一种接收机及其功耗优化方法与流程

本发明涉及海洋探测技术领域，尤其涉及一种接收机及其功耗优化方法。

背景技术：

随着人口数量的增长，陆地资源不断被消耗，人们越来越重视海洋资源的开发和利用。在我们赖以生存的地球上，占70％左右的广阔海洋蕴藏着极为丰富的资源。在当今科技水平不断发展的背景下，海洋探测技术得到了快速发展，作为比较成熟的海洋探测技术之一，多波束探测技术被广泛应用于海洋资源调查、水下搜寻、以及海洋环境监测等领域。而多通道接收机是多波束探测系统的重要组成部分。其主要功能是将海底反射的微弱回波信号进行增益放大和滤波，然后对接收到的模拟信号进行模数转换，并最终完成信号采集。接收机的效果直接影响多波束探测系统的整体性能，因此该研究对于多波束探测系统有着十分重要的意义。

如图1所示，图1为现有技术中的传统自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)接收机的系统结构示意图。在图1中，包括传感器、低噪声放大器、可变增益放大器、滤波器、模数转换器(ADC)、包络检波、门限比较、增益码生成；其中，包络检波、门限比较、增益码生成组成反馈回路；传感器产生的微弱的电信号首先通过一个固定增益的低噪声放大器，然后再经过可变增益放大器完成对信号的放大，同时采用滤波器滤除信号带宽外的噪声，最后还需要由模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)完成模拟信号到数字信号的转换，以便送给后续数字信号处理器。但由于接收机输入信号的动态范围超过ADC的动态范围，为保证输入信号不过载，传统接收机引入反馈回路来完成对放大器的增益控制。

反馈回路主要完成包络检波、门限比较和增益码生成等工作。但这就增加了系统复杂度、引入额外的器件噪声和功耗，特别是在ADC之前的增益放大和滤波阶段，所影响的是抗干扰能力很差的模拟信号。更为重要的是反馈回路还引入了系统调节时间，即输入信号的幅度发生变化时AGC输出信号幅度稳定所需要的时间，而这会严重降低系统频带的利用率。由于水声信号接收机工作环境的限制，接收机通常是无人值守的全自动信号接收平台，要求长期连续工作在水下，故最大限度的降低接收机功耗也成为系统设计必须考虑的关键问题。

目前通常的做法有两种：1.在J.P.Alegre等人发表的文章《SiGe Analog AGC Circuit for an 802.11a WLAN Direct Conversion Receiver》中针对传统的AGC结构进行改进，将增益控制分为两个阶段，首先是由开关控制的粗粒度增益控制阶段，然后是由模拟开环控制的细粒度增益控制阶段，总增益系数由这两个阶段组成，从而实现对系统调节时间的优化。2.在J P A Perez等人发表的文章《A High-Performance CMOS Feedforward AGC Circuit for a WLAN Receiver》中提出一种将AGC反馈环路改为前馈环路用以降低系统调节时间的方法。

J.P.Alegre和J P A Perez提出的方法虽然对接收机的系统调节时间进行了一定程度的优化，但是还是存在这一问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，解决现有接收机存在的上述问题，提供了一种接收机及其功耗优化方法。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种接收机，该接收机包括：传感器、低噪声放大器、至少两路信号采样链路和处理器。

传感器与低噪声放大器的输入端连接，低噪声放大器的输出端分别与至少两路信号采样链路中的每一条链路的输入端连接；传感器用于将接收机的输入信号转换成电信号，低噪声放大器用于将电信号进行放大并输出；处理器，用于获取并根据低噪声放大器的输出信号的幅值以及路号记录位和踪迹信息表，选择至少两路信号采样链路中的一条或多条信号采样链路对低噪声放大器的输出信号进行采样并输出。

优选地，至少两路信号采样链路的一路信号采样链路包括：放大器、滤波器和模数转换器；放大器用于对低噪声放大器的输出信号进行放大；滤波器用于对放大器的输出信号进行滤波；模数转换器用于对滤波器的输出信号进行模数转换。

优选地，接收机还用于，根据低噪声放大器(20)的灵敏度和接收机输入信号的第一幅值确定第一增益倍数：

A1＝(y2-y1)/(x2-x1)

其中，(x1，y1)为低噪声放大器的灵敏度坐标，(x2，y2)为接收机输入信号的第一幅值坐标，A1为第一增益倍数。

优选地，接收机还用于，根据信噪比要求的第一值和接收机输入信号的第二幅值确定第二增益倍数：

A2＝(y5-y4)/(x5-x4)

其中，(x4，y4)为信噪比要求的第一值坐标，(x5，y5)为接收机输入信号的第二幅值坐标，A2为第二增益倍数，信噪比为SNR＝10log(Ps/PN)，PS为信号有效功率，PN为噪声功率。

同时，两个链路输入信号的动态范围之和还要覆盖接收机系统的整体动态范围。其中输入信号的动态范围是指输入信号的最大幅值与输入信号的最小幅值之比，可以用如下的关系式表示：

其中，VIN-MIN为输入信号最小幅值，VIN-MAX为输入信号最大幅值。

优选地，路号记录位具体用于；存储接收机在上一时刻选择的信号采样链路段对应的链路号。

优选地，当接收机在同一链路段上连续进行采样时，踪迹信息表用于：存储输入信号在路号记录位中保存的链路号上，连续采集到的数据个数。

另一方面，本发明提供了一种接收机功耗优化方法，该接收机功耗优化方法应用于接收机，接收机包括：传感器、低噪声放大器、至少两路信号采样链路和处理器，方法具体包括：

传感器与低噪声放大器的输入端连接，低噪声放大器的输出端分别与至少两路信号采样链路中的每一条链路的输入端连接；传感器用于将接收机的输入信号转换成电信号，低噪声放大器用于将电信号进行放大并输出；处理器，用于获取并根据低噪声放大器的输出信号的幅值以及路号记录位和踪迹信息表，选择至少两路信号采样链路中的一条或多条信号采样链路对低噪声放大器的输出信号进行采样并输出。

优选地，上述方法还包括：路号记录位存储接收机在上一时刻选择的信号采样链路段对应的链路号。

优选地，当接收机在同一链路段上连续进行采样时，上述方法还包括：踪迹信息表存储输入信号在路号记录位中保存的链路号上，连续采集到的数据个数。

优选地，当踪迹信息表连续采集到的数据个数值超过休眠门限时，处理器将路号记录位中保存的链路号非对应的信号采样链路设置成休眠模式。

本发明的技术效果是:

(1)不采用增益控制的反馈回路，而通过多链路结构来完成信号采集的所有工作，简化了接收机的系统结构，提高了系统的抗干扰能力，并且避免了系统调节时间的问题。

(2)利用改进接收机系统结构的特点，同时根据输入信号的特性，使接收机具有多功耗管理模式，完成系统低功耗优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中接收机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种接收机的结构示意图；

图3为图2中接收机的一个具体的实施例；

图4是接收机增益倍数计算示意图；

图5为踪迹信息表的一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图2为本发明实施例提供的一种接收机的结构示意图。如图2所示，该接收机包括：传感器10、低噪声放大器20、至少两路信号采样链路30、处理器40、路号记录位40A和踪迹信息表40B。

传感器10用于将接收机的输入信号转换成电信号，低噪声放大器20用于将电信号进行放大并输出；接收机的处理器40，用于获取并根据低噪声放大器20的输出信号的幅值以及处理器40存储的路号记录位40A和踪迹信息表40B，选择至少两路信号采样链路30中的一条或多条信号采样链路对低噪声放大器20的输出信号进行采样并输出。

本发明实施例根据输入信号的变化方式选择至少两路信号采样链路30的一条或多条链路对输入信号采样。

图3为图2中接收机的一个具体的实施例。如图3所示，该接收机包括：传感器10、低噪声放大器20、第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B、处理器40，路号记录位40A和踪迹信息表40B。

传感器10用于将输入信号转换成电信号，便于低噪声放大器20对电信号进行放大，并提供为第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B的输入信号；接收机的处理器40用于获取并根据第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B输出信号的幅值以及踪迹信息表40B和路号记录位40A，在下一采样时刻，选择第一信号采样链路30A和/或第二信号采样链路30B对低噪声放大器20的输出信号进行采样并输出为接收机的接收信号。

具体的，第一信号采样链路30A包括放大器1A、滤波器2A和模数转换器3A。

放大器1A用于对低噪声放大器20的输出信号进行放大；滤波器2A用于对放大器1A的输出信号进行滤波；模数转换器3A用于对滤波器2A的输出信号进行模数转换。由放大器1A、滤波器2A和模数转换器3A实现对低噪声放大器20的输出信号进行采样。

具体的，第二信号采样链路30B包括放大器1B、滤波器2B和模数转换器3B。

放大器1B用于对低噪声放大器20的输出信号进行放大；滤波器2B用于对放大器1B的输出信号进行滤波；模数转换器3B用于对滤波器2B的输出信号进行模数转换。由放大器1B、滤波器2B和模数转换器3B实现对低噪声放大器20的输出信号进行采样。

本发明实施例的接收机，将低噪声放大器20的输出信号连接两个链路处理，第一信号采样链路30A用于对幅值较小的低噪声放大器20的输出信号进行采样作为接收机的接收信号，第二信号采样链路30B用于对幅值较大的低噪声放大器20的输出信号进行采样作为接收机的接收信号。

本发明实施例不采用增益控制的反馈回路，而通过多链路结构来完成信号采集的所有工作，这样就大大简化了接收机的系统结构，提高了系统的抗干扰能力，并且避免了系统调节时间的问题。同时使接收机具备多种功耗管理模式，降低系统功耗。

图4是接收机增益倍数计算示意图。如图4所示，由信噪比值为纵坐标和输入信号的幅值为横坐标构成坐标系。

接收机根据低噪声放大器20对噪声的灵敏度可以确定点A坐标，再根据接收机输入信号的第一幅值可以确定点B坐标，从而得到放大器1A的增益倍数A1：

A1＝(y2-y1)/(x2-x1)

当输入信号继续增大时，第一信号采样链路30A的链路出现信号过载，从点C开始信噪比开始降低，当信噪比下降到最低要求时可以得到点D坐标，优选地，信噪比要求的第一值为信噪比要求的最小值。再根据接收机输入信号的第二幅值确定点E坐标，从而得到放大器1B的链路的增益倍数A2。

A2＝(y5-y4)/(x5-x4)

其中，信噪比为SNR＝10log(Ps/PN)，PS为信号有效功率，PN为噪声功率。

一方面，本发明实施例中采用的两个链路的输入信号幅值下限受到等效噪声的影响，优选地，第一幅值为输入信号的最小幅值；两个链路的输入信号幅值的上限受到模数转换器3A和模数转换器3B输入范围的限制，优选地，第二幅值为输入信号的最大幅值。

另一方面，第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B的输入信号的动态范围之和还要覆盖接收机系统的整体动态范围。其中第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B的输入信号的动态范围是指输入信号的最大幅值与输入信号的最小幅值之比，可以用如下的关系式表示：

其中，VIN-MIN为输入信号最小幅值，VIN-MAX为输入信号最大幅值。

需要说明的是，随着输入信号幅值不断增大，会使第一信号采样链路30A出现信号过载，此时需要选择第二信号采样链路30B来采集输入信号，从而覆盖信号的动态范围。

可选的，本发明实施例中接收机同时拥有第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B，为了最大限度的降低功耗，可以通过踪迹信息表40B记录输入信号的变化方式。

在接收机正常工作的条件下，为了更好的降低功耗。当输入信号在动态范围内渐进变化时，可将不需要工作的采样链路设置成休眠模式；当输入信号在动态范围内任意变化时，需要将第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B同时处于工作，以保证系统能接收到有效信号。

图5为踪迹信息表的一个具体的实施例。如图5所示，因为接收机在具体实际工作状态下，输入信号的动态范围可以划分为这三部分，三部分包括第一信号采样链路段(第一信号采样链路30A的动态范围)、过渡段(两个信号采样链路重叠的动态范围)和第二信号采样链路段(第二信号采样链路30B的动态范围)。

第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B将采样到的数据提供给处理器40，处理器40根据这些数据就可以判断当前输入信号处在哪个信号处理链路段。

例如，以模数转换器为16bi t为例，第一信号采样链路30A连续接收到多个数据为FFFF(一个十六进制F＝1111)，说明输入信号超过第一信号采样链路段的最大范围；第二信号采样链路30B连续接收到多个数据为0000时，说明输入信号超过第二信号采样链路段的最小范围；接收机可以根据接收信号的值，知道当前信号处在哪一个链路段。

路号记录位40A是存在处理器40内部，作用是存储接收机在上一时刻选择的信号采样链路段对应的链路号。例如接收机的处理器40判断输入信号幅值处于第一信号采样链路30A的动态范围内，处理器40生成路号标志2'b01，并与路号记录位40A的原有内容比较，如果比较结果不相等，则路号记录位40A保存2'b01，表示该数据是由第一信号处理链路30A采集得到；如果比较结果相等，则路号记录位40A保持不变，表示当前信号渐进变化。

踪迹信息表40B是存在处理器40内部，当接收机在同一链路段上连续进行采样时，存储输入信号在路号记录位40A中保存的链路号上，连续采集到的数据个数，例如信号在第一信号采样链路段连续采集到3次，那么就在踪迹信息表40B的前三位保存1，如果超过设置的休眠门限，在下次采样信号之前，将第二信号采样链路30B设置为休眠模式。

处理器40在开始工作前将路号记录位40A和踪迹信息表40B清零，当输入信号的幅值在a点时，接收机的处理器40判断输入信号幅值处于第一信号采样链路30A的动态范围内，处理器40生成路号标志2'b01，并与路号记录位40A的内容2'b00比较，由于比较结果不相等，因此路号记录位40A保存2'b01，表示该数据是由第一信号处理链路采集得到，并在踪迹信息表40B的第一位保存1'b1。此时需要将第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B设置成工作模式。

接收机的工作过程：

当输入信号的从a点变化到b点时，处理器40生成路号标志2'b01，并与路号记录位40A上一时刻存储的内容2'b01比较，由于比较结果相等，因此路号记录位40A的内容保持不变，并在踪迹信息表40B的第二位保存1'b1，表示输入信号连续两次在第一信号采样链路30A的动态范围内变化。当输入信号的从b点变化到c点时，处理器40生成路号标志2'b01，并与路号记录位40A上一时刻存储的内容2'b01比较，由于比较结果相等，因此路号记录位40A的内容保持不变，并在踪迹信息表40B的第三位保存1'b1，若休眠门限的值设置为2，则此时接收机的处理器40判断输入信号幅值属于渐进变化方式，且处于第一信号采样链路30A动态范围内，此时可以将第二信号采样链路30B设置成休眠模式节省功耗。

当接收机的输入信号幅值从c点变化到d点，此时接收机的处理器40判断第一信号采样链路30A已处于过载，处理器40生成路号标志2'b00，并与路号记录位40A上一时刻存储的内容2'b01比较，由于比较结果不相等，因此路号记录位40A保存2'b00，表示输入信号的动态范围处于过渡段，并将踪迹信息表40B的内容清零。此时需要将第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B都设置成工作模式。当接收机的输入信号幅值从d点变化到e点，此时接收机的处理器40判断输入信号的动态范围仍处于过渡段，处理器40生成路号标志2'b00，并与路号记录位40A上一时刻存储的内容2'b00比较，由于比较结果相等，因此路号记录位40A、踪迹信息表40B以及第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B的工作模式保持不变。

当接收机的输入信号幅值变化到f点，接收机的处理器40判断输入信号幅值处于第二信号采样链路30B的动态范围内，处理器40生成路号标志2'b10，并与路号记录位40A上一时刻存储的内容2'b00比较，由于比较结果不相等，因此路号记录位40A保存2'b10，表示该数据是由第二信号采样链路30B采集得到，并在踪迹信息表40B的第一位保存1'b1。此时需要将第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B都设置成工作模式。

当输入信号的从f点变化到g点时，处理器40生成路号标志2'b10，并与路号记录位40A上一时刻存储的内容2'b10比较，由于比较结果相等，因此路号记录位40A的内容保持不变，并在踪迹信息表40B的第二位保存1'b1，表示输入信号连续两次在第二信号采样链路30B的动态范围内变化。当输入信号的从g点变化到h点时，处理器40生成路号标志2'b10，并与路号记录位40A上一时刻存储的内容2'b10比较，由于比较结果相等，因此路号记录位40A的内容保持不变，并在踪迹信息表40B的第三位保存1'b1，由于休眠门限的值设置为2，则此时接收机的处理器40判断输入信号幅值属于渐进变化方式，且处于第二信号采样链路30B动态范围内，此时可以将第一信号采样链路30A设置成休眠模式节省功耗。

可选的，若输入信号从c点变化到i点，输入信号从第一信号采样链路30A的动态范围直接变化到第二信号采样链路30B的动态范围，接收机的处理器40判断输入信号幅值处于第二信号采样链路30B的动态范围内，处理器40生成路号标志2'b10，并与路号记录位40A上一时刻存储的内容2'b01比较，由于比较结果不相等，因此路号记录位40A保存2'b10，表示该数据是由第二信号采样链路30B所在的链路采样得到，踪迹信息表40B的原有内容清零，同时在踪迹信息表40B的第一位保存1'b1。由于此时踪迹信息表40B的内容没有超过休眠门限，处理器40判断输入信号属于任意变化方式，因此第一信号采样链路30A和第二信号采样链路30B需要同时保持工作模式。

需要说明的是，本发明实施例中接收机为了能够正确接收到有效信号，每间隔一段时间，需要将路号记录位40A和踪迹信息表40B清空，从新记录信号变化方式。其中踪迹信息表40B的记录深度和休眠门限的设置可以根据实际信号的特性来选择。

本发明提供的一种接收机及其功耗优化方法与现有技术相比具有以下突出的有益效果:

(1)不采用增益控制的反馈回路，而通过多链路结构来完成信号采集的所有工作，简化了接收机的系统结构，提高了系统的抗干扰能力，并且避免了系统调节时间的问题。

(2)利用改进接收机系统结构的特点，同时根据输入信号的变化方式，使接收机具有多功耗管理模式，完成系统低功耗优化。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。