接收机变频器自动增益控制技术实现

接收机变频器自动增益控制技术实现

魏振生 朱云茂 宋来祥 马强

河南安彩高科股份有限公司 河南安阳 455000

摘要:自动控制增益技术在接收机变频器中有着非常重要的作用，输入信号的电平与接收机的增益对接收机的输出电平有很大影响。自动增益控制技术能够保证接收机在接收不同程度的信号时，使增益保持稳定的状态，同时输出信号也能够始终保持合适的电平。对于自动增益控制实现需要利用反馈网络、电压比较器、误差检测器和定标器以及环路滤波器中的累加器，实现接收机变频器自动增益控制。本文对接收机变频器自动增益控制技术实现进行探讨。

关键词：接收机；变频器；自动增益；控制技术

一、接收机变频的原理及控制方法

变频器又可称为变频电路，用于通信接收机中，可以提升接收机的敏捷效果。变频器是对信号载频进行调制，变成新的信号载频，新的信号载频的调幅、调频、调相、调制参数和频谱结构没有发生任何改变。图1为变频器变频前后的波形图。

图1 变频器变频前后的波形图

图1中，u1(t)为接收到的有用信号;u2(t)为接收到的有用信号通过变频调制为中频信号。在通常情况下，通过输入信号us(t)和本振信号uL(t)在非线性器件内进行时间域内相乘，根据滤波器获取固定的中频。接收机变频的原理框架图如图2所示。

图2 接收机变频原理框架图

通过接收机变频的原理，实现信号的频谱控制，高品质的接收机变频包含电压比较器和误差定标器，具有输出电压信号较少的特点。通过电压比较器获取误差信号，利用误差定标器对误差值进行处理生成增益控制信号，从而控制增益变化。

二、自动增益控制技术的设计

自动增益控制需要控制的是信号幅度，因此，引入电压比较器，控制信号发生器以及可控增益放大器，实现自动增益控制。其实现流程如图3所示。

图3 自动增益控制实现流程图

1、引入电压比较器

自动增益控制技术的性能由增益控制算法决定，首先对幅度信号进行提取。对于幅度信号的提取，设置环路滤波器的截止频率，调制信号的频率变化比设置的频率高时，自动增益控制不会产生反应，而调制信号的频率变化低于设置的频率时，自动增益控制才会产生控制作用。其次，自动增益控制一般控制的就是I/O两路的信号幅度，反馈回的反馈信息却不仅仅是I/O两路的信号幅度值，还有自动增益控制感兴趣的信号分量理解为电压值，也是提取的反馈信息。对于反馈信息的提取，为了避免出现实际输出不能达到期望值的情况，需要根据实际需求对电压比较器的参考量进行不同的设置。另外还需利用电压比较器产生误差信号，方便控制信号发生器产生控制信号。选择引入LM393电压比较器，电压比较器保持工作状态时，自动增益控制的输出特性如图4所示。

图4自动增益控制输出特性

当输入信号S₀大于S_min，反馈电路保持畅通，控制信号产生器产生误差信号，增益开始发生改变，但是输出信号S'基本保持稳定。当输入信号S₀大于S_max时，会出现以上情况，所以S'_min和S'_max区间是对应的输出信号的动态范围，S_min和Smax区间就是所容许的输入信号的动态范围。反之当输入信号S₀小于S_min时，电压比较器工作出现暂停情况，反馈电路断开，自动增益控制不起作用，此时输出信号S'与输入信号S₀呈线性关系。从LM393电压比较器中获得误差信号后，控制信号发生器利用误差信号产生控制信号，方便进一步通过环路滤波器控制增益变化。将获得的误差信号与一定的增益相乘，通过可控增益放大器捕获到相乘结果，此时的控制其实就是增益变化的部分。将获得的误差信号作为输入，计算误差值。

2、计算自动增益的误差值

通过误差检测器求误差信号，需要对误差检测阈值进行设置，利用设置好的阈值与坐标变换模块输出的幅度值相减，获得输出误差值，误差检测器需要实现的是一个减法器的功能。其结构如图5所示。

图5 误差检测器结构

利用图5中补码减法器计算误差值，输入输出数据需要采用补码的形式来表示。图中AGC_COC_1B表示反馈幅值输入，AGC_CTＲ_1B表示设置的误差检测阈值，AGC_CON_1B表示输出的误差值。电压比较器中的参考量就是误差检测阈值，一般情况下参数THＲ为13位，其中10位为小数，在实际应用中误差检测阈值的最高位始终设置为0，补码减法器中被减数的范围为0～+3.99，也是误差检测阈值的范围。输出的幅值经过I/O两路进入坐标变换模块，生成幅度和相位，输出的幅度值由公式决定，公式如下:

（1）

式中，1.4656是引入的增益因子，幅度值的上限由误差检测器中的的I/O两路信号的电平决定，可确定输出幅值的范围是0～2.32，那么经过补码减法器计算结果的范围为－2.32～+3.99。得到范围后，输出误差值。

3、生成增益控制信号

输出误差值后，利用误差定标器生成控制信号输出，以达到自动控制增益的目的。也就是说误差定标器起到控制信号发生器的作用。其结构框图如图6所示。

图6 误差定标器结构

为了计算误差值，将输入信号设为补码，但是为了生成增益控制信号需要采用乘法运算，对输入信号进行格式转换，将其转换为原码进行移位运算处理。原码和补码需要按照一定的规则进行转换，转换完成后使用加法树结构实现无符号数乘法。

使用加法树结构的乘法器采用的是并行结构，为了始终保持高速处理需要消耗大量资源，而随着操作数位的增加，本身自带的各项属性都自动提升，组合逻辑也得到提升，变得越来越强大。这时可以按照实际需求插入寄存器。

结束语

近年来无线电技术发展迅速，被广泛地应用到各行各业中。通过电压比较器，误差检测器，误差定标器以及环路滤波器实现了接收机变频器自动增益控制，通过仿真测试验证了自动增益控制拥有完整的控制结构，并且在实际应用中能够正常工作，发挥其功能。

参考文献

［1］邢燕，赵爱萍，陈颖鸣．接收机下变频器噪声系数测试方法研究［J］．时间频率学报，2016，(2):104－110．

［2］梁娟．基于CMOS工艺的自动增益控制电路研究［J］．计算机测量与控制，2017，25(7):264－268．