《電子技術(shù)應(yīng)用》
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多模式GNSS接收機(jī)的數(shù)字AGC電路設(shè)計(jì)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
胡偉迪1,何文濤2,,李曉江2
1.中國(guó)科學(xué)院 工程管理與信息技術(shù)學(xué)院,,北京100049; 2.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所,北京100029)
摘要: 設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于GNSS接收機(jī)的快速數(shù)字自動(dòng)增益控制電路(AGC),該AGC電路采用三級(jí)增益控制算法實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的增益收斂,,對(duì)2 bit及以上ADC具有很好的普適性,。電路仿真了增益收斂速度和穩(wěn)定度以及有帶內(nèi)連續(xù)波干擾情況下不同量化精度的信噪比性能,,結(jié)果表明所設(shè)計(jì)電路可以很好地滿足性能要求。
中圖分類號(hào): TN47
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)12-0043-03
digital AGC circuit design for multi-mode GNSS receiver
Hu Weidi1,,He Wentao2,,Li Xiaojiang2
1.College of Engineering & Information Technology,Chinese Academy of Sciences,,Beijing 100049,,China;2.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences,,Beijing 100029,,China
Abstract: A digital fast automatic gain control(AGC) circuit is designed for multi-mode GNSS receiver,the AGC circuit uses three-stage gain control algorithm to achieve fast and stable gain control. For two and more bit ADC, it is well transplantable. Gain convergence rate and stability are analyzed along with SNR performance due to continuous wave interference and ADC bits variation. Simulation results show its good performance.
Key words : digital AGC,;three-stage gain control,;GNSS receiver;SNR performance

0 引言

  低功耗,、小體積便攜導(dǎo)航設(shè)備是當(dāng)今導(dǎo)航接收機(jī)發(fā)展的主流趨勢(shì),。在導(dǎo)航GNSS(Global Navigation Satellite System)接收機(jī)中,衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)大氣環(huán)境的衰減,,實(shí)際經(jīng)天線接收到的信號(hào)功率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)噪聲功率,,而且由于環(huán)境變化和干擾的影響,接收到的信號(hào)會(huì)在很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化,,對(duì)精度和幅度范圍均有限的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(Analog-Digital Converter)來(lái)說(shuō),,直接對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換會(huì)造成很大的信號(hào)損失。普遍做法是增加一個(gè)自動(dòng)增益控制電路AGC(Automatic Gain Control),,自適應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)功率,,使ADC輸入的信號(hào)處于ADC的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)同時(shí)盡量減小信號(hào)損失。AGC的性能很大程度上影響著模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力以及衛(wèi)星信號(hào)的定位跟蹤,。

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  圖1為本文采用的多模式GNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu),。天線接收的信號(hào)經(jīng)聲表面濾波器保留有用衛(wèi)星信號(hào)頻帶,經(jīng)低噪放大器放大,、正交下變頻和低通濾波產(chǎn)生I/Q兩路中頻信號(hào),模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字基帶,。ADC環(huán)路由可變?cè)鲆娣糯笃鱌GA(Programmable Gain Amplifier),、ADC、AGC和直流偏移校正電路DCOC(Direct-Current Offset Calibration)組成,。PGA有兩個(gè)控制電路:DCOC和AGC,。DCOC控制PGA的直流偏置點(diǎn),以消除信號(hào)中的直流成分,;AGC控制信號(hào)的增益,,以滿足ADC的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比需求,。

  參考文獻(xiàn)[1]提出的I/Q兩路獨(dú)立進(jìn)行增益調(diào)節(jié)的控制方式實(shí)現(xiàn)增益步階誤差小于0.06 dB,但由于其采用固定的更新周期和增益步長(zhǎng),,信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大時(shí)不能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié),。參考文獻(xiàn)[2]提出的自動(dòng)增益控制算法利用2 bit ADC的幅度位進(jìn)行功率統(tǒng)計(jì),增益控制由加/減計(jì)數(shù)器完成,,從其算法也易看出,,其增益調(diào)節(jié)的速度較差,建立時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),,不能滿足增益快速收斂的需求,。

  本文提出一種三級(jí)自動(dòng)增益控制方法及電路實(shí)現(xiàn)。I/Q兩路共享一個(gè)AGC電路,,增益控制過(guò)程僅用到I/Q路ADC輸出數(shù)字信號(hào)的1 bit數(shù)據(jù),,采用三級(jí)增益步階算法自適應(yīng)地調(diào)整增益步階,達(dá)到快速且穩(wěn)定的增益收斂,。仿真表明,,此AGC電路具有很好的穩(wěn)定性能和抗帶內(nèi)連續(xù)波干擾性能。

1 結(jié)構(gòu)描述


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  本文提出自動(dòng)增益控制方案如圖2所示,。數(shù)字AGC環(huán)路由PGA,、ADC和AGC三部分組成。I/Q兩路的PGA共享同一增益控制信號(hào),,可由AGC產(chǎn)生,,也可由軟件通過(guò)SPI接口配置;ADC采用Flash結(jié)構(gòu),,滿足高速轉(zhuǎn)換需求,。AGC電路對(duì)ADC輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì),得到PGA的控制信號(hào)對(duì)輸入I/Q路信號(hào)進(jìn)行增益控制,,輸出經(jīng)放大后的模擬信號(hào),,模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字輸出。

2 PGA電路結(jié)構(gòu)

  PGA的功能是對(duì)輸入信號(hào)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié),,主要性能指標(biāo)有增益范圍,、頻率響應(yīng)等。圖3為本文的PGA結(jié)構(gòu),。PGA本質(zhì)上是一個(gè)無(wú)限多路反饋濾波器,,其傳輸函數(shù)為:

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  中頻響應(yīng)函數(shù)為:

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  圖3中,R4為固定電阻,。由中頻響應(yīng)可知,,R1決定增益范圍,減小R1將增大增益,反之減小增益,。RD的作用是穩(wěn)定頻率參數(shù),,由PGA的傳輸函數(shù)容易得出其極點(diǎn)分布。分析其極點(diǎn)分布易知,,若不存在RD,,則R1變小使得增益變大的同時(shí)也會(huì)減小頻率帶寬,使頻率性能變差,,增加RD作為頻率補(bǔ)償電阻與R1聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié),,使得R1變化時(shí)穩(wěn)定頻率帶寬。PGA增益調(diào)節(jié)的范圍和精度主要由R1和RD的取值決定,,因此需要仔細(xì)設(shè)計(jì)R1和RD的取值范圍和離散區(qū)間以滿足設(shè)計(jì)需求,。

3 AGC原理與實(shí)現(xiàn)

  AGC的主要原理是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)功率來(lái)控制輸入信號(hào)幅度以滿足ADC的量化要求和性能需求[3]。由于接收到的GNSS信號(hào)功率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)噪聲功率,,而環(huán)境中的人為干擾或其他頻段信號(hào)(如WCDMA,、GSM等寬帶信號(hào))的功率通常遠(yuǎn)大于GNSS信號(hào)功率,實(shí)際上檢測(cè)到的是系統(tǒng)噪聲或干擾和信號(hào)的總功率,。理論表明[4],,在僅有白噪聲的情況下,最優(yōu)的ADC最大閾值L與白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系為,,而有帶內(nèi)連續(xù)波干擾存在時(shí),,最優(yōu)值為1.1~1.4。參考此理論指標(biāo),,本文提出一種快速穩(wěn)定收斂的三級(jí)自動(dòng)增益控制算法與實(shí)現(xiàn),。

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  圖2中給出了為本文提出的數(shù)字AGC電路的結(jié)構(gòu)圖。本設(shè)計(jì)電路由多路選擇器MUX,、門限檢測(cè)器,、門限比較器、增益步階更新電路,、增益累加器,、控制字編碼器等部分組成。MUX用以選擇I/Q路任一路ADC輸出采樣數(shù)據(jù)的最高幅度位作為輸入,;門限檢測(cè)器在時(shí)間窗口內(nèi)檢測(cè)信號(hào)的門限值,;檢測(cè)值與參考門限比較得到差值;差值送入增益步階更新電路與三級(jí)比較閾值THRE1~3比較以更新增益步階,;增益累加器對(duì)增益步階累加更新當(dāng)前增益控制字,;控制字編碼器對(duì)增益控制字編碼以適應(yīng)PGA的控制字格式。時(shí)間窗口,、參考門限和三級(jí)比較閾值均可由軟件配置。

  3.1 門限檢測(cè)電路


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  圖4為具體的電路結(jié)構(gòu)。其中門限檢測(cè)電路由計(jì)數(shù)器和定時(shí)器兩個(gè)電路組成,。定時(shí)器根據(jù)時(shí)間窗口值CYC產(chǎn)生更新信號(hào)LOAD和計(jì)數(shù)器控制信號(hào)CLE,。計(jì)數(shù)器在CYC內(nèi)檢測(cè)信號(hào)的實(shí)際門限值,即數(shù)據(jù)為“1”的個(gè)數(shù)比率,。CLE有效時(shí),,計(jì)數(shù)器輸出當(dāng)前檢測(cè)值并置0重新開始計(jì)數(shù)。LOAD控制定時(shí)器的重載并作為增益累加器的使能信號(hào),。LOAD有效時(shí),,增益累加器對(duì)輸入數(shù)值進(jìn)行一次累加并鎖存到寄存器中。各參數(shù)的配置值也是在LOAD有效時(shí)或初始化時(shí)被相關(guān)電路鎖存,。

  上述門限檢測(cè)電路輸出檢測(cè)值的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

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  其中N為時(shí)間窗口,,i(n)∈[0,1],。

  3.2 增益步階更新電路

  增益步階更新電路產(chǎn)生增益步階,,實(shí)現(xiàn)三級(jí)可變?cè)鲆娌诫A算法,算法主要思想是通過(guò)比較門限檢測(cè)電路得到的檢測(cè)值與參考門限的相對(duì)大小而設(shè)置不同的增益步階,,檢測(cè)值與參考門限相差越大,,增益步階絕對(duì)值越大,以達(dá)到增益的快速穩(wěn)定收斂,。增益步階的數(shù)學(xué)表示為:

  Gstep=(Pref-Pcal)×Coefx(4)

  其中Pref為最優(yōu)參考門限,,Pcal即為檢測(cè)得到的門限值,Coefx為第x級(jí)(x=1,,2,,3)增益步階系數(shù)。具體算法流程如圖5所示,。

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  首先,,在AGC電路開始工作之前配置時(shí)間窗口、參考門限,、第1~3閾值5個(gè)參數(shù),,也可以在工作中改變配置,但新的配置值要等當(dāng)前更新周期完成之后才被鎖存,。時(shí)間窗口為每個(gè)更新周期的采樣點(diǎn)數(shù),;參考門限為理想情況下的信號(hào)最優(yōu)高電平比率;第1~3閾值取值依次從大到小,,分別對(duì)應(yīng)于檢測(cè)值距離參考門限的相對(duì)大小,。增益系數(shù)選擇流程可分為以下4步:

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  (1)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與參考閾值的差值取絕對(duì)值。

  (2)將此絕對(duì)值與第一閾值比較,,若大于第一閾值,,則增益步階系數(shù)選擇最大步階系數(shù)1輸出,,流程結(jié)束;否則轉(zhuǎn)入步驟(3),。

  (3)若絕對(duì)值在第一閾值與第二閾值之間,,則增益步階系數(shù)選擇較大步階系數(shù)2輸出,流程結(jié)束,;否則轉(zhuǎn)入步驟(4),。

  (4)若絕對(duì)值在第二閾值與第三閾值之間,則增益步階系數(shù)選擇最小步階系數(shù)3輸出,,流程結(jié)束,;否則增益調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定,增益步階為0,,流程結(jié)束,。

4 仿真結(jié)果與分析

  AGC的性能極大程度影響著量化后的信號(hào)性能,本文中給出輸入信號(hào)功率變化時(shí)AGC的調(diào)節(jié)靈敏度和穩(wěn)定度以及存在帶內(nèi)連續(xù)波干擾時(shí)的性能,。表1為仿真參數(shù),。

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  圖6為信號(hào)功率變化時(shí)的增益調(diào)節(jié)過(guò)程。最上面的波形為源信號(hào),,中間的波形為經(jīng)PGA后的輸出信號(hào),,最下面的波形為增益的變化過(guò)程。仿真可以看出,,當(dāng)信號(hào)很小或很大時(shí)在增益調(diào)整的初期可以達(dá)到5 dB的增益步階,,信號(hào)功率越接近理想功率,增益步階越小,,直至穩(wěn)定,,增益收斂快速,在給定仿真參數(shù)下信號(hào)可以在70 ns內(nèi)達(dá)到14 dB范圍的變化,。圖中也可以看出,,穩(wěn)定時(shí)增益可以在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持不變,穩(wěn)態(tài)性能很好,。

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  圖7為不同量化精度下信號(hào)的信噪比損失[5]隨帶內(nèi)連續(xù)波干擾的功率變化的仿真結(jié)果,。圖中標(biāo)出了輸出信噪比的1 dB和3 dB損失點(diǎn)。容易看出,,其抗干擾的能力隨著量化比特?cái)?shù)增加而增強(qiáng),。干擾信號(hào)增加到一定程度時(shí)信噪比損失劇烈增加,其主要原因是由于有限的量化位寬引入雜散頻率,,仿真所得的電路抗干性能與理想性能[6]吻合,,且量化精度越高,性能越接近理想性能,。

  本文基于SMIC的55 nm SS工藝庫(kù),,用Synopsys的Design Compiler工具對(duì)AGC電路進(jìn)行綜合,,AGC工作時(shí)鐘設(shè)為100 MHz,綜合后電路總面積為1 379.3 m2,,約合985個(gè)邏輯門,,時(shí)序余量為2.54 ns。

5 結(jié)束語(yǔ)

  本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于多模式GNSS接收機(jī)的數(shù)字自動(dòng)增益控制電路AGC,。AGC的三級(jí)自動(dòng)增益控制算法提高了增益調(diào)節(jié)的靈敏度和穩(wěn)定度。仿真表明,,在接收到的信號(hào)功率發(fā)生變化時(shí),,增益能夠快速收斂達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)通過(guò)仿真得到對(duì)不同干擾強(qiáng)度情況下ADC的輸出信噪比損失,,ADC的量化精度越高,,仿真性能越接近理想性能。本設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,可移植性強(qiáng),,適用于2 bit及以上的ADC的增益控制。

  參考文獻(xiàn)

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