CN100563098C - 信号增益控制电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种信号增益控制电路及方法。其中在信号增益控制电路中，增益级接收模拟信号，通过增益调整信号以第一周期时间周期性调整第一增益因子而放大模拟信号，以及输出放大信号。模数转换器，转换放大信号成为包含多个取样点的第一数字信号。放大装置，根据上述第一数字信号的分布的至少一个特性度量，以第二周期时间周期性调整第二增益因子，并将第一数字信号乘以上述第二增益因子以产生第二数字信号。第一增益调整装置，检测第二数字信号的信号强度，以及据此以第一周期时间周期性产生增益调整信号。实施本发明提供的信号增益控制电路或方法能避免因使用高分辨率模数转换器而引发的制造成本增加和接收器的高功率损耗等问题。

Description

信号增益控制电路及方法
技术领域
本发明涉及一种自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)系统及方法，特别是一种具有前馈(feedforward)环路与反馈(feedback)环路的信号增益控制电路及方法。
背景技术
在无线系统(如无线电或蜂窝移动通信系统)中接收器的使用是此领域所熟知的，解调接收信号的传统技术是使用线性解调器(linear demodulator)耦接至自动增益控制电路以保持输入信号落在解调器和/或模数转换器(ADC)的输入范围内。自动增益控制电路通过调整反馈路径的放大器增益而保持输出在线性操作区间。
图1是显示传统自动增益控制系统的示意图。自动增益控制系统包括可变电流/电压增益放大器10、功率运算处理器12以及比较电路14。输入至自动增益控制电路的输入信号16耦接至可变电流/电压增益放大器10。输出信号18的功率由功率运算处理器12测量，功率运算处理器12执行平均功率或峰值功率(peak power)的测量。比较电路14将测量到的功率与预定值比较，比较电路14根据功率大小的不同而产生误差信号19。误差信号19作为负反馈并控制可变电流/电压增益放大器10的增益。作为对误差信号19的响应，可变电流/电压增益放大器10参照输入信号16而控制输出信号18的大小。自动增益控制电路保持输出信号18位于接收器和模数转换器(图未显示)的线性操作区间内。当自动增益控制电路在消除输入过载时，自动增益控制电路内的组件分别改变输入信号。
此外，无论使用模拟组件或模拟和数字相结合的组件，自动增益控制可供具有比接收器整体的操作动态范围更受限的其它接收组件所使用，例如模数转换器。举例而言，若具有数字信号处理功能的接收器操作具较大动态范围的输入信号，就必须使用自动增益控制或高分辨率的模数转换器。不幸的是，高分辨率模数转换器的使用增加制造成本以及接收器的功率损耗。虽然自动增益控制能够实现低分辨率模数转换器的运作，但自动增益控制的目的实际上是为保持信号调整至需求的动态范围，以确保信号从可变增益放大器或增益级输出后不会变化的过于剧烈。
发明内容
本发明提供一种可以降低制造成本及接收器的高功率损耗的信号增益控制电路及方法。
本发明提供一种信号增益控制电路，包括：增益级，接收模拟信号，通过第一增益因子放大模拟信号，以及输出放大信号，其中通过增益调整信号以第一周期时间周期性调整第一增益因子。模数转换器，耦接至增益级，转换放大信号成为包含多个取样点的第一数字信号。放大装置，耦接至模数转换器，上述放大装置包括第二增益调整装置，上述第二增益调整装置用以计算上述第一数字信号的分布的至少一特性度量，并根据上述特性度量、第一参考值以及大于上述第一参考值的第二参考值以第二周期时间周期性调整上述第二增益因子，上述放大装置将第一数字信号乘以第二增益因子以产生第二数字信号。以及第一增益调整装置，耦接至放大装置，检测第二数字信号的信号强度，以及以第一周期时间周期性产生增益调整信号。
本发明同样提供一种信号增益控制方法，接收模拟信号，通过第一增益因子放大模拟信号，以及输出放大信号，其中通过增益调整信号以第一周期时间周期性调整第一增益因子。转换放大信号成为包含多个取样点的第一数字信号。计算上述第一数字信号的分布的至少一特性度量，并根据上述特性度量、第一参考值以及大于上述第一参考值的第二参考值以第二周期时间周期性调整上述第二增益因子，并将第一数字信号乘以第二增益因子以产生第二数字信号。以及检测第二数字信号的信号强度，以及以第一周期时间而周期性产生增益调整信号。
通过实施本发明提供的信号增益控制电路或方法能避免因使用高分辨率模数转换器而引发的制造成本增加和接收器的高功率损耗等问题。
附图说明
图1是显示传统自动增益控制系统的示意图。
图2是本发明一实施例信号增益控制电路的方框示意图。
图3A和图3B是图2中模数转换器输出的第一数字信号Sd的分布图。
图4是本发明一实施例放大装置的一范例的示意图。
图5是本发明一实施例增益调整装置的一范例的示意图。
具体实施方式
图2是本发明一实施例信号增益控制电路的方框示意图。天线21接收并馈入模拟信号Si至前端增益级22。模拟信号Si可能包括有用的(通道内)信号以及其它噪声(邻近信道)信号。前端增益级22接收并通过第一增益因子放大模拟信号Si来控制放大信号Sa的振幅大小。在此，前端增益级22的第一增益因子是由增益调整装置28输出的增益调整信号Ga所控制，且第一增益因子是由前端增益级22以第一周期时间周期性调整。
模拟放大信号Sa由模数转换器24转换成第一数字信号。模数转换器具有两个重要的特征：取样率以及输入动态范围。取样率是指模数转换器24一秒内对模拟放大信号Sa的取样次数。输入动态范围是指模数转换器对输入信号取样而不严重失真的范围。经过转换后，模数转换器24输出的第一数字信号Sd为一连串的取样点。
放大装置26通过第二增益因子以第二周期时间周期性放大第一数字信号Sd以产生第二数字信号So，其中第二增益因子是依据第一数字信号Sd的信号电位分布的至少一个特性度量而调整。需注意的是，第二周期时间大于第一周期时间。第二数字信号So还可经由滤波器27进行滤波以压制第二数字信号So内含的邻近通道干扰(adjacent channel interference，ACI)。
如图2所示，放大装置26包括增益调整装置261以及乘法器262。利用反复的方式(最好是以周期性方式)，增益调整装置261计算第一数字信号Sd的信号分布的至少一个特性度量(如第二周期时间中的大样本数量)，并且据此调整第二增益因子。大样本数量的定义如图3A与图3B所示。乘法器262将第一数字信号Sd乘以第二增益因子以产生第二数字信号So。
因此，可根据大样本数量来改变第二增益因子，进而调整第一数字信号Sd的样本值。根据本发明提供的实施例，当大样本数量小于第一参考值时第二增益因子会减少，当大样本数量大于第二参考值时第二增益因子会增加，以及当大样本数量大于第一参考值且小于第二参考值时，第二增益因子维持不变。在此实施例中，第二参考值大于第一参考值。
图3A和图3B是模数转换器24输出的第一数字信号Sd的分布图。如上所述，放大装置26在一段时间内根据大样本数量而调整第二增益因子，以产生第二数字信号So。在本发明提供的实施例中，大样本数量可由计算第一数字信号Sd超出临界值±ThA范围的样本数量而得到；或是绝对值超过临界值ThA(如临界值ThA与Max之间，以及临界值-ThA与Min之间)的样本数量而得到。在另一实施例中，大样本数量可由计算取样值位于临界值ThA与Max之间的样本数而得到，或是计算取样值位于临界值-ThA与Min之间的样本数而得到。
在图3A中，第一数字信号Sd的样本分布需要延展(extend)。因此，降低第二增益因子以降低第一数字信号Sd的样本的样本值。相反地，图3B的第一数字信号Sd的样本分布需要缩小，因此增加第二增益因子以增加第一数字信号Sd的样本的样本值。
增益调整装置28检测第二数字信号So的信号强度并根据第二数字信号So的信号强度和参考功率，以第一周期时间周期性产生增益调整信号Ga。增益调整装置28测量的第二数字信号So信号强度可为其平均功率或是其平均包络功率(average envelope power)。测量到的信号强度与参考功率作比较。当测量到的信号强度低于参考功率时，增益调整装置28输出增益调整信号Ga指示调升第一增益因子以控制放大信号Sa的振幅，并且当测量到的信号强度高于参考功率时，调降第一增益因子以控制放大信号Sa的振幅。
图4是本发明一实施例放大装置26的一范例的示意图。放大装置26包括大样本数量计数器40、比较器45，乘法器47以及累加器49。大样本数量计数器40分析第一数字信号的分布的至少一个特性度量。在本实施例中，大样本数量计数器40包括大样本检测器41以及计数器43。大样本检测器41耦接至模数转换器24，并且将第一数字信号Sd的样本与预定范围比较，若检测到大样本的样本值大于此预定范围，则输出检测信号。在本发明提供的实施例中，此预定范围可介于图3A与图3B所示的±ThA之间。当大样本检测器41检测到一个大样本时，所产生的检测信号触发(triggers)计数器43，以在第二周期内计算大样本的数量。
比较器45在第二周期内将累加的大样本数量与参考值F1和参考值F2(大于参考值F1)比较。当累加结果小于参考值F1时，比较器45输出第一比较信号Ca；当累加结果大于参考值F2时，比较器45输出第二比较信号Cb；以及当累加结果介于参考值F1和参考值F2之间时，比较器45输出第三比较信号Cc。
乘法器将比较信号乘以预定增量ΔW，以及根据比较信号Ca、Cb、以及Cc而产生负值、零值、或正值的加权增量。举例来说，第一比较信号Ca代表“-1”，第二比较信号Cb代表“+1”、第一比较信号Ca代表“0”，而乘法器47对应比较信号Ca、Cb、以及Cc输出-ΔW、ΔW，或是0。
累加器49累加乘法结果以产生第二增益因子。于是，乘法器262根据来自模数转换器24的第一数字信号Sd以及第二增益因子产生第二数字信号So。值得注意的是大样本数量计算器40、比较器45、乘法器47、262以及累加器49组成前馈环路。
图5是本发明一实施例增益调整装置28的一范例的示意图。信号强度测量单元281接收第二数字信号So并周期性测量其信号强度。在此实施例中，信号强度可为第二数字信号So的平均功率或是平均包络功率。
若第二数字信号So的信号强度小于参考功率，增益控制装置285产生增益调整信号Ga以增加第一增益因子，反之，则产生增益调整信号Ga以降低第一增益因子。在图5中，信号强度测量单元281以及增益控制装置285组成反馈环路，用以提供增益调整信号Ga并调整前端增益级22的增益。
根据本发明，第一数字信号Sd由放大装置26所放大，并且第二数字信号So的信号强度由增益调整装置28所更新的增益因子而调整。所以，第一数字信号Sd的样本分布可由放大装置26以及前端增益级22的控制增益因子所调整。举例而言，若第一数字信号Sd大于预定范围的样本数量小于参考值F1，放大装置26的增益因子会减少。第二数字信号So的信号强度可小于参考功率，并且相应增加增益调整装置28的增益因子以产生出所需的第二数字信号So的样本分布。
此外，前端增益级22与放大装置26的增益因子的更新频率彼此不同。如上所述，前端增益级22的增益因子以第一周期时间周期性调整。而放大装置26的增益因子以大于第一周期时间的第二周期时间周期性调整。所以，前端增益级22与放大装置26的增益因子有不同的更新频率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡根据本发明所做的均等变化与修饰，都属于本发明的保护范围。

Claims (26)

1.一种信号增益控制电路，包括：
增益级，接收模拟信号，通过第一增益因子放大上述模拟信号，以及输出放大信号，其中通过增益调整信号以第一周期时间周期性调整上述第一增益因子；
模数转换器，耦接至上述增益级，将上述放大信号转换成包含多个取样点的第一数字信号；
放大装置，耦接至上述模数转换器，上述放大装置包括第二增益调整装置，上述第二增益调整装置用以计算上述第一数字信号的分布的至少一特性度量，并根据上述特性度量、第一参考值以及大于上述第一参考值的第二参考值以第二周期时间周期性调整上述第二增益因子，上述放大装置将上述第一数字信号乘以上述第二增益因子以产生第二数字信号；以及
第一增益调整装置，耦接至上述放大装置，检测上述第二数字信号的信号强度，以及以上述第一周期时间周期性产生上述增益调整信号。
2.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，上述第二周期时间大于上述第一周期时间。
3.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，上述放大装置包括：
第一乘法器，将上述第一数字信号乘以上述第二增益因子以产生上述第二数字信号。
4.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，上述特性度量包括大样本数量，且上述大样本数量的样本值大于第一临界值。
5.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，上述特性度量包括大样本数量，且上述大样本数量的绝对值超过第一临界值。
6.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，当上述特性度量小于上述第一参考值时，上述第二增益调整装置调降上述第二增益因子。
7.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，当上述特性度量大于上述第二参考值时，上述第二增益调整装置调升上述第二增益因子。
8.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，当上述特性度量大于上述第一参考值且小于上述第二参考值时，上述第二增益调整装置维持上述第二增益因子不变。
9.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，上述特性度量为大样本数量，且上述第二增益调整装置包括：
大样本检测器，耦接至上述模数转换器，产生检测信号指出上述第一数字信号的样本是否为大样本；
计数器，由上述检测信号所触发，用以在上述第二周期内计算上述大样本数量；
第二比较器，比较上述大样本数量与上述第一参考值和上述第二参考值，当上述大样本数量小于上述第一参考值时输出负值，当上述大样本数量大于上述第二参考值时输出正值，以及当上述大样本数量大于上述第一参考值且小于上述第二参考值时输出零值；
第二乘法器，将上述第二比较器的上述输出值乘以预定增量以产生乘值；以及
累加器，用以累加上述乘值以产生上述第二增益因子。
10.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，上述第二数字信号的信号强度为上述第二数字信号的平均功率或平均包络功率。
11.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，上述第一增益调整装置包括：
信号强度测量单元，接收上述第二数字信号并周期性测量上述第二数字信号的信号强度；以及
增益控制装置，耦接至上述信号强度测量单元，当上述第二数字信号的信号强度小于第二临界值时产生上述增益调整信号以增加上述第一增益因子；否则，调整上述增益调整信号以降低上述第一增益因子。
12.如权利要求1所述的信号增益控制电路，其特征在于，还包括滤波器，耦接至上述放大装置以及上述增益调整装置之间，以压制上述第二数字信号内的干扰。
13.一种信号增益控制方法，包括：
接收模拟信号，通过第一增益因子放大上述模拟信号，以及输出放大信号，其中通过增益调整信号以第一周期时间周期性调整上述第一增益因子；
将上述放大信号转换成包含多个取样点的第一数字信号；
计算上述第一数字信号的分布的至少一特性度量，并根据上述特性度量、第一参考值以及大于上述第一参考值的第二参考值以第二周期时间周期性调整上述第二增益因子，并将上述第一数字信号乘以上述第二增益因子以产生第二数字信号；以及
检测上述第二数字信号的信号强度，以及以上述第一周期时间周期性产生上述增益调整信号。
14.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，周期性产生上述增益调整信号，且周期性调整上述第二增益因子。
15.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，上述第二周期时间大于上述第一周期时间。
16.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，还包括：
将上述第一数字信号乘以上述第二增益因子以产生上述第二数字信号。
17.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，上述特性度量包括大样本数量，且上述大样本数量的样本值大于第一临界值。
18.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，上述特性度量包括大样本数量，且上述大样本数量的绝对值超过第一临界值。
19.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，当上述特性度量小于上述第一参考值时，调降上述第二增益因子。
20.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，当上述特性度量大于上述第二参考值时，调升上述第二增益因子。
21.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，当上述特性度量大于上述第一参考值且小于上述第二参考值时，维持上述第二增益因子不变。
22.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，上述特性度量为大样本数量。
23.如权利要求22所述的信号增益控制方法，其特征在于，还包括：
产生检测信号指出上述第一数字信号的样本是否为大样本；
在上述第二周期内根据上述检测信号而计算上述大样本数量；
比较上述大样本数量与上述第一参考值和上述第二参考值；
当上述大样本数量小于上述第一参考值时输出负值，当上述大样本数量大于上述第二参考值时输出正值，以及当上述大样本数量大于上述第一参考值且小于上述第二参考值时输出零值；
将上述第二比较器的上述输出值乘以预定增量以产生乘值；以及
累加上述乘值以产生上述第二增益因子。
24.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，上述第二数字信号的信号强度为上述第二数字信号的平均功率或平均包络功率。
25.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，还包括：
接收上述第二数字信号并周期性测量上述第二数字信号的信号强度；以及
当上述第二数字信号的信号强度小于第二临界值时产生上述增益调整信号以增加上述第一增益因子；否则，调整上述增益调整信号以降低上述第一增益因子。
26.如权利要求13所述的信号增益控制方法，其特征在于，还包括压制上述第二数字信号内的干扰。
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