基于PDM技术的AGC电路设计
- 音频杂谈
- 2014-07-05
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自动增益控制电路在通信系统领域有着非常广泛的应用,主要用于各种接收芯片的中频级和射频级,实现压缩动态范围,抑制干扰脉冲和抗快衰落等作用。然而传统的基于脉冲宽度调制波形输出的AGC电路在环路稳定性上较差,收敛速度慢,外围所需的元器件也较多,因而体积较大,这些极大地制约了AGC电路的性能。因此尝试采用基于脉冲密度调制技术的AGC电路,以克服基于PWM技术的AGC电路的种种性能瓶颈。
1 AGC电路概述
在各种通信系统中,受发射功率大小,收发距离远近,信号在传输媒介中会出现明显的衰落等因素的影响,作用在接收机输入端的信号强度有很大的变化和起伏。然而信道解调部分只能处理幅度变化不大的信号,信号过强、过弱或忽大忽小,都会使解调失败。所以必须要有一个AGc电路,使接收机的输入端能处理幅度变化很大的信号,而解调部分能收到一个平稳适中的信号,以进行信道解调。AGC电路可以使振幅变化范围非常大的输入信号,输出时振幅变化范围非常小,从而保证输入到ADC的信号位于ADC最佳的工作范围,AGC电路的功能框图如图1所示。
图1中的A/D转换器将输入进来的模拟信号采样量化为数字量后,经过信号平均电平检测器算出平均电平,该平均电平与预先设定的参考电平值V,相比较,得到平均电平误差,将该误差送入IIR滤波器进行平滑累加后得到与所期望的AGC增益相对应的数字量(AGC控制字),最后通过D/A转换器送入可变增益放大器(VGA)。
在上述这些模块中,D/A模块有多种方案可选。由于该模块涉及到制造工艺和系统的外围电路,而且D/A转换器必须占用一定空间及消耗一定量的功率,因此D/A转换器方案的选取,将对AGC甚至整个系统的性能和成本产生很大的影响。
D/A转换器一般有下面三种方案可选:
(1)直接使用专用的D/A转换芯片。这种方案转换速度快,但成本太高,一般不予采用。
(2)脉冲宽度调制器(PWM)+RC滤波器的方案。该方案成本低廉,但是D/A转换速度慢,AGC电路达到收敛的时间长,严重时会产生振荡。该方案在对AGC环路稳定性和收敛速度要求不高的通信系统中经常被使用。
(3)脉冲密度调制(PDM)+RC滤波器的方案。该方案可以克服PWM波的诸多缺点,但成本较高,适用于对控制要求较高的系统。
2 PDM与PWM的原理及比较
2.1 PWM理论及其特点
PWM是一种通过改变高低电平的比值来得到不同输出电压的调制方式。该调制输出周期为T,占空比为N/M(N,M必须是整数)的方波。
如图2所示,电容C上的电压就是PWM的输出电压Uout,在RC值足够大时,Uout=Uin·(N/M)。PWM的精度与M有着很大的关系。当M=2时,只有0,1/2和2/2三种电压输出;而到M=256时,就有0,1/256,2/256,3/256,…,256/256一共257种电压输出。M的大小取决于VGA的精度。一般来说,VGA能达到10位以上的精度,就是说M的取值要在1 024以上。随着M的增大,RC的值也将相应增加,否则Uout就会呈现出明显的锯齿状波形,使增益波动,恶化解调性能。但是如果让RC增大,在增加元器件成本的同时,还会使Uout对IIR滤波器产生的数字量变化响应变慢,延长AGC收敛时间,甚至造成AGC的振荡,这在AGC电路的设计中是严格禁止的。
2.2 PDM原理
PWM的周期T是固定的,改变的是高低电平的占空比;而PDM的脉冲宽度(高电平宽度)是固定的,改变的是脉冲的密集程度,脉冲密集,Uout就越高;脉冲稀疏,则Uout就越低。图3给出电压为5/16时的PDM与PWM波形。
可见,PDM相当于在时域上被打散的PWM。由于PDM的高低电平分布较为均匀,因此在R,C值较小的系统里,也可以滤除高频交流分量,从而克服PWM的缺点。
2.3 PDM的实现
假设PDM的脉冲周期为△T,将时钟信号送入N位计数器,实现0,1,…,2N-1的计数。在计数的单个脉冲周期△T里,将计数结果各个位上的逻辑值经过一系列逻辑操作,实现N位比较基准脉冲信号,分别为B0,B1,B2,…,B(N-1)。在每一个△T里,都只有一个位上有逻辑“1”,其他位上均为逻辑“0”。同时将输出的N位数据与该比较基准脉冲信号B0,B1,B2,…,B(N-1)进行逐位与操作,再将各个位上的结果相或,便得到△T内的调制结果。
对于N位的信号,周期为T=2N×△T。对于8位数字信号,PDM调制结果为:
PDMout=B7&D7+B6&D6+B5&D5+B4&D4+B3&D3+B2&D2+B1&D1+B0&D0
其中,B0~B7为比较基准脉冲信号的低位到高位,而D0~D7为数字信号的低位到高位。
如图4所示,就是8位的PDM比较基准脉冲信号。其中,B7~B0的波形分别对应10000000B,01000000B,00100000B,…,00000001B的PDM调制方波。
例如,对十六进制数2CH进行PDM调制。2CH对应的二进制数为“00101100”。其中,B5,B3,B2为“1”,其他各位均为“0”,经过逐位逻辑操作得:
PDMout=B7&0+B6&0+B5&1+B4&0+B3&1+B2&1+B1&0+B0&0=B5+B3+B2
经过一个周期的调制,使得到图5所示的PDM调制信号。这样8位的数字信号就转化为1位的脉冲信号。
在实际工程应用中,通常在系统中使用一个∑-△调制器来产生PDM波形。∑-△调制器的结构如图6所示。
寄存器输出的比特流中高电平的密度代表了输入信号的幅度。如果图6中虚线左侧部分是模拟电路,输入的是模拟信号,那么单位时间内输出比特流中1的个数就反映了输入模拟信号的幅度,实现A/D转换功能。如果虚线左侧部分是数字电路,输人的是若干比特宽的数字量,那么对输出的比特流进行低通滤波后,就得到了相应的电压,实现的是D/A转换功能。本AGC电路中使用的是∑-△调制器的D/A功能,并且输入范围为0~1 023,可实现足够精确的D/A转换。
3 PDM与PWM的仿真比较
3.1 PDM与PWM收敛时间仿真比较
图7是用Matlab对PDM和PWM进行的仿真对比。其中,电路参数:VGA增益为15 dB/V,R=100 Ω,C=0.1μF,AGC工作时钟为10 MHz。
从图7中可以看出,在相同的R,C条件下,使用PDM调制的AGC电路,在收敛时间上小于使用PWM调制的AGC电路。
3.2 PDM与PWM环路稳定性仿真比较
从图8和图9中可以看出,在相同的R,C条件下,使用PDM调制的AGC电路,Uout的抖动小于使用PWM调制的AGC电路,环路稳定性明显较好。
4结 语
本文通过PDM和传统的PWM两种调制方式的比较,最终得出使用PDM调制方式来充当AGC电路的D/A转换器,从而控制前端VGA的增益的方案。该方案相对于PWM方案具有更短的AGC收敛时间和更稳定的环路特性。通过Matlab仿真验证,表明了该方案的可行性。