第一章概述 第一章概述 1.1.射频接收机中自动增益控制系统的作用 随着射频接收机接收的信号传输条件的不同，天线接收到的有效信号的功率 会在一个很大的范围内变化，同时天线接收到的干扰的功率也有可能变化。为了 最终能够解调天线接收到的信号，需要自动增益控制电路(AGC)将天线接收到的 不同功率的所需信号放大到基带模数转换器(BB-ADC)量化所需的最优功率。这 样可以最大程度降低基带模数转化器引入的量化噪声，从而为解调器 (demodulator)提供最优的信噪比，以达到最低的误码率，如图1-1所示。 Antenna Large signal amplified with low gain Mixer AGO BB- Demo- ADC dulator small signal amplified with high gain 图1-1自动增益控制系统的基本功能 1.2.自动增益控制电路的性能要求 1.2.1.动态范围 当信号源很近或者信号传输条件很好时，射频接收机可能接收到很强烈的信 号：当信号源很远或者信号传输条件不好时，射频接收机可能接收到很微弱的信 号。因为射频接收机可能接收到的信号的功率范围很大，可以称其需要很大的动 态范围。为了实现大动态范围的无线接收机，必须实现大动态范围的自动增益控 制电路。 定义动态范围概念的示意图如图1-2所示。接收机能够处理的最大信号由 接收机的线性度性能和谐波失真(Distortions)决定，接收机能够处理的最小信号 由接收机的噪声性能和噪声基底(Noise Floo)决定。只有高于谐波失真和噪声基 底最低信噪比要求的信号才能够被无错的解调。如果接收机不随输入信号大小作 任何调整，大动态范围的电路必须同时具备优秀的噪声和线性度性能，而这在电
第一章 概述 3 第一章 概述 1.1. 射频接收机中自动增益控制系统的作用 随着射频接收机接收的信号传输条件的不同，天线接收到的有效信号的功率 会在一个很大的范围内变化，同时天线接收到的干扰的功率也有可能变化。为了 最终能够解调天线接收到的信号，需要自动增益控制电路(AGC)将天线接收到的 不同功率的所需信号放大到基带模数转换器(BB-ADC)量化所需的最优功率。这 样可以最大程度降低基带模数转化器引入的量化噪声，从而为解调器 (demodulator)提供最优的信噪比，以达到最低的误码率，如图 1-1 所示。 BBADC Antenna LNA Mixer AGC LO Large signal amplified with low gain small signal amplified with high gain Demodulator 图 1-1 自动增益控制系统的基本功能 1.2. 自动增益控制电路的性能要求 1.2.1. 动态范围 当信号源很近或者信号传输条件很好时，射频接收机可能接收到很强烈的信 号；当信号源很远或者信号传输条件不好时，射频接收机可能接收到很微弱的信 号。因为射频接收机可能接收到的信号的功率范围很大，可以称其需要很大的动 态范围。为了实现大动态范围的无线接收机，必须实现大动态范围的自动增益控 制电路。 定义动态范围概念的示意图如图 1-2 所示。接收机能够处理的最大信号由 接收机的线性度性能和谐波失真(Distortions)决定，接收机能够处理的最小信号 由接收机的噪声性能和噪声基底(Noise Floor)决定。只有高于谐波失真和噪声基 底最低信噪比要求的信号才能够被无错的解调。如果接收机不随输入信号大小作 任何调整，大动态范围的电路必须同时具备优秀的噪声和线性度性能，而这在电
第一章概述 路设计中是很难实现的。但是，如果采用自动增益控制电路，合理的控制不同输 入信号大小下的增益，就可以在输入信号较小，接收机增益较大时牺牲部分线性 度性能提高噪声性能；也可以在输入信号较大，接收机增益较小是牺牲部分噪声 性能提高线性度性能。因此使用可变增益的接收机和自动增益控制电路，使得不 用同时满足电路的最高的线性度和噪声性能要求，因而大大方便了接收机电路的 设计。 个 Usable dynamic range leu6!s indino Fundamental Distortion SNR ent MM-wwMiliwtww-imiminNoise floor Input signal strength 图1-2动态范围的定义 1.2.2.增益设定速度 当接收的频道(Channe切换，或者信号传输条件由于接收机的移动而改变 的时候，很有可能天线接收到的有效信号强度会改变，因此放大信号所需的增益 也需要改变。在接收机中的自动增益控制系统设定完成新的合适的增益设定之 前，接收机很有可能无法正常的解调信号。因此射频接收机的频道切换速度和环 境适应速度部分取决于其中自动增益控制系统的增益设定速度。因而快速锁定的 自动增益控制系统能够帮助射频接收机快速地切换频道。 1.2.3.面积和功耗 在射频接收机当中，中频部分的功耗和面积是整个接收机功耗的重要组成部 分。设计合理的自动增益控制电路能够合理的分配接收机放大通路的增益，减小 后级电路输入信号的功率范围，因而降低对部分电路动态范围和性能的要求，最 终减少放大器电路所需的功耗和面积。因此低功耗、小面积的自动增益控制电路 能够降低数字电视调谐器的总功耗和总面积
第一章 概述 4 路设计中是很难实现的。但是，如果采用自动增益控制电路，合理的控制不同输 入信号大小下的增益，就可以在输入信号较小，接收机增益较大时牺牲部分线性 度性能提高噪声性能；也可以在输入信号较大，接收机增益较小是牺牲部分噪声 性能提高线性度性能。因此使用可变增益的接收机和自动增益控制电路，使得不 用同时满足电路的最高的线性度和噪声性能要求，因而大大方便了接收机电路的 设计。 Input signal strength Output signal strength Fundamental Distortion Noise floor SNR Usable dynamic range requirement 图 1-2 动态范围的定义 1.2.2. 增益设定速度 当接收的频道(Channel)切换，或者信号传输条件由于接收机的移动而改变 的时候，很有可能天线接收到的有效信号强度会改变，因此放大信号所需的增益 也需要改变。在接收机中的自动增益控制系统设定完成新的合适的增益设定之 前，接收机很有可能无法正常的解调信号。因此射频接收机的频道切换速度和环 境适应速度部分取决于其中自动增益控制系统的增益设定速度。因而快速锁定的 自动增益控制系统能够帮助射频接收机快速地切换频道。 1.2.3. 面积和功耗 在射频接收机当中，中频部分的功耗和面积是整个接收机功耗的重要组成部 分。设计合理的自动增益控制电路能够合理的分配接收机放大通路的增益，减小 后级电路输入信号的功率范围，因而降低对部分电路动态范围和性能的要求，最 终减少放大器电路所需的功耗和面积。因此低功耗、小面积的自动增益控制电路 能够降低数字电视调谐器的总功耗和总面积
第一章概述 1.3.自动增益控制电路的组成 一个典型的自动增益控制电路示意图如图1-3所示，在输入功率变化时调 整增益保持恒定的输出功率。增益控制的基本原理是，如果检测到的输出功率超 过目标值，就减小放大器的增益：如果检测到的输出功率低于目标值，就增加放 大器的增益。通过多次的增益调整，逐步逼近和达到最优的增益，使得输出功率 最接近目标值。 DCOC To BB-ADC PGA From Mixer RSSI Gain control SAR- state-machine ADC 图1-3自动增益控制系统示意图 这个自动增益系统包括以下三个部分。 一，可编程增益放大器(PGA)。用于提供不同的增益，将信号放大到基带模 数转换器(BB-ADC)的最优输入功率。可编程放大器的噪声和线性度性能可能会 决定输出信号的信噪比，为了尽量减少信号信噪比的损失，对中频放大器的线性 度和噪声性能有很高的要求。 二，直流消除电路(DCOC)。附加在中频放大器上，用于避免中频放大器输 入信号上附加的直流信号阻塞放大器及其后级电路。希望在抑制放大器直流增益 的同时，不要破坏信号本身。 三，增益控制电路，包括能量检测电路(RSS)及量化其输出的逐次比较模数 转换器(SAR-ADC),以及增益控制状态机(Gain control state-machine)。能量检 测电路(RSS)用于判断放大器接收到的信号能量。能量检测电路的检测精度和可 编程增益放大器的增益精度会决定自动增益控制系统的增益控制精度。增益控制 状态机逐步给放大器设定最合适的增益。使用先进的增益搜索算法能够提高增益 设定的速度
第一章 概述 5 1.3. 自动增益控制电路的组成 一个典型的自动增益控制电路示意图如图 1-3 所示，在输入功率变化时调 整增益保持恒定的输出功率。增益控制的基本原理是，如果检测到的输出功率超 过目标值，就减小放大器的增益；如果检测到的输出功率低于目标值，就增加放 大器的增益。通过多次的增益调整，逐步逼近和达到最优的增益，使得输出功率 最接近目标值。 图 1-3 自动增益控制系统示意图 这个自动增益系统包括以下三个部分。 一，可编程增益放大器(PGA)。用于提供不同的增益，将信号放大到基带模 数转换器(BB-ADC)的最优输入功率。可编程放大器的噪声和线性度性能可能会 决定输出信号的信噪比，为了尽量减少信号信噪比的损失，对中频放大器的线性 度和噪声性能有很高的要求。 二，直流消除电路(DCOC)。附加在中频放大器上，用于避免中频放大器输 入信号上附加的直流信号阻塞放大器及其后级电路。希望在抑制放大器直流增益 的同时，不要破坏信号本身。 三，增益控制电路，包括能量检测电路(RSSI)及量化其输出的逐次比较模数 转换器(SAR-ADC)，以及增益控制状态机(Gain control state-machine)。能量检 测电路(RSSI)用于判断放大器接收到的信号能量。能量检测电路的检测精度和可 编程增益放大器的增益精度会决定自动增益控制系统的增益控制精度。增益控制 状态机逐步给放大器设定最合适的增益。使用先进的增益搜索算法能够提高增益 设定的速度
第一章概述 1.4.数字电视调谐器中自动增益控制电路的设计难点 1.4.1.高信噪比要求 数字电视调谐器的性能要求远高于一般射频接收机。DVB-T协议中规定的 256QAM调制方式需要超过35dB的解调信噪比，对放大器的噪声和线性度具有 非常高的要求。因此大动态范围的可变增益中频放大器，即噪声小线性度高的可 变增益中频放大器是数字电视调谐器设计的难点之一。 1.4.2.大的带外干扰 DVB-T协议中规定了很大的可能的带外干扰，带外干扰的大小可能比所需 信号本身大几十dB。一方面，大的带外干扰进一步提高了对接收机线性度的要 求。另一方面，大的带外干扰要求增益控制电路中的能量检测必须能够检测足够 宽的带宽，从而正确的判断带外干扰的功率，以防止带外干扰阻塞接收机。如果 简单的使用基带ADC的量化结果判断输入功率和确定增益，就无法知道前端电 路是否己经被大功率的带外干扰阻塞了，因为基带ADC接收到的功率带宽远小 于调谐器的输入带宽。 1.4.3.调谐器和解调器共同实现自动增益控制 DVB-T接收和解调的商用解决方案一般使用调谐器(Tuner)芯片和解调器 (Demodulator))芯片组合的双芯片模式，因为解调器中的超大规模数字集成电路 噪声很大，和调谐器中低噪声要求的射频前端难以集成。很多商用解调器芯片中 会自带增益控制功能，即会给调谐器提供一个脉宽调制(PWM)信号，经片外滤 波器滤波后控制调谐器的增益，如图1-4所示。因此数字电视调谐器中的自动 增益控制电路应当能够满足两种工作模式：一，在没有解调器提供的增益控制信 号的情况下，调谐器正确设定自己的增益：二，在有解调器提供的增益控制信号 的情况下，调谐器的增益随外加电压连续改变。 调谐器使用两种增益控制模式，一方面可以根据调谐器检测的带外干扰的大 小给射频前端设定合适的增益，从而避免大功率的带外干扰阻塞调谐器：另一方 面，如果解调器的自动增益控制系统工作，就可以按照解调器的解调要求精确的 设定调谐器的增益，从而实现最优的解调。 6
第一章 概述 6 1.4. 数字电视调谐器中自动增益控制电路的设计难点 1.4.1. 高信噪比要求 数字电视调谐器的性能要求远高于一般射频接收机。DVB-T 协议中规定的 256QAM 调制方式需要超过 35dB 的解调信噪比，对放大器的噪声和线性度具有 非常高的要求。因此大动态范围的可变增益中频放大器，即噪声小线性度高的可 变增益中频放大器是数字电视调谐器设计的难点之一。 1.4.2. 大的带外干扰 DVB-T 协议中规定了很大的可能的带外干扰，带外干扰的大小可能比所需 信号本身大几十 dB。一方面，大的带外干扰进一步提高了对接收机线性度的要 求。另一方面，大的带外干扰要求增益控制电路中的能量检测必须能够检测足够 宽的带宽，从而正确的判断带外干扰的功率，以防止带外干扰阻塞接收机。如果 简单的使用基带 ADC 的量化结果判断输入功率和确定增益，就无法知道前端电 路是否已经被大功率的带外干扰阻塞了，因为基带 ADC 接收到的功率带宽远小 于调谐器的输入带宽。 1.4.3. 调谐器和解调器共同实现自动增益控制 DVB-T 接收和解调的商用解决方案一般使用调谐器(Tuner)芯片和解调器 (Demodulator)芯片组合的双芯片模式，因为解调器中的超大规模数字集成电路 噪声很大，和调谐器中低噪声要求的射频前端难以集成。很多商用解调器芯片中 会自带增益控制功能，即会给调谐器提供一个脉宽调制(PWM)信号，经片外滤 波器滤波后控制调谐器的增益，如图 1-4 所示。因此数字电视调谐器中的自动 增益控制电路应当能够满足两种工作模式：一，在没有解调器提供的增益控制信 号的情况下，调谐器正确设定自己的增益；二，在有解调器提供的增益控制信号 的情况下，调谐器的增益随外加电压连续改变。 调谐器使用两种增益控制模式，一方面可以根据调谐器检测的带外干扰的大 小给射频前端设定合适的增益，从而避免大功率的带外干扰阻塞调谐器；另一方 面，如果解调器的自动增益控制系统工作，就可以按照解调器的解调要求精确的 设定调谐器的增益，从而实现最优的解调
第一章概述 Antenna 7 LLLLLLLLLLL LLLLLLLLLLL Tuner Demodulator GA Digital AGC LNA/mixer ■■■ DC PWM control signal votage 图1-4流行的DVB-T接收和解调的解决方案 为了实现第二种工作模式，即调谐器的增益随外加电压连续改变，通常的做 法是在调谐器内集成电压控制的连续可变增益放大器(VGA)[1.1]。因为连续可变 增益放大器的增益改变依赖于使用线性度较差的有源器件，目前己有的连续可变 增益放大器线性度性能远不如离散增益的可编程增益放大器。在整个接收机设计 中，电压控制的连续可变增益放大器会成为整个接收机性能的瓶颈，会占用大量 的面积和功耗。 为了解决这一问题，本文设计了可以精确增益步长的可编程增益放大器和跟 随器，使用八位数字控制位而不是模拟电压控制其增益，可以实现很好的噪声和 线性度性能和很大的动态范围。通过将外加的电压控制信号由八位模数转换器转 换为八位数字控制位，控制精确增益步长的可编程增益放大器和跟随器，能够解 决电压控制和大动态范围要求之间的矛盾，如图1-5所示。虽然数字控制位控 制的可变增益是离散的，但是只要单位可变增益足够小（设计中为0.19dB),就可 以有效的模拟连续可变增益放大器
第一章 概述 7 图 1-4 流行的 DVB-T 接收和解调的解决方案 为了实现第二种工作模式，即调谐器的增益随外加电压连续改变，通常的做 法是在调谐器内集成电压控制的连续可变增益放大器(VGA) [1.1]。因为连续可变 增益放大器的增益改变依赖于使用线性度较差的有源器件，目前已有的连续可变 增益放大器线性度性能远不如离散增益的可编程增益放大器。在整个接收机设计 中，电压控制的连续可变增益放大器会成为整个接收机性能的瓶颈，会占用大量 的面积和功耗。 为了解决这一问题，本文设计了可以精确增益步长的可编程增益放大器和跟 随器，使用八位数字控制位而不是模拟电压控制其增益，可以实现很好的噪声和 线性度性能和很大的动态范围。通过将外加的电压控制信号由八位模数转换器转 换为八位数字控制位，控制精确增益步长的可编程增益放大器和跟随器，能够解 决电压控制和大动态范围要求之间的矛盾，如图 1-5 所示。虽然数字控制位控 制的可变增益是离散的，但是只要单位可变增益足够小(设计中为 0.19dB)，就可 以有效的模拟连续可变增益放大器