基于脉冲密度调制技术的AGC性能的电路设计
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。
电池修复 电瓶清零反充
嵌入式工程师的职业发展方向学习规划
Maxim为真无线耳机提供供电与通信方案，尺寸减小80%
煤矿人员定位系统的应用场景以及所带来的优势
如何使能量收集适用于边缘IoT设备
基于脉冲密度调制技术的AGC性能的电路设计
使用分立式 JFET 放大低噪声电路中的小信号
基于LONWORKS的水轮发电机组状态数据采集节点的设计
多家海外芯片企业获准供应华为
河北将会有120家企业将安装VOCs在线监测设备
眼观六路、耳听八方：汽车雷达系统将成为主流配置
2015-2020年移动社交行业用户规模保持稳中有增趋势
高性能32W双管荧光灯电子镇流器电路
NE555多用途延迟开关电源插座,Multi-function Power outlet
如何利用TPS65023芯片实现数字视频系统的设计？
芯森电子荣获“2023能源领域杰出贡献奖”
PEL-3000E可程式单通道电子负载的功能特点及应用范围
针对Cnc数控机床自动上下料|整体解决方案
坚果Pro3曝光采用了后置四摄的设计搭载骁龙730处理器不支持5G
机器学习在物联网技术中有什么作用
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。
电池修复 电瓶清零反充
嵌入式工程师的职业发展方向学习规划
Maxim为真无线耳机提供供电与通信方案，尺寸减小80%
煤矿人员定位系统的应用场景以及所带来的优势
如何使能量收集适用于边缘IoT设备
基于脉冲密度调制技术的AGC性能的电路设计
使用分立式 JFET 放大低噪声电路中的小信号
基于LONWORKS的水轮发电机组状态数据采集节点的设计
多家海外芯片企业获准供应华为
河北将会有120家企业将安装VOCs在线监测设备
眼观六路、耳听八方：汽车雷达系统将成为主流配置
2015-2020年移动社交行业用户规模保持稳中有增趋势
高性能32W双管荧光灯电子镇流器电路
NE555多用途延迟开关电源插座,Multi-function Power outlet
如何利用TPS65023芯片实现数字视频系统的设计？
芯森电子荣获“2023能源领域杰出贡献奖”
PEL-3000E可程式单通道电子负载的功能特点及应用范围
针对Cnc数控机床自动上下料|整体解决方案
坚果Pro3曝光采用了后置四摄的设计搭载骁龙730处理器不支持5G
机器学习在物联网技术中有什么作用