無線接收機可變增益放大器的設計與實現

于 蕾， 單明廣， 黃志金， 潘大鵬， 肖易寒

（哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，哈爾濱150001）

0 引 言

在現代社會中，無線通信充斥在這個世界的每個角落，讓一切都變得更加方便［1］。無線通信也因為自然界中的各種不可預測的因素受到了許多制約，造成傳輸信號的嚴重衰減，信號摻入噪聲等情況［2］。導致到達接收端的信號很弱或者信號強度有很大的起伏變化，無法很好地進行信號接收和處理。

本文設計了一種可用于信號接收機前端的可變增益放大器，實現對經過自然界衰減的信號進行調整，使進入接收端的信號盡可能地可靠和穩定，以便更好地進行信號接收和處理［3］。放大器的可變增益設置和自動增益控制兩種模式可以切換，使用更加靈活，適用情況更為廣泛。

1 系統的結構與功能

課題要求技術指標如下：放大器輸入信號中心頻率為50 MHz且有超過4 MHz頻帶寬度，系統最大增益要超過60 dB。同時在20 dB以上可以以6 dB步進線性可調。

本文設計的可變增益放大器主要結構有固定增益放大、壓控增益放大、輸出反饋、數字與模擬轉換和人機交互等模塊。

如圖1所示，使用前后兩級固定增益放大器與中間級聯的電壓控制放大器構成系統的放大電路部分［4］，共同達到最大增益和可變增益的要求?？刂撇糠诌x用STM32單片機作為控制芯片，反饋電路由檢波器AD8361構成；數字與模擬轉換模塊為單片機內部的A／DC和D／AC部分；人機交互界面分為按鍵輸入與LCD液晶顯示兩部分。

按鍵輸入控制信息給單片機，單片機通過內部D／AC模塊輸出控制電壓。此控制電壓用于控制壓控放大器的增益，改變整個放大電路的增益。反饋電路將得到的放大電路輸出信號通過A／DC模塊傳入單片機，用來與鍵入值比較和LCD液晶屏顯示。

在自動增益模式下，通過按鍵輸入可以設置系統輸出信號的峰峰值（Upp），放大器自動調整增益，以實現輸入信號起伏時有穩定的信號輸出，并在LCD液晶屏上實時顯示出設置的預期值和檢測的系統輸出值。

圖1 放大器結構圖

2 硬件電路設計

2.1 固定增益放大電路

放大電路中使用放大器OPA847和OPA657分別完成前級放大和后級放大，實現固定增益的功能。OPA847和OPA657都是寬帶超低噪聲電壓反饋運算放大器，在較高頻率下仍能保持良好的放大性能［5-6］。

在應用電路方面也極其相似，如圖2、3所示，都采用反相信號輸入的連接方式，使用可變電阻來調整增益，使在實際電路中到達前級放大5倍，后級放大2倍的功能。

2.2 壓控增益放大電路

中間壓控放大器采用兩級AD603級聯。AD603是一款低噪聲、低功耗的芯片?？梢酝ㄟ^改變FDBK和VOUT兩個接口的配置，有90 MHz、30 MHz和9 MHz 3種帶寬工作模式［7］。不同的帶寬也對應不同的增益范圍，這里選擇90 MHz的寬頻帶模式，此時增益范圍為－11 dB～＋31 dB。電路連接如圖4所示。

圖2 OAP847放大電路圖

圖3 OPA657放大電路圖

圖4 壓控放大電路圖

2.3 反饋電路

反饋電路選用均值響應功率檢波器AD8361，它最高可以在2．5 GHz的高頻情況下工作且AD8361的輸出電壓與輸入信號的峰峰值成穩定的線性關系［8］。

反饋電路如圖5所示，這里將IREF引腳懸空，SREF引腳接地，配置成內部參考模式。由于STM32單片機的A／DC模塊的模擬輸入不能超過VCC（3．3 V），為防止反饋電路輸出的電壓超出A／DC模塊輸入范圍，在反饋電路輸入端加入電阻衰減使AD8361輸入信號衰減為1／3。

圖5 反饋電路圖

2.4 STM32單片機

圖6 單片機連接電路圖

設計采用STM32F103ZET6作為控制芯片，設計中使用的電路如圖6所示。接在STM32的PE4、PE3、PE2接口，且為低電平觸發；按鍵S4連接在單片機的PA0接口，為高電平觸發。

液晶顯示模塊中，LCD1602的GND和VCC為電源接口，由直流電源直接供電；V0接口用于字符與背景對比度調節，通過電位器連接到電源。RS為控制選擇連接至單片機PG2引腳；RW為讀寫選擇，連接至PG4引腳；EN為使能端，連接至PG6引腳。LCD的接口D0～D7為8位數據端，連接的是單片機PORTD的低8位：PD0～PD7引腳。第15和16引腳為液晶的背光電源。

3 軟件設計

軟件設計采用模塊化編程方法，分別實現模擬輸入、模擬輸出、按鍵輸入和LCD液晶顯示等功能；將這些功能模塊綜合起來實現自動增益和可變增益控制功能；在主函數中完成模式切換功能。由單一到綜合，最終構成一個功能豐富、結構完整的控制部分程序。

3.1 可變增益模式設計

在可變增益模式下，通過測試得到整體放大電路的增益與壓控放大器的控制電壓的關系，想要放大器實現的增益值可以通過按鍵輸入設置，在按鍵掃描后得到鍵入的增益值，根據系統增益與控制電壓的關系計算出所需的控制電壓大小，單片機控制片內D／AC模塊輸出所需的控制電壓，即可實現準確設置系統增益的功能［11］。

同時反饋電路實時檢測系統輸出電壓的峰峰值，并經過A／DC模塊轉換反饋到單片機內。LCD液晶顯示模塊實時顯示出系統輸出信號峰峰值和設置的系統增益值［12］。如圖7所示。

3.2 自動增益模式設計

在自動增益控制模式下，反饋電路實時檢測系統輸出電壓的峰峰值，并經過A／DC模塊轉換反饋到單片機內。通過按鍵輸入可以設置預期的系統輸出信號峰峰值。然后此預設值與反饋值進行比較，當它們之間的差值不超過8 mV峰峰值時，即認為輸出穩定達到預設值；當差值超過8 mV峰峰值時，采用逐次逼近的方式自動調整單片機D／AC模塊的輸出控制電壓，每次調整5 mV峰峰值，直至達到認定的穩定狀態［13］。

同樣LCD液晶顯示模塊實時顯示出系統輸出信號電壓的峰峰值和設置的系統預期輸出信號峰峰值。如圖8所示。

4 放大器實物測試

4.1 可變增益功能測試

測試條件：連接好樣機，由直流穩壓電源給硬件電路供電，信號發生器分別輸入46 MHz和54 MHz小信號；利用控制部分的按鍵設置增益值，測量輸出信號并計算增益值。

圖7 可變增益程序流程圖

圖8 自動增益控制程序流程圖

4.2 自動增益功能測試

測試條件：連接好樣機，由直流穩壓電源給硬件電路供電，信號發生器產生50 MHz輸入信號；利用控制部分的按鍵輸入設置系統輸出峰峰值，測量輸出信號的幅度。

表1、2為測試數據的一部分，由測試數據可知，在可變增益模式下，系統實現了通過按鍵輸入準確控制系統增益大小且在小信號輸入時可以達到超過60 dB的最大增益。在設計要求的50 MHz中心頻率，超過8 MHz的帶寬內，系統增益起伏最大不超過1 dB。在自動增益控制模式下，實現對于起伏變化的輸入信號，可以準確控制系統信號輸出電壓的峰峰值穩定在0．7～3．0 V之間的任意值。

表1 可變增益測試部分數據表

表2 自動增益測試部分數據表（峰峰值）

5 結 語

本文設計并實現了一個可變增益放大器系統，可用于通信系統接收機前端對信號進行處理。該系統主要由放大電路部分和控制部分組成，放大電路部分的前級固定放大電路和后級固定放大電路都實現了對高頻信號放大，控制部分STM32片上的A／DC能夠準確獲得輸入的電壓值，D／AC也能夠穩定精確的輸出電壓；反饋電路的輸出電壓也很好地與輸入信號的峰峰值呈線性關系。該系統將模擬電子技術和單片機原理融合在一起，同時應用在無線接收機通信系統，有利于提高學生的動手能力及綜合能力，該放大器已經應用在電子信息工程和通信工程專業的電子技術創新實踐的案例教學中。