一种随机采样技术在自动增益控制放大器中的应用

刘哲豪

（山东省烟台市青华中学，山东烟台，264000）

0 引言

自从麦克斯韦预言了电磁波的存在并总结了电磁波的存在和传播规律之后，一大批的科学家投身入无线通信研究中，无线通信技术日新月异。无线通信在人类的历史发展进程中占有着不可替代的作用。直到今天，各类无线通信技术还在飞速发展。一个典型的无线通信系统如图1所示[1]。

图1 射频前端结构框图

图2 传统AGC架构

电磁波从发射机发射后经过无线传播，由于在传播过程中受环境条件变化影响，发射机或接收机的位置、方向变化等因素导致到达接收及天线的电磁波信号强弱无法确定，这就需要自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)放大器来对接收信号的强度进行控制。

自动增益控制(AGC)，顾名思义，就是根据输入信号的强度不同来自动调节放大器的增益，当输入信号过大时降低增益，当输入信号过小时提高增益，使得输出信号强度保持为一个固定值，方便后级电路对信号进行统一处理。自动增益控制放大器在收发系统链路中有着举足轻重的地位。

传统的AGC框架如图2所示[2]，核心部件为一个可控增益放大器，其增益受一个直流电压控制，增益随着这个直流控制电压的变化而变化，所以可以通过给改放大器预置一个合适的直流电压来使得放大器达到想要的增益值，这个直流电压可以通过单片机控制DAC来产生。输入信号经过其放大后，从其输出信号取样通过整流电路进行整流，将双极性信号转化为单极性信号，然后经过一个低通滤波电路，将整流后的信号过滤平滑后变成直流信号，该直流信号幅度大小与放大器输出的交流信号的平均值成正比，然后通过AD采样这个直流信号就可以换算出输出的交流信号大小。在单片机内部将这个信号大小与所需要的输出信号强度值进行比较，如果比预期偏大，则单片机控制DA输出电压使得放大器增益降低，以达到降低输出信号的目的，反之亦然。这样就形成了一个闭环的负反馈系统，输出信号始终能保持在一个预期的目标值。可以在反馈链路中加入PID控制，以加快系统的调节速度、降低调节误差、改善系统的动态性能[3]，这不是本文将要重点讨论的。

1 随机采样技术分析

在传统的AGC链路中，整流滤波电路似乎是一个必不可少的部分，而且这一部分电路的性能好坏将决定输出信号控制的准确度与反应速度，设计过程需要进行仔细调节。本文就提出了一种不需要这部分整流滤波功能的AGC电路，反馈信号直接输入到ADC管脚进行采样，由于不需要恢复出原始信号，所以在这里AD的采样率与输出信号的频率并不需要满足奈奎斯特采样定律，使用一个比信号频率低得多的采样率即可，这就对AD芯片的性能降低了要求，使用单片机自带的ADC即可满足一般应用要求。这样省去了整理滤波部分的元件成本、减小了PCB占用空间，也减少了整个系统的设计调试时间，大大降低了AGC系统的成本。

改进后的AGC系统链路如图3所示，本系统由基于宽带低噪声放大器OPA820的固定增益放大电路、以宽带压控增益放大器VCA821为核心的可控增益放大电路、基于THS3091的功率放大电路、基于MSP430G2553的单片机控制模块四部分组成；其中VCA821增益控制端电压由单片机控制高精度数/模转换器（DAC）TLV5618产生。由单片机内置的模数转换器（ADC）对输出电压采样并进行比例/积分（PI）控制后,实现在10mVpp到1Vpp输入下，输出电压保持5V不变；并可以数字显示输入电压和输出电压。

图3 改进后的AGC系统链路

可以看出，与传统的AGC架构相比，本系统省略了输出信号到ADC之间复杂的整流滤波电路，而是只有两个电阻分压后经过一个简单的加法器，用来将双极性信号加上一个直流电压，以匹配ADC的输入范围。

在ADC采样时进行随机采样，即以随机的时间间隔对信号进行采样，在采样点足够多的情况下，在众多采集到的值中寻找最大的几个值和最小的几个值，对这几个最大最小值分别求算术平均值得到Umax和Umin，则认为输入信号的峰峰值Upp即二者的差值。

可以看出，ADC的采样间隔时间是随机的，必须要保证足够多的采样点数，才能够将采样点中采到最大最小值的概率提高，点数越多，概率越高，控制就越准确，但是过多的采样点会造成采样总时间过长，降低了整个环路的反馈跟踪速度，所以应该在速度和精度之间进行权衡，选择一个合适的点数。之所以需要取最大和最小的几个指分别进行算术平均，是为了防止由于其他原因导致的采样点中出现个别超出实际信号峰峰值的坏点，如果将这些坏点的值当作真实信号的最大最小值，将对之后的放大器增益产生错误的控制。取几个点进行平均后，大大降低了输出受个别坏点影响的程度，保证了对输出信号幅度的正确采样和控制。

2 系统架构，实测结果

按照上一节的系统框架进行原理图绘制并制作最终的实物，对所提出的随机采样技术进行验证，制作调试完成的AGC放大器如图4所示。

图4 最终实物

设计目标是在输入信号从10mVpp到1Vpp范围内，输出信号均保持为5Vpp，表1列出了输入信号分别为10mVpp、200mVpp、1Vpp时，频率从3Hz到50MHz范围内的测量结果。

从测试结果可以看出，在不同的输入信号幅度时，基本都是在频率为20Hz处开始输出信号已经达到预期的5Vpp附近，误差小于0.05V，随着频率升高，输出信号幅度在5Vpp附近上下浮动，在20Hz到30MHz范围内，浮动误差均小于0.1V。

3 带宽限制分析

可以看到，在频率特别低的时候，放大器的增益不能达到预期的值。为了防止直流漂移经过逐级放大最后导致输出信号漂出所需范围，各级放大器之间使用了电容进行级间耦合，阻断直流导通交流信号，所以对于频率特别低的信号不能良好地通过该耦合电容，相当于每一级之间的电容对信号都有一个衰减，各级放大器能提供的最大增益与各级电容的衰减总量之差小于所需增益，导致经过整个链路的信号不能被放大到预期的值。

随着频率升高，在一段较宽的频带内其输出信号都能比较稳定地维持在所需的值附近。但当频率升高到30MHz以上时，可以看出随着频率升高其输出值有变大的趋势。可能的原因是由于频率升高以后，电路的寄生效应逐渐呈现出来[4]，从输出信号反馈到单片机的ADC采样管脚的路径中，有一部分电路是手工焊接的，另一部分是50Ω的同轴线，导致反馈路径的阻抗不连续，部分信号会反射回去，导致ADC采样得到的值小于实际输出信号值。实际调试过程中，使用示波器测量ADC采样管脚上的电压，证明了以上原因是正确的，其电压低于放大器的实际输出电压。

表1 测试结果

4 结论

本文简述了传统AGC的原理，提出了一种随机采样技术，应用这种技术可以省去传统架构中的整流滤波电路，大大节省成本。然后制作了实物验证了提出的随机采样技术的可行性，制作的AGC系统能在在输入信号在10mVpp到1Vpp范围内保证输出信号稳定在5Vpp，在20Hz到30MHz范围内保持良好的自动增益控制性能。最后针对实测结果中低频和高频的异常结果进行了合理的分析和验证。