基于ASIC的无线局域网中数字基带AGC的设计-技术方案

精品文档-下载后可编辑基于ASIC的无线局域网中数字基带AGC的设计-技术方案在无线通信系统中，随着传输距离的变化以及其他一些因素的影响，电波在空间传播过程中存在明显衰落，在接收机输入端的信号强度有很大的变化。因此在接收机前端必须加上一个幅度控制系统，数字式自适应增益控制(AutomaticGainControl，AGC)环路是无线通信中必不可少的，他保证了接收机在接收信号强弱十分悬殊的情况下，输出功率保持恒定，从而使后面的调制解调器和信号处理单元稳定地工作而不致饱和或电平不够。

一般，AGC环路电路有两种，分别为模拟AGC和数字AGC。前者多用于射频或中频，而后者更多地用于中频或基带。具体而言AGC环路是为了使模拟输入信号能尽量达到ADC的满刻度要求(充分利用ADC的动态范围)，而又不使ADC饱和而设置的。其结构框图如图1所示。

纯射频AGC电路工作在高频频率，对器件的要求很高，代价很大，另外对于不同的系统使用的ADC不同，射频部分无法预测进入基带部分的数字信号的功率。因此，在如今的无线通信领域中，更多的AGC环路由两部分组成，射频部分含有数控运放，而功率检测和天线选择则由基带部分完成。

2模拟AGC

在模拟接收机中，增益控制是通过可变增益的衰减器和可变增益的放大器实现的，根据的动态范围和噪声图完成增益控制。当输入信号变化时，增益可以由人工调节(MGC)或由负反馈控制系统(AGC)自动完成。在负反馈控制系统中，信号的强度经器件检波后，反馈到可变增益级，使信号变化到规定的范围内。这种负反馈环路是一个经典的控制系统，环路的动态平衡是靠AGC模块的"充电"和"放电"动作来实现的「1」。

在模拟接收机的AGC电路中，使用较为普遍的是闭环延迟式AGC，利用接收信号包络产生的控制电压来实现对接收机放大系统增益的自动调节，框图如图2所示「2」。。在图2中，比较器在检波电路之后，也有设计者将比较器放在检波电路之前，这与信号、检波器件和比较器件的选择有关。由于本文重点讨论的是数字AGC，故在此不过多叙述模拟AGC的构造与特点。

3数字AGC的设计

3.1数字AGC的特点与简介

在数字接收机中，增益控制需要处理的问题、研究的途径及解决的方法同模拟接收机基本相似，但也存在差异。

首先，数字AGC也要求输出电平和过载保护，可是信号经ADC数字化后，其增益衰减主要是通过采样数据的运算处理来完成的，基于数字硬件的增益控制线路简化了很多相同功能的模拟电路。

其次，模拟接收机主要关心的问题是信号过载和外界环境对电路的影响，而数字接收机的主要问题则是ADC的过载。由于窄带滤波(数字滤波)在ADC转换器后，因此带内的信号将不再是设置接收机增益的主要参考。无论是MGC方式或AGC方式，基带部分必须监测ADC转换器的输入电平直接转换出来的数字信号，而不是经过带通滤波的信号，以防止ADC转换器过载的发生。所以如果在ADC转换器的带宽内接收到一个强信号，但是带内的有用信号很弱，此时即使牺牲带内信号强度也必须降低增益防止ADC转换器过载。数字AGC有下列优点：

(1)在ADC精度足够高的前提下,相对二极管检波器,能够更准确地测量、量化信号强度;

(2)更的增益与衰减步长;

(3)更强的AGC控制能力(例如输入信号变化100dB时,数字AGC输出信号变化小于0.5dB,而模拟AGC输出信号变化通常为3～6dB)「2」;；

(4)可以通过寄存器配置，任意改变建立时间和衰落时间以及特殊的AGC模式(如AGC悬挂、保持等),因此使用起来更加灵活。

3.2接收机AGC设计

图3是接收机部分AGC的框图。接收机AGC主要由能量估计、环路增益调节、饱和处理和线性放大等4部分组成。

能量估计部分主要是对输入的正交I,Q两路信号进行能量估计,得到采样后一段时间内数字信号的平均能量Es:

其中N为采样点数,S(n)为输入的数字信号的能量:对于ASIC应用而言,接收机AGC需要良好的可实现性。开方操作对于ASIC的实现而言比较困难,因此可以使用近似操作。当︱I︱﹥﹥︱Q︱时(此时Peano余项可忽略不计)，：式(2)和泰勒展开可得：同理，当︱Q︱﹥﹥︱I︱时，由式(2)和泰勒展开可得：事实上，在实现的时候只需要判断︱I︱，︱Q︱即可。当得到I,Q两路的平均能量后,用AGC的参考能量E减去Es,得到此时能量差。即：△E=E－ES(5)根据△E的大小可知此时输入信号的能量，若△EO说明此时量偏小,根据I△El线性增加AGC的增益,每次增长△G;若△E0说明此时能量偏大,根据l△EI线性减小AGC的增益,每次减少△G。当△E在某一个很小的区间之内时,认为此时的能量是合适的,不用再继续调整AGC增益,故将此时的AGC增益作为一段时间内的AGC增益,不再调整。这种情况叫做AGC锁定。对于无线局域网而言,锁定的时间是一个包传送的时间。当一包传送结束,AGC失锁,系统重新调整AGC增益的大小。对于无线局域网系统而言,只有在AGC锁定的情况下,基带部分的各种数字处理才是有意义的。为了让系统能够尽快处于稳定状态,△GC增益值的变化值△G会有几个步长。本系统提供两个步长,两个△E的阈值，根据不同的△E的情况，挑选不同的步长,使系统尽快稳定。

作为AGC增益而言,不能无穷大,也不可能无穷小。AGC增益的范围由与AGC模块相连的DAC以及射频RF芯片的特性决定,若DAC的位数高,并且RF芯片支持更大的动态范围和分辨率,那么AGC增益的调整范围较大。系统AGC会有一个初始值。考虑到信道在多数情况下是没有信号的,因此这个初始值是AGC的值。T时刻,AGC增益与AG相加,得到T+1时刻新的AGC增益。这部分功能由饱和处理部分来实现。

作为AGC系统而言,快速收敛与高精度一直是一对矛盾。因为若要收敛速度快,则步长要长,即每次调整的幅度要大;若要调整的精度高,则要步长小,即每次调整的幅度小。为了解决这对矛盾,系统采取了非线性化的方法。具体体现在两点,其一是前文所提到的多AGC增益步长,另一点体现在线性放大(LNA)开关上。本系统要求,AGC增益可调整90dB。LNA开关与否对应着30dB的调整值,调整精度为O.5dB，因此，当LNA开的时候,实际调整范围是30～90Db;LNA关的时候,实际调整范围是O～90dB。收敛时间在4μs之内。当经过饱和处理的AGC增益在一定范围之内时关闭LNA,否则打开LNA。这部分是否使用以及如何使用是与RF是否支持相关的。这部分功能由线性放大模块完成。

作为一款ASIC芯片,灵活性是非常重要的。因此在设计的时候充分考虑到了灵活性的需求,将各个阈值和增益值都设计为寄存器可配,许多部分也都是由寄存器选择是否使用。另外AGC模块还留有MGC的接口,在实际应用中可以跳过AGC部分,直接通过寄存器配置AGC增益的大小。

终得到的增益是一个数字量,通过AGC的DAC转变成模拟量,发送给RF。

本系统AGC的工作是一个迭代的过程。系统初始时打开线性放大,将AGC增益调到值。取输入的信号I,Q,求,并判断大小。若︱I︱大,则认为的近似值是︱I︱+︱G︱／2，否则就是︱I︱／2+︱G︱。在求得N点平均值后，得到与参考能量的差值△E,并据此选择△G。若已经收敛则结束,否则调整增益,进行饱和处理并判断是否需要关闭线性放大。每N个点进行这样的操作。若在收敛时间内完成AGC操作,则继续进行解调、信道解码、信源解码的过程并终得到传输的数据,若没有完成AGC操作则重置整个系统,进行下AGC循环。整体工作流程如图4所示。

3.3参数选择与确定

在AGC系统中,参考能量是重要的参数之一,另外比较重要的参数还有粗环路增益(LGC)、粗误差(ErrC、)、精环路增益(LGF)、精误差(ErrF)、AGC增益值(GMax)、AGC增益值(GMin)、线性放大阈值(THL)、线性放大增益(GL)、能量估计阈值(EL)及AGC超时时间(Timeout)。

在AGC正常工作的过程中,参考能量是一个非常重要的参数。参考能量的选择主要考虑到ADC的位宽。以8位ADc为例，20×log28△48dB。由于AGC有滞后性,因此为了防止饱和,预留15dB的余量,由此可知8位ADC所对应的参考能量约为33dB。

粗环路增益要比精环路增益大,一般而言,粗环路增益是精环路增益的两倍,而精环路增益则是系统的分辨率。粗环路增益是为了加速AGC收敛而设定的参数,当△E大于粗误差Errc时，系统采用粗环路增益LGc作为系统步进增益,否则采用精环路增益LGF作为系统步进增益。精误差远小于粗误差,当AE小于精误差ErrF时,认为系统已经稳定,此时的系统总增益就是此次传输使用的增益。

AGC增益的值和值由ADC和RF的响应曲线共同决定,这两个值决定了饱和处理的范围。线性放大阈值、能量估计阈值和线性放大增益是与线性放大相关的3个参数。当估计的系统能量处于线性放大阈值、能量估计阈值之间时,认为系统已经满足了线性放大增益关闭的条件，故关闭线性放大。一旦线性放大被关闭,系统的增益应该加上线性放大打开时RF部分所增加的放大倍数,这个数就是线性放大增益。为了加速收敛,线性放大增益一般是总增益需求的1/3左右。当系统稳定时,线性放大总是被关闭的。线性放大AGC超调时间是所允许的系统稳定的长时间,即收敛时间的值。若系统在超调时间之内没有稳定,那么认为这段时间内没有信号或信号大小不足以让系统正常工作,此时AGC环路系统会被重置,所有数据会回到他们的初始值,重新开始环路的工作。以上这些参数都可以通过寄存器进行配置。4结语

AGC作为通信接收机的一部分,是一切基