CN111106809A - 一种用于vdes射频接收通道自动增益控制环路的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于VDES射频接收通道自动增益控制环路的方法，所述自动增益控制环路基于AD9874芯片，由AD9874芯片内部自带AGC和芯片外部AGC环路共同组成。AD9874芯片内部AGC环路由片内ADC、抽样滤波器、DAC组成；AD9874芯片外部AGC环路由AD9874、比较器、低通滤波器和可变增益放大器依次连接而成，构成外部AGC控制闭环。本发明在保证低功耗设计的同时，通过利用已有的硬件平台，仅增加很少的硬件开销就实现了大接收动态范围的控制，节省了硬件和软件开销；且增加的硬件电路结构简单，系统调试简单。
Description
技术领域
本发明涉及船舶通信技术领域，特别是一种用于VDES射频接收通道AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)的实现方法。
背景技术
VDES(VHF Data Exchange System，甚高频数据交换系统)是对现有水上助航系统AIS(Automatic Identification System，自动身份识别系统)的加强和升级，为了解决随着AIS用户的增加及其应用的扩展带来的高链路负载问题，VDES在集成现有AIS业务的基础上，增加了ASM(Application Specific Messages，特殊应用报文)、VDE(VHF DataExchange，甚高频数据交换)功能。其中，AIS子系统用于交换船舶位置和速度信息、保障位置跟踪、航线导航、船舶身份识别等与船舶航线安全相关信息，具有最高的优先级；ASM的设计是为了减少AIS链路的负载，用于传输水纹、天气预报等信息；VDE信道是VDES的核心，为系统提供大容量的数据交换，用于传输海图等信息。VDES通信信道由原来的2个增加至18个，最高数据速率达到307.2kbps，全面提升了水上船舶的数据通信能力。在2015年10月，国际电信联盟发布ITU-R M.2092-0建议书，对VDES的技术特性做出了相应规定，该建议书对VDES接收信道的灵敏度、动态范围等技术指标做了规定，但对具体实现方案未做说明。
由于应用环境的限制，船舶终端需要密闭，不利于系统的散热。为了降低终端对散热的需求，物理层需要进行低功耗设计。在数模变换器模块，采用ADI公司的中频数字化芯片AD9874代替传统的专门ADC芯片，如AD9265，前者功耗不到后者的18％。与AD9265采样数据并行输出不同，AD9874是串行数据输出，处理的数据带宽为6.8kHz～270kHz，完全能够满足VDES系统最大100kHz的带宽需求。此外，AD9874内部自带AGC控制功能，通过对其内部寄存器的配置，可以实现12dB的连续增益控制，显然，这无法满足VDES船舶通信终端不小于100dB的接收动态范围要求，需要额外设计自动增益控制电路。
通常的自动增益控制环路原理框图包括图1和图2两种。图1是直接在模拟电路上检波后通过电压比较器来产生自动增益控制电压。图2是经过ADC采样判决信号幅度后，通过基带软件配置专门的DAC芯片来产生自动增益控制电压。
发明内容
本发明在现有硬件平台上，提供了一种自动增益控制环路、用于VDES射频接收通道及实现方法，并且不需要通常的自动增益控制电路的复杂度。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的自动增益控制环路基于AD9874芯片，AD9874芯片内部有内部AGC环路，内部AGC环路由DAC、ADC、抽样滤波器依次连接而成；AD9874芯片外部搭建有外部AGC环路，所述外部AGC环路由AD9874、比较器、低通滤波器和可变增益放大器依次连接而成；DAC与比较器连接，比较器通过低通滤波器后连接可变增益放大器，可变增益放大器通过AD9874芯片的放大器和二次混频与ADC连接，ADC连接抽样滤波器和DAC，由DAC输出增益控制电压。射频信号经过一次变频后输入到可变增益放大器。
AD9874芯片内部自带控制范围为12dB的AGC环路，通常为了节省芯片成本，一般芯片不将大容值电容(一般大于200pF)集成在芯片内部。AD9874芯片也是如此，其内部AGC环路所需的低通滤波器通过RC电路实现，电阻R集成在芯片内部，较大容值的电容需要外接。由此，通过重复利用AD9874芯片内部的信号强度判决及增益控制，将外接滤波电容管脚的增益控制电压作为外部AGC环路的输入电压，在芯片外部经过电平转换后，产生外部AGC环路可变增益放大器的控制电压，完成外部AGC环路的搭建，以此实现大动态范围的控制。
本发明用于VDES射频接收通道自动增益控制的实现方法具体包括以下步骤：
选择搭建外部AGC环路选择可变增益放大器。除了需要满足增益控制范围指标外，其电压-增益曲线的方向必须与内部AGC控制的方向相反；
配置AD9874芯片内部相关寄存器，通过改变射频输入信号电平，调试内部AGC环路，测试得到电压控制管脚电压0.75～0.8V；
一般情况下，内部AGC环路的控制电压不能直接控制外部可变增益放大器，需要通过电平转换电路进行电平转换。通过运算放大器实现线性电平转换，其输入输出的关系为：
其中，Vout_AGC为AGC环路可变增益放大器的控制电压，VC1为DAC输出电压，VCC为参考电压；
通过设计不同的R1、R2、R3、R4、R5阻值，可以得到需要的外部AGC需要的可变增益放大器控制电压。
本发明的有益效果如下：
(1)降低了硬件开销
本发明在保证低功耗设计的同时，仅增加很少的硬件开销就实现了大动态范围的控制。与典型AGC电路实现方案1(图1)相比，硬件上少了功分器和检波器，与典型AGC电路实现方案2(图2)相比，硬件上少了DAC芯片，通过利用已有的硬件平台，节省了硬件开销；
(2)减少了软件开销
用典型AGC电路实现方案2实现AGC控制时，除了需要基带通过串行总线配置外置DAC芯片，还需要基带上对采样信号电平大小做出判决，通过写入控制字产生信号幅度控制电平来控制外部可变增益放大器。采用此方案则AGC环路不需要基带参与。
(3)增加的硬件电路结构简单，系统调试简单。
附图说明
图1为典型的自动增益控制环路原理1框图；
图2为典型的自动增益控制环路原理2框图；
图3为本发明自动增益控制环路原理框图；
图4为控制电压电平转换电路；
图5为用于VDES射频接收通道原理框图
图6为实测AGC环路电平控制曲线；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明提供了一种自动增益控制环路，如图3所示，采用了AD9874芯片，AD9874芯片内部有内部AGC环路，内部AGC环路由DAC、ADC、抽样滤波器依次连接而成；AD9874芯片外部搭建有外部AGC环路，所述外部AGC环路由AD9874、比较器、低通滤波器和可变增益放大器依次连接而成；DAC与比较器连接，比较器通过低通滤波器后连接可变增益放大器，可变增益放大器通过AD9874芯片的放大器和二次混频与ADC连接，ADC连接抽样滤波器和DAC，由DAC输出增益控制电压。
本发明还提供了用于该自动增益控制方法的VDES射频接收通道，如图4所示，接收信号依次经过预选滤波器、低噪放、混频器、中频滤波器后生成射频信号输入到可变增益放大器，实现方法具体包括以下步骤：
步骤1，确定AGC设计范围。为适应环境、电压变化，接收信道增益控制范围设计在110dB，ADC等效动态范围在去除符号位和低位噪声干扰后，约为43.6dB；接收信道的AGC控制范围设计为66.4dB；
步骤2，外部AGC环路的可变增益放大器选型。为实现步骤1确定接收动态范围控制，选用两个相同可变增益放大器做级联，注意电压控制增益曲线的方向。
步骤3，设计电平转换电路，如图5所示。所述电平转换电路采用运算放大器实现线性电平转换；DAC输出电压经过电阻R1输入运算放大器负端；参考电压经过电阻R2和R3分压后输入运算放大器正端；电阻R4、电阻R5串联后一端接放大器输出端，另一端接运算放大器负端，形成负反馈回路。
根据电平转换的输入输出关系，设计结果为R1＝4.7kΩ，R2＝24kΩ，R3＝8kΩ；R4＝R5＝51kΩ。
步骤4，接收信道联合调试。内部AGC和外部AGC均起控时，测试得到外部AGC控制电压范围1.58V～2.03V，AGC环路的控制曲线见图6。起控范围为-75dBm～0dBm，起控范围75dB，满足预期66.4dB的指标要求。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种自动增益控制环路，其特征在于，所述自动增益控制环路基于AD9874芯片，AD9874芯片内部有AGC环路，内部AGC环路由DAC、ADC、抽样滤波器依次连接而成；AD9874芯片外部搭建有外部AGC环路，所述外部AGC环路由AD9874、比较器、低通滤波器和可变增益放大器依次连接而成；DAC与比较器连接，比较器通过低通滤波器后连接可变增益放大器，可变增益放大器通过AD9874芯片内的放大器和二次混频与ADC连接，ADC连接抽样滤波器和DAC，由DAC输出增益控制电压。
2.如权利要求1所述的一种自动增益控制环路，其特征在于，DAC输出电压经过电平转换电路进行电平转换，产生外部AGC环路可变增益放大器的控制电压。
3.如权利要求2所述的一种自动增益控制环路，其特征在于，所述可变增益放大器采用两个进行级联。
4.如权利要求2所述的一种自动增益控制环路，其特征在于，外部AGC环路的电压-增益曲线的方向与内部AGC环路控制的电压-增益曲线方向相反。
5.如权利要求2所述的一种自动增益控制环路，其特征在于，所述电平转换电路采用运算放大器实现线性电平转换；DAC输出电压经过电阻R1输入运算放大器负端；参考电压经过电阻R2和R3分压后输入运算放大器正端；电阻R4、电阻R5串联后一端接放大器输出端，另一端接运算放大器负端，形成负反馈回路。
6.如权利要求5所述的一种自动增益控制环路，其特征在于，通过控制电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5的阻值，得到可变增益放大器的控制电压。
7.一种用于VDES射频接收通道，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一权利要求所述的自动增益控制环路，接收信号依次经过预选滤波器、低噪放、混频器、中频滤波器后生成射频信号输入到可变增益放大器。
8.如权利要求7所述的一种用于VDES射频接收通道，其特征在于，所述用于VDES射频接收通道直接输出到基带进行数字信号处理。
9.一种用于VDES射频接收通道自动增益控制环路的方法，采用如权利要求1-6中任一权利要求所述的自动增益控制环路，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，构建外部AGC环路，选择可变增益放大器，外部AGC环路的电压-增益曲线的方向与内部AGC环路控制的电压-增益曲线方向相反；
步骤2，配置AD9874芯片内部寄存器，通过改变射频输入信号电平，调试内部AGC环路；
步骤3，将内部AGC环路的控制电压进行电平转换，产生外部AGC环路可变增益放大器的控制电压；
步骤4，进行接收信道联合调试。
10.如权利要求9所述的一种用于VDES射频接收通道自动增益控制环路的方法，其特征在于，接收信道增益控制范围设计在110dB，接收信道的AGC控制范围设计大于66.4dB。
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