射频自动增益控制系统的实现
王一冰;杨亚博
【摘 要】近年来通信技术在不断更新,通信的频率也越来越高,自动增益控制系统能够对输出幅度进行精确控制,稳定信号输出幅度,因此降低了对激励信号的动态范围要求,现已被广泛应用于通信等高频电路系统中.介绍了一种射频自动增益控制系统的实现方法,该类系统用于射频前端接收机等设备,可较好地提升接收机性能并降低成本. 【期刊名称】《西南民族大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(042)004
【总页数】5页(P452-456)
【作 者】王一冰;杨亚博
【作者单位】西南民族大学电气信息工程学院,四川 成都610041;西南民族大学电气信息工程学院,四川 成都610041
【正文语种】中 文
【中图分类】TN851
早先的AGC电路多为模拟电路，采用可变增益放大器结合简单的AGC控制电路来实现，具有动态范围较大、增益较高，且电路结构相当简单等优点，但对于脉宽小的信号难以控制，在稳定性方面很难做得很好.因现代通信技术对系统的抗干扰能力要求越来越高，模拟AGC电路无法像数字AGC电路那样具有灵活可调的算法，所以数字AGC电路将得到越来越广泛的应用[1].
本文主要对自动增益控制系统进行分析与研究，对系统的通频带进行了拓宽并完成了自动增益算法的设计，为射频自动增益控制系统的数字化实现打下基础，可用于通信等高频设备，对其发展趋于数字化、稳定性、低功耗有指导性意义.
系统是由程控衰减模块、固定增益放大器、调理模块、ADC模块、存储器和FPGA模块等
部分组成.当幅度未知的信号输入时，通过整个系统后都能使输出信号的幅度稳定在预定目标值附近，简单说整个系统可以理解成射频数字自动增益控制器.
系统的工作原理如图1，接收机接收到的信号Vi(0.5～5.5V)经过射频开关完成量程自动切换，量程分为直通档位1，固定放大10倍档位2和固定放大100倍档位3.默认选择档位1，对信号不进行放大；如果后面FPGA判断信号小于0.05V时射频开关切换至档位3，对信号放大100倍；如果后面FPGA判断信号小于0.5V时射频开关切换至档位2，对信号放10倍，再进入程控衰减模块进行衰减.开始瞬间，输入信号幅度未知，预设衰减器的衰减值为0，经过固定增益放大器和调理模块后，通过ADC进行采样，把采样数据存入存储器芯片中，在处理时可对高频信号进行等效采样.然后FPGA对采样信号的正峰值进行流水比较，根据算法对程控衰减器的衰减比进行调节，最终使信号的输出峰值Vo(0～5V)稳定在设定的目标值附近，从而达到数控射频自动增益程控的效果. ①程控衰减器部分，目前常用的程控衰减方案有以下三种:
方案一:通过构建电阻网络进行衰减，可以实现0～60dB范围内宽带增益可调，电路结构易于实现，但其高频特性差.
方案二:采用压控增益放大器(VGA).采用压控增益放大器后其增益可由外部电压控制来实现一定范围内增益步进可调，但带宽易受限.
方案三:采用宽带程控衰减器.其衰减倍数可程控，实现精确步进的衰减.
综合上述三种方案对比，本系统采取方案三，使用M/A－COM公司的一款数字衰减芯片AT65－0106，该芯片是SOW－24贴片封状，工作温度范围为-40℃～＋85℃，衰减最小步径为1dB，衰减最大为50 dB(50Ω阻抗)，频率范围为DC－2.0GHz，AT65 －0106芯片的管脚分布图如图2所示.
该芯片适用于带宽高、增益改变速度要求快、增益精度要求高的场合，还具有低功耗、外围电路简单、稳定性好、可靠性高和低成本等优点[4].通过微控制器改变增益控制码来改变数字衰减芯片的衰减值从而完成对增益的控制，最终可以顺利地调整射频输出的大小，AT65-0106芯片的真值表如表1所示.
在输入信号频率160MHz，有效值800mV的正弦波时，使用AT65-0106芯片对信号进行衰减，得到数据如表2，通过分析数据我们可以发现，在芯片不衰减时，得到芯片的插损为2dB，因此我们在处理数据时应充分考虑到器件插损带来的信号衰减.
②固定增益放大器部分
方案一:采用高频三极管等分立元件搭建宽带放大器，可以实现较大输出电压，但是电路设计复杂，受分布参数影响较大，稳定性差，容易发生自激，且三极管存在交越失真等现象，输出精度不高，不满足题目对放大稳定性和精度的要求.
方案二:采用单片集成低噪宽带放大器，如1.8GHz超高宽带、低失真、电流反馈型运算放大器THS3201，在保证带宽足够的基础上，可以有效抑止噪声，且性能稳定，电路简单.
TI公司的THS3201是一个宽带高速高压摆率电流反馈型运放，带宽可达1.8GHz，压摆率为6700V/ us，既能够满足系统的需求，也可有效抑制噪声，固定增益放大器电路如图3.综上所述，基于保证带宽足够的情况下有效抑制噪声等方面的优先选择原则，本系统选用方案二.
③核心控制器方案的选择
方案一:选用51系列单片机作为控制处理芯片.传统51系列单片机内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，开发容易，价格便宜.但是内部资源少，速度慢，当外部晶振频率为
12MHz时，机器周期才1us.而该系统需要CPU处理的数据非常大，对于本系统中ADC等模块要求响应速度足够快，51系列单片机无法满足系统要求.
方案二:选用高速单片机作为控制处理芯片.目前高端的32位SoC单片机主频在300MHz左右，只能基本满足系统需求，且价格昂贵.
方案三:选用FPGA芯片作为控制处理器.FPGA虽然时钟频率不算高，可通过内部的锁相倍频环提升，再通过并行实现处理数据的能力极大提高，因此可以很容易对系统中采集到的大量数据进行处理.
结合本系统中数据量大的特点，方案一和方案二均不能满足系统要求，因此采用FPGA芯片作为主控处理器是最佳方案.
④FPGA处理器电平转换部分
使用FPGA来进行增益控制时存在电平与TTL电平无法兼容的问题，故需要采用一个电路来实现电平转换.
方案一:采用TI公司的SN74ALVC164245三态输出16位电平转换芯片，功能相对比较完善，可以对2.5V、3.3V、5V的电平进行转换，虽然这款芯片也可以将3.3V逻辑电平转换为5V逻辑电平，但其对噪声隔离效果不及光耦芯片且价格较贵.
方案二:先使用TLP521-4光耦芯片将电平转换成5 V，再分别控制AT65－0106芯片的增益控制管脚C1～C32，该部分电路既对电平进行了转换还保证了数字部分的干扰不会串入到模拟部分，电平转换电路如图4所示.
对方案一和方案二进行综合对比，本系统电平转换部分使用TLP521-4，设置FPGA芯片的8个端口为输出，通过软件控制芯片输出的状态值转化后的电平就可改变数字衰减芯片AT65－0106增益控制管脚C1～C32的状态值，从而改变输入RF口的射频信号增益的大小，使用数字衰减芯片AT65－0106时应考虑到该芯片本身具有最大4.2 dB的插损.
在程序设计时充分考虑到待测试信号是高频信号，因此不能采用一般实时采样的方式.使用等效采样的方式对ADC采到的数据进行处理，即通过多次触发，多次采样而获得并重建信号波形，达到等效采样的目的.程序中定义了一个变量M和数组a[i]，i的值是采样点数，采用流水线的方式对M和数组a [i]进行比较，得到的最大值可视为对应输入信号的峰值，程序
据此算出峰值Vp再与设定值Vo进行比较，若Vp＜Vo，则在程序里需要减小衰减比来增大峰值，若Vp＞Vo，则需要增大衰减比来减少峰值，直至测得的当前峰值与设定峰值相等或十分接近，程序设计的流程图如图5所示.
经过FPGA芯片对算法的仿真和进行电路验证，实验结果与仿真数据十分接近，采样点的最大值和真实峰值的误差在0.4%左右，验证了整个系统的稳定和精确性.
射频增益自动控制器在射频前端接收机等高频通信设备中有十分重要的意义.使用FPGA结合AT65-0106射频数字宽带程控衰减器等模块组成的系统具有带宽宽、功耗低、电路相对简单、性能稳定、步进值可精确控制等优点，在实际的安装和调试过程中，还可以在线仿真，有效地实现了通信前端接收机等设备的数字化自动控制.
【相关文献】
[1]黄浩，潘明海.射频仿真系统中自动增益控制系统的设计[J].计算机与数字工程，2012，40(2):43-45.
[2]宋坤.宽带射频接收前端电路与系统设计[D].西安电子科技大学，2011.
[3]李丽霞，李健.100 W发射机功率自动控制设计[J].无线电通信技术，2013，39(4):89-92.
[4]王辉，闫涛涛，周健军.射频自动增益控制系统及其方法: CN102291814A[P].2011-12-01.
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[7]汤鹿勇.便携式探空仪接收机射频前端设计[D].南京:南京信息工程大学，2015.
