无线接收机可变增益放大器的设计与实现

于 蕾， 单明广， 黄志金， 潘大鹏， 肖易寒

（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨150001）

0 引 言

在现代社会中，无线通信充斥在这个世界的每个角落，让一切都变得更加方便［1］。无线通信也因为自然界中的各种不可预测的因素受到了许多制约，造成传输信号的严重衰减，信号掺入噪声等情况［2］。导致到达接收端的信号很弱或者信号强度有很大的起伏变化，无法很好地进行信号接收和处理。

本文设计了一种可用于信号接收机前端的可变增益放大器，实现对经过自然界衰减的信号进行调整，使进入接收端的信号尽可能地可靠和稳定，以便更好地进行信号接收和处理［3］。放大器的可变增益设置和自动增益控制两种模式可以切换，使用更加灵活，适用情况更为广泛。

1 系统的结构与功能

课题要求技术指标如下：放大器输入信号中心频率为50 MHz且有超过4 MHz频带宽度，系统最大增益要超过60 dB。同时在20 dB以上可以以6 dB步进线性可调。

本文设计的可变增益放大器主要结构有固定增益放大、压控增益放大、输出反馈、数字与模拟转换和人机交互等模块。

如图1所示，使用前后两级固定增益放大器与中间级联的电压控制放大器构成系统的放大电路部分［4］，共同达到最大增益和可变增益的要求。控制部分选用STM32单片机作为控制芯片，反馈电路由检波器AD8361构成；数字与模拟转换模块为单片机内部的A／DC和D／AC部分；人机交互界面分为按键输入与LCD液晶显示两部分。

按键输入控制信息给单片机，单片机通过内部D／AC模块输出控制电压。此控制电压用于控制压控放大器的增益，改变整个放大电路的增益。反馈电路将得到的放大电路输出信号通过A／DC模块传入单片机，用来与键入值比较和LCD液晶屏显示。

在自动增益模式下，通过按键输入可以设置系统输出信号的峰峰值（Upp），放大器自动调整增益，以实现输入信号起伏时有稳定的信号输出，并在LCD液晶屏上实时显示出设置的预期值和检测的系统输出值。

图1 放大器结构图

2 硬件电路设计

2.1 固定增益放大电路

放大电路中使用放大器OPA847和OPA657分别完成前级放大和后级放大，实现固定增益的功能。OPA847和OPA657都是宽带超低噪声电压反馈运算放大器，在较高频率下仍能保持良好的放大性能［5-6］。

在应用电路方面也极其相似，如图2、3所示，都采用反相信号输入的连接方式，使用可变电阻来调整增益，使在实际电路中到达前级放大5倍，后级放大2倍的功能。

2.2 压控增益放大电路

中间压控放大器采用两级AD603级联。AD603是一款低噪声、低功耗的芯片。可以通过改变FDBK和VOUT两个接口的配置，有90 MHz、30 MHz和9 MHz 3种带宽工作模式［7］。不同的带宽也对应不同的增益范围，这里选择90 MHz的宽频带模式，此时增益范围为－11 dB～＋31 dB。电路连接如图4所示。

图2 OAP847放大电路图

图3 OPA657放大电路图

图4 压控放大电路图

2.3 反馈电路

反馈电路选用均值响应功率检波器AD8361，它最高可以在2．5 GHz的高频情况下工作且AD8361的输出电压与输入信号的峰峰值成稳定的线性关系［8］。

反馈电路如图5所示，这里将IREF引脚悬空，SREF引脚接地，配置成内部参考模式。由于STM32单片机的A／DC模块的模拟输入不能超过VCC（3．3 V），为防止反馈电路输出的电压超出A／DC模块输入范围，在反馈电路输入端加入电阻衰减使AD8361输入信号衰减为1／3。

图5 反馈电路图

2.4 STM32单片机

图6 单片机连接电路图

设计采用STM32F103ZET6作为控制芯片，设计中使用的电路如图6所示。接在STM32的PE4、PE3、PE2接口，且为低电平触发；按键S4连接在单片机的PA0接口，为高电平触发。

液晶显示模块中，LCD1602的GND和VCC为电源接口，由直流电源直接供电；V0接口用于字符与背景对比度调节，通过电位器连接到电源。RS为控制选择连接至单片机PG2引脚；RW为读写选择，连接至PG4引脚；EN为使能端，连接至PG6引脚。LCD的接口D0～D7为8位数据端，连接的是单片机PORTD的低8位：PD0～PD7引脚。第15和16引脚为液晶的背光电源。

3 软件设计

软件设计采用模块化编程方法，分别实现模拟输入、模拟输出、按键输入和LCD液晶显示等功能；将这些功能模块综合起来实现自动增益和可变增益控制功能；在主函数中完成模式切换功能。由单一到综合，最终构成一个功能丰富、结构完整的控制部分程序。

3.1 可变增益模式设计

在可变增益模式下，通过测试得到整体放大电路的增益与压控放大器的控制电压的关系，想要放大器实现的增益值可以通过按键输入设置，在按键扫描后得到键入的增益值，根据系统增益与控制电压的关系计算出所需的控制电压大小，单片机控制片内D／AC模块输出所需的控制电压，即可实现准确设置系统增益的功能［11］。

同时反馈电路实时检测系统输出电压的峰峰值，并经过A／DC模块转换反馈到单片机内。LCD液晶显示模块实时显示出系统输出信号峰峰值和设置的系统增益值［12］。如图7所示。

3.2 自动增益模式设计

在自动增益控制模式下，反馈电路实时检测系统输出电压的峰峰值，并经过A／DC模块转换反馈到单片机内。通过按键输入可以设置预期的系统输出信号峰峰值。然后此预设值与反馈值进行比较，当它们之间的差值不超过8 mV峰峰值时，即认为输出稳定达到预设值；当差值超过8 mV峰峰值时，采用逐次逼近的方式自动调整单片机D／AC模块的输出控制电压，每次调整5 mV峰峰值，直至达到认定的稳定状态［13］。

同样LCD液晶显示模块实时显示出系统输出信号电压的峰峰值和设置的系统预期输出信号峰峰值。如图8所示。

4 放大器实物测试

4.1 可变增益功能测试

测试条件：连接好样机，由直流稳压电源给硬件电路供电，信号发生器分别输入46 MHz和54 MHz小信号；利用控制部分的按键设置增益值，测量输出信号并计算增益值。

图7 可变增益程序流程图

图8 自动增益控制程序流程图

4.2 自动增益功能测试

测试条件：连接好样机，由直流稳压电源给硬件电路供电，信号发生器产生50 MHz输入信号；利用控制部分的按键输入设置系统输出峰峰值，测量输出信号的幅度。

表1、2为测试数据的一部分，由测试数据可知，在可变增益模式下，系统实现了通过按键输入准确控制系统增益大小且在小信号输入时可以达到超过60 dB的最大增益。在设计要求的50 MHz中心频率，超过8 MHz的带宽内，系统增益起伏最大不超过1 dB。在自动增益控制模式下，实现对于起伏变化的输入信号，可以准确控制系统信号输出电压的峰峰值稳定在0．7～3．0 V之间的任意值。

表1 可变增益测试部分数据表

表2 自动增益测试部分数据表（峰峰值）

5 结 语

本文设计并实现了一个可变增益放大器系统，可用于通信系统接收机前端对信号进行处理。该系统主要由放大电路部分和控制部分组成，放大电路部分的前级固定放大电路和后级固定放大电路都实现了对高频信号放大，控制部分STM32片上的A／DC能够准确获得输入的电压值，D／AC也能够稳定精确的输出电压；反馈电路的输出电压也很好地与输入信号的峰峰值呈线性关系。该系统将模拟电子技术和单片机原理融合在一起，同时应用在无线接收机通信系统，有利于提高学生的动手能力及综合能力，该放大器已经应用在电子信息工程和通信工程专业的电子技术创新实践的案例教学中。