CN107919881B - 一种自动增益控制接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动增益控制接收机。该接收机包括依次电连接的模拟可变增益放大器、模数转换电路、数字检测电路和数模转换电路，数模转换电路的输出端与模拟可变增益放大器的增益控制端电连接，由此数字检测电路的输出信号对模拟可变增益放大器的增益进行自动调控。通过该自动增益控制接收机可以对输入的模拟射频信号进行自动增益控制，使得模拟射频信号在较大的动态范围内能够有稳定功率的信号输出，并且通过数字检测电路可以实现快速而精确的检测信号功率，从而反馈控制模拟可变增益放大器的增益，具有控制射频信号的动态范围宽、控制精度高、控制速度快且受外界干扰小等技术优势。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种自动增益控制接收机。
背景技术
随着电子技术的发展,无线电通信接收机在整个电子领域占有越来越重要的地位。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，将会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外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。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；如果放大增益不足，又可能导致接收的信号太小，不利于后续解调。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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自动增益控制接收机，解决现有技术中接收机的自动增益控制动态范围小、控制精度低、控制速度慢以及易受干扰等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种自动增益控制接收机，包括模拟信号输入端，该模拟信号输入端与模拟可变增益放大器电连接，该模拟可变增益放大器的输出端经过模数转换电路后与数字检测电路连接，该数字检测电路的输出端经过数模转换电路后与该模拟可变增益放大器的增益控制端电连接，由此该数字检测电路的输出信号对该模拟可变增益放大器的增益进行自动调控。
在本发明自动增益控制接收机另一实施例中，该模拟可变增益放大器与该模数转换电路之间还设置有下变频电路。
在本发明自动增益控制接收机另一实施例中，该下变频电路为正交下变频电路，该正交下变频电路包括混频器、频率合成器，以及与混频器输出端电连接的低通滤波器或带通滤波器，该频率合成器输出两路频率相同、相位相差π/2的正交载波，分别与输入到混频器的射频信号进行混频，然后再通过该低通滤波器或带通滤波器虑除高频成分而得到下变频信号。
在本发明自动增益控制接收机另一实施例中，该模拟信号输入端之后电连接有衰减器。
在本发明自动增益控制接收机另一实施例中，该数字检测电路包括依次电连接的功率检测单元、比较单元和滤波单元。
在本发明自动增益控制接收机另一实施例中，该功率检测单元包括平方运算器和加法器，该比较单元包括限幅器和减法器，该滤波单元由累加器来实现。
在本发明自动增益控制接收机另一实施例中，该模数转换电路输出10bit位的数字信号到该数字检测电路，经过该平方运算器和加法器后得到20bit位的数字信号，由该限幅器将该20bit位数字信号限制为8bit位数字信号，该8bit位数字信号再与预设的参考值通过该减法器得到误差数字信号，该误差数字信号再由该累加器平滑滤波得到数字控制信号，由该数字检测电路输出。
在本发明自动增益控制接收机另一实施例中，该模拟可变增益放大器、正交下变频电路集成在同一个芯片上，该芯片为AD8347。
在本发明自动增益控制接收机另一实施例中，该模数转换电路包括芯片MAX1190ECM，该频率合成器包括芯片RF2052，该数模转换电路包括芯片AD5314ARM，该数字检测电路在芯片XC6SLX100-2FGG484C中实现。
本发明自动增益控制接收机实施例包括依次电连接的模拟可变增益放大器、模数转换电路、数字检测电路和数模转换电路，数模转换电路的输出端与模拟可变增益放大器的增益控制端电连接，由此数字检测电路的输出信号对模拟可变增益放大器的增益进行自动调控。该自动增益控制接收机还进一步包括正交下变频电路、衰减器，以及数字检测电路包括平方运算器、加法器、限幅器、减法器和累加器。通过该自动增益控制接收机实施例可以对输入的模拟射频信号进行自动增益控制，使得模拟射频信号的在较大的动态范围内能够有稳定功率的信号输出，并且通过数字检测电路可以实现快速而精确的检测信号功率，从而反馈控制模拟可变增益放大器的增益，具有控制射频信号的动态范围宽、控制精度高、控制速度快且受外界干扰小等技术优势。
附图说明
图1是本发明一种自动增益控制接收机实施例的组成示意图；
图2是本发明一种自动增益控制接收机另一实施例的组成示意图；
图3是本发明一种自动增益控制接收机另一实施例中下变频电路的组成示意图；
图4是本发明一种自动增益控制接收机另一实施例中数字检测电路的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的各实施例进行详细说明。
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体的实施例，对本发明进行更加详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例，但本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的所有的组合。
如图1所示，本发明提供了一种自动增益控制接收机实施例，包括模拟信号输入端111，模拟信号输入端111与模拟可变增益放大器11电连接，模拟可变增益放大器11的输出端经过模数转换电路12后与数字检测电路13连接，数字检测电路13的输出端经过数模转换电路14后与模拟可变增益放大器11的增益控制端电连接，由此数字检测电路13的输出信号对模拟可变增益放大器11的增益进行自动调控。
可以看出，在图1中对模拟可变增益放大器11的反馈控制使用了包括模数转换电路12、数字检测电路13和数模转换电路14在内的数字AGC(Automatic Gain Control)电路对模拟可变增益放大器11的增益进行调控。
这里选用数字自动增益控制(AGC)电路辅助调整模拟接收机，可以实现高精度的自动增益控制，这是因为模拟AGC易受干扰，在控制精度上会受影响，而数字AGC具有处理灵活、不会引入附加噪声、可靠性高等优点。
在图1所示实施例的基础上，图2显示了本发明另一种自动增益控制接收机实施例。与图1实施例相比，图2中在模拟可变增益放大器11与模数转换电路12之间还设置有下变频电路15。
进一步优选的，图2中还在模拟信号输入端111之后电连接有衰减器16。衰减器16既可以是衰减值为固定值的衰减器，也可以是衰减值可调的衰减器。通过衰减器16可以将功率较大的信号进行衰减，满足进入到可变增益放大器11的信号功率在适宜的范围内。例如，若模拟可变增益放大器11的输入的射频信号功率范围为-70dBm～-20dBm，若进入的射频信号功率大于-20dBm，则通过增加衰减器16的方法将大功率信号先进行衰减后再进入到模拟可变增益放大器11，以此增加接收机接收信号的动态范围。
下变频电路15主要是把模拟可变增益放大器11输出的射频信号由较高的频率向下变换到较低的频率，例如由高频信号变换为中频信号，或者是由中频信号变换为基带信号，该过程主要是通过混频器和滤波器来实现模拟下变频的变换过程，也就是说该过程是对模拟信号进行的下变频处理过程。通过下变频电路15可以把射频信号变为较低频率的信号，可以降低下一级模数转换电路12对模拟可变增益放大器11输出的射频信号在进行模数转换时降低采样速率，否则当可变增益放大器11输出的射频信号频率较高时，对模数转换电路12进行数字采样的速率要求很高，否则就会出现因采样速率较低而导致欠采样等问题，造成信号损失。
优选的，下变频电路15是正交下变频电路，正交下变频电路用于将接收机接收到的射频信号，变为相互正交的基带信号。如图3所示，该正交下变频电路通过频率合成器152产生的两路正交载波(I路和Q路载波)与输入的射频信号在混频器151中分别进行混频，这两路正交载波具有相同的频率，但是相位差为π/2，因此是通过两路正交的载波对射频信号进行混频，然后再通过低通滤波器153(或者是带通滤波器)将高频成分虑除得到混频后的低频信号，完成射频信号与正交载波的下变频过程。另外，这里的低通滤波器或带通滤波器还用于对下变频后信号进行噪声抑制。这里，低通滤波器或带通滤波器根据信号带宽或频率，通过外接电容、电感的组合来实现，这里优选采用低通滤波，适用16MHz带宽内的信号，低通滤波器的截止频率为22MHz。
优选的，在模数转换电路14和下变频电路15之间还设置有基带放大器，用于对下变频电路15中的低通滤波器输出的低中频信号进行放大，以满足通道增益要求。
在实际应用中可以将可变增益放大器11、下变频电路15集成到同一个集成电路芯片中实现。优选的，芯片AD8347是AD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，能够接收800MHz-2700MHz范围内的射频输入信号，能够提供69.5dB的可变增益范围，增益和控制电压之间具有良好的线性关系。优选的，生成载波信号可以采用RFMD公司的RF2052芯片，该芯片可提供300MHz-2500MHz范围内的本振信号，频率设置灵活，分辨率高。可以利用RF2052芯片输出一路差分的本振信号，该本振信号送入AD8347后，AD8347内部转为2路正交的本振信号。
优选的，图1和图2中的模数转换电路12可以包括MAXIM公司的MAX1190ECM模数转换芯片。该芯片可分别将下变频电路15经过正交下变频后得到的I路下变频信号和Q路下变频信号转换为并行10bit位的I路数字信号和Q路数字信号。其中，通过使用80MHz的采样时钟对I路下变频信号和Q路下变频信号进行模拟信号采样，将下变频电路15输出的这两路模拟信号转换为数字信号。
优选的，当图1和图2中模数转换电路12采用10bit位的数字信号输出时，进入数字检测电路13的数字信号即为10bit数字信号。数字检测电路13主要是进行功率检测，图4显示了数字检测电路13的主要组成，具体包括功率检测单元131、比较单元132和滤波单元，具体实现时可以通过依次电连接的平方运算器1311、加法器1312、限幅器1321、减法器1322和累加器133来实现。其中，平方运算器1311和加法器1312是功率检测单元131的主要组成部分，限幅器1321和减法器1322构成了比较单元132，而滤波单元主要由累加器133来实现。
具体实现方法是：当模数转换电路12将下变频电路15输出的信号变换为正交的I路和Q路两路10bit位的数字信号输入数字检测电路13，由平方运算器1311和加法器1312完成对这两路数字信号求平方和运算得到信号的功率，经过平方和运算后，信号的位数由10bit变为20bit，后接限幅器1321将信号位数限定为8bit，这8bit位数字信号是取20bit位数字信号的高8位得到，该8bit位数字信号再与预设的参考值通过减法器1322相减得到误差信号，这里参考值的大小则根据I路和Q路数字信号的幅度来确定，相减后的误差信号通过累加器133平滑滤波后得到数字控制信号，该数字控制信号由数字检测电路13输出。输出的数字控制信号再经过数模转换电路变换为模拟电压，作用到可变增益放大器的增益控制端。优选的，当图1和图2中数模转换电路14采用AD公司的AD5314ARM，该芯片可将10bit的数字信号转换为模拟信号。
上述参考值大小的设定根据AD变换后要求的有效数据位数和限幅器决定。优选的，上述减法器设置的参考值设为26，这是因为参考值大小的设定是根据AD变换后要求的有效数据位数和限幅器决定。本实施例中要求AD采样后的10bit数据中1bit符号位和9bit数据位，则I路和Q路信号平方和后共20bit中2bit符号位及18bit有效数据位，经过限幅器取其高8bit则有2个符号位和6个数据位，为保证限幅器后有稳定的6bit有效数据位，故将参考值设置为26。若比较单元的输出值为0或在很小的范围内波动，减法器输出值为0附近，累加器的输出值将保持不变，得到稳定的数字控制电压，最终使得射频信号的输出幅度不变。
在具体实施例中，数字检测电路13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bit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13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。
经过进一步测试表明，在本发明自动增益控制接收机实施例中的模拟信号输入端输入的射频信号在-70dBm～-20dBm范围内，并且经过下变频后，在输入到模数转换电路的基带信号峰值保持在1V的前提下，通过合理优化设计数字检测电路的预先设置参考值，例如在输入到模数转换电路的基带信号峰值保持在1V的前提下，此时AD转换电路10bit数字信号有1bit符号位9bit有效数据位，通过推算预先设置的参考值为26。由此得到经数模转换电路输出的模拟控制AGC电压，以及模拟可变增益放大器的VGA(Variable GainAmplifier)增益情况如表1所示。
实测结果表明本发明自动增益控制接收机实施例在输入射频信号的功率电平在-70dBm～-20dBm范围内，输出信号功率为-40±0.5dBm，其增益控制误差在±0.5dB范围内，进入模数转换电路12的峰值电压在1V左右，输出功率的控制精度误差小于0.5dB，动态范围有50dB，实现了高精度、大动态范围的自动增益控制。
表1输入射频信号功率与增益之间的关系
优选的，由于输出信号功率为-40±0.5dBm，这个是可变增益放大器的输出，其之后还可以接一个40dB增益的低中频放大器，通过低中频放大器后最终输出功率为±0.5dBm，此时的信号峰峰值为1V。
通过以上自动增益控制接收机实施例，包括依次电连接的模拟可变增益放大器、模数转换电路、数字检测电路和数模转换电路，数模转换电路的输出端与模拟可变增益放大器的增益控制端电连接，由此数字检测电路的输出信号对模拟可变增益放大器的增益进行自动调控。该自动增益控制接收机还进一步包括正交下变频电路、衰减器，以及数字检测电路包括平方运算器、加法器、限幅器、减法器和累加器。通过该自动增益控制接收机实施例可以对输入的模拟射频信号进行自动增益控制，使得模拟射频信号的在较大的动态范围内能够有稳定功率的信号输出，并且通过数字检测电路可以实现快速而精确的检测信号功率，从而反馈控制模拟可变增益放大器的增益，具有控制射频信号的动态范围宽、控制精度高、控制速度快且受外界干扰小等技术优势。
以上所述仅为本发明的几种实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种自动增益控制接收机，包括模拟信号输入端，其特征在于，
所述模拟信号输入端与模拟可变增益放大器电连接，所述模拟可变增益放大器的输出端经过模数转换电路后与数字检测电路连接，所述数字检测电路的输出端经过数模转换电路后与所述模拟可变增益放大器的增益控制端电连接，由此所述数字检测电路的输出信号对所述模拟可变增益放大器的增益进行自动调控；
所述模拟可变增益放大器与所述模数转换电路之间还设置有下变频电路，所述下变频电路为正交下变频电路，所述正交下变频电路包括混频器、频率合成器，以及与混频器输出端电连接的低通滤波器或带通滤波器，所述频率合成器输出两路频率相同、相位相差π/2的正交载波，分别与输入到混频器的射频信号进行混频，然后再通过所述低通滤波器或带通滤波器虑除高频成分而得到下变频信号；
所述数字检测电路包括依次电连接的功率检测单元、比较单元和滤波单元；所述功率检测单元包括平方运算器和加法器，所述比较单元包括限幅器和减法器，所述滤波单元由累加器来实现；
所述模数转换电路将所述下变频电路经过正交下变频后得到的I路下变频信号和Q路下变频信号转换为并行10bit位的I路数字信号和Q路数字信号输入到所述数字检测电路，由所述平方运算器和加法器完成对所述两路数字信号求平方和运算得到信号的功率，经过平方和运算得到20bit位的数字信号，由所述限幅器将所述20bit位数字信号限制为8bit位数字信号，所述8bit位数字信号是取所述20bit位数字信号的高8位得到，所述8bit位数字信号再与预设的参考值通过所述减法器得到误差数字信号，所述参考值为26，所述误差数字信号再由所述累加器平滑滤波得到数字控制信号，由所述数字检测电路输出。
2.根据权利要求1所述的自动增益控制接收机，其特征在于，所述模拟信号输入端之后电连接有衰减器。
3.根据权利要求2所述的自动增益控制接收机，其特征在于，所述模拟可变增益放大器、正交下变频电路集成在同一个芯片上，所述芯片为AD8347。
4.根据权利要求3所述的自动增益控制接收机，其特征在于，所述模数转换电路包括芯片MAX1190ECM，所述频率合成器包括芯片RF2052，所述数模转换电路包括芯片AD5314ARM，所述数字检测电路在芯片XC6SLX100-2FGG484C中实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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