CN101682341B - 增加无线电接收器的灵敏度 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直接变换无线电接收器。所述接收器包括：第一测量单元(120)，被配置为测量在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平。所述接收器还包括：增益控制器(122)，被配置为当在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平超过给定灵敏度水平时，至少逐步调节所述接收器的前端增益和基带增益；以及当输入信号电平低于所述给定灵敏度水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益。

Description

增加无线电接收器的灵敏度

技术领域

本发明涉及增加无线电接收器的灵敏度的方法和设置。本发明的实施例可有利地应用于蜂窝式无线电系统的移动站或基站的接收器。

背景技术

在电信系统中，传输信道总是对数据传输引起干扰。干扰发生在所有系统中，但是特别地在无线电信系统中，无线电路径以各种方式使得发送的信号衰减和失真。在无线电路径上，干扰通常由多路径传播、各种衰落和反射以及在相同无线电路径上发送的其他信号引起。

在无线电通信环境中，典型地传播条件不断改变。在移动站和基站中接收的信号中发生不断改变或衰落。然而，收发器彼此相距越远，发送的信号衰减越多。

现代电信系统的接收器必须满足相关标准中存在的许多需求。一般地，接收器被设计用于灵敏度和线性的平衡。通常，良好的线性提升信号质量。

接收器的灵敏度显示了接收器接收弱信号的能力。相比于具有弱灵敏度的接收器，灵敏的接收器可以从更远的发射器(例如蜂窝式系统基站)接收信号。或者，当使用具有更好灵敏度的接收器，基站使用的传输功率可能更小。

已知地，接收器的大增益将增加接收器的灵敏度。这特别地适于将低噪声放大器用作接收器的第一级(或第一级之一)的接收器。在这种接收器中，高增益放大器将信号放大为这样的高电平，以致于来自随后级的噪声将被忽略。然而，高电平信号具有这样的缺陷，即在放大级和随后的级中需要许多电流(和功率)以满足线性需求。

在具有有限电池容量的设备(例如移动站)中，不可能使用大量的功率来补偿大增益对线性的影响。因此，灵敏度和增益被限制为将接收器的线性保持在可接受的水平上。

增加接收器的灵敏度的另一方案是使用串联的两个低噪声放大器。然而，由于要满足线性规范，所以这将造成对于这些级和以后的级的高功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的方案，以增加接收器的灵敏度。根据本发明一方面，提供一种直接变换无线电接收器，包括：第一测量单元，被配置为测量在所述接收器的输入处的信号电平；以及增益控制器，被配置为当在所述接收器的输入处的信号电平超过给定灵敏度水平时，至少逐步调节所述接收器的前端增益和基带增益；以及当输入信号电平低于所述给定灵敏度水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益。

根据本发明另一方面，提供一种直接变换无线电接收器中的方法，所述方法包括：测量在所述接收器的输入处的信号电平；当在所述接收器的输入处的信号电平超过给定灵敏度水平时，至少逐步调节所述接收器的前端增益和基带增益；以及当输入信号电平低于所述给定灵敏度水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益。

本发明实施例提供多个优点。例如，当实施例应用于移动站时，移动站的灵敏度的性能增加可帮助移动站和网络保持移动站和基站之间的连接进一步远离基站。

在本发明的实施例中，通过当接收信号电平非常接近给定灵敏度水平时利用额外的增益步阶放大接收信号来增加接收器的灵敏度。因此，在接收器正在接收弱信号并且正常会切换到另一基站或失去连接时，额外的增益步阶提高了移动站接收器的灵敏度。额外的增益步阶降低接收器的线性，但是在应用额外的增益步阶的情形下线性需求并非决定性因素。

附图说明

在下文中，将参照实施例和附图更详细地描述本发明，其中

图1是根据本发明实施例的装置的框图；

图2示出对低噪声放大器应用额外的增益步阶的示例；

图3A和3B示出对混频器应用额外的增益步阶的示例；

图4示出可以应用本发明实施例的装置的简化示例；

图5是示出本发明实施例的流程图。

具体实施方式

图1是可以应用本发明实施例的装置的简化示例。该装置包括直接变换无线电接收器。无线电接收器包括：前端100、模拟基带部102和数字部104。前端100包括：天线106，其被配置为接收射频信号。在低噪声放大器108中放大接收的信号。使用本地振荡器信号LO在混频器110中将放大的信号下变换成基带。基带部102包括：基带增益放大器112、信道选择滤波器114、自动增益控制块116、和模数转换器(ADC)118，模数转换器(ADC)118被配置为将接收的信号转换成数字数据，用于接收器的数字部120中的随后处理。该装置还可包括由于简单在图1中没有示出的其他部件，例如滤波器。

该装置包括控制器122，其被配置为控制接收器的不同部分的操作。控制器122连接至接收器的数字部或数字信号处理部120。控制器可以连接至该装置的输入/输出(I/O)部124。I/O部124可包括显示器、键盘、扬声器和麦克风和各种接口。控制器122可连接至存储器126，存储器126被配置为存储在该装置运行时所需的软件和数据。如果该装置是收发器，则控制器可连接至发射器部128。

电信系统的无线电接收器和收发器必须满足系统的规范。所述规范保证多个制造商的装置可以在系统中协作运行。例如，给定电信系统的接收器必须具有给定的灵敏度。灵敏度可被限定为接收器必须实现特定基带性能的功率量。可使用许多标准来测量性能，例如特定误码率或信噪比。

典型地，以dBm测量灵敏度。例如，在一些基于GSM的系统中，接收器必须具有至少-102dBm的灵敏度。在利用Band I的WCDMA系统中，接收器必须具有至少-106.7dBm的灵敏度；在利用WCDMA Band II的系统中，接收器必须具有至少-104.7dBm的灵敏度。这些数值仅用作可能值的示例。

控制器122被配置为控制数字部120测量在接收器的输入处的信号电平。只要在接收器的输入处的信号电平超过给定灵敏度水平，则调节装置的前端100的增益。通常，该水平被选择为在其中使用该装置的电信系统的规范中确定的灵敏度水平。典型地，逐步执行增益调节。

现有技术中，接收器的增益和特别地第一活动级被设计为使得相关规范的灵敏度和线性需求都被满足并且被平衡。因此，通过接收器的最大增益并且通过满足线性测量(例如模块化)所通过的相同的接收器配置，来实现接收器的最佳灵敏度。

接收器需要最高灵敏度的情形大部分发生在接收的信号电平较低时。在这种情况下，接收器(例如移动站)很可能远离基站。这还意味着干扰信号不存在，或者他们很低。

在干扰信号不存在或很低的情形下，由于在这种情形下的线性需求不是决定性因素，所以可提升灵敏度。在目前广泛传播的电信系统(例如GSM、WCDMA)中，总是使得线性测量在特定系统灵敏度水平以上3dB的信号电平。

在实施例中，当接收的信号电平很接近或低于相关规范的给定灵敏度水平时，通过增加额外的增益步阶来增加接收器的灵敏度。灵敏度的性能增加可帮助接收器和网络保持连接开放更久，并进一步远离基站。

在实施例中，控制器122从数字部120接收测量数据。当控制器122检测到接收信号的信号电平下降到给定灵敏度水平以下时，可控制前端增加对接收信号应用的增益。控制器122可将额外的增益调节信号应用于前端100的一个或多个部件。

在实施例中，对低噪声放大器108或混频器110应用额外的再次调节。在实施例中，通过短路或降低用以线性化前端级的电阻(多个)——在LNA级的集电极电阻或在Gilbert混频器的发射极电阻——的值来实现增益调节。结果，在该级的反馈更小，并且增益在接收器的前部增加，以致于来自以后的接收器级(如基带滤波和增益级)的噪声不再被认为是对于整个接收器的噪声指数的明显贡献。此外，线性有所损失。然而，这种线性的损失将不对接收器的性能存在不利影响。

在实施例中，当确定需要额外增益调节时考虑可能的干扰信号的信号电平。例如，接收器可被配置为测量与在接收器输入处的干扰信号的信号电平相关的值。所述值可以是接收信号的信噪比，或接收信号的误码率。

图2示出对低噪声放大器108应用额外增益步阶的示例。图2示出通过差分放大器实现的低噪声放大器配置。该配置包括：级联级228，其包含一组操作放大器；和输入级204，其连接至级联级228；所述输入级具有两个输入INP和INM。级联级包括两个控制节点A和B。该配置还包括集电极电路206，其包含电阻器208至214，线圈216、218，和电容器220、222。收集器电路还包括开关224和226以及控制开关的控制节点C。

在正常操作中(当在接收器的输入处的信号电平超过给定灵敏度水平时)，通过对控制节点A和B应用控制信号来控制低噪声放大器配置的增益。在正常操作中，不对控制节点C施加电压。因此，由控制节点C控制的开关224、226闭合，并且电流可通过。在实施例中，通过PMOS技术实现开关。电阻器208、210与线圈216和电容器220并联，并且相应地电阻器212、214与线圈218和电容器222并联。

在正常操作中，当对控制节点B施加电压但是不控制节点A时，实现低增益。当对控制节点A施加电压但是不控制节点B时，实现高增益。在这两种情况下，都不对控制节点C施加电压。

对于极高的增益步阶，对控制节点C和A但是不对控制节点B施加电压。因此，开关224、226打开，并且电流不通过。通过线圈216、218和电容器220、222确定级联级228的集电极阻抗。

在不同情形下的控制节点的电压可概括如下：

低增益	A＝0，B＝1，C＝0

高增益	A＝1，B＝0，C＝0
		特高增益	A＝1，B＝0，C＝1

在级联级中的操作放大器的数目可根据增益步阶的期望数目而改变。

在实施例中，接收器被配置为当采用至少一个进一步的增益步阶时减少带宽。

图3A示出对混频器110应用额外增益步阶的示例。图3示出通过Gilbert单元300实现的简化混频器配置。Gilbert单元是交叉耦合的差分放大器配置。该配置包括：集电极电路302，其连接至Gilbert单元的集电极；和发射极电路304，其连接至Gilbert单元的发射极。Gilbert单元接收本地振荡器信号306作为输入。接收的信号被用作到发射极电路的晶体管308、310的基极输入的差分输入INP、INM。作为来自集电极电路的差分输出信号OUTP、OUTM，获得输出信号。

在实施例中，在正常操作下不对混频器110应用增益控制。在前端100中，仅对于低噪声放大器108施加增益控制。然而，可通过减少发射极阻抗和增加集电极阻抗来对混频器施加额外增益步阶。在图3A的示例中，该配置包括具有增益控制314的可变电阻器312。通过调节电阻器312的电阻，可降低发射极的阻抗，并增加增益。

图3B示出对混频器110应用额外增益步阶的另一示例。图3A示出通过Gilbert单元300实现的另一简化混频器配置。该配置包括：集电极电路326，其连接至Gilbert单元的集电极；和发射极电路328，其连接至Gilbert单元的发射极。在该实施例中，对集电极电路326和发射极电路328施加增益控制信号324。集电极电路包括可变电阻器316、318，发射极电路包括可变电阻器320、322。施加于电阻器的增益控制信号使得集电极电路电阻器316、318的电阻增加，以及使得发射极电路电阻器320、322的电阻减少。

图4示出可以应用本发明实施例的另一装置的简化示例。该装置包括直接变换无线电接收器。无线电接收器包括：天线400，其被配置为接收射频信号。在该示例中，在转换器404中将接收信号转换成差分形式。接收器包括第一和第二低噪声放大器406、408。低噪声放大器具有不同的属性。第一放大器406被配置为在其输入处容忍高电平信号。第一放大器的增益小于第二放大器408的增益。此外，相比于第二放大器408，第一放大器具有相当高的噪声指数。容忍高电平信号的能力通过使用高发射极阻抗和其他线性化技术来实现。

因此，相比于第一放大器，第二低噪声放大器具有更低增益和更低噪声指数。第一放大器的噪声指数可能是10dB的量级，第二放大器的噪声指数可能是2dB。然而，这些数值仅用作示例，并非限制本发明。

在低噪声放大器之后，装置的结构类似于图1中的装置结构。然而，在该示例中，装置包括从混频器开始的两个分支。第一分支410用于I分支信号，第二分支412用于Q分支信号。每个分支包括混频器、信道选择滤波器、自动增益控制块和模数转换器(ADC)。ADC的输出端连接至装置的数字部(未示出)。装置还包括：控制器414，其被配置为控制装置的操作。

如图1的示例中，控制器414被配置为控制数字部(未示出)来测量在接收器的输入处的信号电平。在实施例中，控制器414从数字部接收测量数据，并检测接收信号的信号电平大于还是小于给定灵敏度水平。基于该数据，可控制装置的前端使用第一低噪声放大器406或第二低噪声放大器408来放大接收信号。第一放大器406用于获得高线性，第二放大器408用于获得低噪声指数。低噪声放大器被设计为，如果放大器关闭则其具有高输入阻抗，并且当其通电时其输入阻抗被适配于在其输入处的信号。因此，装置不需要将接收信号引向放大器的任何开关。控制器414可通过开启期望放大器和关闭其他放大器来在任意给出的时刻选择放大器。

图5是示出实施例的流程图。在该示例中，该实施例适于电信系统的直接变换无线电接收器。

在步骤500，测量在接收器的输入处的接收信号电平。

在步骤502，测量与接收器的输入处的可能的干扰信号的信号电平相关的一个或多个值。所述值可以是接收信号的信噪比、信号干扰比或误码率。

在步骤504，将测量的信号电平和值与给定阈值相比较。将测量的接收信号电平与给定的灵敏度水平相比较。给定的灵敏度水平可以是所讨论的电信系统的规范中所需的灵敏度水平，或者可以从该水平导出。将与可能的干扰信号的信号电平相关的测量值与预定阈值相比较。可选择水平，从而使得如果所述值超过预定水平，则干扰信号可被视为能忽略。例如，如果测量的信噪比大于给定阈值，则干扰信号可被忽略。

如果测量电平或值中的至少一个没有满足预定的阈值需求，则在步骤506，以保持接收器线性的方式至少逐步调节接收器的前端增益和基带增益。

如果测量电平或值都满足预定的阈值需求，则在步骤508，以如下方式通过至少一个进一步的增益步阶来调节接收器的前端增益，所述方式为前端的操作不再是线性的。然而，所述测量指示出线性的损失不会降低接收器与发射器的连接的质量。

本发明实施例可应用于这样的装置，该装置可以是电信系统的移动站或基站、电信系统的接收器、手持无线电电话、或个人通信器。此外，该装置可以被包含在使用期间与另一装置(例如个人计算机)连接的卡或模块中。

装置可包括控制器，其可被配置为执行关于图5的流程图以及图1至4描述步骤中的至少一些。实施例可作为计算机程序来实现，所述计算机程序包括执行用于增加无线电接收器的灵敏度的计算机过程的指令。过程可包括：测量在接收器的输入处的信号电平；当在接收器的输入处的信号电平超过给定灵敏度水平时，至少逐步调节接收器的前端增益和基带增益；以及当输入信号电平低于给定灵敏度水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节前端增益。

计算机程序可存储在由计算机或处理可读的计算机程序分布介质上。计算机程序介质可以是例如(但不限于)电介质、磁介质、光学介质、红外介质、或半导体系统介质、装置介质或传输介质。计算机程序产品可包括如下介质中的至少一个：计算机可读介质、程序存储介质、记录介质、计算机可读存储器、随机存取存储器、可擦除可编程只读存储器、计算机可读软件分布包、计算机可读信号、计算机可读电信信号、计算机可读印刷品、和计算机可读压缩软件包。

尽管根据附图参照示例在以上描述了本发明，但是明显地，本发明并不受其限制，并且可以在所附权利要求的范围内以多种方式修改。

Claims (29)

1.一种直接变换无线电接收器，包括：

第一测量单元，被配置为测量在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平；以及

增益控制器，被配置为当在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平超过给定灵敏度水平时，通过低增益步阶和高增益步阶之一来至少逐步调节所述接收器的前端增益和基带增益，以及当接收信号的信号电平低于所述给定灵敏度水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益从而使得所述前端的操作是非线性的。

2.如权利要求1所述的接收器，进一步包括：

第二测量单元，被配置为测量与所述接收器输入处的干扰信号的信号电平相关的值；其中

所述增益控制器被配置为仅当测量的值低于给定阈值时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益。

3.如权利要求2所述的接收器，其中测量的值是所述接收信号的信噪比。

4.如权利要求2所述的接收器，其中测量的值是所述接收信号的误码率。

5.如权利要求1所述的接收器，进一步包括：

低噪声放大器，其中所述增益控制器被配置为减少在所述低噪声放大器中的反馈。

6.如权利要求1所述的接收器，进一步包括：

混频器，其中所述增益控制器被配置为减少在所述混频器中的反馈。

7.如权利要求1所述的接收器，进一步包括：

混频器，其中所述增益控制器被配置为减少所述混频器的发射极阻抗并增加所述混频器的集电极阻抗。

8.如权利要求1所述的接收器，其中所述接收器包括单独的低噪声放大器和/或混频器，所述单独的低噪声放大器和/或混频器将被选择以当所述接收信号的信号电平高于和低于给定接收信号电平时使用。

9.如权利要求1所述的接收器，其中所述接收器是全球移动通信系统GSM接收器，并且所述给定灵敏度水平是-102dBm。

10.如权利要求1所述的接收器，其中所述接收器是宽带码分多址WCDMA接收器，所述给定灵敏度水平是-106.7dBm或-104.7dBm。

11.如权利要求1所述的接收器，其中所述接收器被配置为当应用所述至少一个进一步的增益步阶时减少带宽。

12.一种直接变换无线电接收器中的方法，所述方法包括：

测量在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平；

当在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平超过给定灵敏度水平时，通过低增益步阶和高增益步阶之一来至少逐步调节所述接收器的前端增益和基带增益；以及

当接收信号的信号电平低于所述给定灵敏度水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益，从而使得所述前端的操作是非线性的。

13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

测量与所述接收器输入处的干扰信号的信号电平相关的值；以及

仅当测量的值低于给定功率水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益。

14.如权利要求13所述的方法，其中测量的值是所述接收信号的信噪比。

15.如权利要求13所述的方法，测量的值是所述接收信号的误码率。

16.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

减少在所述接收器的前端低噪声放大器中的反馈。

17.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

减少在所述接收器的前端混频器中的反馈。

18.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

当应用所述至少一个进一步的增益步阶时减少所述接收器的带宽。

19.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

根据所述接收信号的信号电平高于还是低于给定灵敏度水平，选择在所述接收器中将使用的低噪声放大器和/或混频器。

20.一种电信系统，包括权利要求1的无线电接收器。

21.一种用于直接变换无线电接收器中的装置，所述装置包括：

用于测量在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平的装置；

用于当在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平超过给定灵敏度水平时，通过低增益步阶和高增益步阶之一来至少逐步调节所述接收器的前端增益和基带增益的装置；以及

用于当接收信号的信号电平低于所述给定灵敏度水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益的装置，从而使得所述前端的操作是非线性的。

22.如权利要求21所述的装置，进一步包括：

用于测量与所述接收器输入处的干扰信号的信号电平相关的值的装置；以及

用于仅当测量的值低于给定功率水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益的装置。

23.如权利要求22所述的装置，其中测量的值是所述接收信号的信噪比。

24.如权利要求22所述的装置，测量的值是所述接收信号的误码率。

25.如权利要求21所述的装置，进一步包括：

用于减少在所述接收器的前端低噪声放大器中的反馈的装置。

26.如权利要求21所述的装置，进一步包括：

用于减少在所述接收器的前端混频器中的反馈的装置。

27.如权利要求21所述的装置，进一步包括：

用于当应用所述至少一个进一步的增益步阶时减少所述接收器的带宽的装置。

28.如权利要求21所述的装置，进一步包括：

用于根据所述接收信号的信号电平高于还是低于给定灵敏度水平，选择在所述接收器中将使用的低噪声放大器和/或混频器的装置。

29.一种直接变换无线电接收器，包括：

第一测量装置，用于测量在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平；以及

增益控制器装置，用于当在所述接收器的输入处的接收信号的信号电平超过给定灵敏度水平时，通过低增益步阶和高增益步阶之一来至少逐步调节所述接收器的前端增益和基带增益；以及当接收信号的信号电平小于所述给定灵敏度水平时，通过至少一个进一步的增益步阶来调节所述前端增益从而使得所述前端的操作是非线性的。

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