CN101044683B - 处理模拟输入信号的设备及包括该设备的移动通信设备 - Google Patents

Abstract

一种信号处理电路，具有模数转换器(31)，用于根据例如来自无线电前端(12)的信号功率易于变化的模拟输入信号，给处理器(15)提供数字信号。该设备具有可变增益放大器(13)，可变增益放大器(13)基于所检测的信号强度，由增益控制信号控制。模数转换器包括具有环路滤波器的环路，用于处理输入信号。信号强度检测电路(32)设置用于产生增益控制信号，该信号强度检测电路具有环路信号检测器，用于检测来自环路的信号强度。因此，将所接收的信号强度指示符RSSI直接连接到模数转换器(31)，以避免数字处理器中信号强度检测的延迟。

Description

处理模拟输入信号的设备及包括该设备的移动通信设备 

技术领域

本发明涉及一种用于对信号功率易于变化的模拟输入信号进行数字处理的设备。 

本发明还涉及一种包括用于对模拟输入信号进行数字处理的设备的移动通信设备。 

本发明涉及数字信号处理的模数转换领域，具体地，涉及自动增益控制的信号强度指示符(signal strength indicator)。 

背景技术

文献US 6538588描述了一种模数(A/D)转换器，具体地，描述了一种数字通信接收机设备中的sigma-delta(∑Δ)类型的转换器。在这种通信系统中，信号功率易于变化的模拟输入信号包括要与其它信号分量隔离的信息信号分量。模拟输入信号与A/D转换器的输入求和节点相连。A/D转换器具有将所产生的数字输出信号送回输入求和节点的至少一个环路，环路包括与提供输出信号的量化器相连的环路滤波器。A/D转换器的输入处的所需动态范围由具有由增益控制信号控制的可变增益的前置放大器级实现。功率检测器用于检测模拟输入信号的功率电平，以用于产生增益控制信号。例如，如在US 5107225所述的，模拟功率检测器可用在输入信号处，在数字信号处理之后，数字地测量输入信号中所需信号单元的功率电平，以去除不想要的图像和乱真信号。此外，∑ΔA/D转换器的动态范围可依据接收机设备的操作模式来设置。然而，已知的检测功率电平以用于控制增益的方法并不足够快且精确，并且需要附加电路。具体地，在数字处理之后检测所需信号的功率可以是精确的，但是由于由数字处理所引起的相当大的延迟，并不能快速地响应功率电平的变化。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对模拟输入信号进行数字处理的设备，具有不需要复杂电路并快速地响应功率电平的变化的信号强度检测器。 

为此，根据本发明的第一方面，如在起始段中所述的用于对模拟输入信号进行数字处理的设备包括：放大器，具有依据增益控制信号的可变增益，用于产生从输入信号放大的信号；模数转换器，用于将放大的信号转换为要处理的数字信号，所述模数转换器包括具有环路滤波器的环路；以及信号强度检测电路，用于产生增益控制信号，所述信号强度检测电路包括用于检测来自环路的信号强度的环路检测装置。 

为此，根据本发明的第二方面，如在起始段中所述的移动通信设备包括：上述设备，用于对模拟输入信号进行数字处理；以及接收单元，用于提供模拟输入信号。 

要注意，放大器的可变增益可大于或小于1，即所放大的信号可大于或小于输入信号。所述措施具有以下效果：放大器基于来自信号强度检测电路的增益控制信号，在模拟域中调整输入信号。信号强度检测电路与环路相连，由于环路直接与输入信号相连，因此信号强度检测电路对输入信号的功率电平的响应没有延迟。此外，由于环路以可预测且可检测的方式对输入信号的功率电平进行响应，所以环路检测装置精确地检测模数转换器的过载。因此，有利地，信号强度检测电路不会由于数字处理而延迟，并且由于直接与所需的环路元件相连，所以并不复杂，例如减少了集成所需的芯片面积量。 

本发明还基于以下认识。在公知的解决方案中，通常在模拟域中操作信号，作为准备步骤，或者在转换之后，通过数字信号处理，最后在数字域中进行分析。具体地，技术人员可在接收到模拟输入信号后尽可能快地实现从模拟域到数字域的转换，并且在一个域中实现功率检测。然而，发明人发现，由于在环路中，例如通过逼近一个或多个环路元件的削波电平，可立即检测太强输入信号的效果，所以尤其适于在转变点本身处，即与模拟数字转换器内的环路相连的点处检测功率电平或信号强度。 

在设备实施例中，环路检测装置包括与环路滤波器相连的至少一个电平检测器。这具有以下优点，即在环路滤波器处，可容易地检测到由于信号强度太强而逼近削波电平的特定环路滤波器元件处的信号电平。 

在设备实施例中，环路滤波器包括一系列环路单元，环路检测装置包括与该系列环路单元相连的多个电平检测器。具体地，环路检测装置可包括逻辑输出电路，用于基于电平检测器的输出信号的组合来产生增益控制信号。这具有以下优点，即在多个环路单元处检测到由于输入信号太强而产生的效果，因此针对多种类型的输入信号，例如具体地为频率范围，实现了对模数转换器的过载的精确检测。 

在设备实施例中，逻辑输出电路包括用于电平检测器的输出信号的不同加权因子，基于由于相应环路单元超过各个电平检测器所检测到的电平而导致的数字输出信号的预期劣化量来选择所述加权因子。这具有以下优点，即在考虑模数转换器性能劣化量的情况下，例如通过如果仅有一些环路单元超过所述电平，则允许一些过载，来产生增益控制信号。 

在所附权利要求中给出了根据本发明的设备的其它优选实施例，将权利要求书的内容合并在此作为参考。 

附图说明

参考在接下来的说明书中作为示例描述的实施例，并参考附图，可进一步揭示本发明的这些和其它方面，附图中： 

图1示出了现有的接收机设备的图； 

图2示出了在数字信号处理器中具有信号强度检测器的现有的接收机设备的图； 

图3示出了在模数转换器处的信号强度检测器； 

图4示出了sigma-delta模数转换器； 

图5示出了sigma-delta模数转换器的具体模型； 

图6示出了用在模数转换器中的环路滤波器； 

图7示出了环路滤波器的转移函数； 

图8示出了转换的输入信号的频谱； 

图9示出了环路滤波器和信号强度检测器的具体实现；以及 

图10示出了环路滤波器和信号强度检测器的第二个具体实现。 

不同图中相应的元件具有相同的附图标记。 

具体实施方式

图1示出了现有的接收机设备的图。该设备具有与射频前端12相连的天线11。来自前端12的模拟信号耦合到放大器13，放大器13例如通过在放大器13的输出处测量模拟信号强度检测器电路中的信号功率，而具有自动增益控制。放大器向模数转换器14(ADC)提供放大的模拟信号，模数转换器14向数字信号处理器15提供数字信号。在这种数字化的接收机结构中，A/D转换器出现在接收机链路的某个地方，用于将所需信道的信息信号转换到数字域。这种数字化产生更灵活的接收机结构，例如可在数字域中进行信道滤波和解调。附图中的RF前端12将包括所需信道的接收到的无线电信号转换为IF频率(可以是零)，并且还进行准备信号调整，例如放大和信道滤波，以使相邻信道和干扰衰减。如果所需信道的信号强度太小或太大，则AGC放大器13用于放大或衰减输入信号，以调整该信号，使得它可正确地转换到数字域。这意味着，使所需信号尽可能地接近ADC的最大输入电平，使ADC的噪声贡献尽可能地低。问题是怎样设置AGC。一种设置AGC的方法是以模拟方式测量ADC的输入功率。这种技术的优点在于，由于在ADC之前测量输入功率，所以非常快。但是该技术还具有非常大的缺点：需要复杂的模拟电路。 

图2示出了在数字信号处理器中具有信号强度检测器的现有的接收机设备的图。该设备具有与图1所示类似的基本元件，例如天线11、前端12和模数转换器14。现在，放大器13具有由数字信号处理器25中的接收信号强度指示符(RSSI)所产生的控制信号来控制的自动增益控制输入。因此，数字处理器具有RSSI输出信号21。在数字处理器25中，测量ADC的输出功率，并且创建表示ADC的输入信号是否太大的RSSI输出信号。由于信号必须首先经过ADC和数字处理才 能够检测ADC的输入信号是太大还是太小，所以这种AGC设置较慢。 

图3示出了模数转换器处的信号强度检测器。该设备具有与图1所示类似的基本元件，例如天线11、前端12和放大器13，放大器13的自动增益控制输入由与模数转换器31相连的信号强度检测器32(RSSI)所产生的控制信号来控制。要注意，放大器具有基于增益控制信号的可变增益，用于产生从输入信号放大的信号。模数转换器用于将放大的信号转换器要在数字信号处理器15中进一步处理的数字信号。模数转换器包括具有环路滤波器的环境，环路滤波器设计用于实现所需噪声特性和模拟输入信号到数字输出信号的转移函数。下面描述ADC的实施例。信号强度检测电路32用于产生增益控制信号。信号强度检测电路包括检测器电路，用于检测来自环路的信号强度。因此，根据本发明，提供控制信号来设置AGC的新方法是在ADC中集成信号强度检测器，并检测来自ADC中内部环路处信号电平的信号强度。在用于移动通信的接收机结构中，通常使用sigma-delta调制器来进行模数转换。 

图4示出了sigma-delta模数转换器。sigma-delta转换器包括具有转移函数H的环路滤波器42，在采样单元43之后具有量化器Q，采样单元43以采样频率f_s对模拟信号进行采样以提供输出信号Y。采样频率通过下式设置：f_s＝OSR·2·f_BW，其中，OSR表示输出采样率，f_BW表示所需带宽。环路经由数模转换器(DAC)45和求和节点41，提供反馈，求和节点41接收输入信号X和经由DAC45而来自环路的反馈信号。sigma-delta调制器提供噪声整形，以抑制信号带宽中的量化噪声，而使输入信号不受损害，如下面的图8所示。 

图5示出了sigma-delta模数转换器的具体模型。与图4类似，设置了输入节点41和环路滤波器42，而由直接连接表示数字输出信号Y到输入节点41的反馈。量化器Q51的模型由噪声源N和增益因子C具体给出。因此输出Y定义为： 

$Y=\frac{C\·H}{1+C\·H}X+\frac{C}{1+C\·H}N$

要注意，如果C·H足够高，则输出信号Y等于输入信号X，并且附加噪声分量由环路滤波器整形为1/H，如图6和7中特定示例所示。

图6示出了用在模数转换器中的环路滤波器。环路滤波器包括一系列环路单元，即串联的积分器单元61、62、63、64。每个积分器单元的输出经由各个方法单元67、68、69、65连接到求和单元66。每个放大单元67、68、69、65的放大系数分别由a₁、a₂、a₃、a₄表示。至少一个检测器单元60与环路滤波器单元相连，例如与最后的积分器单元64的输出相连。例如，电平检测器60可包括比较器，用于检测信号电平是否超过基准电平。电平检测器还可包括低通滤波器或多个特定滤波器或控制，用于在实际输出增益控制信号以降低ADC之前的增益之前，允许ADC的短暂过载。可选地，用于检测信号强度的环路检测电路包括多个与所述系列环路单元相连的多个电平检测器。在该示例中，环路滤波器是4级的，并包括积分器，并且具有如所示的前馈系数。积分器的数目确定了噪声整形的阶数。要注意，也可使用其它滤波器，例如带通滤波器或更复杂的滤波器结构。 

在上述低通滤波器的实施例中，计算前馈系数，确保转移函数在高频处是一阶的，以便确保环路稳定性。积分器可具有预定削波电平，以确保如果ADC过载，则积分器上的输出信号限制在高低电平内。这用于避免sigma-delta调制器的大信号不稳定性。 

图7示出了环路滤波器的转移函数。环路滤波器的转移函数由具有明显的低通特性的上部曲线71表示，其水平轴表示频率，纵轴表示响应(以dB为单位的增益表示在左纵轴上)。如图所示，环路滤波器的第四级与每十倍程(decade)有80dB增益差相对应。信号转移函数STF由曲线72表示，并基于： 

$\mathrm{ST}{F}_{\mathrm{cl}}=\frac{Y}{X}=\frac{C\·H}{1+C\·H}$

噪声整形的转移函数NTF由曲线73表示，并基于： 

$\mathrm{NT}{F}_{\mathrm{cl}}=\frac{Y}{N}=\frac{C}{1+C\·H}$

从附图中可见，sigma-delta调制器使用噪声整形来抑制信号带宽中的量化噪声，而使输入信号不受损害。 

图8示出了转换的输入信号的频谱。水平轴表示频率，纵轴表示模数转换器的响应。用于频率的带宽(RBW)是10kHz。如上所述用 于包含所需信息信道的输入信号的噪声整形由转换的输入信号曲线81示出。此外，可见，第四级环路滤波器的噪声整形对于每十倍程有80dB的增益差。 

图9示出了环路滤波器和信号强度检测器的具体实现。求和单元109经由前馈系数106、107、108、95接收一系列积分器91、92、93、94的输出信号。每个积分器的输出与预定削波电平单元96、97、98、99相连，用于向下一单元提供所谓削波电平的有限最大信号电平。每个积分器的输出还与各个比较器电路101、102、103、104相连，以与各个基准电平相比较。要注意，对于基本对称的信号，与单个基准电平相比就足够了。对于非对称信号，如图10所示，可分别检测正和负电平，或者在与绝对值信号相比较之前，将积分器的输出信号整流。比较器电路101、102、103、104的输出信号组合在逻辑检测电路105中，用于产生RSSI输出信号，以控制自动增益控制设置中的放大器的增益。显而易见地，RSSI信号还可用于其它目的，例如控制显示单元以向用户显示所接收的信号强度。 

在实施例中，A/D转换器的信号强度指示符具有添加到每个积分器输出的比较器，用于将积分器输出信号与基准电平相比较。选择基准信号，使得sigma-delta调制器尚不开始削波。如果积分器输出电平超过基准电平，则RSSI比特置位。由不同比较器置位的比特数表示ADC驱动过度有多严重。RSSI输出可通过组合以灵敏方式置位的比特来形成。RSSI输出比特用于设置AGC，并避免ADC过载。比较器比特的组合可由单个AND门来进行。当AND门的输出是逻辑“1”时，这意味着ADC可能驱动过度。在更复杂的实施例中，以加权方式组合比特。如果sigma-delta转换器的系数设计使得如果sigma-delta转换器驱动过度，则最后的积分器首先削波，倒数第二的积分器第二个进行削波，如此等等，则这是有利的。由于如果开始削波，则使sigma-delta调制器的内部信号失真，所以以这种方式，ADC的性能缓慢下降。如果仅仅第四个积分器进行削波，则整体上sigma-delta调制器的性能下降是适度的，而如果第一积分器也进行削波，则性能下降非常严重。这是因为第四个积分器在环路滤波器的结尾处，即在第四个积分器之前有大量增益。可由仍然正确地工作的一部分环路滤波器 (即尚未削波)对误差进行整形(例如量化噪声)。通过使用加权的RSSI比特，可使与来自第四个积分器的RSSI信息相比，来自第一个积分器的RSSI信息更重要。 

图10示出了环路滤波器和信号强度检测器的第二个具体实现。与图9类似，求和单元109经由前馈系数106、107、108、95接收一系列积分器91、92、93、94的输出信号。每个积分器的输出与削波电平检测器116、117、118、119相连，以向下一单元提供具有有限最大信号电平的输出信号。每个削波电平检测器具有负基准电平输入121和正基准电平输入122，这两个单元可设置为固定值或可由控制单元来调节。要注意，例如干扰的噪声可以是非对称的，例如仅超过负基准电平。有利地，具有双基准电平的削波电平检测器响应这种非对称信号。削波电平检测器产生用于表示实际信号电平是否超过负基准电平或正基准电平的输出信号111、112、113、114，例如如果发生任意削波，则值为1的一比特数字信号，或表示两个基准电平的状态的多比特值。削波电平检测器116、117、118、119的输出信号组合在逻辑检测电路115中，用于产生RSSI输出信号110，以控制自动增益控制设置中的放大器的增益。 

要注意，上述方法对于具有诸如带通sigma-delta调制器、Nyquist转换器等的其它ADC结构的设备同样起作用。可智能的监视检测器电路的数字输出信号，并将其用于将AGC设置为正确值，例如通常为高，但是由于不可避免，可忽略干扰的短暂峰值电平。 

尽管主要通过基于具有环路滤波器的sigma-delta类型的模数转换器的实施例而描述了本发明，但是要注意，在本发明中，可使用具有某种内部环路或放大元件的任意类型的模数转换器来实现，以可预测方式对太高或太低信号电平做出反应。此外，要注意，在本文献中，词“包括”并不排除所列之外的其它元件的存在，并且元件前的词“一个”并不排除存在多个这种元件，任意附图标记并不限制权利要求的范围，可通过硬件和软件来实现本发明，并且多个“装置”可由相同的硬件来表示。此外，本发明的范围并不局限于实施例，而是本发明依赖于每个新颖特征或上述特征的组合。

Claims (9)

1.一种用于对信号功率易于变化的模拟输入信号进行数字处理的设备，所述设备包括：

-放大器(13)，具有依据增益控制信号的可变增益，用于从输入信号产生放大的信号；

-模数转换器(31)，用于将放大的信号转换为要处理的数字信号，所述模数转换器(31)包括具有环路滤波器(42)的环路；以及

-信号强度检测电路(32)，用于产生增益控制信号，所述信号强度检测电路包括用于检测来自环路的信号强度的环路检测装置(60)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，环路检测装置(60)包括与环路滤波器相连的至少一个电平检测器(104)。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，环路滤波器包括一系列环路单元(91、92、93、94)，环路检测装置包括与所述系列环路单元相连的多个电平检测器(101、102、103、104)。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，环路检测装置包括逻辑输出电路(105)，用于基于电平检测器(101、102、103、104)的输出信号的组合来产生增益控制信号。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，逻辑输出电路(105)包括用于电平检测器(101、102、103、104)的输出信号的不同加权因子，根据由于相应环路单元超过各个电平检测器所检测到的电平而引起的数字输出信号的预期劣化量，来选择加权因子。

6.根据权利要求3所述的设备，其中，所述系列环路单元包括积分器(91、92、93、94)和分别与积分器(91、92、93、94)并联的前馈单元(106、107、108、95)。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，模数转换器(31)是sigma-delta转换器，并且环路包括模拟环路滤波器(42)和量化器(44)，所述模拟环路滤波器(42)与所述量化器(44)相连。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，环路检测装置包括电平检测器(101、102、103、104)，设置用于在前置环路单元(91、92、93、94)的削波电平之下的基准电平处检测环路信号电平。

9.一种移动通信设备，该设备包括：根据权利要求1至8之一所述的用于对模拟输入信号进行数字处理的设备；以及接收单元(12)，用于提供模拟输入信号。

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