隋占菊,路 雯

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

自动增益控制技术是国内外研究的热门技术。无线通信环境下,由于受到信道衰落、通信距离和接收机环境的变化等干扰因素的影响,接收端信号电平产生较大幅度的变化。为了保证接收端信号在进入解调环路前具有相对稳定的信号电平,必须对输入信号进行自动增益控制。

在多通道、高集成度环境下的AGC电路中,若其敏感器件压控特性不一致,导致各通道增益不同,合控困难,易于受到干扰,产生自激和振荡,由此造成设备不能正常工作,通信能力下降。所以AGC电路的优劣直接影响着系统的性能,是涉及通信性能的大问题。

1 AGC设计思路

AGC就是自动幅度调节系统其基本作用相当输入信号的幅度在很大的范围内变化时,严格地定制放大器的增益,使输出信号的幅度保持不变或者只有很小的变化。也就是说,AGC是一个动态范围压缩装置。

AGC作为基础组件,广泛用于通信设备中。为了保证系统工作正常,AGC必须能够提供足够的增益,使输出信号满足判决要求,它还必须是增益受控可变,具有一定的动态范围。散射通信中,AGC中放大器电压增益的控制方法很多,一类是改变放大器本身的参数,使增益发生变化;另一类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。AGC设计主要考虑以下几个方面:

①AGC应选择合适的放大器电压增益的控制方式,以适应通信系统的速率特性,并尽量保证电路结构简单、性能稳定、易于实现;

②AGC的输入输出端在通带内的阻抗必须尽量接近额定阻抗(比如50 Ω),以便实现通信系统各部件之间的匹配连接;

③AGC担负着接收机中最主要的放大任务,输入信号动态范围变化大,所以AGC必须具备足够的增益;

④为了使信号得到不失真的放大,AGC应该具有良好的频带放大性能;

⑤为了使解调器能正常工作,AGC在输入信号变化60dB时应使输出电平的变化限制在3 dB范围内,即保持相对恒定的输出幅度;

⑥为了使AGC电路稳定性、抗干扰性强,硬件设计时应注意慎用敏感器件,精确计算增益分配,加强电源滤波,合理布局布线。

2 改进型AGC设计实现

2.1 工程中遇到的问题

某散射通信系统的调制解调分系统中,四通道AGC工作一段时间后出现自动增益控制混乱现象,使得解调器输入电平剧烈变化,导致信号无法正确解调,设备通信能力丧失。在采取了多种硬件保护措施后,虽然使得AGC延长了发生误控制的间隔时间,但没有从根本上完全消除由环路不稳定造成的自动增益的误控制。

AGC单路原理框图如图1所示。可变衰减为2 k4e,由图1可以看出,AGC增益控制部分是采用三级PIN二极管和放大器组成的可变衰减网络,虽然实现了较大的动态范围控制,信号动态范围可达0～-60 dBm,能够满足系统设计要求。但是,由于AGC合控要求每一路的增益一致,这就要求选择的PIN二极管压控特性一致,对于批生产来说不易实现,每一路AGC的增益一致性指标难以保障。并且由于多个PIN二极管和放大器的结合使用,AGC电路对干扰信号很敏感,容易使传输的信号发生幅度相位畸变等,其可靠性、稳定性和适应性存在局限。面对将来的大批量生产,亟需改进AGC,既要实现原有功能,又要易于调试且去掉固有缺陷。

图1 AGC单路原理

2.2 关键设计及实现

多通道AGC自激震荡产生的原因复杂,具有很大的随机性,增益控制部分的稳定性是保证环路稳定的基础。为了避免AGC增益控制部分敏感器件使用,AGC电路自动增益控制可使用可变增益放大器。可变增益放大器AGC一致性较好,且调试简单,但是动态范围一般40～50 dB,因此,改进型AGC采用级联可变增益放大器来满足动态范围和总增益要求。

AD8367是基于AD公司X-AMP结构的可变增益中频放大器,其可以在任意低频到500 MHz频率范围内稳定工作,其输入端阻抗为200 Ω,输出端阻抗为50 Ω,而AGC输入信号阻抗为50 Ω,这就意味着信号在进入AD8367前需要阻抗匹配。这之间若不进行阻抗匹配,势必会造成此VGA放大器自激。采用AD公司推荐的电阻阻抗匹配法,利用软件RFSim99仿真计算,发现此匹配网络插损较大,可达11 dB。根据AD8367小信号增益为42 dB,所以可得单通道放大器总增益为:

G2级理想=2×(42-11)=62。 (1)

由式(1)可见,总增益勉强满足60 dB的设计指标。事实上,上述理想情况是难以实现的,实现起来具有不可靠性。级联匹配网络的微小失配及实际传输损耗均将带来一定的衰减,这将增大对可控增益放大器最大增益值的需求,进而减小动态范围;实际工程中,极弱信号的监测是困难的,尤其是输入信号很小时,对其检波后得到的电压有效值与门限电平比较极其困难,导致输出增益控制值难以准确输出;更为甚者,对于常见的增益可变放大器而言,弱小信号往往对应大增益值,而大增益状态下可变增益放大器又多处于不稳定状态,控制电平与增益关系曲线处于非线性状态,线性误差大幅增加,消弱了AGC的动态范围。总之,上述多种因素制约了级联AD8367理想动态范围极值的达成。因此,采用电感和电容进行阻抗匹配,以解决插损过大问题。利用软件RFSim99计算的仿真图如图2所示。

图2 阻抗匹配的插损和驻波仿真曲线

由图2可见,对于中心频率70 MHz带宽10 MHz的中频信号,匹配转换过程中,各频点信号插损约为1 dB,驻波均大于等于20 dB。则单通道放大器总增益为:

由式(2)可见,总增益满足AGC的设计指标,且此种方法易于工程实现。

AD8367能够实现精确的增益控制,单片控制范围45 dB,它既能配置应用于外加电压控制的VGA模式,同时内部还集成了平方律检波器,因而也可以工作于自动增益控制模式。该AGC的输入信号动态范围为60 dB,因此采用两级AD8367以拓宽其控制范围,令2片AD8367均工作于VGA方式,外加检波电路给出增益控制信号,闭环形成AGC功能。改进型AGC单路原理框图如图3所示。

图3 改进型AGC单路原理

来自下变频器的中频信号经滤波放大后送给级联AD8367放大,进行混频滤波后信号分成2路,一路首先进行二极管包络检波得到包络信号,与其它通道检波信号峰值检波合并后产生AGC控制电压,送给AD8367受控极,控制AD8367的增益大小;另一路调节幅度后送入解调器。

工作中,若输出信号幅度很大,则AGC控制电压下降,控制放大器增益,使其增益减小,从而进一步使输出信号减小。若输出信号幅度很小,则控制过程与上述情况相反。这样当输入信号增大或减小时,输出信号的电平始终保持相对稳定。

3 性能测试及对比分析

3.1 性能测试

考虑到以上AGC设计思路,AGC必须具备足够的增益,具有良好的频带放大性能,具有自动增益控制性能。散射通信中,多通道AGC在输入信号变化60 dB时应使输出电平的变化限制在3 dB范围内,以保证解调器能正确解调,保证设备通信性能。因此设计一个AGC时,通常主要考虑动态范围、通道输出幅度一致性、AGC动态范围内的输出电平波动等几个性能指标。

实测时采用调制解调机箱产生的带内两频半占空方波调制信号,首先将调制信号送入衰减器进行衰减后,再经AGC电路进行自动增益控制,最后将四通道AGC输出信号经示波器进行观察,测试结果如表1所示。

表1 四通道AGC测试结果

从表1可以看出,该改进AGC可以完成自动增益控制功能,实现了动态范围为70 dB的增益调控。信号从0 dB衰减到70 dB时,AGC控制电压呈线性增加,且经AGC调整后的各通道输出信号波动范围在1.51～1.46 V,输出电平波动小于1 dB;相同衰减下,各通道输出幅度差≤0.2 V,通道输出幅度一致性小于1 dB;信号从衰减到80 dB时,设备依然可以正常通信。此时,AGC控制电压已呈非线性增加,达到最大值,且已经有较多噪声参与起控,但经AGC调整后的各通道输出信号波动不大,输出电平波动仍小于1 dB,各通道输出幅度差≤0.2 V,通道输出幅度一致性小于1 dB。

根据测试结果表明,本改进型AGC电路当输入信号动态范围在-60～0 dBm时,各通道输出信号满足预期的AGC性能指标,且基本达到理想设计。

3.2 对比分析

如今企业的竞争压力很大,一个好的产品要想在市场中博得先机,除了具有良好的性能外,还要具有低成本。这就需要挖掘内耗,在设计环节做足功夫,也只有这样,才能使企业效益迈上新的台阶。

比较2种AGC的设计实现,可见装配调试后,改进型AGC解决了工程应用中出现的问题,不易自激,拥有良好的通道一致性和增益控制,其性能达到了设计要求;改进型AGC在电路设计时,精确地计算了增益分配,合理选用器件,对电源加强处理,优化布线,用2层板代替原先的4层板,既保证了性能,又最大限度的节约了成本。当前单板主要器材费用比较如表2所示,当前单块印制板制作费用比较如表3所示。

表2 主要器件费用比较

表3 印制板制作费用比较

由表2可以看出,改进型AGC除了增加2个可变增益放大器外,大量删减了放大器等器件的使用,这使AGC能耗明显降低,且减轻了电源的负担。另外,还根据软件RFSim99仿真易于实现的滤波器,用普通电感电容代替成品器件,同样保证性能,却实现更灵活,且利于以后电路扩展。由表2可见,单块改进AGC器件成本节约800余元。

表3为印制板制作费用比较,可以算出单块改进AGC印制板可节省制作费用近千元。按实际每个调制解调机箱有2块AGC计算,综合主要器材及印制板费用比较,改进型AGC可节约3 000元左右,对于批量生产来说,成本数目降低将是可观的。

4 结束语

根据工程应用中出现的问题,设计实现了一种改进型AGC,采用2级可变增益放大器来实现增益控制,且易于调试实现。既避免了固有的缺点,又精确地完成了信号的阻抗匹配,克服了VGA级联噪声大等问题。通过测试数据可以看出,改进型AGC性能优良,满足设计指标要求。通过对电路的细节设计,不仅节约了器材,降低了能耗,更大幅度地压缩了产品成本,利于将来的大批量生产,有着广泛的工程应用前景。

[1]袁孝康.自动增益控制与对数放大器[M].北京国防工业出版社,1987.

[2]CHOWN G A,HARTMAN R C.Design and Experience with a Fuzzy Logic Controller for Automatic Generation Control(AGC)[J].IEEE Trans.on Power Systems,1998,13(3):965-970.

[3]唐万军.高性能VGA芯片AD8367原理及应用[J].国外电子元器件,2004(10):56-58.