使用信号和干扰功率获得扩展的阻塞性能的自动增益控制的制作方法

专利名称：使用信号和干扰功率获得扩展的阻塞性能的自动增益控制的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及自动增益控制电路，更加具体地说，本发明涉及具有信道选择功能的无线电接收器，所说信道选择功能至少部分地在数字域实现，并且在信号路径中使用一个或多个模拟数字转换器。
背景技术：
传统的无线电接收器设计在模拟域实现了所需的选择功能。这样的模拟滤波在无线电接收器中已经使用了许多年。最近已经开发了数字信号处理技术，有时称之为数字滤波，数字信号处理技术非常适合于在无线电接收器中实现过去完全是在模拟域中实现的各种功能。然而，应该认识到，为了利用数字信号处理的优点，在提供给数字信号处理之前，先要将模拟信号转换成数字信号。进一步还应该认识到，用于转换模拟信号为数字信号的电路或系统的公用术语是模拟数字转换器(ADC)。
各种接收器体系结构使用了模拟信号和数字信号处理的组合。现在参照附图1，其中表示的是使用数字选择的一个常规的无线电接收器体系结构。在这个直接转换的无线电接收器的实例中，将I和Q信号(即同相信号和正交信号)转换成数字格式，随后进行数字信号处理或滤波以完成信道滤波器响应。这与较老的体系结构相反，在较老的体系结构中，大多数的选择操作(即使不是全部)都是在模拟域中完成的。这些较老的体系结构因而可对模拟数字转换器提供优异的保护性能，因为在模拟域中已经将大的带外信号过滤掉。以此方式，可以防止带外信号能量对于提供给模拟数字转换器的信号幅度产生贡献。

发明内容
当前所需要的是，在实现数字域中的选择性的无线电接收器中，用于减小或消除超过模拟数字转换器的最大可接受输入电平的信号的方法和设备。
简单地说，本发明的实施例改善了无线电接收器的操作，无线电接收器包括模拟和数字信号处理部分，并且将至少一个模拟数字(A/D)转换器设置在模拟和数字信号处理部分之间，并且其中的接收器的选择功能至少部分地是在数字域中实现的。一个AGC控制器在确定宽带信号能量估算值超过了宽带阈值时将第一可变增益放大器设置成低增益状态。对于这样一个宽带阈值进行选择，以减小或防止至少一个模拟数字转换器发生饱和。如果宽带信号能量估算值小于宽带阈值，则对于在接收信号路径的模拟部分中的每个可变增益放大器，要确定窄带信号能量估算值是否超过对应于这个可变增益放大器的一个窄带阈值再加上将可变增益放大器设置成低增益状态的情况下的一个滞后值；或者确定所说的窄带信号能量估算值是否小于窄带阈值再减去将可变增益放大器设置成高增益状态的情况下的一个滞后值。


图1是具有模拟和数字两个部分并且使用数字选择的无线电接收器的示意方块图。
图2是表示宽带灵敏度的一个模拟传递函数的频率相对于幅度的曲线图。
图3是使用数字选择的并且具有模拟和数字两个部分无线电接收器的示意方块图，并且更加具体地表示仅从信道上(即信道内)的信号能量引出的自动增益控制。
图4是按照本发明的一个无线电接收器的数字部分的示意方块图，其中表示用于实现宽带功率评估的附加信号路径。
图5是按照本发明表示一个AGC算法的C语言片段。
图6是十中抽一采样和滤波方案的一个信道的高水平示意方块图，表示对于按照本发明用于功率评估的宽带信号的访问。
具体实施例方式
提供一种用于防止或减小模拟数字转换器发生饱和的方法和设备，模拟数字转换器设置在无线电接收器的模拟部分和数字部分之间，所说的方法和设备用于根据到达接收器的模拟数字转换器的净信号能量来控制一个或多个可变增益放大器。
这里所说的“一个实施例”、“一实施例”、或类似的说法指的是，结合这个实施例描述的特定特点、结构、操作、或特征都包括在本发明的至少一个实施例中。于是，这时出现的这样的短语或组成不一定全指的是同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以按照任何合适的方式组合各个特定特点、结构、操作、或特征。
A/D指的是模拟-数字，在模拟数字转换器(ADC)的上下文中经常使用它。
缩写AGC指的是自动增益控制。
缩写ALC指的是自动电平控制。
缩写CDMA指的是码分多址。
缩写ERP指的是有效辐射功率。
缩写PCS指的是个人通信服务。
缩写RSSI指的是接收信号强度指示器。
直接转换接收器的表达指的是在一次混频操作中就可以将来自第一频率的输入信号转换成期望的第二频率而没有任何中间频率(IF)级的无线电设备。
本发明涉及无线电接收器，它们的信道选择至少部分地在数字域内实现，并且在信号路径中使用一个或多个模拟数字转换器。在本发明的一个方面，在一个安全的工作限制值内维持在模拟数字转换器的输入端达到的总信号功率，其中包括带外功率。这样一个安全的工作限制值可以保证信号路径不会由强干扰阻塞。在本发明的第二方面，全滤波的信道上信号的数字自动电平控制改善了信号按照指定的有限的字大小的显示。包含上述方面的本发明的各个实施例能够控制期望信号的幅度，使其在完全确定的限制值之内。要说明的是，这个期望信号是在无线电接收器的模拟部分内通常用于描述、比较、或评估自动增益控制的度量。
按照常规，对于自动增益控制系统(或者子系统或者电路)进行设计，使其可以在实现信道选择以后控制期望信号的电平。因此，常规设计的目的是将带外信号对自动增益控制控制回路的冲击减至最小。在数字接收器中通过从数字滤波的最后一级的输出(即在数字基带中)导出自动增益控制功率水平的检测，就可能复制出上述的行为。然而，必须在模拟数字转换器中保留足够大的开头空间，使其为“空白的”，以便可以线性处理经过微弱过滤的和/或强大有力的干扰。
当不打算控制带外功率时，这个功率就可以超过模拟数字转换器的线性范围，对于信号路径产生不期望的结果。这样一些不期望的结果可能包括所有的通信突然丢失的灾难性结果。本发明的实施例通过保证模拟数字转换器的总的入射功率不超过这些模拟数字转换器的线性信号处理范围克服了这个缺陷，当然这就意味着牺牲了期望信号的一些信号噪声比。
在本发明的一个说明性实施例中，估算在模拟数字转换器的输入端的信号的功率，并且使这个信息可以作为一个信号来利用，这个信号在这里称之为功率信号。对于以所需的分辨率和采样速率直接采样的那些类型的模拟数字转换器，提供这样一种信号的方法是从同相信道和正交信道取得数字采样值的平方和并且对于这些平方和进行低通滤波。对于∑-Δ(sigma delta)模拟数字转换器，必须进行刚好足够的低通滤波，以防止功率估算值中来自1比特转换器的量化噪声占优势。然而，可能是导出的或者是确定的功率读出信号的带宽应该足够地宽，以便覆盖在模拟域中没有受到部分信道滤波充分保护的频带。然后，应用自动增益控制回路技术(其中包括(但不限于)常规的自动增益控制回路电路)，其目的在于在模拟数字转换的输入端的总的入射功率尽可能地与所提供的开头空间一样大。在本发明的各个实施例中，在模拟数字转换的输入端的总的入射功率在比模拟数字转换器的满刻度输入功率低的10dB-15dB之间，因此可以提供开头空间。希望这样的开头空间能够允许输入信号和干扰有一个峰值与平均值之比，可以允许通过自动增益控制回路有一个延迟的反应。
适当的十中抽一采样和信道滤波器对于信号进行处理，以使期望信道在最终的信号中占优势。在这一情况下，可以应用某种数字自动电平控制以便以有限的字长拟合信号的最有效的非零比特，从而可以作进一步的处理。这样的数字自动电平控制提供的结果是，可能由干扰功率而不是信号功率确定的增益变化不会影响期望信号的最终输出，期望信号即要解调的信号。反馈增益控制状态和前馈数字自动电平控制状态这两者一直是已知的，并且可以用于确定期望信号的绝对电平，这个绝对电平可用在接收器中的软判定推理和路径损耗评估。
例如，考虑用于直接转换CDMA接收器的信号链分析，所说的直接转换CDMA接收器在900兆赫兹的强单调(single-tone)干扰的条件下操作。下面的表1给出了期望信号和900兆赫兹单调干扰信号的某些示例性的信号电平。
表1信号电平(dBm) -101.0单调信号频率(+/-kHz)900单调信号电平(dBm) -25.0Tx功率(dBm) 24.0ANT VGA1LPF1NULLLPF2NULLLPF3VGA2 ADC功率/电压增益(dB) 0.0 16.010.00.0 10.00.0 0.0 12.0 0.0级联的功率/电压增益(dB) 0.0 33.543.543.553.553.553.565.5 65.5信号功率(dBm/毫伏) -101.0 0.189 0.6 0.6 1.9 1.9 1.9 7.5 7.5单调信号功率(dBm/mV)-25.01189.9 1189.9 1189.9 945.2 945.2 84.2335.4335.4LNA CrossMod功率(dBm)总带内信号+噪声(mV) 0.280.870.872.762.762.7610.9810.98总信号+噪声RMS(mV) 1190.0 1189.9 1189.9 945.2 945.2 84.3335.5335.5音调功率比(dB) 37.661.561.550.350.329.729.7 29.7总信号+噪声P2P(mV) 3365.8 3365.5 3365.5 2673.3 2673.3 238.4 949.0949.0总带内噪声(dBm/mV) -112.5 0.200.640.642.012.012.018.01 8.0噪声比(dB) 11.3 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85-0.85在表1中给出的所示的情况下，可以看出，输出信号是949mV峰峰值，并且还可以看出，与期望信号为7.5mV相比，这个输出信号中335.4mV均方根值的不期望的单调信号功率占优势。显然，需要可考虑的数字选择(约40dB)以使不期望的单调信号的电平低于期望信号。在这个示例性的情况下，假定模拟数字转换的输入端在1伏峰峰值时饱和，因此这个信号链刚好在这个例子的限制值内，预计向模拟数字转换器输出949mV峰峰值。然而，如果干扰信号只增加1dB到-24dBm，则到∑-Δ转换器的输入将超过1伏峰峰值，并且可能发生限幅或变得不稳定，有潜在可能产生期望信号的完全丢失。
要说明的是，以上不完整的描述不限于900kHz的偏差频率。由于在模拟滤波中使用了椭圆传递函数，带外衰减随频率增加是缓慢的，如图2所示。参照附图2可以看出，需要超过+/-10MHz的偏差才能保证额外的10dB衰减。
现在考虑具有30W ERP的一个不理想的基站发射器，假定对于移动接收器有0dBi增益(即，相对于各向同性的辐射图形是0dB增益)，我们可以计算可允许的最小路径损耗，以产生-25dBm的期望的接收功率。由于30W是+45dBm，所以总的路径损耗简单地就是45+25＝70dB。这种类型的路径损耗通常与视线接近的情况有关，通过下述的自由空间路径损耗方程可以近似计算这种情况A＝20log104πd0/λ若取λ＝3×108/800×106＝0.375m，并且d0＝100m，则我们可以获得A＝70.5dB。
这表示在800兆赫兹，有一个由频率偏差不超过10兆赫兹的30W的发射器引起的半径约为100m的阻塞区。在PCS频率，可以按照类似的方式计算这个阻塞区，这个阻塞区的半径约为40m。
在过去，通常假设自动增益控制信号完全都是从期望信号的功率中导出的，不应该受信道外信号的影响或者被信道外信号俘获。与常规的原理一样，用于驱动自动增益控制的RSSI信号应该在通过基带处理器进行数字滤波之后导出。这个原理如图3所示。
现在参照附图3，可以看出，自动增益控制算法是通过从I2+Q2导出的信道上信号的功率估算值驱动的。在一般情况下，应用低通滤波和对数函数来产生判定变量，判定变量用于确定阶跃增益放大器302的状态。这种平滑的对数度量有时可称之为接收信号强度提示器(RSSI)。
然而，各种性能问题来源于在图3所示的接收器的自动增益控制算法中只使用期望信号强度。更加具体地说，由于在基带滤波中使用了数字滤波，因此可以使用自动增益控制算法来检测带外信号，因而存在超过模拟数字转换器的允许输入电平的危险。这种缺陷有可能表现为用户(即接收器)一旦进入如以上所述的那些阻塞区通信会突然的完全丢失。在接收器的自动增益控制算法中当只使用期望信号强度时可能产生的另一个可能的性能问题是自动增益控制的状态不稳定，这种状态是由于带内能量引起的，这个带内能量来自当高增益状态时触发自动增益控制的畸变产物，使低增益设定值被调用。一旦调用低增益设定值，马上就清除畸变的来源(如限幅)，从而可以再一次调用高增益状态。因此可产生这两个状态之间的振荡，由此可有效地禁止在自动增益控制算法中只使用期望信号强度的接收器操作。
如果指定了在自动增益控制算法中由只使用期望信号强度产生的各个性能问题，就可以对本发明的各个实施例进行有益的设计，以避免模拟数字转换由强阻塞信号捕获。更加具体地说，对本发明的各个实施例进行设计，以使抵达接收器的模拟数字转换器的总的信号能量不会超过最大可允许的输入幅度，以便由这些模拟数字转换器进行从模拟到数字的稳定的线性转换。
要说明的是，本发明的各个实施例可以使用自动增益控制来实施一种方案，其中使用抵达模拟数字转换器的总的信号能量(不是只有带内信号功率)来控制接收器的增益。进一步还要说明的是，在这样一个方案中存在这样一种可能性当由干扰触发的自动增益控制把接收器的一个或多个可变增益放大器设计成低增益状态时，可以将微弱的期望信号进一步向下推入噪声当中。然而我们相信，如果在允许模拟数字转换的输入过载(由此可能完全中断通信)和向下推动微弱信号进入噪声(由此可能降低信号质量)之间作出选择，那么宁愿选择后者。
对于涉及使用数字自动增益控制以避免大信号过载的本发明的各个实施例，自动增益控制算法可以获得在模拟数字转换器入射的信号功率的宽带估算值。提供这个宽带估算值的一个方法是，在数字信道滤波器之前取得信号功率并且使用这个信号功率来产生一个补充能量估算值。图4表示的是在本发明的一个实施例中用于实现宽带功率估算值的附加信号路径420a、420b、420c。
在图4的示例性体系结构中，大多数时间使用的是自动增益控制机制的常规部分。即，期望信号(在一般情况下它是全滤波信号)正在驱动接收的信号强度度量标准，这个度量标准是确定哪一个自动增益控制放大器应该处在与低增益状态相对的高增益状态的基础。然而，按照本发明，当来自宽带信号路径的能量超过了某个阈值(在一般情况下，接近最大可允许的信号强度)时，自动增益控制算法引导自动增益控制的放大器适当地减小增益。
图5表示C语言代码片段，其中表示按照本发明的一种自动增益控制算法的说明性实例。在图5中提供的C语言片段表示如果宽带功率估算值超过了某个阈值，则第一自动增益控制放大器的增益设定值要设定在低增益模式，而不管窄带功率估算值是多少。
对于图5所示的说明性实例，要说明的是，get_wideband_RSSI_measurement()是返回宽带RSSI测量值的一个函数，宽带RSSI测量值在数值上等效于在没有经过数字信道滤波的情况下测得的以dBm(在这里dBm是相对于1mW的功率测量值)为单位的接收器输入电平，get_narrowband_RSSI_measurement()是利用数字信道滤波导出的等效函数。这两个函数都考虑到自动增益控制放大器的状态，可将信号电平返回到整个接收器链的输入端。
要注意的是，可以用硬件、软件(或者固件)、或者硬件和软件的组合来实现按照本发明的自动增益控制过程的逻辑。通过常规的微处理器、微控制器、数字信号处理器、或者通过适合于执行或者按照其它方式处理所说软件的定制设计的硬件可执行这样一种软件。
现在参照附图6，其中表示一个∑-Δ模拟数字转换体系结构的一部分，说明用于功率估算的宽带信号的获得。这样的∑-Δ模拟数字转换体系结构提供用于估算宽带功率的机会，其方法就是从十中抽一采样和滤波处理链中的一个中间点取一个信号。更加具体地说，图6表示适合于用在本发明的实施例中的一个典型的十中抽一采样和滤波方案中的一个信道。每个十中抽一采样和滤波级在增加信号的分辨率的同时都将减小带宽。由于在∑-Δ模拟数字转换中噪声也进行了整形，所以需要有几级十中抽一采样和滤波来减小高频量化噪声的冲击。因此，在一般情况下，在选择用于功率估算的采样链中的特定点时，都要进行折中。这种折中的目的在于避免由量化噪声产生的过多的十中抽一采样，同时还可以保证有足够大的带宽来检测带外干扰。
在上述的各个说明性实施例中，在自动增益控制算法中使用了两种类型的功率估算，即宽带的和带内的。在本发明的一个可替换实施例中，通过只使用宽带功率评估来减小实施的复杂性。在这样一些实施例中，自动增益控制只在必要时才进行操作以防止自动增益控制输入的过载。这就不允许使用自动增益控制来改善接收器对于互调音调的可靠性，除非这些互调音调足够地强，以致于触发了接收器增益中的“紧急”减小以便保护接收器中的一个或多个模拟数字转换器。虽然这个可替换实施例提供的实施方案不太复杂(因为它对于自动增益控制过程只使用宽带功率估算)，但在一般情况下不允许足够早地操作自动增益控制，因而可以保护接收器不受互调现象的影响。
在这里提供的各种示例性描述中，已经可以看出，包括数字信号处理部分并且在某种程度上依赖数字选择的接收器对于距期望频率有900千赫兹到10兆赫兹偏差的大的单调信号干扰可能是很脆弱的。只由带内信号功率驱动的常规的自动增益控制方案可能不能对这样一种不期望的单调信号作出反应，即使存在中断通信的危险也不能作出反应。按照本发明的自动增益控制体系结构的一个改进是提供一种机制，这样的机制当信号达到有可能阻塞接收器的电平时可以检测这样一些信号、响应所说的检测、并且最终减小接收器增益以保护所说接收器。在一个说明性实施例中，在十中抽一采样和滤波链中的一个适当的点取出信号，以使这个信号可以保持宽带功率信息。
在本发明的范围内可以进行各种各样的改进和替换，为了进行说明，其中包括(但不限于)在接收信号路径中对于不同的可变增益放大器提供不同的滞后值，或者基于任何合适因子动态地指定各个宽带阈值、窄带阈值、和/或滞后值。
应该理解，本发明不限于上述的实施例，而是包括在所附权利要求范围内的任何一个实施例和所有的实施例。
权利要求
1.一种操作无线电接收器的方法，所说无线电接收器的一个模拟部分耦合到模拟数字转换器，模拟数字转换器耦合到数字信号处理部分，所说方法包括防止到达模拟数字转换器的总的信号功率超过最大可允许的输入幅度。
2.权利要求1的方法，其中防止到达模拟数字转换器的总的信号功率超过最大可允许的输入幅度的步骤包括检测大于第一预定阈值的宽带信号功率，响应所说的检测减小耦合到模拟数字转换器的输入端的至少一个放大器的增益。
3.权利要求2的方法，其中模拟数字转换器是一个∑-Δ转换器。
4.权利要求3的方法，进一步还包括检测大于第二预定阈值的带内信号功率、响应所说的检测减小耦合到模拟数字转换器的输入端的至少一个放大器(302)的增益。
5.权利要求1的方法，其中无线电接收器包括一个第一可变增益放大器(302)，所说方法进一步还包括如果宽带信号功率大于第一预定阈值，使第一可变增益放大器(302)处在低增益状态。
6.权利要求1的方法，其中无线电接收器包括一个第一可变增益放大器(302)，所说方法进一步还包括确定宽带信号功率是否小于第一预定阈值，如果窄带信号功率大于第二预定阈值，使第一可变增益放大器(302)处在低增益状态。
7.权利要求6的方法，其中如果窄带信号功率大于第二预定阈值至少一个第一滞后值，使第一可变增益放大器(302)处在低增益状态。
8.权利要求7的方法，其中如果窄带信号功率小于第二预定阈值至少一个第二滞后值，使第一可变增益放大器(302)处在高增益状态。
9.权利要求8的方法，其中第一滞后值和第二滞后值相同。
10.一种防止在具有数字信道选择电路的无线电接收器中∑-Δ转换器饱和的方法，所说方法包括获得宽带功率估算值和窄带功率估算值，如果宽带功率估算值大于第一预定值，则减小多个放大器(302)中的第一个放大器的放大器增益；如果宽带功率估算值不大于第一预定值，并且如果窄带功率估算值大于第二预定值，则减小多个放大器(302)中的至少一个放大器的增益。
11.权利要求10的方法，其中对于第一预定值进行选择，以便减小由频带外信号功率引起的ADC饱和的出现。
12.一种操作无线电接收器的方法，所说无线电接收器具有模拟的降频变换器部分和数字部分，模拟的降频变换器部分包括多个串联耦合的可变增益放大器(302)，数字部分至少部分地执行频率选择功能，所说的方法包括a)将多个可变增益放大器(302)中的每一个设置成高增益状态；b)获得宽带信号功率估算值；c)获得窄带信号功率估算值；d)确定宽带信号功率估算值是否大于宽带阈值；e)如果在(d)的判定是肯定的，则将多个可变增益放大器(302)的第一个放大器设置成低增益状态；f)如果在(d)的判定是否定的，则确定窄带信号功率估算值是否大于窄带阈值；g)如果窄带信号功率估算值大于第一窄带阈值再加上滞后值，则将多个可变增益放大器(302)的第一个放大器设置成低增益状态。
13.权利要求12的方法，进一步还包括动态地指定宽带阈值。
14.权利要求13的方法，进一步还包括动态地指定窄带阈值。
15.一种无线电接收器，无线电接收器包括一个模拟降频变换器和一个自动增益控制电路，所说模拟降频变换器包括多个串联耦合的可变增益放大器(302)、一个连接到多个可变增益放大器(302)之一的模拟数字转换器、和包括选择电路的一个数字基带处理器，所说的自动增益控制电路配置成可以接收宽带信号功率估算值(402c)和窄带信号功率估算值。
16.权利要求15的无线电接收器，其中多个可变增益放大器(302)耦合到自动增益控制电路。
17.权利要求16的无线电接收器，其中模拟数字转换器是一个∑-Δ模拟数字转换器。
18.权利要求15的无线电接收器，其中自动增益控制电路进一步配置成可以接收一个宽带功率阈值和至少一个窄带阈值。
19.权利要求18的无线电接收器，其中自动增益控制电路进一步配置成可以接收至少一个滞后值。
20.权利要求16的无线电接收器，其中选择电路包括数字滤波器。
全文摘要
在包括模拟和数字部分的一个无线电设备中，至少一个模拟数字转换器设在模拟和数字部分之间，无线电设备的选择至少部分地在数字域中实现，在确定宽带功率估算值大于宽带阈值时，用于自动增益控制的控制器将第一可变增益放大器(VGA)(302)设置成低增益状态，然后选择宽带阈值以减少模拟数字转换器饱和的出现。如果宽带功率估算值小于宽带阈值，则对于在模拟部分的每个可变增益放大器(302)确定窄带信号功率估算值是否大于与这个可变增益放大器(302)对应的窄带阈值再加上一个滞后值，在这种情况下的可变增益放大器(302)设置成低增益状态；或者确定窄带能量估算值是否小于窄带阈值再减去一个滞后值，在这种情况下的可变增益放大器(302)设置成高增益状态。
文档编号H04B1/28GK1711700SQ200380103480
公开日2005年12月21日 申请日期2003年11月14日 优先权日2002年11月18日
发明者C·拉泽里 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司