自动增益控制技术应用?

【摘　要】　分析了自动增益技术原理，设计了应用于第三代移动通信模拟基站的自动增益控制电路。
    关键词：自动增益控制，移动通信，模拟前端
 
　　接收机的输出电平取决于输入信号电平和接收机的增益。由于各种原因，接收机的输入信号变化范围往往很大，信号弱时可以是一微伏或几十微伏，信号强时可达几百毫伏。最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。这个变化范围称为接收机的动态范围。　　影响接收机输入信号的因素很多。例如，发射台功率的大小，接收机离发射台距离的远近，信号在传播过程中传播条件的变化（如电离层和对流层的骚动，天气的变化），接收机环境的变化（如汽车上配备的接收机），以及人为产生的噪声对接收机的影响等等。
　　为了克服外界各种因素对接收机输入信号的影响，需要使用自动增益控制技术。自动增益控制（AGC）电路是通信设备，特别是通信接收设备的重要电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持为一定的数值，因此，也可称为自动电平控制（ALC）电路。它能够保证在接收弱信号时，接收机的增益高，而接收强信号时则增益低。使输出信号保持适当的电平，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。
　　W－CDMA射频带宽要求比2G系统的要求要宽，使之更易受外界的各种因素的影响，造成接收机接收的信号幅度随各种干扰而波动，影响整个接收机的性能，因此，必须采用自动增益控制电路。同时，还要注意接收机的增益部分，在整个带宽内增益的平坦度要好，群延时相对要小。接收机内匹配电路是宽带设计，而不是2G系统的窄带设计。AGC能够保证接收机在宽频带范围内功率电平稳定，以提供其它各级单元电路正常工作所需的功率电平。

1　自动增益控制设计原理
　　自动增益电路〔1〕控制框图见图1。图中，可控增益放大器的放大倍数AV受控制电压VC的控制，闭环后系统对AV进行自动控制。环路中电平检测电路检测出反映信号电平的平均值，通过低通滤波器后，在比较器中与参考电平VR相比较，产生控制信号VC去控制AV。若输入电压幅度Vi增加或电路参数变化使增益变大而导致V0增加时，环路产生一控制信号，使AV减小；反之，在各种因素造成V0减小时，环路也会产生控制电压VC，使AV增加。即通过环路控制作用，无论Vi变化或系统参数变化，输出信号电平V0都将保持在由VR决定的电平上几乎不变。图1中，低通滤波器的作用是决定反馈支路的　　反应速度，因此，低通滤波器时间常数是整个自动增益控制环路的重要参数。时间常数小，通带宽，反应速度快，即在输入端信号起伏频率较高时，自动增益控制系统的反馈支路也能及时地反应，使输出的信号基本保持不变。一般AGC电路均具有低通特性，即环路对高于某一频率的信号幅度变化无反应，而对低于某一频率的信号幅度缓慢变化才有控制作用。如在移动通信系统中由于多径衰落，造成信号的幅度变化，这就需要自动增益对接收信号因信道而引起的缓慢幅度变化进行补偿。一般选择接收机中环路控制的上限频率为10～20Hz。
　　自动增益根据控制方法不同可以分成以下几种：
　 （1）惰性自动增益控制：这种控制电路具有一定的时间常数。
　 （2）瞬时自动增益控制：一般用在对付强的等幅波或脉冲干扰。在遇到强干扰时，接收机仍能识别弱信号，而当强干扰一过，接收机就恢复原来的工作。
　 （3）近程增益控制：接收机根据接收到的信号大小来改变增益，即强信号时有低的增益，弱信号时有高的增益。

　　根据电路形式不同可分为闭环系统和开环系统。图2为常用于电压幅度控制中的反馈型AGC。信号通过VCA、检波器、滤波器，然后反馈到VCA，并通过调整增益来去除输入信号包络中不希望的随时间变化的变化量。控制环的元件引入了信号的延迟迭加，并决定了整个电路的响应延迟时间。因此，反馈型AGC固有速度较慢。

　　前馈AGC（见图3）具有快速的响应时间，因为信号检测和增益控制是并行的。输入信号被分成两路：一路到VCA，另一路到检波器。检波器的设计需保证VCA根据输入中频信号的幅度，得到所需的控制电压和合适的增益。在两路中的任一路加入额外的延迟，能使两路并行传输延迟达到平衡。作为一
个开环控制系统，它的精度有限，只在很小范围内，输出随输入而变化。
2　自动增益控制电路设计
　　由参考文献〔2〕、〔3〕可知，自动增益控制电路设计时闭环增益要大，因为环路增益越大，检波电压和参考电路的差就越小，接收机的动态范围就越大。自动增益控制电路主要包括可变增益控制电路、电平检测电路、滤波器、比较器和控制电压产生电路。
　　根据W－CDMA接收机模拟前端的性能要求，带有自动增益控制电路的中频电路设计框图如图4所示。具体中频电路包括前级放大、SAW、可变增益放大器（VGA）、主中放以及AGC闭合回路。AGC环路主要包括可变增益放大器、主中放、检波器、低通滤波器和比较器。

　　中频电路中的自动增益控制电路的线路图如图5所示。反馈信号经检波电路、低通滤波器后与参考电压在比较器进行比较。比较是通过比较器LM358来实现的。比较器输出的电压来控制可变增益放大器Q5500的增益，从而实现了对输入信号的控制。自动增益控制环路中的主中放部分可以保证环路的增益比较大，减小检波电压和参考电压的误差，同时可以满足中频部分输出端对电平功率的要求。
    将整个带有自动增益的中频电路进行闭环测试。电路的测试使用HP8350B微波扫频源、HP可变衰减器、万用表及功率计。测试的框图如图6所示。在测试过程中，通过改变HP可变衰减器来改变中频输入的功率大小，输出端通过GX2B小功率计可以测得输出功率；同时通过GDM－8045G数字万用表测试各点的电压值。测试的结果见表1。

3　结束语
　　从表1可以看出，在闭环的测试过程中，自动增益控制电路能够在输入的信号变化的过程中，快速自动地调节可变增益放大器的控制电压，改变增益。整个增益控制范围在60dB以上，完全能够满足接收机动态范围的要求。

　　
参考文献

1　胡见堂，潭博文，余得泉．固态高频电路．长沙：国防科技大学出版社，1999
2　Rob Howald．Gaining Control．Communication Systems　Design，October 1999：15～18
3　PankajGoyal．Automatic Gain Controlin Burst Commu－nication Systems．Rfdesign，February 2000：34～56