CN1870423A - 自动增益控制环路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于自动增益控制(AGC)环路的方法和设备，利用多个比较器来提供恒定带宽跟踪和阶跃响应，同时还可以提供高精度决策控制收敛。一个实施例中，使用奇数个比较器以及对输出进行平方律缩放，从而对于输入振幅的大范围变化，都能实现恒定的带宽阶跃响应。

Description

自动增益控制环路
技术领域
本发明涉及一种自动增益控制，更具体地，涉及一种使用多个比较器实现的自动增益控制。
背景技术
自动增益控制(AGC)电路可以对振幅变化的输入信号产生相对恒定的输出振幅。一种典型的AGC电路包括一个含有可变增益放大器(VGA)的环路。AGC电路常见应用是用于数字通信系统中。理想的AGC操作可以针对各种输入信号强度提供恒定的输出。应用于AGC的品质因数(figure of merit)按照给定输出变化所需的输入的变化来给出。
在需要进行均衡的高速(如，10Gbps)、高性能、串行通信接收器中，VGA一般用于拓扑结构的前端。VGA用于根据输入信号的振幅来提供增益或者衰减，以便该VGA输出具有完全恒定振幅的信号。对于10Gb/s的串行数据通信应用，需要有VGA的调整增益/衰减的能力，以适应给接收器的输入的大小输入电压摆动范围。
一般的AGC环路10的框图如图1所示。振幅检测器14检测VGA 12的输出振幅Vout13并产生代表VGA输出的峰值电压的电压Vpk15。比较器17将检测到的振幅Vpk15与参考电压Vref16相比较。所述参考电压Vref16代表VGA期望的输出振幅。基于比较结果，比较器17产生误差信号18并将其提供给AGC环路滤波器19。换句话说，比较器17确定峰值电压Vpk15和参考电压Vref16之间的差值，并自适应地调整控制电压VC11，以便VGA 12产生的输出的摆幅等于后续电路模块所要求的预定且恒定的振幅。
如图所示，在典型的AGC环路中，仅仅使用一个比较器来采集振幅信息。然而，使用一个比较器并不能提供很高的分辨率，因为一个比较器只能提供用于确定输出的振幅是高于还是低于期望的信号电平的信息。一个比较器并不能提供关于所述输出振幅离期望的输出信号电平有多远的信息。而且，因为这种方法只是近似的和非线性的，并不能展现出恒定带宽跟踪和阶跃响应。
为了改善分辨率，有时使用高精度的模拟电路，例如对数域放大器来实现AGC电路的恒定带宽阶跃响应目的。相关内容查阅J.M.Khoury，“On the designof constant settling time AGC circuits”，Circuits and Systems II：Analog and DigitalSignal Processing，IEEE Transactions，Volume 45，Issue 3，March 1998，p283-294.然而，因为这种方法是模拟的，所以其复杂度高且功耗也高。
因此，需要有一种AGC环路，能够相较于现有方法提供一种简单与准确度之间的平衡。
发明内容
一个实施例中，本发明提供一种控制VGA的增益的方法。所述方法包括：获取VGA输出的信号信息；通过多个比较器量化所述信号信息；缩放(scaling)所述量化后的信号信息以产生增益控制决策；响应所述增益控制决策，对所述VGA的增益进行调整。
一个实施例中，本发明提供一种AGC环路，包括VGA；用于获取所述VGA输出的信号信息的峰值检测器；用于量化所述信号信息的多个比较器；以及环路滤波器，用于缩放所述量化后的信号信息以产生增益控制决策，并响应所述增益控制决策，对所述VGA的增益进行调整。
所述信号信息可以是振幅、功率、均方根(RMS)和所述VGA输出的峰值中的一个或多个。
根据本发明的一个方面，提供一种控制具有输出的可变增益放大器的增益的方法，所述方法包括如下步骤：
获取所述VGA输出的信号信息；
通过多个比较器量化所述信号信息；
缩放所述量化后的信号信息以产生增益控制决策；
响应所述增益控制决策，对所述VGA的增益进行调整。
优选地，所述信号信息是包括振幅、功率、均方根和所述VGA输出的峰值在内的一组信息中的一个或多个。
优选地，所述多个比较器包括奇数个比较器。
优选地，所述奇数个比较器包括5个比较器。
优选地，所述缩放包括平方律缩放。
优选地，所述缩放包括理想积分器的逼近操作。
优选地，所述缩放包括使用5个参考电平的缩放。
优选地，所述缩放包括使用7个参考电平的缩放。
优选地，所述调整包括对所述VGA的增益进行数字调整以响应所述增益控制决策。
根据本发明的一个方面，提供一种自动增益控制环路，包括：
具有输出的可变增益放大器；
用于获取所述VGA输出的信号信息的峰值检测器；
用于量化所述信号信息的多个比较器；
环路滤波器，用于缩放所述量化后的信号信息以产生增益控制决策，并响应所述增益控制决策，对所述VGA的增益进行调整。
优选地，所述信号信息是包括振幅、功率、均方根和所述VGA输出的峰值在内的一组信息中的一个或多个。
优选地，所述多个比较器包括奇数个比较器。
优选地，所述环路滤波器包括对所述量化后信号信息进行平方律缩放的缩放器(scaler)。
优选地，所述环路滤波器执行理想积分器的逼近操作。
优选地，所述环路滤波器包括使用7个参考电平对所述量化后的信号信息进行缩放的缩放器。
优选地，所述环路滤波器包括使用5个参考电平对所述量化后的信号信息进行缩放的缩放器。
优选地，所述环路滤波器包括判定逻辑，对所述VGA的增益进行数字调整以响应所述增益控制决策。
优选地，所述环路滤波器包括一个积分器。
优选地，所述环路滤波器包括一个缩放器，且所述缩放器包括有用于将无效状态改变为有效状态的气泡修正(bubble correction)逻辑。
根据本发明的一个方面，提供一种自动增益控制环路，包括：
具有输出的可变增益放大器；
用于获取所述VGA输出的信号信息的装置；
用于量化所述信号信息的多个比较器；
用于缩放所述量化后的信号信息以产生增益控制决策的装置；
用于调整所述VGA增益以响应所述增益控制决策的装置。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是一种典型的AGC环路的框图；
图2是根据本发明一个实施例的使用多个比较器的AGC环路的示意图；
图3A是使用5个比较器的实施例中线性斜坡(linear ramp)的仿真曲线；
图3B是图3A中的线性斜坡的导数(derivation)的仿真曲线；
图3C是使用7个比较器的实施例中线性斜坡的仿真曲线；
图3D是图3C中的线性斜坡的导数的仿真曲线；
图4是根据本发明一个实施例的环路滤波器的框图；
图5是根据本发明一个实施例的积分器的框图。
具体实施方式
一个实施例中，本发明提供一种用于自动增益控制(AGC)环路的方法和设备，利用多个比较器相对于预定的参考电平对振幅信息进行量化。量化后的振幅信息以平方律的方式进行数字处理，从而可以提供恒定带宽跟踪和阶跃响应，同时还可以提供高精度决策控制AGC环路的收敛。
尽管在描述本发明的实施例时，以数字控制的VGA和数字AGC环路为例，本发明的多比较器方案也适用于模拟控制的VGA和模拟AGC环路。这种情况下，该AGC环路利用模拟信号来控制VGA。
图2是根据本发明一个实施例包括有VGA的AGC环路的示意图。如图2所示，使用了5个比较器205a-205e和环路滤波器208来控制VGA 202的输出振幅。VGA202包括几个级联阶(212a-212f)。在该实施例中，使用6阶(212a-212f)来相对带宽需求对增益范围进行优化。峰值检测电路204接收VGA的经过滤波后的输出(由电容213进行滤波)，并将振幅信息提供给比较器205a-205e。
比较器205a-205e将所述振幅信息与各自的参考电压REF1-REF5进行比较并输出决策给环路滤波器208。环路滤波器208对比较器的输出进行缩放，而后基于一定的标准，产生决策以改变(或保持恒定)所述VGA 202的增益。所述环路滤波器的输出为缩放后的VGA增益控制码211，用于改变VGA的级联阶(212a-212f)的增益。
如图2所示使用了奇数个(5个)比较器。位于中间的参考电平(REF3)是VGA 202的所期望的输出信号电平。从平衡考虑，希望峰值检测器204的输出(即振幅输出206)接近REF3。剩余的参考电平REF1、REF2、REF4、REF5为高于和低于期望信号电平的信号电平，如下表1所示。
表1(参考电平相对于期望信号振幅的百分比)
参考电平          相对期望电平的百分比
REF1              120％
REF2              110％
REF3              100％
REF4              90％
REF5              80％
如果振幅输出206比期望参考电平(即REF3)大，对应的比较器输出逻辑“0”信号，该信号表示信号振幅不再小于对应比较器的参考电压。例如，如果振幅输出比期望参考电平大12％，参考电压为REF2的比较器205b输出逻辑“0”信号，而参考电压为REF1的比较器205a输出逻辑“1”信号。比较器205c到205e也输出逻辑“0”信号，因为它们的输入大于它们各自的参考电压。
同样地，如果振幅输出比期望参考电平小15％，参考电压为REF4的比较器205d输出逻辑“1”信号，而参考电压为REF5的比较器205e输出逻辑“0”信号。比较器205a到205c也输出逻辑“1”信号，因为它们的输入小于它们各自的参考电压。
通过多个比较器和对应的参考电平，该电路可在比较器输出端获得二进制形式的量化后振幅信息。所述比较器的输出提供给环路滤波器208，由该环路滤波器对量化后的振幅信息进行处理以调整VGA 202的增益。
在某些应用中，例如密集波分复用(DWDM)和光通信内的分插(add/drop)复用中，输入信号振幅可能表现得很大并有突发跳变，因此需要为AGC环路设计恒定带宽跟踪和阶跃响应。达到该目的的一种理想方法是利用具有理想积分器的线性AGC环路。理想的积分器处理无限大的增益和无限大的输入/输出信号范围。带有理想积分器的线性AGC环路可对各种振幅的阶跃响应获得相对好确定的时间常数。
然而，设计出理想积分器是不可能的。因此，本发明利用带有一阶(firstorder)数字环路滤波器的多比较器方案来近似实现这个理想方案。一个实施例中，这种近似方案通过缩放比较器的输出也即该环路滤波器的输入来实现。
图3A和3B是使用5个比较器的实施例中线性斜坡及其导数的仿真曲线。同样地，图3C和3D是使用7个比较器的实施例中线性斜坡及其导数的仿真曲线。对于给定的应用，这些仿真结果可用来获取参考电平和缩放级数(因子)的最佳数量。首先，从中可以看出理想环路的线性斜坡的相关导数。如图3A-3D所示，相关导数在表2中简要给出。
                  表2理想环路的线性斜坡的导数
导数(按线性缩放)
对于具有5个参考电平的5个比较器
1x  对应于期望信号电平的±10％范围内的缩放；
2.6x  对应于期望信号电平的±20％范围内的缩放；
6.5x  对应于期望信号电平的±20％范围外的缩放。
对于具有7个参考电平的7个比较器
1x  对应于期望信号电平的±10％范围内的缩放；
2.6x  对应于期望信号电平的±20％范围内的缩放；
4.2x  对应于期望信号电平的±30％范围内的缩放；
6.5x  对应于期望信号电平的±30％范围外的缩放。
参考电平数量的选择取决于具体的应用以及电路所允许的复杂度。然而，各个参考电平之间的差距不能太小，否则峰值检测器的输出波动将降低比较器输出的单调(monotonic)特性。另一方面，参考电平间较大的差距可降低提供给环路滤波器的决策的精度。
一个实施例中，本发明包括5个比较器和5个参考电平。每个比较器与一个参考电压(也即REF1到REF5)连接。利用该理想环路的线性斜坡的导数，可以推算出对于5个电平，1/2.6/6.5的缩放级可能是最优的。然后使用这些缩放级作为缩放比较器的输出的缩放因子。然而，本发明的一个实施例中，所述缩放级增加到1/4/16(即二进制缩放)以实现较大摆幅的阶跃响应并减小复杂度。由于所述缩放因子类似于“平方律(square-law)”特性，所以可以称作“平方律缩放”。这样一来，使用多比较器方案以及对提供给一阶环路滤波器的输入进行缩放可以逼近线性理想环路的性能。
图4是根据本发明一个实施例的环路滤波器40的框图。如图所示，比较器的输出由缩放器42利用选定的缩放因子(缩放级)进行缩放。生成的结果是基于比较器输出的已缩放决策。缩放器42的输出决策被提供给积分器44，由该积分器对这些决策进行累加。然后将累加的决策输入给判定逻辑46。判定逻辑46基于其从积分器44接收到的输入来增加或者减少VGA的增益。
以下表3所示为根据本发明一个实施例中缩放器的基于比较器输出的决策(输出)的示例。一个实施例中，缩放器包括有气泡修正逻辑，用于将无效状态改变为有效状态，如表3所示。
                  表3基于比较器输出的决策
  REF1120％   REF2110％   REF3100％   REF490％   REF580％   缩放器决策
  00   00   00   00   01   +16+4
  0001   0011   0111   1111   1111   +1-1-4-16
图5是根据本发明一个实施例的积分器50的框图。如图所示，缩放器的输出被提供给该积分器并由加法器52将其与该积分器的由延时器54延迟后的前一个输出相加。这样一来，INTEG OUT信号是该积分器的当前输出和前一输出的累加。
以下表4所示为在给定输入下所述积分器在2级即n和n-1级的输出。
                  表4积分器的输出
  IN   INTEG OUT(n-1)   INTEG OUT(n)
  +4+4-1-1   0+4+8+7   +4+8+7+6
所述积分器在预定量的周期内积加该已缩放的比较器输出。然后将所述积分器的输出与第一阈值SUM1进行比较。如果积分器的输出大于SUM1，图4中的判定逻辑将增加VGA的增益。如果积分器的输出小于第二阈值SUM2，该判定逻辑将减小VGA的增益。
一个实施例中，使用偶数个比较器，例如6个比较器。这种情况下，如果输出振幅降到REF3和REF4之间，AGC环路具有用以停止更新的专用状态。因此，使用6个比较器的电路具有与使用5个比较器的电路相同的精度。在平衡状态下，相对于期望信号电平至多可以有±5％的调整误差。因此，可以去掉第六个比较器而获取与使用5个比较器的电路相同的性能。表5所示为利用偶数个(6)比较器的情况下参考电平相对于期望信号振幅的百分比。
表5使用6个比较器时参考电平相对于期望信号振幅的百分比
  参考电平   期望信号振幅的百分比
  REF1   125％
  REF2REF3REF4REF5REF6   115％105％95％85％75％
本领域的普通技术人员可知，可以对本发明以上描述的实施例以及其他实施例作出各种修改而不脱离本发明的范围。因此可以理解，本发明并不局限于上述公开的特定实施例，而覆盖了本申请权利要求定义的范围内的任何改变、修改或替换。
例如，尽管在描述本发明的实施例，使用的是5个比较器，但是本发明可以使用任何数量(奇数或偶数)的比较器来实现不同精度要求。而且，为了检测和/或控制电子信号，本发明不仅可以利用振幅检测还可以利用功率检测、RMS检测和/或峰值检测。另外，如上所述，在本发明的一个实施例中，参考电平之间相对于期望信号电平的差距为10％。根据具体应用和精度的要求，参考电平之间相对于期望信号电平的差距可以更小或更大。而且，所述环路滤波器可以使用数字或者模拟域中的任意阶的环路滤波器来实现。例如，可以使用二阶或三阶数字滤波器来实现所述该环路滤波器。

Claims (10)

1、一种控制具有输出的可变增益放大器(VGA)的增益的方法，所述方法包括如下步骤：
获取所述VGA输出的信号信息；
通过多个比较器量化所述信号信息；
缩放所述量化后的信号信息以产生增益控制决策；
响应所述增益控制决策，对所述VGA的增益进行调整。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号信息是包括振幅、功率、均方根和所述VGA输出的峰值在内的一组信息中的一个或多个。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个比较器包括奇数个比较器。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述奇数个比较器包括5个比较器。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缩放包括平方律缩放。
6、一种自动增益控制(AGC)环路，包括：
具有输出的可变增益放大器(VGA)；
用于获取所述VGA输出的信号信息的峰值检测器；
用于量化所述信号信息的多个比较器；
环路滤波器，用于缩放所述量化后的信号信息以产生增益控制决策，并响应所述增益控制决策，对所述VGA的增益进行调整。
7、根据权利要求6所述自动增益控制环路，其特征在于，所述信号信息是包括振幅、功率、均方根和所述VGA输出的峰值在内的一组信息中的一个或多个。
8、根据权利要求6所述自动增益控制环路，其特征在于，所述多个比较器包括奇数个比较器。
9、根据权利要求6所述自动增益控制环路，其特征在于，所述环路滤波器包括对所述量化后信号信息进行平方律缩放的缩放器。
10、一种自动增益控制(AGC)环路，包括：
具有输出的可变增益放大器(VGA)；
用于获取所述VGA输出的信号信息的装置；
用于量化所述信号信息的多个比较器；
用于缩放所述量化后的信号信息以产生增益控制决策的装置；
用于调整所述VGA增益以响应所述增益控制决策的装置。
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