一種接收機(jī)自動(dòng)增益控制電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種接收機(jī)自動(dòng)增益控制電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 自動(dòng)增益控制電路是接收機(jī)中必不可少的一個(gè)重要電路。接收機(jī)輸入信號(hào)通常是 微弱信號(hào)，其動(dòng)態(tài)范圍很寬，要對(duì)輸入射頻信號(hào)進(jìn)行處理，就要有自動(dòng)增益控制電路。自動(dòng) 增益控制電路的作用是對(duì)輸入的微弱信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，而?duì)輸入的較大信號(hào)進(jìn)行適當(dāng) 的衰減，將信號(hào)適配到合適電平，從而能夠進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。
[0003] 使用模擬型自動(dòng)增益控制的接收機(jī)電路原理框圖如圖1所示。輸入的射頻信號(hào)，經(jīng) 可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蠛螅俳?jīng)過(guò)一個(gè)定向耦合器，將前向信號(hào)的小部分能量耦合至自動(dòng)增 益控制電路，而前向信號(hào)的主要部分送給信號(hào)處理單元，經(jīng)接收機(jī)處理后得到輸出信號(hào)。耦 合來(lái)的前向信號(hào)送給射頻檢波器進(jìn)行檢波，檢波輸出信號(hào)再經(jīng)放大后與參考電平進(jìn)行比 較，經(jīng)誤差放大電路反饋給可變?cè)鲆娣糯笃鞯目刂贫?，以控制輸入信?hào)的放大增益，使輸出 信號(hào)的峰值或者有效值穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。射頻可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嫱ǔＪ峭ㄟ^(guò)控制 PIN二極管的衰減實(shí)現(xiàn)的。射頻檢波器可以設(shè)計(jì)成有效值檢波電路，也可以設(shè)計(jì)成峰值檢波 電路，常用肖特基二極管實(shí)現(xiàn)。當(dāng)參考電平以對(duì)數(shù)表達(dá)時(shí)，可以將放大電路設(shè)計(jì)為對(duì)數(shù)放大 器，對(duì)數(shù)形式的誤差電平經(jīng)誤差放大單元中的指數(shù)放大器放大后，控制線性的可變?cè)鲆娣?大器?？梢钥闯瞿M型的自動(dòng)增益控制電路，使用了一些射頻微波元器件，如可變?cè)鲆娣糯?器、定向耦合器、檢波器等，其成本很高?；诙O管的檢波器由于存在非線性、溫度漂移等 問(wèn)題，導(dǎo)致自動(dòng)增益控制電路穩(wěn)幅誤差較大，在許多模擬接收機(jī)中，穩(wěn)幅輸出變化高達(dá)3dB ~6dB。另外，檢波電路采用模擬方式實(shí)現(xiàn)，其時(shí)間常數(shù)不易調(diào)整，很難滿足不同類型接收機(jī) 的要求。例如，很多雷達(dá)、通信接收機(jī)采用了突發(fā)傳輸模式，另外采用了各種復(fù)雜的調(diào)制方 式，信號(hào)的峰均比相差極大，這就要求自動(dòng)增益控制電路的參數(shù)變化范圍很寬，采用模擬方 式實(shí)現(xiàn)困難。
[0004] 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的接收機(jī)采用了全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式。所謂全數(shù)字接 收機(jī)，是將接收的射頻信號(hào)經(jīng)下混頻后轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣后轉(zhuǎn)換成數(shù) 字中頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)的解調(diào)、分析等都是在數(shù)字域上進(jìn)行的。自動(dòng)增益控制電路的作用是對(duì) 輸入的微弱信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，而?duì)輸入的較大信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p，以使混頻產(chǎn)生的 中頻信號(hào)適配到合適電平，能夠進(jìn)行有效的量化，從而能夠進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。使用 數(shù)字自動(dòng)增益控制的中頻接收機(jī)電路框圖如圖2所示?；祛l產(chǎn)生的中頻輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一可 變?cè)鲆娣糯笃骱筮M(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)轉(zhuǎn)換后的中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，從而得到輸出信 號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字中頻信號(hào)同時(shí)輸出至自動(dòng)增益控制環(huán)路。全數(shù)字自動(dòng)增益控制電路 的原理框圖如圖3所示，包括可變?cè)鲆娣糯笃?、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字下混頻器、CIC抽取濾波器、 低通濾波器、求模電路、門限比較電路、誤差處理電路。采用數(shù)字自動(dòng)增益控制的中頻接收 機(jī)中只有前端器件使用了射頻微波元器件，其成本較采用模擬型自動(dòng)增益控制的接收機(jī)大 大降低。下面說(shuō)明數(shù)字自動(dòng)增益控制電路工作原理。
[0005] 對(duì)于中頻輸入信號(hào)，單一頻率正弦信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0006] s(t) =Acos(23rfit+0) ,(1)
[0007] (1)式中fi為輸入信號(hào)頻率，A為幅度，Θ為相位。
[0008] 若A/D變換器采樣時(shí)鐘滿足奈奎斯特抽樣定理，采樣后的信號(hào)形式為：
[0009] s(n) =Acos( ω in+θ)，⑵
[0010] 經(jīng)正交數(shù)字下混頻后，兩路輸出分別為：
[0011]
[0012] 對(duì)I支路和Q支路進(jìn)行低通濾波，濾除高頻分量，則兩路輸出分別為：
[0013]
[0014]對(duì)I支路和Q支路求平方和的開(kāi)方，相當(dāng)于計(jì)算矢量信號(hào)I+jQ的幅度，即對(duì)復(fù)數(shù)求 模運(yùn)算，得到
[0015]
[0016] 由此求得中頻輸入信號(hào)的頻譜幅度A，進(jìn)而得到射頻輸入信號(hào)的頻譜幅度。對(duì)于有 一定帶寬的中頻輸入信號(hào)，該結(jié)論同樣正確。
[0017] CIC(Cascaded Integrator-Comb Filter:級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器)抽取數(shù)字濾波器 的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示，它是由積分器、分頻器、微分器構(gòu)成的。設(shè)輸入信號(hào)時(shí)鐘為f s，分頻 數(shù)為R，積分器工作時(shí)鐘頻率為fs，微分器工作時(shí)鐘頻率為fs/R，CIC抽取數(shù)字濾波器的輸出 信號(hào)時(shí)鐘為f s/R，速度降低了R倍。積分器與微分器的個(gè)數(shù)相同，記為N，稱為濾波器的階數(shù)。 微分器中的延遲單元延遲Μ個(gè)時(shí)鐘周期，一般Μ取1或2XIC濾波器可以看成是一種特殊形式 的低通濾波器，可用于對(duì)FIR濾波器的鏡像頻譜進(jìn)行抑制。其傳輸函數(shù)為：
[0018]
12345
[0019] CIC抽取濾波器的幅頻響應(yīng)為：
2
[0021] 仕ciutg奴?^τχττΗ、」，ττ舁取人2?必范圍是非常重要的，最大動(dòng)態(tài)范圍增長(zhǎng)出現(xiàn)在 DC頻率處。內(nèi)部位寬Bi_r可以解釋為輸入位寬Binput與最大動(dòng)態(tài)范圍增長(zhǎng)之和。具體表達(dá)式 為： 3 Binner = Binput+N*l〇g2(RM) , (9) 4 圖5是一個(gè)CIC抽取濾波器的頻響曲線，CIC濾波器參數(shù)為N = 4，M=l，R = 7，fc = l/ 8，圖中的頻率值是以f S/R為單位的。 5 上述的推導(dǎo)中未考慮CIC抽取濾波器的影響，加入CIC抽取濾波器后，可以得到類 似的結(jié)果。
[0025] FIR(finite impulse response)濾波器稱為有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器，具有優(yōu)良 的頻率相位特性，是一種最常用的數(shù)字濾波器。其輸入輸出關(guān)系為：
[0026]
[0027]其電路形式如圖6所示，a(m)稱為濾波器的系數(shù)，它決定了濾波器的幅頻特性，N稱 為濾波器的階數(shù)，階數(shù)越大濾波器的精度越高。FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有窗函數(shù)法，頻 率采樣法，以及各種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在全數(shù)字自動(dòng)增益控制電路中，F(xiàn)IR濾波器設(shè)計(jì)為低通 濾波器，其參數(shù)影響自動(dòng)增益控制電路的噪聲帶寬。
[0028]求得中頻信號(hào)的幅度后，再經(jīng)門限比較電路、誤差處理電路，反饋給可變?cè)鲆娣糯?器的控制端，以使中頻信號(hào)電平在A/D轉(zhuǎn)換器的合適區(qū)間內(nèi)。門限比較電路可以采用雙門限 比較電路形式。當(dāng)中頻信號(hào)的幅度大于設(shè)定的上門限時(shí)，控制誤差處理電路的輸出信號(hào)，使 可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆娼档?。?dāng)中頻信號(hào)的幅度小于設(shè)定的下門限時(shí)，控制誤差處理電路 的輸出信號(hào)，使可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嫣岣?。誤差處理電路包含一個(gè)編碼電路，可以是一個(gè) 查找表。對(duì)于門限比較電路的輸出誤差信號(hào)，經(jīng)查表得到可變?cè)鲆娣糯笃鞯目刂菩盘?hào)。當(dāng)誤 差信號(hào)為線性形式，可變?cè)鲆娣糯笃鳛閷?duì)數(shù)線性數(shù)控放大器時(shí)，查找表中的數(shù)值曲線近似 于對(duì)數(shù)誤差曲線，當(dāng)可變?cè)鲆娣糯笃鳛榫€性數(shù)控放大器時(shí)，查找表中的數(shù)值曲線近似于直 線。
[0029] 在很多通信設(shè)備與儀器中，需要監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)的頻譜，關(guān)于的頻譜分析采用如下 方式：
[0030] 一個(gè)序列X(n)的N點(diǎn)離散傅立葉變換(DFT)為：
[0031]
[0032] X(k)的離散傅立葉逆變換（IDFT)為：
[0033]
[0034] 復(fù)數(shù)X(k)含有序列x(n)的頻譜幅度信息和頻譜相位信息。設(shè)序列x(n)的取樣時(shí)鐘 頻率為fs，則X(k)的頻譜分辨率為fs/NdU)中的第一個(gè)向量X(0)，含有序列x(n)的DC分量 信息;X(k)中的第二個(gè)向量X(l)，含有序列x(n)的f s/N處頻譜分量信息;X(k)中的第三個(gè)向 量，含有序列x(n)的2fs/N處頻譜分量信息;X(k)中的第四個(gè)向量，含有序列x(n)的3f s/N處 頻譜分量信息;依此類推。
[0035] 工程實(shí)踐中，x(n)經(jīng)常為實(shí)序列。當(dāng)x(n)為實(shí)序列時(shí)，X(k)具有共扼對(duì)稱性，X(k) 的另外N/2點(diǎn)的值為
[0036] X(N-k)=X*(k)，k=l，2, · · ·，Ν/2-1，（13)
[0037] 即在X(k)的N個(gè)向量中，只有前N/2個(gè)向量是獨(dú)立的有效信息，后面的N/2個(gè)向量與 前面的N/2個(gè)向量有共扼對(duì)稱關(guān)系。因此一個(gè)實(shí)序列x(n)的N點(diǎn)離散傅立葉變換的有效信息 為：
[0038]
η -Ο：
[0039] X(k)是一個(gè)復(fù)數(shù)序列，可以表示為
[0040] X(k)=a(k)+jb(k)，k = 0，l，· · ·，Ν/2-1，（15)
[0041] 式（15)中a(k)與b(k)分別是一個(gè)實(shí)數(shù)序列。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)x(n)為一個(gè)實(shí)數(shù)序列時(shí)，X (k)的實(shí)部序列為：
[0042] li-\J
[0043] 當(dāng)輸入數(shù)據(jù)x(n)為一個(gè)實(shí)數(shù)序列時(shí)，X(k)的虛部序列為：
[0044]
[0045] 序列X(k)的模為：
[0046] | X(k) | = | a(k)+jb(k) | = sqrt(a(k)*a(k)+b(k)*b(k))，k = 0，1，· · ·，Ν/2-l，（ 18)