一种全数字AGC超带宽自适应射频放大器的设计

晏 勇,雷 航,梁 潘

(1.阿坝师范学院电子信息与自动化学院， 四川 阿坝 623002；2.电子科技大学 信息与软件工程学院， 成都 610054； 3.成都航空职业技术学院 士官管理学院， 成都 610100)

复杂电磁环境中，射频电路很大程度影响着整个通信系统的性能，为了提高放大器的自适应性与通带内的平坦度，提高无线射频信号的传输距离与传输质量，降低信道噪声、减小误码率，本文设计了一种0.5～3.5 GHz全数字AGC超带宽自适应射频放大器。

近年来，国内外科研人员与学者对射频放大器进行了大量研究，刘丹丹等[3]提出了一种基于跨导增强技术的超带宽低噪声放大器，在噪声系数、反射系数、信号增益方面取得了一定的改善，但采用跨导增强技术增加了电路的复杂性，对功率有一定的损耗；杨光义等[4]设计了全差分可控射频带宽放大器，采用全差分输入，抑制共模干扰，优化系统噪声系数，但在射频放大器中差分放大电路需单双转换，电路复杂应用受到了一定局限；吴进等[6]提出通过射频放大器选通无源阻容网络实现增益可调，提高放大器线性度，但微弱信号放大能力受到了限制；王景帅等[7]设计了一种带消调的可变增益放大器，减小误码率与信道衰落，采用两级模拟AGC级联闭环控制电路，调整输入电阻Ri与反馈电阻Rf阻值改变放大电路增益，但控制精度有待进一步提高。

针对上述问题本文将K-means算法用于射频数字自适应滤波，按信号强度自主调节放大器增益，确保无线通信系统信号发射功率动态变化范围在合理区间波动，全数字AGC闭环控制网络，实现高增益、超带宽、低噪声、高线性度的自适应射频放大器。

1 系统方案设计

1.1 系统结构

全数字AGC超带宽自适应射频放大器分为恒定峰值电压输出与预置增益台阶两种工作模式；系统包括：数字信号处理器DSP与K-means自适应数字滤波、射频低噪声前置放大电路LNA、数字程控增益放大电路DPGA、射频功率放大电路RFPA、射频AD转换电路等[1]，射频放大系统组成如图1所示。

图1 射频放大系统组成框图

射频低噪声前置放大器LNA选用砷化镓GaAS增强型伪电子高迁移率ATF-54143场效应管，源级串联电感负反馈，漏极-栅极并联RLC负反馈，拓展放大器工作频带，降低输入噪声。两级数字程控增益放大器ADL5240插入线性补偿网络，改善放大器阻抗匹配与增益带内平坦度；数字程控增益放大电路ADL5240、射频功率放大电路NBB310、射频AD转换电路ADC32RF44、数字信号处理器TMS320C6678构成全数字AGC闭环控制网络，K-means数字滤波算法滤除射频信号数字化过程中的附加噪声，抑制放大器直流失调，改善线性度，提高稳定性与自适应性[2]。

1.2 系统增益分配

LNA为射频放大系统最前端，以最小噪声系数与最小反射系数为主，设置固定增益+12 dB。DPGA完成射频信号增益调节，高增益同时根据输入信号大小调整增益，使输出电压幅度能够保持稳定[3]，提高系统对输入信号增益调节的自适应性，每一级DPGA增益范围为-31.5 dB到+18.5 dB；RFPA提高信号输出功率，电压增益+10 dB，采用微带线阻抗匹配，减小信号失真与反射，实现最大功率传输，射频放大器各级增益如图2所示。

图2 射频放大器各级增益分配框图

2 全数字AGC设计

2.1 射频前端LNA设计

射频前端放大器自身噪声系数是影响整个射频放大系统性能的重要环节，对灵敏度起决定作用，射频放大前端LNA采用最小噪声系数匹配[4-5]，如式(1)：

(1)

其中:NFn各级放大电路噪声系数；Gn各级放大电路增益。

射频前端LNA正常工作，必须满足放大器稳定度，ATF-54143射频放大电路引入S参数，采用k-δ准则分析LNA绝对稳定条件[6]，如式(2)和式(3)：

(2)

δ=S11S22-S12S21

(3)

式(2)和式(3)同时满足K>1和|δ|<1,射频前端LNA处于绝对稳定状态[7]。

为了避免射频放大器在信号传输过程中发生反射，提高放大器增益的线性度，降低传输损耗，保证信号完整性，射频前端LNA输入阻抗设计为50 Ω[8]，高速信号微带线模型特性阻抗Z0，如式(4)：

(4)

ξre电路板等效相对介电常数，如式(5)：

(5)

其中：w为微带线宽度；h为电路板基片厚度；ξr为电路板基片相对介电常数，选用RF-4射频电路板ξr=4.4，PCB基板厚度H=0.8 mm，损耗交正切值tgθ=0.04，由式(4)和(5)得，特征阻抗Z0=53.21 Ω。借助ADS仿真平台进一步优化阻抗匹配模型和参数，修正特征阻抗[9-10]，ATF-54143射频前端LNA原理如图3所示。

图3 ATF-54143射频前端LNA原理图

图3所示，R1、R2、R3为LNA直流偏置电阻，直流电源电压VCC=+5 V，偏置电压VDS=+3.5 V，偏置电流IDS=30 mA；C1、C2输入输出耦合电容，C3、C4、C5旁路电容，L1、L2高频额流电感。ME1、MN1、MC1输入单枝短截微带线阻抗匹配电路，ME2、MN2、MC2为输出微带线阻抗匹配电路，MN3、MN4源极负反馈微带线电路[11-12]。

2.2 数字程控增益放大器DPGA设计

数字程控增益放大电路采用两级DPGA闭环控制网络[13]，ADL5240为100～4 000 MHz射频数字程控放大器，+5 V供电，内嵌射频放大器AMP固定增益20 dB和6位数字步进衰减器DSA，分辨率0.5 dB，单级AMP-DSA环路配置方式增益范围-31.5 dB到+18.5 dB，DSA衰减器采用串行输入，ADL5240-DPGA原理如图4所示[13-14]。

图4 ADL5240-DPGA原理图

根据数字程控增益放大器DPGA射频采样、滤波输出数字信号的幅度，首先粗调两级ADL5240增益台阶，粗调两级DPGA增益台阶相同[15]当粗调分辨率过大不能满足输出电压设置时，转由单级DPGA增益细调，完成输出电压或增益调整[16]。

AGC射频AD集成电路ADC32RF44，14位双通道高速数字转换器，+5 V参考电压Vref，分辨率0.3 mV，支持4 GHz射频输入信号采样[17]；射频功率放大器采用单片MMIC射频功率放大集成电路NBB310；数字AGC闭环网络控制电路采用8 核定点和浮点DSP-TMS320C6678，实现反馈控制网络 AGC自适应数字滤波与增益台阶设定等功能[18]。

3 K-means数字自适应滤波算法

K-means数字自适应滤波是基于距离的聚类算法，通过无监督学习，遍历选取离种子点最近的均值，滤除射频信号数字化产生的噪声信号，实现AGC自适应数字滤波，降低噪声，提高系统自适性与线性度[19-20]。

K-means自适应数字滤波算法首先选取内聚K值，给定周期射频信号数据集X={x1,x2,…,xk},k=1,2,3,…，每一个样本元素为射频信号单独一个周期采样点的集合xm={x1m,x2m,…,xkm},k=1,2,3,…;m=1,2,3,…。

步骤1 计算射频AD转换后数字信号集合X与平均样本距离：

(6)

式(6)中，d(xi,xj)代表样本元素xi与xj间的欧氏间距。

步骤2 计算射频离散数字信号集合X的特征空间：

(7)

式(7)中，r取样元素的维度，Fi与fi分别表示离散射频信号数据集合第i个特征的极大值和极小值。

步骤3 计算射频信号样本元素i的密度参数：

(8)

步骤4 计算数据i与数字射频取样信号的距离，根据特征空间Feature(X)大小，元素i的距离：

令：Den(i)=Density(i)，Fea(X)=Feature(X)得

(9)

步骤5 计算射频离散数字信号样本i的异类参数：

(10)

式(10)中，T为射频离散数字信号密度大于样本数据i的数量。

步骤6 计算射频离散数字信号样本i的权重：

(11)

射频离散数字信号样本i的权重M(i)与Density(i)、A(i)成正比，与D(i)成反比；Density(i)值越大，点i在Distance(X)范围内奇异越小，D(i)值越小，点i在Distance(X)附近越接近下一采样点，A(i)越大，射频信号重复采样奇异越小。每次射频信号采样后根据权值M(i) 选取下一采样点集合划分合理性，抑制射频采样输出噪声信号，提高放大器输出线性度[21-23]。

4 实验测试与分析

一种全数字AGC超带宽自适应射频放大器在实验室环境下进行参数测试，分析测试仪器：10 GHz数字存储示波器DOS81004A，6 GHz射频信号发生器E4438C，直流电源E3631A，6 GHz网络分析仪8753E，仿真软件ADS、Matlab 2018a等，测试输入信号频率2.4 GHz。

K-means数字自适应滤波特性采用Matlab2018a完成仿真，射频高速AD采样后经K-means数字滤波前后离散射频信号仿真如图5所示。

图5 K-means数字滤波前后离散射频信号仿真图

从图5可看出，射频离散数字信号经K-means自适应滤波后，有效抑制和滤除叠加在射频信号采样后的噪声，改善了射频AD采样的噪声系数与线性度。

设置输入峰值ui=1 mV，调整放大器增益至最大，改变输入信号频率f由0.5～4 GHz，测试放大器通频带及带内平坦度，输入信号频率与电压增益曲线如图6所示。

图6 输入信号频率与电压增益曲线

分析图6可知，输入信号在0.5 GHz至3.5 GHz时，数字AGC放大器增益由600变化至818，即+55.3 dB至+58.3 dB，输入信号为1.8 GHz放大电路增益最大，输入信号为2.4 GHz放大电路增益756，即+57.1 dB；输入信号在1.2 GHz至2.6 GHz时，带内起伏小于0.8 dB。

放大器在预置电压增益台阶工作模式下，输入信号峰值ui=1 mV，频率f=2.4 GHz，预置增益台阶与测试增益台阶曲线如图7所示。

图7 预置增益台阶与测试增益台阶曲线

由图7可知，放大器理想状态下链路各级总增益-41 dB至+59 dB，放大器增益台阶为-13 dB至+18 dB时，误差为0 dB；设置增益台阶+55 dB时，实际增益+54.2 dB，误差0.8 dB；设置增益台阶-41 dB时，实际增益-39.5 dB，误差-1.5 dB。

放大器在输出恒定峰值电压工作模式下，预置输出信号峰值电压uo=100 mV，预置输出与测试输出电压峰值如表1所示。

表1 预置输出与测试输出峰值电压(uo=100 mV)

实物测试过程中受器件非线性与分布参数、焊接、制作工艺等因素影响放大器误差略有增加，系统采用PID与非线性分段处理相结合的方法，逐次逼近减小误差。经测试，全数字AGC超带宽自适应射频放大器各项性能参数均满足应用设计要求，参数优于前文所述射频放大器。

5 结论

本文设计了一种全数字AGC超带宽自适应射频放大器，具有恒定峰值电压与预置增益台阶两种工作模式，采用全数字闭环控制结构，优化了放大器线性度。实验测试，放大器能有效抑制系噪声信号，增益台阶最小分辨率0.5 dB，0.5～3.5 GHz频率范围内，增益为-41 dB到+58.3 dB，带内起伏小于0.8 dB，在国内外研究学者研究的基础上对放大器的精度、频率、平坦度等方面进行优化，系统工作稳定、可靠、高效，有较高的工程应用价值。