進(jìn)行衰減.開始瞬間，輸入信號幅度未知，預(yù)設(shè)衰減器的衰減值為0，經(jīng)過固定增益放大器和調(diào)理模塊后，通過ADC進(jìn)行采樣，把采樣數(shù)據(jù)存入存儲器芯片中，在處理時可對高頻信號進(jìn)行等效采樣.然后FPGA對采樣信號的正峰值進(jìn)行流水比較，根據(jù)算法對程控衰減器的衰減比進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使信號的輸出峰值Vo(0～5V)穩(wěn)定在設(shè)定的目標(biāo)值附近，從而達(dá)到數(shù)控射頻自動增益程控的效果.

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及功能

①程控衰減器部分，目前常用的程控衰減方案有以下三種:

方案一:通過構(gòu)建電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行衰減，可以實現(xiàn)0～60dB范圍內(nèi)寬帶增益可調(diào)，電路結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，但其高頻特性差.

方案二:采用壓控增益放大器(VGA).采用壓控增益放大器后其增益可由外部電壓控制來實現(xiàn)一定范圍內(nèi)增益步進(jìn)可調(diào)，但帶寬易受限.

方案三:采用寬帶程控衰減器.其衰減倍數(shù)可程控，實現(xiàn)精確步進(jìn)的衰減.

綜合上述三種方案對比，本系統(tǒng)采取方案三，使用M/A－COM公司的一款數(shù)字衰減芯片AT65－0106，該芯片是SOW－24貼片封狀，工作溫度范圍為-40℃～＋85℃，衰減最小步徑為1dB，衰減最大為50 dB(50Ω阻抗)，頻率范圍為DC－2.0GHz，AT65 －0106芯片的管腳分布圖如圖2所示.

該芯片適用于帶寬高、增益改變速度要求快、增益精度要求高的場合，還具有低功耗、外圍電路簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高和低成本等優(yōu)點[4].通過微控制器改變增益控制碼來改變數(shù)字衰減芯片的衰減值從而完成對增益的控制，最終可以順利地調(diào)整射頻輸出的大小，AT65-0106芯片的真值表如表1所示.

圖2 AT65-0106數(shù)字衰減器芯片管腳圖Fig.2 AT65-0106Digital Attenuator chip pin map

表1 AT65-0106的真值表Table 1 AT65-0106 truth table

在輸入信號頻率160MHz，有效值800mV的正弦波時，使用AT65-0106芯片對信號進(jìn)行衰減，得到數(shù)據(jù)如表2，通過分析數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，在芯片不衰減時，得到芯片的插損為2dB，因此我們在處理數(shù)據(jù)時應(yīng)充分考慮到器件插損帶來的信號衰減.

表2 AT65-0106實際測試數(shù)據(jù)Table 2 AT65-0106 actual test data

②固定增益放大器部分

方案一:采用高頻三極管等分立元件搭建寬帶放大器，可以實現(xiàn)較大輸出電壓，但是電路設(shè)計復(fù)雜，受分布參數(shù)影響較大，穩(wěn)定性差，容易發(fā)生自激，且三極管存在交越失真等現(xiàn)象，輸出精度不高，不滿足題目對放大穩(wěn)定性和精度的要求.

方案二:采用單片集成低噪寬帶放大器，如1.8GHz超高寬帶、低失真、電流反饋型運算放大器THS3201，在保證帶寬足夠的基礎(chǔ)上，可以有效抑止噪聲，且性能穩(wěn)定，電路簡單.

TI公司的THS3201是一個寬帶高速高壓擺率電流反饋型運放，帶寬可達(dá)1.8GHz，壓擺率為6700V/ us，既能夠滿足系統(tǒng)的需求，也可有效抑制噪聲，固定增益放大器電路如圖3.綜上所述，基于保證帶寬足夠的情況下有效抑制噪聲等方面的優(yōu)先選擇原則，本系統(tǒng)選用方案二.

圖3 固定增益放大器電路Fig.3 A fixed gain amplifier circuit

③核心控制器方案的選擇

方案一:選用51系列單片機作為控制處理芯片.傳統(tǒng)51系列單片機內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，開發(fā)容易，價格便宜.但是內(nèi)部資源少，速度慢，當(dāng)外部晶振頻率為12MHz時，機器周期才1us.而該系統(tǒng)需要CPU處理的數(shù)據(jù)非常大，對于本系統(tǒng)中ADC等模塊要求響應(yīng)速度足夠快，51系列單片機無法滿足系統(tǒng)要求.

方案二:選用高速單片機作為控制處理芯片.目前高端的32位SoC單片機主頻在300MHz左右，只能基本滿足系統(tǒng)需求，且價格昂貴.

方案三:選用FPGA芯片作為控制處理器.FPGA雖然時鐘頻率不算高，可通過內(nèi)部的鎖相倍頻環(huán)提升，再通過并行實現(xiàn)處理數(shù)據(jù)的能力極大提高，因此可以很容易對系統(tǒng)中采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

結(jié)合本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量大的特點，方案一和方案二均不能滿足系統(tǒng)要求，因此采用FPGA芯片作為主控處理器是最佳方案.

④FPGA處理器電平轉(zhuǎn)換部分

使用FPGA來進(jìn)行增益控制時存在電平與TTL電平無法兼容的問題，故需要采用一個電路來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換.

方案一:采用TI公司的SN74ALVC164245三態(tài)輸出16位電平轉(zhuǎn)換芯片，功能相對比較完善，可以對2.5V、3.3V、5V的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，雖然這款芯片也可以將3.3V邏輯電平轉(zhuǎn)換為5V邏輯電平，但其對噪聲隔離效果不及光耦芯片且價格較貴.

方案二:先使用TLP521-4光耦芯片將電平轉(zhuǎn)換成5 V，再分別控制AT65－0106芯片的增益控制管腳C1～C32，該部分電路既對電平進(jìn)行了轉(zhuǎn)換還保證了數(shù)字部分的干擾不會串入到模擬部分，電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示.

對方案一和方案二進(jìn)行綜合對比，本系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換部分使用TLP521-4，設(shè)置FPGA芯片的8個端口為輸出，通過軟件控制芯片輸出的狀態(tài)值轉(zhuǎn)化后的電平就可改變數(shù)字衰減芯片AT65－0106增益控制管腳C1～C32的狀態(tài)值，從而改變輸入RF口的射頻信號增益的大小，使用數(shù)字衰減芯片AT65－0106時應(yīng)考慮到該芯片本身具有最大4.2 dB的插損.

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Level converting circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在程序設(shè)計時充分考慮到待測試信號是高頻信號，因此不能采用一般實時采樣的方式.使用等效采樣的方式對ADC采到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即通過多次觸發(fā)，多次采樣而獲得并重建信號波形，達(dá)到等效采樣的目的.程序中定義了一個變量M和數(shù)組a[i]，i的值是采樣點數(shù)，采用流水線的方式對M和數(shù)組a [i]進(jìn)行比較，得到的最大值可視為對應(yīng)輸入信號的峰值，程序據(jù)此算出峰值Vp再與設(shè)定值Vo進(jìn)行比較，若Vp＜Vo，則在程序里需要減小衰減比來增大峰值，若Vp＞Vo，則需要增大衰減比來減少峰值，直至測得的當(dāng)前峰值與設(shè)定峰值相等或十分接近，程序設(shè)計的流程圖如圖5所示.

圖5 軟件設(shè)計程序流圖Fig.5 Software program design diagram

經(jīng)過FPGA芯片對算法的仿真和進(jìn)行電路驗證，實驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)十分接近，采樣點的最大值和真實峰值的誤差在0.4%左右，驗證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和精確性.

4 結(jié)束語

射頻增益自動控制器在射頻前端接收機等高頻通信設(shè)備中有十分重要的意義.使用FPGA結(jié)合AT65-0106射頻數(shù)字寬帶程控衰減器等模塊組成的系統(tǒng)具有帶寬寬、功耗低、電路相對簡單、性能穩(wěn)定、步進(jìn)值可精確控制等優(yōu)點，在實際的安裝和調(diào)試過程中，還可以在線仿真，有效地實現(xiàn)了通信前端接收機等設(shè)備的數(shù)字化自動控制.

[1]黃浩，潘明海.射頻仿真系統(tǒng)中自動增益控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2012，40(2):43-45.

[2]宋坤.寬帶射頻接收前端電路與系統(tǒng)設(shè)計[D].西安電子科技大學(xué)，2011.

[3]李麗霞，李健.100 W發(fā)射機功率自動控制設(shè)計[J].無線電通信技術(shù)，2013，39(4):89-92.

[4]王輝，閆濤濤，周健軍.射頻自動增益控制系統(tǒng)及其方法: CN102291814A[P].2011-12-01.

[5]董葉.射頻接收機的自動增益控制研究與設(shè)計[D].上海:復(fù)旦大學(xué)，2012.

[6]周嘉業(yè).射頻接收機中自動增益控制電路的研究與設(shè)計[D].上海:復(fù)旦大學(xué)，2009.

[7]湯鹿勇.便攜式探空儀接收機射頻前端設(shè)計[D].南京:南京信息工程大學(xué)，2015.

[8]雷倩倩.無線射頻收發(fā)系統(tǒng)中自動增益控制與矯正技術(shù)的研究[D].西安:西安理工大學(xué)，2011.

[9]劉平，岳彬，李淵.具有自動增益控制的射頻振蕩器穩(wěn)定性分析[J].電子設(shè)計工程，2011，19(7):153-155.

[10]KHOURY JM.On the design of constant settling time AGC circuits [J].IEEE Transactions on Circuits＆Systems II Analog＆Digital Signal Processing，1998，45(3):283-294.

[11]杜四春.超寬帶無線通信系統(tǒng)射頻前端電路研究與設(shè)計[D].長沙:湖南大學(xué)，2012.

[12]胡曉，姜文謙，嚴(yán)航明.大功率短波發(fā)射機射頻自動增益控制分析與探討[J].廣播電視信息，2014(3):102-104.

[13]盧勤博，吳廣平，綱張，等.一種無線接收系統(tǒng)的射頻自動增益控制方法及系統(tǒng):CN 101527588 A[P].2009-12-01.

[14]黃浩，潘明海.射頻仿真系統(tǒng)中自動增益控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2012，40(2):43-45.

[15]劉萌萌，張盛，王碩，等.用于超寬帶接收機的高速低復(fù)雜度模擬自動增益控制環(huán)路[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報，2010，15(2):70-74.

[16]王曉建，穆吉慶，樊立松，等.一種光自動增益控制電路:CN，CN203504506U[P].2014-12-01.

(責(zé)任編輯：張陽，付強，李建忠，羅敏；英文編輯：周序林)

Realization of RF-AGC system

WANG Yi-bing，YANG Ya-bo

(School of Electrical and Information Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

With the development of communication technology in recent years，there has been an increased frequency in communication.The AGC system can accurately control the output amplitude and keep it stable so as not to limit the dynamic range of the circuit，so it has been widely applied in communications systems.This paper describes a method of automatic gain control system on the radio frequency.This system，applied in RF front-end receiver and other equipment，can improve their performance and reduce costs.

wideband；digital attenuator；automatic control；system

TN851

A

2095-4271(2016)04-0452-05

10.11920/xnmdzk.2016.04.015

2016-03-30

王一冰(1969-)，男，四川瀘州人，講師，研究方向:電路與系統(tǒng)等.E-mail:zgwybing＠163.com.

中央高校專項基金(編號:15NZYQN11)