模数转换相关学术论文(2)
模数转换相关学术论文篇二
数字自动增益控制和模数转换数值抖动研究
摘 要： 为了提高接收机的阻塞性能，设计一种数字式的自动增益控制电路，增益控制无需FPGA，DSP或微处理器通过查表的方式来实现，它通过直接使用模数转换的数字输出量来控制数字步进衰减器，这样降低了系统的响应时间和电路的复杂度。提出了一种利用低精度器件实现高精度数字AGC的方法，并针对子单元中模数转换的数值抖动设计了一种抖动消除电路，与其他方法相比，该设计电路实时性能更好。
关键词： 数字自动增益控制; 模数转换; 数值抖动; 数字输出量
中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X(2013)15?0119?04
Study of digital automatic gain control and numerical jitter in analog?to?digital conversion
LIU Liang， CHEN Jing?pu
(Shenzhen SED Wireless Communication Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518028， China)
Abstract： In order to improve the blocking performance of receivers， a digital automatic gain control (AGC) circuit was designed. The gain control does not rely on the FPGA， DSP or micro?processor in the form of look?up table. It controls the digital step attenuator by digital output quantity of the ADC directly to decrease the response time and the circuit complexity of the system. A method to achieve high?precision AGC by means of low?precision device is proposed. A novel circuitry to deal with the numerical jitter during analog?to?digital conversion in the subelement. The circuit has better real?time performance than other methods.
Keywords： digital automatic gain control; analog?to?digital conversion; numerical jitter; digital output
0 引 言
在无线通信中，接收机的输入信号由于受到通信信道，环境等因素影响随时间变化很大。通常，弱信号时，需要低噪放大，放大电路的增益也要求比较高，而强信号时，要求接收机放大电路的增益比较低，以避免接收机饱和，因此，在接收机中需要一个子电路单元，能够根据输入信号的强弱来自动进行增益控制(AGC)，AGC电路是无线通信接收机中不可或缺的重要组成部分。
文献[1?5]中提出了实现模拟AGC的方法，但是，和数字AGC相比，模拟AGC的可靠性，抗干扰能力，灵活性等性能要差一些。而在实现数字AGC的方法中，有些文献通过查找增益表的方式来实现增益调节，其不同仅在于查表实现方式以及增益变化实现方式上[6?8]。有些需要比较电路和数控衰减控制电路来实现自动增益控制[9]。本文提出一种新的数字AGC电路，不通过查找增益表的方式来调节增益，而是根据ADC输出数字信号来直接进行增益控制。因此，与其他的数字AGC方法相比，无需FPGA， DSP或其他微处理器，也无需比较电路和数控衰减控制电路。在实现数字AGC的原理中，通常都需要ADC芯片[6，8?10]，对于某些特定的输入信号值，ADC的输出数字信号将出现跳动[11?12]，而这样的数值抖动对系统稳定性有重要影响。本文设计了一种新的消除ADC数值抖动的电路。接收机的结构一般可以分为3种：超外差式接收机，零中频接收机，低中频接收机[13]。不管属于哪种架构，对其增益控制可以在变频前或者变频后来进行控制，或者对两者同时进行控制，无论属于哪种情况，其原理是类似的，本文中仅以对变频前的射频增益控制为例进行阐述，其他的情形类推即可。另一方面，为了实现接收机宽的动态范围，通常需要将AGC电路级联。本文提出的AGC电路可以作为接收机的前端子模块，结合接收机中其他的AGC电路，来提高整个接收机的动态范围。
1 数字AGC设计
1.1 数字AGC原理
数字AGC的原理框图如图1所示，射频输入信号先通过带通滤波器或声表滤波器滤波，然后通过低噪声放大器予以放大，要求低噪声放大器的噪声系数小，以保证系统的灵敏度，再经过一个数字步进衰减器进行增益控制，其衰减量由耦合器，检波器，ADC芯片，D触发器共同组成的通路联合控制。通常，数字步进衰减器的最大衰减量应小于前面的低噪声放大器增益，以维持系统较好的灵敏度。最后，再接一级放大器和数字步进衰减器，以满足系统动态范围的要求。其中第二级放大器应该满足[9][Pimax+G≤P-1]，来保证系统良好的线性度， 式中，[Pimax]为第二级放大器AMP的最大输入信号电平，[G]为放大器AMP的增益，[P-1]为放大器AMP的1 dB压缩点。第2级的数字步进衰减器和第1级数字步进衰减器都由同一个控制电路来控制，它们分别由ADC芯片输出的低位和高位数字输出信号来进行控制。根据实际系统动态范围的要求，在框图中，还可以再增加一级或多级放大器和衰减器。
图1 数字AGC框图
1.2 直接增益调节实现
图1中系统总的输出功率与检波器的检波截距，步进电压，各级放大器的增益，耦合器的耦合度，ADC芯片的模数转换阈值有关。一般而言，器件选定后，检波器的检波截距是确定的，而步进电压可以调节，固定增益放大器增益是确定的，而耦合电路的耦合度比较容易调节，ADC芯片的模数转换阈值也可以调节，通过这些可调量，可以实现当输入信号大于某一设定电平时，则通过数字步进衰减器衰减来进行信号幅度调节，保证输出信号的基本恒定，设图1框图中耦合器的耦合度为[C，]低噪放大器的增益为[G1，]第二级放大器AMP的增益为[G2，]对数检波器的检波截距为[Pzero，]对数检波的斜率(检波器1 dB输入变化所对应的步进电压)为[Ka，]ADC芯片模数转换的阈值电压为[Vs，]控制衰减器衰减1 dB所对应的模拟输入变化步进值为[Kd，]数字步进衰减器的最大衰减值为[Amax，]则可以得出系统动态范围由衰减器的衰减范围决定，输出信号[Pout]恒定为：
[Pout=Pzero+VsKa+G1+G2+C] (1)
此时的输入信号范围为：[Pzero+VsKa+C～Pzero+VsKa+][C+Amax。]而要保证输出信号基本恒定，就需要数字步进衰减器的衰减值和输入信号增大的值基本相等。也就是要求将[Ka]变换为[Kd，]在通常情况下，检波器和ADC芯片选定后，上述的两个值一般不相等，会成一定比例，可以在检波器输出和ADC芯片输入之间加入图2所示的比例电路来实现这一目的。图中，检波器的输出经过输入电阻[R1]后接运算放大器的同相输入端，[Rp]为平衡电阻，接运算放大器的同相输入端，[R，][Rf]为反馈电阻，接运算放大器的反相输入端，运算放大器的输出接ADC芯片的输入端。容易得到，ADC芯片的输入电压与检波管的输出电压之间的比例系数为[RfR1，]其中的电阻平衡条件为[14]：
[KdKa=VoVi=RfR1] (2)
[1R1+1Rp=1R+1Rf] (3)
图2 用于直接增益调节的子电路实现
当比例系数小于1时，则将反馈电阻[R]断开，而[Rf，R1，Rp]的值由式(2)和式(3)确定;当比例系数大于1时，则将平衡电阻[Rp]断开，而[R，Rf，R1]的阻值由式(2)和式(3)确定;当比例系数为1时，则将平衡电阻[Rp，]反馈电阻[R]断开，同时将[Rf，R1]的阻值取为相同值，当然，这种条件下，可以直接将检波管的模拟输出作为ADC的输入即可，无需进行模拟量的变换。对于特别简单的情形，可以通过调节检波管的电压步进值，使得[Kd，][Ka]满足关系式(2)。或者当检波器的驱动电流很大时，通过在检波管和ADC芯片输入之间用串联电阻分压的方法来实现这一目的。
1.3 高精度增益调节实现
数字AGC的增益调节的精度取决于所选取的数字步进衰减器的最小步进值[d，]如果需要将其精度提高一倍，即精度变为[d2，]则可以通过如图3所示的框图予以实现。
图3 更高精度数字AGC实现框图
比较图1和图3可以知道，其不同在于增加了一路控制信号，将放大的信号通过功分器分为两路，用两组衰减步进为[d]的数字步进衰减器进行控制，调节两路耦合器的耦合度，使得检波管输出的检波功率值相差0.5 LSB，从而使得两条射频通路不是同时衰减，而是隔0.5 LSB进行交替衰减。图3中功分器功率比[a][∶]1由下式确定：
[10-d10?a+1a+1=10-d20] (4)
即：
[a=10d20] (5)
目前市场上的数字步进衰减值的衰减步进值一般最小为[d=]0.5 dB，如果用这样的数字步进衰减器来实现图3的框图，精度可以达到0.25 dB，其中，功分器的功率分配比为[a=1.059][∶][1，]近似为3 dB功分器。对于实现更高精度的增益控制，可以将射频通路分为更多通路。
1.4 模数转换中的数值抖动问题
通过图4所示的测试设备，对图1所示的数字AGC板(图4中DUT)进行测试，信号发生器产生900.01 MHz的非调制信号，数字AGC板的输出接频谱分析仪，可以发现，大多数情况下，它能够实现前述的数字AGC功能，数字AGC板的输出频谱正常，如图5所示。然而，对于某些特定的输入功率点，DUT使得输入信号的频谱恶化，如图6所示。
图4 AGC测试示意图
图5 正常条件下的数字AGC板的输出频谱
图6 模数转换数值抖动引起的频谱恶化
理想ADC的传输函数如图7所示[11]，从图7可以看出，传输函数为阶梯状，模拟输入每隔LSB会出现一个阶梯，在每一个梯级中，相邻的两个数字输出会对应同一个模拟输入信号，即此时同一个模拟输入对应两个数字信号输出。在测试数字AGC板的过程中，通过使用示波器测试频谱恶化时ADC输出的数字信号，可以发现：其数字信号随时间确实在不断跳变，即此时的模拟输入信号确实处于临界点，同时，进一步的测试可以发现，将输入信号稍微增大或者减小一点，则不再出现上述的现象，这与图7的传输函数是一致的。因此，可以断定，在特定输入功率点出现频谱恶化现象是由于模拟输入信号处于ADC时两个输出数字信号的跳变点，数字信号不断跳变，引起衰减量不断跳变 ，相当于对输入信号进行了调幅。
图7 理想ADC的传输函数
2 模数转换数值抖动消除电路
2.1 数值抖动消除方法比较
为了解决前述的问题，方法之一是降低工作频率，对于应用于GSM接收机中的情形，由于GSM的一个时隙只有576 μs，这会使得接收机AGC的实时性不够。 方法之二是采用平均的方法，然而，它也会降低系统的实时性，因为，完全有可能出现这样的情形，在取平均的时间内，输入信号确实发生了较大改变，需要接收机能够实时进行增益控制。此方法中，平均的时间或次数越多，误判的概率也越大，同时，平均的次数又不能太少，否则不能完全避免上述频谱恶化现象。采用软件平均的方法，需要增加输入输出接口，同时还需要数据处理单元。文献[12]提出的方法中，在开始运算时，先将计数器和[2a]位寄存器清零，其中[a]为模数转换的输出数字信号的位数。然后将模拟输入量进行模数转换，得到[a]位输出数字信号，将此数字信号与[2a]位寄存器内的数值求和，并将计数器加1进行计数，重复上述过程，直到计数器计数为2a-1为止，取出寄存器的高[a]位数据作为模数转换的有效值，并将寄存器和计数器清零，以进行下一次运算。从上述过程可以看出，实际上这是一种硬件实现平均的方法，因此，上述的方法也存在实时性问题，另外，其电路实现也比较复杂。
2.2 数值抖动消除电路设计
鉴于以上的问题，可以采用图8所示框图来实现数字AGC功能。主射频通路与图1所示框图相同，不同在于对数字步进衰减器的控制上，通过微带耦合的方式耦合两路进行功率检测，其中的耦合度相差值很小，这样保证功率检测的模拟电压值相差很小，经过ADC后，其转换的数字信号相差很小，但有一定差值。两路中一路与图1中所示的控制衰减信号的框图相同，第二路用两个D触发器将前后两个脉冲的输出数字信号进行暂存，并输入异或门电路，用异或门的输出控制另一路D触发器的时钟。这样，只有第二路模数转换时数字信号前后两个脉冲发生了跳变，异或门的输出才会为高电平，第一路的D触发器的时钟才有效。如果此时第一路模数转换后的输出数字信号也发生跳变，则第一路D触发器的输出数字信号会发生改变，即整个电路实现了增益调节，而若第一路模数转换后的输出数字信号维持不变，则第一路D触发器的输出数字信号也会维持不变，即整个电路没有进行增益调整。由于可以调节两个耦合支路的检波器输出的模拟电压，使得ADC在模拟输入不变的条件下不同时出现跳变，因此，上述电路可以消除ADC的数值抖动。只有输入模拟信号发生了改变，两路的ADC电路的输出数字信号才会同时发生变化，也才会使得控制数字步进衰减器衰减量的数字信号发生改变，从而进行增益调整。不难看出，对数字步进衰减器衰减量的控制是实时的，即实现了AGC的实时性。在相同的采样速率下，本文提出的AGC电路反应时间[t1]与文献[12]的AGC电路反应时间[t2]用模数转换的位数[a]表示，它们的关系为：
[t1t2=22a-1≈21-a] (6)
从式(2)可以看出，ADC的位数越多，则本文提出的硬件实现的实时控制能力越明显。
图8 模数转换数值抖动消除的数字AGC框图
3 测试结果
通过图4所示的测试设备，对按照图8设计的数字AGC板(图4中DUT)进行测试，数字AGC板能够很好实现AGC功能，其信号电平控制的精度在0.5 dB左右。在测试过程中，输入射频信号按照0.1 dB的步进增大，输出射频信号的频谱没有被恶化，即完全消除了ADC的数值抖动问题。
4 结 论
本文通过使用功率检测芯片，多级放大器组成的固定增益放大电路，数字步进衰减器，模数转换芯片实现了数字AGC的功能，并且增益控制直接用ADC输出的数字信号来实现。通过采用一路功率检测电路和ADC电路来控制D触发器的时钟信号，另一路功率检测电路和ADC电路输出的信号作为D触发器的数据输入，实现了模数转换中的数值抖动消除，提高了数字AGC电路的整体性能。
参考文献
[1] JEON O， FOX R M， MYERS B A. Analog AGC circuitry for a CMOS WLAN receiver [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 2006， 41(10)： 2291?2300.
[2] 李学初，高清运，秦世才.混合模式AGC设计[J].电子与信息学报，2007，29(11)：2791?2794.
[3] 张汉奇，黄战华，蔡敬忠.高性能自动增益控制(AGC)电路的设计与实现[J].电测与仪表，1998，35(7)：25?26.
[4] 贺欣.宽带大动态AGC电路设计[J].电子设计工程，2012，20(8)：167?170.
[5] 耿云辉，冯西安，张路，等.一种大动态范围AGC电路的设计与实现[J].微处理机，2012，33(3)：20?23.
[6] 杨佳，吴丹.数字AGC的设计与实现[J].无线通信技术，2007，33(1)：46?48.
[7]李周利，周学敏，黄天录.微波检波信号增益自动控制方法研究与实现[J].现代电子技术，2011，34(19)：75?80.
[8] 王星，李小文.移动通信中使用软件无线电实现AGC的一种方法[J].重庆邮电大学学报，2008，20(4)：379?382.
[9] 蒋勇，龙晓波.数字接收机自动增益控制工程实现方法[J].信息与电子工程，2009，7(3)：173?176.
[10] 崔嵬，吴嗣亮.一种新的数字接收机AGC电路[J].电子与信息学报，2008，30(8)：2025?2028.
[11] Maxim Integrated. INL/DNL measurements for high?speed analog?to?digital converters (ADCs) [EB/OL]. [2001?11?20].
[12] 龙逸，刘建伟，首召兵.获取模数转换有效值的方法和装置：中国，200810065281[P].2008?02?01.
[13] 贾锋，杨瑞民.射频接收前端的ADS设计与仿真[J].计算机工程与应用，2012(2)：1?6.
[14] 马敬敏.基于电阻平衡条件的同相求和运算电路设计[J].辽宁师范大学学报：自然科学版，2011，34(1)：51?53.
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