高精度自动增益控制接收机的设计与实现

2022-10-20朱银霞张剑田湘胡婧程剑

电子技术应用 2022年10期

朱银霞，张剑，田湘，胡婧，程剑

（陆军工程大学通信工程学院，江苏南京 210007）

0 引言

随着电子技术的发展,接收机在整个电子领域占有越来越重要的地位[1]。由于受发射功率、电波传播衰落、接收信号条件以及其他一些干扰因素的影响，导致接收机输入端的信号动态范围较大，而接收机的输出功率是随着输入信号的大小而变化的,因此接收机的输出端会出现强弱非常悬殊的信号功率[2-6]。如果信号放大增益过大，将导致接收机处于非线性状态，可能产生谐波；如果放大不足，又可能导致接收的信号太小，不利于后续解调[7-10]。因此，必须要设计动态范围大、控制精度高的自动增益控制（AGC）电路，在接收机输入信号功率发生变化的情况下保证接收机输出信号幅度的稳定性[11-13]。

目前，自动增益控制电路被广泛应用于各种接收机接收系统中[14]。控制方法主要有两种: 一种是改变放大器本身的参数,使其增益发生变化;另一种是在放大器级间插入可变衰减器,控制衰减量,使增益发生变化[15]。两种方法均需检测信号的功率大小。

本文利用数字自动增益控制电路辅助调整模拟接收机，实现高精度的自动增益控制。

1 接收机结构

本文提出的高精度自动增益控制接收机的原理框图如图1 所示。

该接收机由模拟电路及数字电路共同组成。

为了适应不同增益的LNB 设备，滤波器后插入一个15 dB 固定衰减器，若LNB 设备输出信号功率大于-25 dBm则将入信号衰减，若小于-25 dBm 则不衰减；经射频（RF）放大器放大后与频率综合器产生的本地载波正交下变频后变为低中频信号，经驱动放大器放大和A/D采样后送给数字电路部分进行功率检测，检测信号与预先设定的参考值进行比较得出误差信号，该信号经D/A转换为模拟控制电压用于控制可变增益放大器（VGA），使其输出的信号维持在固定的电平。该结构适合各种类型的通信系统。

本文提出的接收机的主要设计指标如下：

（1）输入信号频率：900～2 250 MHz

（2）输入信号电平：-70～-5 dBm

（3）通道AGC 增益控制范围：65 dB

（4）输出信号频率：低中频

2 模拟电路设计

2.1 正交下变频

图1 中可变增益放大器、正交下变频器、低通滤波器、输出放大器为接收机模拟部分的核心，在本文中采用单片AD8347 来实现[16]。AD8347 是ADI 公司的一款集成有可控增益放大器、正交下变频混频器、差分放大电路等模块的宽带直接下变频正交解调器。其能够接收800～2 700 MHz 范围内的射频输入信号，只需单芯片及少量的外围器件即可完成射频信号到基带至低中频IQ信号的变换。

该芯片能够提供69.5 dB 的可变增益范围，增益和控制电压之间具有较好的线性关系，该芯片可轻松实现宽动态范围的接收设计，符合本文设计的接收机指标。其主要引脚外部设计如图2 所示。

正交下变频的基本原理是以本振频率为f0的一对正交载波与接收信号相乘，再通过滤波，可得到低中频IQ 两路信号。其原理框图如图3 所示。

设射频信号为：

式中fc为接收信号射频频率。

射频信号与本地产生的差分载波相乘后得到的IQ两支路信号分别为：

通过低通滤波器滤波将和频分量滤除，得到低中频信号为：

低中频信号的中心频率为：

正交下变频不存在频谱混叠，可以更灵活地选择中频频率。

由于接收信号频率范围较宽，为900～2250 MHz，同时接收信号频率已知，文中的本振频率f0为可变的，随着输入信号的变化不同。频率配置关系满足下式：

2.2 频率综合器

RF2052 是RFMD 公司推出的一款低功耗、高性能的宽带频率合成器，供电电压为2.7～3.6 V，供电3 V 时电流约55～75 mA，功耗低，本设计中采用3.3 V 电压供电。该芯片将本振（LO）和射频混频器集成在内。本振是由N 分数锁相环和压控振荡器组成，能够产生一个相位噪声低、频率分辨率高的本振信号。本振信号可在300～2400MHz内连续可调。参考源可接10～52MHz的外部晶振，也可以接10～104 MHz 的外部参考源，以满足多种参考频率的选择，本设计参考源选用10 MHz 晶振。

RF2052 包含了2 个内部和1 个外部VCO，外部VCO外接约1 nH 电感实现1 200～1 600 MHz 的频率输出，三个VCO 通过寄存器的控制字来选择，VCO 的输出可直接输出或进行2、4 分频输出，共同实现300～2 400 MHz的频率输出。VCO 覆盖范围如表1 所示。

表1 VCO 的覆盖频率范围

本文中设计的频率合成器输出频率为905～2 255 MHz，与输入信号正交下变频后输出5 MHz 的低中频信号，在905～1 200 MHz 使用的是内部VCO1 的二分频，在1 200～1 500 MHz 使用的是VCO3 的直接输出，在1 500～2 100 MHz 使用内部VCO2 的直接输出，在2 100～2 255 MHz 使用内部VCO12 的直接输出，其中VCO3 使用的是外部电感。频率合成器的实现框图如图4 所示，外围结构简单，主要包括环路滤波器、控制电路及滤波器。芯片的系统控制部分由NXP 公司的LPC3250 来完成，芯片的所有寄存器均采用三线串行总线对其进行读写操作，利用示波器捕捉的写时序如图5 所示。

3 数字AGC 电路设计

虽然AD8347 芯片内部集成了检波电路，可实现自动增益控制，但由于模拟AGC 易受干扰，在控制精度上会受影响。数字AGC 具有处理灵活、不会引入附加噪声、可靠性高等优点。故本文提出的高精度自动增益控制接收机采用数字AGC 来实现。其实现过程如图6 所示，其中标深色为数字AGC 部分。

数字AGC 电路首先估计信号的功率，并与预先设计的功率参考值进行比较，利用误差信号产生控制信号调整VGA 增益，从而保证进入A/D 芯片的信号大小保持恒定。

数字AGC 的具体实现原理框图如图7 所示。

数模转换芯片的输出为2 路10 bit 的IQ 数字信号，IQ 信号接数字AGC 的输入，分别对IQ 两路信号求平方和得到信号的功率，实现功率检测；平方和后信号的比特位数由10 bit 变为20 bit，其后接限幅器将信号位数变为8 bit，该信号与预设的参考值相减得到差值信号，比较器即通过限幅器与减法器来实现，参考值的大小则根据需要的IQ 信号的幅度来确定；相减后的误差信号通过累加器平滑滤波得到数字控制信号。

在具体实施中，数字检测电路利用Xilinx 公司芯片XC6SLX100-2FGG484C 来实现。该芯片为数字可编程的FPGA 芯片，因此具有较强的应用灵活性，可以根据需要更改运算的比特位数，同时具有硬件电路运算实时快捷的优势，使得数字检测电路具有快速准确的检测运算能力。并且，通过数字信号处理的方式对信号功率进行检测，比对信号功率进行模拟检测的方式更具有稳定性。

4 接收机版图设计

本文根据图1 的接收机框图中完成了接收机的加工制作，如图8 所示。

为提高接收信号的动态范围，在接收机入口处增加一个15 dB 固定衰减器，在接收机输入信号-70～-20 dBm范围下不插入15 dB 固定衰减器，在接收机输入信号-20～-5 dBm 范围下插入15 dB 固定衰减器，确保进A/D 前的基带信号峰值保持在1 V 的前提下，通过合理优化设计数字AGC 的预先设置参考值，得到模拟控制电压及放大器增益情况如表2 所示。A/D 入口处实测电压幅度波形如图9 所示。