摘要：在GPS接收機中，由于不同的傳輸距離以及多路徑衰減的效應(yīng)，使得接收機收到的信號強度是不固定的，所以采用一個自動增益控制電路來將信號強度處理成一個固定的強度大小。本文的目的在于，分析與設(shè)計一個應(yīng)用與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的自動增益控制電路。介紹了自動增益控制的原理，對相關(guān)的電路設(shè)計進行了分析，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的影響。自動增益控制(Automatic Gain Control)系統(tǒng)是無線接收機的關(guān)鍵模塊，對于GPS接收機來說，在實際的應(yīng)用中進入接收機頻帶的信號很多，除了有用信號，噪聲的干擾、環(huán)境的變化都會使信號起伏變化，影響信號的處理，基于以上目的需要一種能夠自動調(diào)節(jié)增益，并且具有較大增益范圍的系統(tǒng)來控制信號的變化，這就是自動增益控制系統(tǒng)。

自動增益控制系統(tǒng)在接收機中主要完成以下兩方面工作：第一，防止信號過大引起接收機過載。對于接收信號來說由于距離不同，接收信號也有強弱之分，當(dāng)距離較近時信號可能會過強，距離遠時信號會較弱。這時要求接收機能夠適應(yīng)這種變化，信號強時減小接收機增益，信號弱時增大接收機增益。第二，補償接收機增益不穩(wěn)定。當(dāng)接收機工作時，電壓的不穩(wěn)定性、工藝參數(shù)、溫度的變化都會引起增益起伏，自動增益控制就是補償由接收機本身造成的誤差。

1 AGC工作原理概述

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

其工作原理為：自動增益控制放大器負責(zé)放大中頻信號保證其正常被A/D采樣為兩位數(shù)字信號SIGN、MAG，其中MAG信號的占空比反映了中頻信號的幅度，即在一定程度上反映了自動增益控制放大器的增益;脈沖寬度調(diào)制(PWM)式自動增益控制根據(jù)輸入的MAG信號(可能為I|Q分離后的MAG信號)對信號增益進行控制，并最終反饋輸出一個脈沖寬度調(diào)制信號以重新調(diào)節(jié)自動增益控制放大器的增益;脈沖寬度譯碼器負責(zé)將這一脈沖寬度調(diào)制信號解調(diào)為5位二進制增益控制字，并輸出到自動增益控制放大器的每一個增益級，達到自動調(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的個數(shù)進行一個統(tǒng)計，如果統(tǒng)計出的結(jié)果大于設(shè)定的閾值，那么就會增加輸出的增益調(diào)整脈沖寬度，使得信號增益降低;相反地，如果統(tǒng)計出的結(jié)果小于閾值，則減小增益調(diào)整脈沖寬度，使得信號增益增加。

2 各模塊具體設(shè)計

2.1 自動增益控制放大器

自動增益控制放大器由5位二進制增益控制字(B1～B5)控制開關(guān)的五級放大電路(agc5、agc43、agc21)級聯(lián)組成。每級agc放大電路由兩級不同增益的差分放大管串聯(lián)而成，偏置電路為每級差分對放大管提供相同的尾電流，其中一級放大管由B1～B5低電平有效的開關(guān)控制，集電極接大的負載電阻，為高增益放大級;另一級放大管由B1～B5高電平有效的開關(guān)控制，集電極接同樣的負載電阻但發(fā)射極接負反饋電阻，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。這樣，B1～B5不同的邏輯位控制輸出不同的增益。

各級放大管增益的設(shè)計遵循以下原則：

agc5、agc43采用阻容級間耦合方式，agc21采用直接耦合方式，并在輸出接有電壓buffer以保證放大器的負載能力。耦合阻容額外提供了整個放大器的上限頻率，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)式自動增益控制

圖1說明了脈沖寬度調(diào)制(PWM)式自動增益控制的硬件實現(xiàn)架構(gòu)。這個模塊從數(shù)據(jù)分離器中取I和Q的幅度位(MAG)輸出，計算1ms內(nèi)累加的I&Q或I|Q，即通過MAG信號的占空比計算當(dāng)前AGC的增益。然后將計算結(jié)果與可編程的RF閾值(由寄存器寫入)做比較，以此來決定下一個毫秒 AGC的增益。累加和比較操作是通過一個減計數(shù)器(RfThrHCnt)實現(xiàn)的，這個計數(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閾值減計數(shù)的最終結(jié)果送入下一級 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的個數(shù)進行累加。在整個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由一個可加/減計數(shù)器(AGC Cnt)來實現(xiàn)。這個計數(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閾值減計數(shù)的結(jié)果為0時，則AGC Gain值加“1”;若1 ms內(nèi)RF閾值減計數(shù)的結(jié)果不為0時，則AGC Gain值減“1”;最終每1 ms輸出一個AGC Gain值(為6位二進制數(shù))，從一個毫秒到另一個毫秒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分頻后的時鐘做一運算，輸出脈寬信號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)，其時序如圖2所示。

2.3 脈沖寬度譯碼器

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

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

邏輯轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生3個邏輯：1)將AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)(一個脈寬包含M個時鐘周期)的上升沿延時3T(T為7個時鐘周期)個時鐘單位，下降沿延時 T個單位并與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個時鐘周期，記為DATA0信號。2)產(chǎn)生比AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的上升沿延時T個時鐘周期，寬度為7個時鐘周期的RESET信號。3)產(chǎn)生比AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的下降沿延時2T個時鐘周期，寬度為T個時鐘周期的觸發(fā)時鐘信號，記為CLK0信號。

計數(shù)器部分由若干個分頻模塊組成。其操作過程如下：在AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的一個脈寬上升沿來臨后延時3個時鐘周期接收到RESET信號，對所有的分頻模塊進行復(fù)位。分頻模塊進行復(fù)位后，在AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的一個脈寬上升沿來臨后延時9個時鐘周期，DATA0數(shù)據(jù)輸入，進入 DIV7cmos模塊，其分頻機制如下：因為DIV3cmos模塊中包含兩個D觸發(fā)器，當(dāng)DATA0數(shù)據(jù)的第一個上升沿到來后不輸出數(shù)據(jù)，到第二個上升沿到來后觸發(fā)輸出第一個上升沿，以后每隔3個上升沿觸發(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個上升沿 0

2個上升沿 1

5個上升沿 2

8個上升沿 3

下面進入若干個二分頻器模塊(組成計數(shù)器)，數(shù)出每個輸入數(shù)據(jù)所包含的上升沿數(shù)，并將結(jié)果送入數(shù)據(jù)輸出部分。

B1處計數(shù)結(jié)果應(yīng)為：

B2～B5以后逐次進位。

數(shù)據(jù)輸出部分由CLK0信號觸發(fā)數(shù)據(jù)，即在AGCDATA串行脈寬數(shù)據(jù)的一個脈寬下降沿來臨后延時6個時鐘周期輸出由計數(shù)器部分計出的數(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-3dB帶寬在12M左右。

2)Worst Case仿真結(jié)果如表3所示。

GPS接收機中自動增益控制的設(shè)計" />

3)負載影響：

負載接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。對這個現(xiàn)象的解釋暫時不清楚。