任 建，黃海生

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121；2.西安郵電大學(xué) 研究生學(xué)院，陜西 西安 710121）

GPS（Global Position System）是全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，目的是在全球范圍內(nèi)對(duì)地面或空中目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和監(jiān)測(cè)。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(lái)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(wú)線接收機(jī)的關(guān)鍵模塊[1]，對(duì)于GPS接收機(jī)來(lái)說(shuō)，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(lái)控制信號(hào)的變化，這就是自動(dòng)增益控制系統(tǒng)[2]。

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(guò)大引起接收機(jī)過(guò)載。對(duì)于接收信號(hào)來(lái)說(shuō)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(guò)強(qiáng)，距離遠(yuǎn)時(shí)信號(hào)會(huì)較弱[3]。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)[4]。

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(duì)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(duì)I路和Q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[5]。

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(duì)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[6]。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(shuō)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I&Q或I|Q，即通過(guò)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(lái)決定下一個(gè)毫秒AGC的增益。累加和比較操作是通過(guò)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I&Q或I|Q為0，則RF閾值保持不變；若I&Q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)AGCCnt中。

圖1 AGC結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of AGC

RF閾值的設(shè)定原理如下：在I|Q的情況下，對(duì)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0.3×0.3=0.09，I=1，Q=0 的 概 率 為 0.3×0.7=0.21，I=0，Q=1 的 概 率 為0.3×0.7=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=（1 023×38/2）×0.51≈9 913=26B8.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)6B8。

AGCGain由一個(gè)可加/減計(jì)數(shù)器（AGCCnt）來(lái)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)AGCGain值 （為6位二進(jìn)制數(shù)），從一個(gè)毫秒到另一個(gè)毫秒AGCGain 值加“1”或減“1”。

AGCGain值可以通過(guò)PWM模式輸出，將AGCGain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（AGC gain+1）*（period of ACQCLK/7），其時(shí)序如圖 2 所示。

圖2 PWM模式的時(shí)序圖Fig.2 Sequence diagram of PWM mode

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(lái)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(lái)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[7]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(guò)程如下：在AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的一個(gè)脈寬上升沿來(lái)臨后延時(shí)3個(gè)時(shí)鐘周期接收到RESET信號(hào)，對(duì)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(lái)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(lái)后不輸出數(shù)據(jù)，到第二個(gè)上升沿到來(lái)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：

若DIV3cmos模塊輸出的數(shù)據(jù)中包含N個(gè)上升沿，則

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。

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(lái)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(zhǎng)如表1所示。

表1 前仿真的增益列表及步長(zhǎng)Tab.1 Gain list and step length of first simulation

由上可知：Gain Range=54.04 dB。②頻率響應(yīng)如表2所示。

表2 前仿真的頻率響應(yīng)Tab.2 Frequency response of first simulation

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。

表3 Worst Case仿真的增益列表及步長(zhǎng)Tab.3 Gain list and step length of Worst Case simulation

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(yǔ)

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(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋暫時(shí)不清楚。

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