CN101501987A - 针对或涉及无线电装置的自动增益控制的改进 - Google Patents

Abstract

一种操作RF装置的方法，该RF装置具有包括与RF放大器(38)耦合的可编程衰减器(36)的第一RF增益级(34)和用于放大想要的带宽内的信号的第二窄带增益受控放大级(24)，该方法包括将第一RF增益级的增益设定值选择成通过使想要的信号内的总噪声最小来使得信噪比(SNR)最大，和将第二窄带增益受控放大级的增益设定值选择成提供实质恒定的电平输出。为了选择第一RF增益级的增益设定值，该RF装置包括控制级(40)，该控制级在选择要施加给可编程衰减器的增益设定值来使总噪声最小时，会考虑第一RF级和第二增益受控放大级的增益设定值、失真噪声(与RF输入端相对应)和热噪声(与RF输入端相对应)。

Description

针对或涉及无线电装置的自动增益控制的改进

技术领域

本发明涉及无线电装置的自动增益控制(AGC)。本发明的具体的但非专门的应用是在低能耗是一项重要参数的移动应用中所使用的装置中的应用，例如电池供电的装置中使用的数字电视调谐器。

背景技术

附图中的图1是简化无线电接收器的框图，并且图解说明的是经典的射频(RF)AGC系统。天线10与增益受控RF放大器12相耦合。RF放大器12的输出端与简化下变频级14相耦合，在下变频级14中，将接收到的RF信号下变频为基带并且将其施加到解调器16上。下变频级14的体系结构可以是现有技术中已知的任何适当设计的体系结构，并且为了说明的目的包括超外差级，该超外差级包括具有分别与RF放大器12和本地振荡器20的输出端相对应的输入端的混频器18。带通滤波器22与混频器18的输出端相耦合，以从混频产物中选择期望的信号。基带或音频增益受控放大器24具有与带通滤波器22的输出端耦合的输入端和与解调器16的输入端耦合的输出端。

宽泛地讲，AGC的目的是自动调节接收器的增益，以便使得接收器能够向解调器16的输入端传递适度的信号电平。举例来说，如果假设解调器是变化范围为1Vpp的模-数转换器(ADC)，那么，由接收器输出端传递出来的适度电平应当是1Vpp。

在图1中所示的电路中，对RF放大器12以及基带放大器24运用了AGC。在天线10处接收到的信号是由插图所示的宽带信号，宽带信号包括期望信号fw和相邻频带中的不想要的信号。在RF放大器12的输入端处从天线接收到的总功率为Ptot。在RF放大器12的输出端处经过放大的宽带信号的功率是Pout并且使用功率检测器26在放大器12的输出端处检测这一功率。功率检测器26产生要施加到比较器28的一个输入端上的输出Pdet。阈值级30与比较器28的第二个输入端相连接并且提供与Pdet相比较的阈值。将阈值选择成使RF放大器12的增益最大。比较器28的输出端与积分器32相耦合，积分器32具有与RF放大器12的控制输入端13耦合的输出端。在操作中，如果Pdet超过该阈值，则AGC电路减小RF放大器12的增益，反之，如果Pdet小于该阈值，则AGC电路增大RF放大器12的增益。这一处理按照调整增益的目标继续进行，直到Pdet等于该阈值。在实践中，要对Pout加以调节，以避免造成RF放大器12之后的级过载，在本图示的情况下，RF放大器12之后的级是下变频级。基带放大器24接收窄带信号，在插图中示出了该窄带信号，窄带信号包括期望信号fw，并且还有可能包括来自相邻信道的残余信号f_R，是否包括残余信号取决于带通滤波器22的滤波质量，并且基带放大器24向解调器16提供经过放大的恒定电平输出信号f_WCL。为了控制基带放大器的增益，将从解调器16得出的输出施加给基带放大器24的控制输入端25，以便使它的输出保持恒定。

美国专利申请公开US 2003/0143967A1公开了对具有零IF和低IF体系结构的模拟蜂窝电话接收机运用AGC。为了简捷，将不会对零IF转换器、滤波器和ADC的体系结构进行介绍，因为这些部件在本领域中是公知的。与图1中所示的体系结构相比，增益受控RF放大器是LNA并且基带放大器包括数字可变增益放大器(VGA)，该数字可变增益放大器的输出端与数字FM解调器相耦合。数字VGA的输出端处的电压还耦合到累加器。累加器的输出端与用于提供要施加给LNA和数字VGA的增益控制信号的控制器相耦合，以便保持平均功率增益与提供给控制器的恒定设置点相等。在LNA中，增益是分多个增益步骤来调节的，这样会有将不想要的相移从LNA引入到RF信号中的效果。为了消除不想要的相移，将由控制器控制的移相器接入到通向数字VGA的输入端的与积分相关的信号路径中。就在经过增益调节的信号到达移相器时，控制器同步地应用对应的相位修正，这是通过对相位修正信号应用与LNA和移相器之间的信号传播延迟相应的群延迟来完成的。

已知的AGC电路的缺点是，在第一级中要将增益设定得尽可能高，才能实现良好的噪声系数，而与此同时，要避免引入可能会导致想要的信号劣化的过度非线性以及不想要的信号。结果，要将这些级设计成实现充分的线性，并且这继而又会导致较高功耗，但较高功耗在电池供电的装置中是不合乎要求的。于是信号劣化的主要来源是热噪声。

发明内容

本发明的一个目的是降低具有AGC的无线电装置中的功耗。

按照本发明的第一个方面，有一种操作RF装置的方法，该RF装置具有第一RF增益级和用于放大想要的带宽之内的信号的第二窄带增益受控放大级，其中将第一RF增益级的增益设定值选择成通过使想要的带宽内的总噪声最佳来使得信噪比(SNR)最大，并且对第二窄带增益受控放大级的增益设定值加以调整，以提供基本上恒定的电平输出。

按照本发明的第二个方面，给出了一种无线电装置，包括RF输入端、第一RF增益级和第二窄带增益受控放大级，其中提供了第一控制装置，用来将第一RF增益级的增益设定值选择成通过使想要的带宽内的总噪声最小来使得信噪比(SNR)最大，并且提供了自动增益控制电路，用来调整第二窄带增益受控放大级的增益设定值，以提供基本上恒定的电平输出。

本发明基于这样的认识：在低功耗装置中，在调整RF增益时，热噪声和失真噪声二者都应当加以考虑，并且为了向解调器提供具有最大信噪比(SNR)的信号，应当获得噪声系数和非线性度之间的最佳折衷。结果，不使RF增益最大，从而降低了功耗。

附图说明

现在将参照附图以举例的方式介绍本发明，其中：

图1是具有经典RF AGC的无线电装置的示意框图，

图2是按照本发明制作的装置的示意框图，

图3是作为RF增益和总功率Ptot的函数的失真噪声的曲线图，

图4是作为RF和BB增益的函数的热噪声的曲线图，

图5是作为RF和BB增益的设定值和总功率Ptot的函数的进入

想要的信号带宽内的总噪声的曲线图，

图6是图解说明对SNR的计算做出贡献的噪声和信号值的曲线图，

图7是图解说明按照本发明的方法的实施方式的流程图，

图8是对照着接收RF功率(Ptot)、RF_Gain和所要接收的信号的RF频率给出失真噪声值(Ndist)的第一个表格，

图9是对照着RF_Gain、BB_Gain和所要接收的信号的RF频率给出热噪声值(Ntherm)的第二个表格，

图10是图解说明失真噪声和热噪声之间的最佳折衷的表格，和

图11是相对于使用图8和9中所示的第一个和第二个表格所获得的给定总输入功率Ptot所对应的RF_Gain和BB_Gain值计算出来的总噪声Ntot(Ntot＝Ndist+Ntherm)的例子的表格式汇总。

在这些附图中，使用了相同的附图标记来代表相应的特征。

具体实施方式

由于已经在本说明书的开头部分中介绍了图1，因此不再对其进行介绍。

参照图2，天线10与针对低功耗和低噪声系数(即，良好的灵敏度)的目标设计的宽带RF增益级34耦合，该宽带RF增益级34由具有控制输入端37的可编程衰减器36和RF放大器38形成。RF放大器38的输出端与简化下变频级14相耦合，该简化下变频级14具有与图1中所示的体系结构相同的体系结构。为了简捷，将不再重复级14的介绍。增益受控放大器24的输出端与解调器16耦合。

借助产生控制信号的处理器40来对RF增益级34运用AGC，该控制信号在经过积分之后，被施加到可编程衰减器36。处理器40具有用于接收在天线10处接收到的信号的总功率Ptot的示数Pdet的输入端41。在所示的实施方式中，示数Pdet是使用功率检测器42获得的，该功率检测器42具有与天线10和RF增益级34之间的信号路径上的接点(标注为RF-RP)耦合的输入端和与处理器40的输入端41耦合的输出端。(检测点也可以位于别处，例如，位于RF增益级34的输出端处)。借助线路44将施加给基带放大器24的控制输入端25的增益设定值的示数BB_Gain供应到处理器40的输入端45。(为了更加精确，还可以将其它的信息传递给处理器40，比如接收机的接收频率或温度)。存储装置46与处理器40的输入端47耦合。存储装置46包括至少两个起到查询表(LUT)作用的区域48，50，这些查询表分别存储着不同频率范围内RF失真噪声Ndist相对于RF_Gain和Ptot的特性以及同样的不同频率范围内热噪声Ntherm相对于BB增益和RF增益的特性的模型的预定实例。这一模型是针对接收机的具体设计确定的，并且不同于针对接收机的另一种设计确定的模型。在附图中的图8和9中，以表格形式示出了模型的说明性实例。

处理器40的输出端51与积分器32相耦合，积分器32将RF_Gain控制信号施加到可编程衰减器36的输入端。可以连续或逐步地调节该可编程衰减器。

可编程衰减器36处在RF放大器38之前这一特征使得接收机的线性能够通过在输入到RF放大器38之前增大衰减来得到改善，而不会有额外的功耗，但是这是以热噪声随着前面的衰减增加而降低为代价的。

衰减器36被编程为用来控制RF增益，而处理器40用于计算和设定RF增益，以便使想要的信号带宽的SNR最佳。

图3是作为RF增益(横坐标)和总功率Ptot的函数的失真噪声功率电平DNPL(与接收机输入端RF-RP相对应的)的曲线图。附图标记52代表Ptot0所对应的曲线，附图标记54代表给定Ptot所对应的曲线。虚线箭头56代表失真噪声在Ptot增大时也增大。

图4是作为RF增益和BB增益(横坐标)的函数的热噪声功率电平TNPL(与接收机输入端相对应的)的曲线图。附图标记58代表给定RF增益所对应的曲线，虚线箭头60代表热噪声在RF增益减小时增大。

如果RF增益增大，则BB增益应当减小(并且反之亦然)，以便在接收机输出端处保持恒定电平，就是说，在解调器16的输入端处保持恒定电平。

从图3和4中，可以推断出RF放大器38可能具有低线性度。衰减越高，接收机就越线性--见图3。衰减越低，接收机灵敏度或噪声系数越好--图4。

图5是作为RF_Gain、BB_Gain的设定值和总输入功率Ptot的函数的总噪声功率电平Ntot(进入想要的信号带宽中的并且与接收机输入端RF-RP相对应的)的曲线图。附图标记62和64分别代表Ptot0所对应的曲线和Ptot的另一个值所对应的曲线。换句话说，处理器能够通过使热噪声/失真噪声的折衷最佳来使得进入想要的信号带宽内的总噪声功率电平Ntot最小，并且为了这样做，需要处理总输入功率Ptot、BB_Gain设定值和RF_Gain设定值。根据这一数据，可以计算出(进入想要的信号带宽内的)Ntot的估算值，并且AGC策略使得最佳RF_Gain能够得以确定出来，以便使Ntot最小，并且在这样做时，使得SNR最佳。

图6图解说明的是想要的Psignal 66和总噪声分量68，该信号和噪声具有相同的带宽。总噪声分量68由失真噪声70和热噪声72的总和组成。总噪声分量68与Psignal 66的比值是SNR。失真噪声70和热噪声72是相关的，因为如果与接点RF-RP(图2)相对应的热噪声电平NF增大，则失真噪声70将会减小，并且如果NF增大，则热噪声将会增大。按照本发明的方法涉及一种用于找到失真噪声和热噪声之间的最佳折衷以便在避免以最大功率操作RF放大器的经典技术的同时使得SNR尽可能大的策略。

图7是与按照本发明的方法的实施方式相关的流程图。方框74涉及打开无线电装置。方框76涉及通过将RF_Gain设定为RF_Gain_Min值来初始化无线电装置，以便万一在天线10(图2)处存在很强的RF电平，可以保护无线电装置的调谐器。方框78涉及处理器获得总功率Ptot、RF频率设定值和BB_Gain设定值。这些数据是从LUT48、50(图2)中得到失真噪声系数Ndist和热噪声系数Ntherm的值所必需的。方框80涉及处理器针对RF_Gain的所有可能值计算Ndist+Ntherm的和，并且确定该和的最小值，从而为RF_Gain确定最佳值。方框82涉及将RF_Gain设定为最佳值。在这样做时，处理器调节可编程衰减器36的设定值，以通过失真噪声和热噪声之间的最佳折衷获得最大SNR。BB_Gain系数是使用解调器16和增益受控放大器24之间的AGC环路来调节的，从而使得传递到解调器16的窄带信号具有适度的电平。每次设定新的RF_Gain时，会自动设定新的BB_Gain，以便在解调器的输入端处保持恒定电平。

图8到11涉及按照本发明的方法的例子。

在图8和9分别示出的第一个和第二个表中，假设RF_Gain是可以以2dB的步长在从10dB到18dB的范围内调节的，并且假设BB_Gain是可以从0到40dB分5个范围调节的，这5个范围是<0、0到10、10到20、20到30和30到40db。选取了处于UHF欧洲陆基电视频带470到862MHz中的两个频带来表明进入调谐器中的失真和热噪声可以随着RF频率变化。根据情况，可能在编制这一表格时考虑了温度。在实际的实现中，应该会在这些表格给出更多的值，以给出更高的精度。而且这些数字可以来自集成接收机装置的系统测量和/或来自内插/外推/建模。

图8中的第一个表格图解说明的是在RF_Gain较小时，这意味着RF衰减较高，并且于是失真较低。

图9中的第二个表格图解说明的是在RF_Gain较小时，这意味着RF衰减较高，并且于是热噪声较高。

为了图解说明按照本发明的方法，假设信号是在500MHz上接收的，该频率处于图8和9中所示的第一个和第二个表格中的左手列中；Ptot(总输入功率＝信号功率加上干扰功率)＝-20dBm；并且初始条件：想要的信号功率电平(+在解调器16(图2)的输入端处仍然明显的可能有的相邻信号)使得RF_Gain＝RF_Gain_Min→BB_Gain＝35dB。

参照图10，在步骤1中，通过将RF_Gain设定为10dB(于是BB_Gain＝35dB)来初始化接收装置。按照这些设定值，对于-20dBm的Ptot(就是说，处于-25到-15dBm的范围之内)，第一个表格给出了7.0的Ndist，并且对于35dB的BB_Gain(这是处于30到40dB的范围内的值)，第二个表格给出了10.00的Ntherm。总噪声(Ndist+Ntherm)等于17。步骤2图解说明的是接收装置的处理器40(图2)已经运用了该算法并且在处理了Ntot的不同可能值之后，确定失真噪声Ndist和热噪声Ndist之间的最佳折衷，以给出Ntot的最小值，从而给出最大SNR(不必以最大功率操作RF增益级34)。

针对图11中所示的表格中的各行是如何获得的，给出了下面的简单解释。

第一行是如上所述那样获得的：对于RF_Gain＝10dB且Ptot＝-20dBm，Ndist＝7.0，并且对于RF_Gain＝10dB，BB_Gain＝35dB且处于30到40dB的范围内，Ntherm＝10.0，这样Ntot＝7.0+10.0＝17.0。

第二行是这样获得的：使得RF_Gain＝12dB，对于Ptot＝-20dBm，Ndist＝7.7，并且对于RF_Gain＝12dB，BB_Gain减小到33.0dB但是仍然处于30到40dB的范围内，且Ntherm＝9.0，这样Ntot＝16.7。

第三排是这样获得的：使得RF_Gain＝14dB，对于Ptot＝-20dBm，Ndist＝8.5，并且对于RF_Gain＝14dB，BB_Gain为31dB，仍然处于30到40dB的范围内，且Ntherm＝8.1，这样Ntot＝16.6。

第四行是这样获得的：使得RF_Gain＝16dB，对于Ptot＝-20dBm，Ndist＝9.3。不过对于RF_Gain＝16dB，BB_Gain再次减小到29dB，并且现在处于20到30dB的范围内，且Ntherm＝10.9，这样Ntot＝20.3。

第五行是这样获得的：使得RF_Gain＝18dB，对于Ptot＝-20dBm，Ndist＝10.2，并且对于RF_Gain＝18dB，BB_Gain再次减小到27dB并且仍然处于20到30dB的范围内，且Ntherm＝9.8，这样Ntot＝20.1。

通过比较各个Ntot系数，很明显，通过将RF_Gain设定为14dB并且将BB_Gain设定为31dB，Ntot具有了最小值并且因此基于图6，SNR为最大值。

在本发明的说明书和权利要求书中，置于要素前面的词″一″或″一个″并不排除存在多个这种要素的可能。此外，词″包括″并不排除除了所列出的那些元件或步骤之外还存在其它的元件或步骤的可能。

权利要求中处于括号内的任何附图标记的使用不应看作是对权利要求范围的限定。

通过阅读本公开文本，其它改造对于本领域技术人员而言是显而易见的。这些改造可能牵涉到AGC系统及其部件的设计、制造和使用中已经公知的并且可以取代本文已经介绍过的特征或者除了本文已经介绍的特征之外使用的其它特征。

Claims (12)

1.一种操作RF装置的方法，该RF装置具有第一RF增益级(34)和用于放大想要的带宽之内的信号的第二窄带增益受控放大级(24)，其中将第一RF增益级的增益设定值选择成通过使想要的带宽内的总噪声最佳来使得信噪比(SNR)最大，并且对第二窄带增益受控放大级的增益设定值加以调整，以提供基本上恒定的电平输出。

2.如权利要求1所述的方法，其中第一RF增益级包括与RF放大器的输入端耦合的可编程衰减器，并且其中第一RF增益级的增益设定值是通过对想要的带宽内总噪声的确定进行响应来调整可编程衰减器的值而受到影响的。

3.如权利要求2所述的方法，其中在确定要对可编程衰减器进行调整的时候，考虑了第二窄带放大器的增益设定值。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中在确定要对可编程衰减器进行调整时，考虑了与RF装置的输入端相对应的失真噪声和与RF装置的输入端相对应的热噪声。

5.如权利要求2所述的方法，其中RF装置还包括

与RF增益级耦合的用于RF信号的输入端，

用于将经过增益调整的RF信号下变频到想要的信号带宽并且将该信号施加给第二窄带增益受控放大级(24)的装置(14)，

所述方法还包括步骤：

确定输入RF信号的总功率(Ptot)，

确定施加给可编程衰减器的RF增益设定值(RF_Gain)，

确定施加给第二窄带增益受控放大级的增益设定值(BB增益)，

确定作为所确定的RF增益设定值和所确定的总功率(Ptot)的函数的与RF装置的输入端相对应的失真噪声值(DNPL)，

确定作为所确定的RF增益设定值和所确定的基带增益设定值的函数的与RF装置的输入端相对应的热噪声值(TNPL)，和

调整RF增益设定值，以使进入想要的信号带宽的总噪声功率电平最小。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将失真噪声(Ndist)值存储在查询表(48)中并且将热噪声(Ntherm)值存储在另一个查询表(50)中。

7.一种无线电装置，包括RF输入端、第一RF增益级(34)和第二窄带增益受控放大级(24)，其中提供了第一控制装置(40)，用来将第一RF增益级的增益设定值选择成通过使想要的带宽内的总噪声最小来使得信噪比(SNR)最大，并且提供了自动增益控制电路，用来调整第二窄带增益受控放大级的增益设定值，以提供基本上恒定的电平输出。

8.如权利要求7所述的无线电装置，其中第一RF增益级包括与RF放大器(38)的输入端耦合的可编程衰减器(36)，并且其中控制装置与可编程衰减器相耦合，用来对想要的带宽内的总噪声的确定进行响应来调整可编程衰减器的值。

9.如权利要求8所述的无线电装置，其中控制装置包括计算级，该计算级具有用于第二增益受控放大级的增益设定值的输入端，该计算级在确定要对可编程衰减器进行调整时会考虑第二增益受控放大级的增益设定值。

10.如权利要求9所述的无线电装置，其中该计算级具有用于接收与RF装置的输入端相对应的失真噪声值(Ndist)和与RF装置的输入端相对应的热噪声值(Ntherm)的输入端，并且其中该计算级在确定要对可编程衰减器进行调整时，会考虑失真噪声值和热噪声值。

11.如权利要求10所述的无线电装置，还包括用于存储失真噪声值和热噪声值的查询表(46)。

12.如权利要求9所述的无线电装置，其中控制装置包括

用于确定输入RF信号的总功率(Ptot)的装置，

用于确定施加给可编程衰减器的RF增益设定值(RF_Gain)的装置，

用于确定施加给第二窄带增益受控放大级的增益设定值(BB_Gain)的装置，

用于获得作为所确定的RF增益设定值和所确定的总功率(Ptot)的函数的与RF装置的输入端相对应的失真噪声值(DNPL)的装置，

用于获得作为所确定的RF增益设定值和所确定的基带增益设定值的函数的与RF装置的输入端相对应的热噪声值(TNPL)的装置，和

用于通过使想要的带宽内的总噪声最小来调整RF增益设定值的装置。

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