一種GPS接收機中自動增益控制的設計

任 建，黃海生

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

GPS（Global Position System）是全球定位系統的簡稱，目的是在全球范圍內對地面或空中目標進行準確定位和監測。隨著全球性空間定位信息應用的日益廣泛，GPS提供的定位服務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）系統是無線接收機的關鍵模塊[1]，對于GPS接收機來說，在實際的應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節增益，并且具有較大增益范圍的系統來控制信號的變化，這就是自動增益控制系統[2]。

自動增益控制系統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，當距離較近時信號可能會過強，距離遠時信號會較弱[3]。這時要求接收機能夠適應這種變化，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定。當接收機工作時，電壓的不穩定性、工藝參數、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，脈沖寬度調制（PWM）式自動增益控制在基帶芯片中實現[4]。

其工作原理為：自動增益控制放大器負責放大中頻信號保證其正常被A/D采樣為兩位數字信號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；脈沖寬度調制（PWM）式自動增益控制根據輸入的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制信號以重新調節自動增益控制放大器的增益；脈沖寬度譯碼器負責將這一脈沖寬度調制信號解調為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，達到自動調節放大器總增益的目的。

基帶中的AGC主要是完成對I路和Q路的MAG中1的個數進行一個統計，如果統計出的結果大于設定的閾值，那么就會增加輸出的增益調整脈沖寬度，使得信號增益降低；相反地，如果統計出的結果小于閾值，則減小增益調整脈沖寬度，使得信號增益增加[5]。

2 各模塊具體設計

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）控制開關的五級放大電路（agc5、agc43、agc21）級聯組成。每級agc放大電路由兩級不同增益的差分放大管串聯而成，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高電平有效的開關控制，集電極接同樣的負載電阻但發射極接負反饋電阻，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[6]。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為一帶通形狀。

2.2 脈沖寬度調制（PWM）式自動增益控制

圖1說明了脈沖寬度調制（PWM）式自動增益控制的硬件實現架構。這個模塊從數據分離器中取I和Q的幅度位（MAG）輸出，計算1ms內累加的I&Q或I|Q，即通過MAG信號的占空比計算當前AGC的增益。然后將計算結果與可編程的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器（RfThrHCnt）實現的，這個計數器的初始化值是在毫秒邊沿由13位可編程的RF閾值設定。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RF閾值減計數的最終結果送入下一級AGCCnt中。

圖1 AGC結構框圖Fig.1 Structure block diagram of AGC

RF閾值的設定原理如下：在I|Q的情況下，對1msI和Q中1的個數進行累加。在整個1 ms的數據中，出現1的概率為0.3，出現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A6B8。

AGCGain由一個可加/減計數器（AGCCnt）來實現。這個計數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）設定。若1 ms內RF閾值減計數的結果為0時，則 AGC Gain值加“1”；若 1 ms內RF閾值減計數的結果不為 0時，則AGC Gain值減“1”；最終每1 ms輸出一個AGCGain值 （為6位二進制數），從一個毫秒到另一個毫秒AGCGain 值加“1”或減“1”。

AGCGain值可以通過PWM模式輸出，將AGCGain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，數據的脈沖寬度等于（AGC gain+1）*（period of ACQCLK/7），其時序如圖 2 所示。

圖2 PWM模式的時序圖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、邏輯轉換部分、計數器部分、數據輸出部分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時鐘上升沿到來后延時7個時鐘周期后觸發數據。

邏輯轉換部分產生3個邏輯：1）將AGCDATA串行脈寬數據（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，變為可處理的脈寬數據，其脈沖寬度[7]中包含M-14個時鐘周期，記為DATA0信號。2）產生比AGCDATA串行脈寬數據的上升沿延時T個時鐘周期，寬度為7個時鐘周期的RESET信號。3）產生比AGCDATA串行脈寬數據的下降沿延時2T個時鐘周期，寬度為T個時鐘周期的觸發時鐘信號，記為CLK0信號。

計數器部分由若干個分頻模塊組成。其操作過程如下：在AGCDATA串行脈寬數據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位。分頻模塊進行復位后，在AGCDATA串行脈寬數據的一個脈寬上升沿來臨后延時9個時鐘周期，DATA0數據輸入，進入DIV7cmos模塊，其分頻機制如下：因為DIV3cmos模塊中包含兩個D觸發器，當DATA0數據的第一個上升沿到來后不輸出數據，到第二個上升沿到來后觸發輸出第一個上升沿，以后每隔3個上升沿觸發一次，占空比為1：2。

總結輸入數據DATA0與輸出數據所包含的上升沿的關系：

若DIV3cmos模塊輸出的數據中包含N個上升沿，則

下面進入若干個二分頻器模塊（組成計數器），數出每個輸入數據所包含的上升沿數，并將結果送入數據輸出部分。

B2～B5以后逐次進位。

數據輸出部分由CLK0信號觸發數據，即在AGCDATA串行脈寬數據的一個脈寬下降沿來臨后延時6個時鐘周期輸出由計數器部分計出的數據。

3 仿真結果

1）前仿結果：

①增益列表及步長如表1所示。

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

由上可知：Gain Range=54.04 dB。②頻率響應如表2所示。

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

由上可知：agc的小信號－3dB帶寬在12M左右。

2）Worst Case仿真結果如表3所示。

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

3）負載影響：

負載接adc后基本不影響agc增益。

4 結束語

用38f0下的AGC閾值和初值，導致的一個結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。對這個現象的解釋暫時不清楚。

[1]王廣運，郭秉義，李洪濤.差分GPS定位技術與應用[M].北京:電子工業出版社，1996.

[2]崔嵬，吳嗣亮.一種新的數字接收機AGC電路[J].電子與信息學報，2008，30（8）:1-7.CUI Wei，WU Si-liang.A new AGC circuitry for digital receiver[J].Jourr-nal of Electronics&Information Technology，2008，30（8）:1-7.

[3]Spilker Jr.，James J..Global Positioning System:Theory and Applications，Vols.1 and 2[M].Washington DC:American Instiute of Aeronautics and Astronautics，1996.

[4]Proakis，J.，Digital Communications，4th ed[M].New York:McGraw-Hill，2000.

[5]Black H.Satellites for Earth Surveying and Ocean Navigating[J].Johns Hopkins APL Technicla Digest，1981（2）:3-13.

[6]James Bao-Yen Tsui.Fundamentals of Global Positioning System Receivers-A Software Approach[M].Hoboken，New Jersey:JOHN WILEY&SONS，INC.Publication，2005.

[7]石芳,鄭文松.脈寬調制芯片在高壓發生電路中的應用[J].火箭推進，2012（1）:68-71，75.SHI Fang，ZHENG Wen-song.Application of pulse-width modulation chip in high-voltage generating circuit[J].Journal of Rocket Propulsion，2012（1）:68-71，75.