自動增益控制技術(shù)應(yīng)用?

【摘　要】　分析了自動增益技術(shù)原理，設(shè)計了應(yīng)用于第三代移動通信模擬基站的自動增益控制電路。
??? 關(guān)鍵詞：自動增益控制，移動通信，模擬前端
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　　接收機(jī)的輸出電平取決于輸入信號電平和接收機(jī)的增益。由于各種原因，接收機(jī)的輸入信號變化范圍往往很大，信號弱時可以是一微伏或幾十微伏，信號強(qiáng)時可達(dá)幾百毫伏。最強(qiáng)信號和最弱信號相差可達(dá)幾十分貝。這個變化范圍稱為接收機(jī)的動態(tài)范圍?！　∮绊懡邮諜C(jī)輸入信號的因素很多。例如，發(fā)射臺功率的大小，接收機(jī)離發(fā)射臺距離的遠(yuǎn)近，信號在傳播過程中傳播條件的變化（如電離層和對流層的騷動，天氣的變化），接收機(jī)環(huán)境的變化（如汽車上配備的接收機(jī)），以及人為產(chǎn)生的噪聲對接收機(jī)的影響等等。
　　為了克服外界各種因素對接收機(jī)輸入信號的影響，需要使用自動增益控制技術(shù)。自動增益控制（AGC）電路是通信設(shè)備，特別是通信接收設(shè)備的重要電路之一，其主要作用是使設(shè)備的輸出電平保持為一定的數(shù)值，因此，也可稱為自動電平控制（ALC）電路。它能夠保證在接收弱信號時，接收機(jī)的增益高，而接收強(qiáng)信號時則增益低。使輸出信號保持適當(dāng)?shù)碾娖?，不至于因?yàn)檩斎胄盘柼《鵁o法正常工作，也不至于因?yàn)檩斎胄盘柼蠖菇邮諜C(jī)發(fā)生飽和或堵塞。
　　W－CDMA射頻帶寬要求比2G系統(tǒng)的要求要寬，使之更易受外界的各種因素的影響，造成接收機(jī)接收的信號幅度隨各種干擾而波動，影響整個接收機(jī)的性能，因此，必須采用自動增益控制電路。同時，還要注意接收機(jī)的增益部分，在整個帶寬內(nèi)增益的平坦度要好，群延時相對要小。接收機(jī)內(nèi)匹配電路是寬帶設(shè)計，而不是2G系統(tǒng)的窄帶設(shè)計。AGC能夠保證接收機(jī)在寬頻帶范圍內(nèi)功率電平穩(wěn)定，以提供其它各級單元電路正常工作所需的功率電平。
1　自動增益控制設(shè)計原理
　　自動增益電路〔1〕控制框圖見圖1。圖中，可控增益放大器的放大倍數(shù)AV受控制電壓VC的控制，閉環(huán)后系統(tǒng)對AV進(jìn)行自動控制。環(huán)路中電平檢測電路檢測出反映信號電平的平均值，通過低通濾波器后，在比較器中與參考電平VR相比較，產(chǎn)生控制信號VC去控制AV。若輸入電壓幅度Vi增加或電路參數(shù)變化使增益變大而導(dǎo)致V0增加時，環(huán)路產(chǎn)生一控制信號，使AV減??；反之，在各種因素造成V0減小時，環(huán)路也會產(chǎn)生控制電壓VC，使AV增加。即通過環(huán)路控制作用，無論Vi變化或系統(tǒng)參數(shù)變化，輸出信號電平V0都將保持在由VR決定的電平上幾乎不變。圖1中，低通濾波器的作用是決定反饋支路的　　反應(yīng)速度，因此，低通濾波器時間常數(shù)是整個自動增益控制環(huán)路的重要參數(shù)。時間常數(shù)小，通帶寬，反應(yīng)速度快，即在輸入端信號起伏頻率較高時，自動增益控制系統(tǒng)的反饋支路也能及時地反應(yīng)，使輸出的信號基本保持不變。一般AGC電路均具有低通特性，即環(huán)路對高于某一頻率的信號幅度變化無反應(yīng)，而對低于某一頻率的信號幅度緩慢變化才有控制作用。如在移動通信系統(tǒng)中由于多徑衰落，造成信號的幅度變化，這就需要自動增益對接收信號因信道而引起的緩慢幅度變化進(jìn)行補(bǔ)償。一般選擇接收機(jī)中環(huán)路控制的上限頻率為10～20Hz。
　　自動增益根據(jù)控制方法不同可以分成以下幾種：
　 （1）惰性自動增益控制：這種控制電路具有一定的時間常數(shù)。
　 （2）瞬時自動增益控制：一般用在對付強(qiáng)的等幅波或脈沖干擾。在遇到強(qiáng)干擾時，接收機(jī)仍能識別弱信號，而當(dāng)強(qiáng)干擾一過，接收機(jī)就恢復(fù)原來的工作。
　 （3）近程增益控制：接收機(jī)根據(jù)接收到的信號大小來改變增益，即強(qiáng)信號時有低的增益，弱信號時有高的增益。
　　根據(jù)電路形式不同可分為閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)。圖2為常用于電壓幅度控制中的反饋型AGC。信號通過VCA、檢波器、濾波器，然后反饋到VCA，并通過調(diào)整增益來去除輸入信號包絡(luò)中不希望的隨時間變化的變化量?？刂骗h(huán)的元件引入了信號的延遲迭加，并決定了整個電路的響應(yīng)延遲時間。因此，反饋型AGC固有速度較慢。
　　前饋AGC（見圖3）具有快速的響應(yīng)時間，因?yàn)樾盘枡z測和增益控制是并行的。輸入信號被分成兩路：一路到VCA，另一路到檢波器。檢波器的設(shè)計需保證VCA根據(jù)輸入中頻信號的幅度，得到所需的控制電壓和合適的增益。在兩路中的任一路加入額外的延遲，能使兩路并行傳輸延遲達(dá)到平衡。作為一
個開環(huán)控制系統(tǒng)，它的精度有限，只在很小范圍內(nèi)，輸出隨輸入而變化。
2　自動增益控制電路設(shè)計
　　由參考文獻(xiàn)〔2〕、〔3〕可知，自動增益控制電路設(shè)計時閉環(huán)增益要大，因?yàn)榄h(huán)路增益越大，檢波電壓和參考電路的差就越小，接收機(jī)的動態(tài)范圍就越大。自動增益控制電路主要包括可變增益控制電路、電平檢測電路、濾波器、比較器和控制電壓產(chǎn)生電路。
　　根據(jù)W－CDMA接收機(jī)模擬前端的性能要求，帶有自動增益控制電路的中頻電路設(shè)計框圖如圖4所示。具體中頻電路包括前級放大、SAW、可變增益放大器（VGA）、主中放以及AGC閉合回路。AGC環(huán)路主要包括可變增益放大器、主中放、檢波器、低通濾波器和比較器。

　　中頻電路中的自動增益控制電路的線路圖如圖5所示。反饋信號經(jīng)檢波電路、低通濾波器后與參考電壓在比較器進(jìn)行比較。比較是通過比較器LM358來實(shí)現(xiàn)的。比較器輸出的電壓來控制可變增益放大器Q5500的增益，從而實(shí)現(xiàn)了對輸入信號的控制。自動增益控制環(huán)路中的主中放部分可以保證環(huán)路的增益比較大，減小檢波電壓和參考電壓的誤差，同時可以滿足中頻部分輸出端對電平功率的要求。
??? 將整個帶有自動增益的中頻電路進(jìn)行閉環(huán)測試。電路的測試使用HP8350B微波掃頻源、HP可變衰減器、萬用表及功率計。測試的框圖如圖6所示。在測試過程中，通過改變HP可變衰減器來改變中頻輸入的功率大小，輸出端通過GX2B小功率計可以測得輸出功率；同時通過GDM－8045G數(shù)字萬用表測試各點(diǎn)的電壓值。測試的結(jié)果見表1。

3　結(jié)束語
　　從表1可以看出，在閉環(huán)的測試過程中，自動增益控制電路能夠在輸入的信號變化的過程中，快速自動地調(diào)節(jié)可變增益放大器的控制電壓，改變增益。整個增益控制范圍在60dB以上，完全能夠滿足接收機(jī)動態(tài)范圍的要求。

1　胡見堂，潭博文，余得泉．固態(tài)高頻電路．長沙：國防科技大學(xué)出版社，1999
2　Rob Howald．Gaining Control．Communication Systems　Design，October 1999：15～18
3　PankajGoyal．Automatic Gain Controlin Burst Commu－nication Systems．Rfdesign，F(xiàn)ebruary 2000：34～56