一種GPS接收機(jī)中自動(dòng)增益控制的設(shè)計(jì)

摘要：在GPS接收機(jī)中，由于不同的傳輸距離以及多路徑衰減的效應(yīng)，使得接收機(jī)收到的信號(hào)強(qiáng)度是不固定的，所以采用一個(gè)自動(dòng)增益控制電路來將信號(hào)強(qiáng)度處理成一個(gè)固定的強(qiáng)度大小。本文的目的在于，分析與設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的自動(dòng)增益控制電路。介紹了自動(dòng)增益控制的原理，對相關(guān)的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并給出了仿真結(jié)果。

GPS(Global Position System)是全球定位系統(tǒng)的簡稱，目的是在全球范圍內(nèi)對地面或空中目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和監(jiān)測。隨著全球性空間定位信息應(yīng)用的日益廣泛，GPS提供的定位服務(wù)給人們的生活帶來了巨大的變化和深遠(yuǎn)的影響。自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control)系統(tǒng)是無線接收機(jī)的關(guān)鍵模塊，對于GPS接收機(jī)來說，在實(shí)際的應(yīng)用中進(jìn)入接收機(jī)頻帶的信號(hào)很多，除了有用信號(hào)，噪聲的干擾、環(huán)境的變化都會(huì)使信號(hào)起伏變化，影響信號(hào)的處理，基于以上目的需要一種能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)增益，并且具有較大增益范圍的系統(tǒng)來控制信號(hào)的變化，這就是自動(dòng)增益控制系統(tǒng)。

自動(dòng)增益控制系統(tǒng)在接收機(jī)中主要完成以下兩方面工作：第一，防止信號(hào)過大引起接收機(jī)過載。對于接收信號(hào)來說由于距離不同，接收信號(hào)也有強(qiáng)弱之分，當(dāng)距離較近時(shí)信號(hào)可能會(huì)過強(qiáng)，距離遠(yuǎn)時(shí)信號(hào)會(huì)較弱。這時(shí)要求接收機(jī)能夠適應(yīng)這種變化，信號(hào)強(qiáng)時(shí)減小接收機(jī)增益，信號(hào)弱時(shí)增大接收機(jī)增益。第二，補(bǔ)償接收機(jī)增益不穩(wěn)定。當(dāng)接收機(jī)工作時(shí)，電壓的不穩(wěn)定性、工藝參數(shù)、溫度的變化都會(huì)引起增益起伏，自動(dòng)增益控制就是補(bǔ)償由接收機(jī)本身造成的誤差。

1 AGC工作原理概述

自動(dòng)增益控制主要包括3個(gè)部分：自動(dòng)增益控制放大器、脈沖寬度調(diào)制(PWM)式自動(dòng)增益控制和一個(gè)脈沖寬度譯碼器。其中自動(dòng)增益控制放大器和脈沖寬度譯碼器在射頻芯片中實(shí)現(xiàn)，脈沖寬度調(diào)制(PWM)式自動(dòng)增益控制在基帶芯片中實(shí)現(xiàn)。

其工作原理為：自動(dòng)增益控制放大器負(fù)責(zé)放大中頻信號(hào)保證其正常被A/D采樣為兩位數(shù)字信號(hào)SIGN、MAG，其中MAG信號(hào)的占空比反映了中頻信號(hào)的幅度，即在一定程度上反映了自動(dòng)增益控制放大器的增益;脈沖寬度調(diào)制(PWM)式自動(dòng)增益控制根據(jù)輸入的MAG信號(hào)(可能為I|Q分離后的MAG信號(hào))對信號(hào)增益進(jìn)行控制，并最終反饋輸出一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)以重新調(diào)節(jié)自動(dòng)增益控制放大器的增益;脈沖寬度譯碼器負(fù)責(zé)將這一脈沖寬度調(diào)制信號(hào)解調(diào)為5位二進(jìn)制增益控制字，并輸出到自動(dòng)增益控制放大器的每一個(gè)增益級(jí)，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)放大器總增益的目的。

基帶中的AGC主要是完成對I路和0路的MAG中1的個(gè)數(shù)進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)計(jì)，如果統(tǒng)計(jì)出的結(jié)果大于設(shè)定的閾值，那么就會(huì)增加輸出的增益調(diào)整脈沖寬度，使得信號(hào)增益降低;相反地，如果統(tǒng)計(jì)出的結(jié)果小于閾值，則減小增益調(diào)整脈沖寬度，使得信號(hào)增益增加。

2 各模塊具體設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)增益控制放大器

自動(dòng)增益控制放大器由5位二進(jìn)制增益控制字(B1～B5)控制開關(guān)的五級(jí)放大電路(agc5、agc43、agc21)級(jí)聯(lián)組成。每級(jí)agc放大電路由兩級(jí)不同增益的差分放大管串聯(lián)而成，偏置電路為每級(jí)差分對放大管提供相同的尾電流，其中一級(jí)放大管由B1～B5低電平有效的開關(guān)控制，集電極接大的負(fù)載電阻，為高增益放大級(jí);另一級(jí)放大管由B1～B5高電平有效的開關(guān)控制，集電極接同樣的負(fù)載電阻但發(fā)射極接負(fù)反饋電阻，增大了放大管的線性工作范圍但降低了增益，為低增益放大級(jí)。這樣，B1～B5不同的邏輯位控制輸出不同的增益。

各級(jí)放大管增益的設(shè)計(jì)遵循以下原則：

agc5、agc43采用阻容級(jí)間耦合方式，agc21采用直接耦合方式，并在輸出接有電壓buffer以保證放大器的負(fù)載能力。耦合阻容額外提供了整個(gè)放大器的上限頻率，而放大器本身及電壓buffer(射隨器)提供了下限頻率，使得整個(gè)放大器的頻率響應(yīng)為一帶通形狀。

2.2 脈沖寬度調(diào)制(PWM)式自動(dòng)增益控制

圖1說明了脈沖寬度調(diào)制(PWM)式自動(dòng)增益控制的硬件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。這個(gè)模塊從數(shù)據(jù)分離器中取I和Q的幅度位(MAG)輸出，計(jì)算1ms內(nèi)累加的IQ或I|Q，即通過MAG信號(hào)的占空比計(jì)算當(dāng)前AGC的增益。然后將計(jì)算結(jié)果與可編程的RF閾值(由寄存器寫入)做比較，以此來決定下一個(gè)毫秒 AGC的增益。累加和比較操作是通過一個(gè)減計(jì)數(shù)器(RfThrHCnt)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)計(jì)數(shù)器的初始化值是在毫秒邊沿由13位可編程的RF閾值設(shè)定。若 IQ或I|Q為0，則RF閾值保持不變;若IQ或I|Q為1，則RF閾值減“1”。1ms內(nèi)RF閾值減計(jì)數(shù)的最終結(jié)果送入下一級(jí) AGC Cnt中。

RF閾值的設(shè)定原理如下：在I|Q的情況下，對1msI和Q中1的個(gè)數(shù)進(jìn)行累加。在整個(gè)1 ms的數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)1的概率為0.3，出現(xiàn)0的概率為0.7。則I=1，Q=1的概率為0.3x0.3 =0.09，I=1，Q=0的概率為0.3x0.7=0.21，I=0，Q=1的概率為0.3x0.7=0.21，因此I|Q=1的概率為0.09+0.21+0.21=0.51。在38F0模式下，RF閾值=(1 023x38/2)x0.51 ≈9 913=2688，加上寄存器控制位的值8 000，就可得到寫入寄存器800d123e中的閾值A(chǔ)688。

AGC Gain由一個(gè)可加/減計(jì)數(shù)器(AGC Cnt)來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)計(jì)數(shù)器的初始化值是在毫秒邊沿由6位可編程的AGC Gain值(由寄存器寫入)設(shè)定。若1 ms內(nèi)RF閾值減計(jì)數(shù)的結(jié)果為0時(shí)，則AGC Gain值加“1”;若1 ms內(nèi)RF閾值減計(jì)數(shù)的結(jié)果不為0時(shí)，則AGC Gain值減“1”;最終每1 ms輸出一個(gè)AGC Gain值(為6位二進(jìn)制數(shù))，從一個(gè)毫秒到另一個(gè)毫秒AGC Gain值加“1”或減“1”。

AGC Gain值可以通過PWM模式輸出，將AGC Gain值與ACQCLK的7分頻后的時(shí)鐘做一運(yùn)算，輸出脈寬信號(hào)AGC_DATA送到RF電路中，數(shù)據(jù)的脈沖寬度等于(AGCgain+1)*(period of ACQCLK/7)，其時(shí)序如圖2所示。

2.3 脈沖寬度譯碼器

該模塊將AGCDATA脈寬信號(hào)譯碼為5位二進(jìn)制增益控制位，來控制自動(dòng)增益控制放大器的五級(jí)不同增益的放大電路。該電路由延時(shí)部分、邏輯轉(zhuǎn)換部分、計(jì)數(shù)器部分、數(shù)據(jù)輸出部分4部分組成。

延時(shí)部分由3個(gè)DIG_DLY_7組成。DIG_DLY_7的功能可以看作是當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來后延時(shí)7個(gè)時(shí)鐘周期后觸發(fā)數(shù)據(jù)。

邏輯轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生3個(gè)邏輯：1)將AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)(一個(gè)脈寬包含M個(gè)時(shí)鐘周期)的上升沿延時(shí)3T(T為7個(gè)時(shí)鐘周期)個(gè)時(shí)鐘單位，下降沿延時(shí) T個(gè)單位并與pwm_clk作與操作，變?yōu)榭商幚淼拿}寬數(shù)據(jù)，其脈沖寬度中包含M-14個(gè)時(shí)鐘周期，記為DATA0信號(hào)。2)產(chǎn)生比AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的上升沿延時(shí)T個(gè)時(shí)鐘周期，寬度為7個(gè)時(shí)鐘周期的RESET信號(hào)。3)產(chǎn)生比AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的下降沿延時(shí)2T個(gè)時(shí)鐘周期，寬度為T個(gè)時(shí)鐘周期的觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)，記為CLK0信號(hào)。

計(jì)數(shù)器部分由若干個(gè)分頻模塊組成。其操作過程如下：在AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的一個(gè)脈寬上升沿來臨后延時(shí)3個(gè)時(shí)鐘周期接收到RESET信號(hào)，對所有的分頻模塊進(jìn)行復(fù)位。分頻模塊進(jìn)行復(fù)位后，在AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的一個(gè)脈寬上升沿來臨后延時(shí)9個(gè)時(shí)鐘周期，DATA0數(shù)據(jù)輸入，進(jìn)入 DIV7cmos模塊，其分頻機(jī)制如下：因?yàn)镈IV3cmos模塊中包含兩個(gè)D觸發(fā)器，當(dāng)DATA0數(shù)據(jù)的第一個(gè)上升沿到來后不輸出數(shù)據(jù)，到第二個(gè)上升沿到來后觸發(fā)輸出第一個(gè)上升沿，以后每隔3個(gè)上升沿觸發(fā)一次，占空比為1：2。

總結(jié)輸入數(shù)據(jù)DATA0與輸出數(shù)據(jù)所包含的上升沿的關(guān)系：

a b

1個(gè)上升沿 0

2個(gè)上升沿 1

5個(gè)上升沿 2

8個(gè)上升沿 3

下面進(jìn)入若干個(gè)二分頻器模塊(組成計(jì)數(shù)器)，數(shù)出每個(gè)輸入數(shù)據(jù)所包含的上升沿?cái)?shù)，并將結(jié)果送入數(shù)據(jù)輸出部分。

B1處計(jì)數(shù)結(jié)果應(yīng)為：

B2～B5以后逐次進(jìn)位。

數(shù)據(jù)輸出部分由CLK0信號(hào)觸發(fā)數(shù)據(jù)，即在AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的一個(gè)脈寬下降沿來臨后延時(shí)6個(gè)時(shí)鐘周期輸出由計(jì)數(shù)器部分計(jì)出的數(shù)據(jù)。

3 仿真結(jié)果

1)前仿結(jié)果：

①增益列表及步長如表1所示。

由上可知：Gain Range=54.04 dB。

②頻率響應(yīng)如表2所示。

由上可知：agc的小信號(hào)-3dB帶寬在12M左右。

2)Worst Case仿真結(jié)果如表3所示。

3)負(fù)載影響：

負(fù)載接adc后基本不影響agc增益。

4 結(jié)束語

用38f0下的AGC閾值和初值，導(dǎo)致的一個(gè)結(jié)果是輸出的脈沖寬度為368 ns。雖然增益很大，但是可以搜星，定位。一旦改變值，則不能搜星，定位。對這個(gè)現(xiàn)象的解釋暫時(shí)不清楚。