CN101741402B - 一种无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机，其中的载波均衡单元进一步包括能量自适应增益控制模块和能量计算模块，能量自适应增益控制模块根据能量计算模块计算出的数字下变频单元输出的平均采样信号幅度对模拟下变频单元输出的中频信号的幅度进行调节后输入到信号采样单元。本发明在现有技术无线接收机采用射频自动增益控制器的基础上再加入能量自适应增益控制单元以及数字自动增益控制单元，协同工作能够实现超高动态范围的接收信号的解调，同时也满足高灵敏度的要求。利用能量自适应增益控制单元控制输入到信号采样单元的信号幅度，尽量降低系统的噪声基底，避免对接收信号信噪比带来负面影响。

Description

一种无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机。

背景技术

在宽带无线通信系统中，接收信号能量随着传播距离的变化而变化，同时除了受各种噪声的干扰，发射信号的多径传播也影响着数据传输。随着传输速率的提高，越来越高的传输带宽造成了严重的时间色散，接收信号中包含了经历衰减和时延的多径波，引起频率选择性衰落，因此天线接收到的信号强度变化很大。

现有的无线接收机通常包括接收天线、射频自动增益控制模块、模拟下变频模块、信号采样模块、数字下变频模块和解调模块。为了正确解调强弱不同的信号，无线接收机的增益必须根据信号强度进行自动调节，使接收机在接收弱信号时具有很高的增益，而在接收强信号时具有较低的增益。同时为了使数字解调端能够在占用尽量少资源的情况下较好的解调信号，必须保证此高动态范围内的采样信号在进入解调端前都能保持基本恒定的幅度。这些主要是由自动增益控制模块来实现的，绝大多数无线接收机电路中都包含了自动增益控制模块。

在处理大动态范围的接收信号时，主要采用自动增益控制模块均衡载波的幅度，但对于超高动态范围接收信号，现有的无线接收机结构很难达到超高动态范围接收并解调信号的要求，也就是说，无线接收机对于这些不同强度的信号很难做到全部正确的解调，并且容易加大接收端的噪声基底，降低接收端的灵敏度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机，克服现有技术的无线接收机不能实现超高动态范围接收信号且很难降低接收端噪声基底的缺陷。

本发明采用的技术方案是，所述无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机，包括接收天线、载波均衡单元、模拟下变频单元、信号采样单元、数字下变频单元和解调单元，所述载波均衡单元进一步包括能量自适应增益控制模块和能量计算模块；

所述能量计算模块，用于计算数字下变频单元输出的平均采样信号幅度；

所述能量自适应增益控制模块，用于根据能量计算模块计算出的所述平均采样信号幅度对模拟下变频单元输出的中频信号的幅度进行调节后输入到信号采样单元。

所述计算模块进一步用于在设定的时间内将数字下变频单元输出的采样信号幅度平方和除以采样信号的个数后开方得到平均采样信号幅度。

所述设定的时间为10毫秒。

所述能量自适应增益控制模块包括增益调整模块和三个增益幅度不同的增益控制模块，增益调整模块根据所述平均采样信号幅度更换或维持当前工作的增益控制模块。

所述增益控制模块的增益幅度的关系为：第一增益控制模块＜第二增益控制模块＜第三增益控制模块；

所述增益调整模块根据所述平均采样信号幅度更换或维持当前工作的增益控制模块的方式为：

当第一增益控制模块工作时，若所述平均采样信号幅度达到设定的信号幅度范围，则保持第一增益控制模块工作状态不变，若所述平均采样信号幅度小于设定的信号幅度范围的最小值，则更换至第二增益控制模块工作；

当第二增益控制模块工作时，若所述平均采样信号幅度达到设定的信号幅度范围，则保持第二增益控制模块工作状态不变，若所述平均采样信号幅度小于设定的信号幅度范围的最小值，则更换至第三增益控制模块工作，若所述平均采样信号幅度大于设定的信号幅度范围的最小值，则更换至第一增益控制模块工作；

当第三增益控制模块工作时，若所述平均采样信号幅度达到设定的信号幅度范围，则保持第三增益控制模块工作状态不变，若所述平均采样信号幅度大于设定的信号幅度范围的最大值，则更换至第二增益控制模块工作。

所述载波均衡单元进一步包括连接接收天线和模拟下变频单元的射频自动增益控制单元，用于降低超过第一设定信号幅度数值以上的模拟信号的幅度，采用NXP公司的TD1316AF芯片实现。

所述无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机进一步包括位于接收天线和射频自动增益控制单元之间的腔体滤波器，用于滤去带外干扰。

所述无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机进一步包括位于接收天线和射频自动增益控制单元之间的腔体滤波器和低噪声放大器；

所述腔体滤波器，用于滤去带外干扰；

所述低噪声放大器，用于降低所述无线接收机的噪声系数。

所述无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机进一步包括数字自动增益控制单元，用于将所述数字下变频单元输出的信号幅度调整到第二设定信号幅度数值，再输出给解调单元。

所述数字自动增益控制单元采用TI公司的AFE8406芯片来实现。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机，包括接收天线、载波均衡单元、模拟下变频单元、信号采样单元、数字下变频单元和解调单元，载波均衡单元进一步包括能量自适应增益控制模块和能量计算模块，能量自适应增益控制模块根据能量计算模块计算出的数字下变频单元输出的平均采样信号幅度对模拟下变频单元输出的中频信号的幅度进行调节后输入到信号采样单元。本发明在现有技术无线接收机采用射频自动增益控制器的基础上再加入能量自适应增益控制单元以及数字自动增益控制单元，协同工作能够实现超高动态范围的接收信号的解调，同时也满足高灵敏度的要求。利用能量自适应增益控制单元控制输入到信号采样单元的信号幅度，尽量降低系统的噪声基底，避免对接收信号信噪比带来负面影响。由于加入了腔体滤波器滤去带外干扰，加入低噪声放大器降低接收端噪声系数，从整体上提高了无线接收机的性能。

经过实际应用证明，本发明所述无线接收机所能接收到最弱的有用信号即灵敏度为-110dbm，所能接收到的最强有用信号为0dbm，此时信号幅度的变化范围为110dbm，这是一个相当宽的范围，现有技术中的恒定增益的接收机都无法正确解调这么宽能量范围的信号。

附图说明

图1为本发明第一实施例所述无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机组成连接示意图；

图2为射频自动增益控制模块组成连接示意图；

图3为能量自适应增益控制模块工作原理示意图；

图4为本发明第二实施例所述无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机组成示意图；

图5为本发明第三实施例所述无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机组成示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明提出的所述无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机，详细说明如后。

本发明第一实施例，如图1所示，一种无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机，包括接收天线、射频自动增益控制模块、模拟下变频模块、能量自适应增益控制模块、信号采样模块、数字下变频模块、能量计算模块和解调模块，该无线接收机可以接收并正确解调幅度在-110～0dBm的射频信号。

如图2所示，射频自动增益控制模块通常由四个模块组成：可变增益放大器、峰值检测器、低通滤波器、比较器。可变增益放大器具有一个增益控制输入端，其增益受到增益控制输入端信号的控制，峰值检测器对可变增益放大器输出信号的包络进行检波，检波后的结果送到低通滤波器进行滤波，得到可变增益放大器输出信号幅度的平均值，将该信号幅度的平均值送到比较器中，并与比较器中的参考电平进行比较，将比较结果发送到可变增益放大器的增益控制输入端，根据比较结果动态调整可变增益放大器的增益。

从接收天线接收到的射频信号经过射频自动增益控制模块，将幅度大于-55dBm的信号降低到-55dBm，也就是说，输入的幅度为-110～0dBm射频信号经过射频自动增益控制模块后输出的幅度为-110～-55dBm，该射频自动增益控制模块可以采用NXP公司的TD1316AF芯片来实现。

然后，将自动增益控制模块后输出的幅度为-110～-55dBm的信号经过模拟下变频模块得到中频信号，中频信号依次经过能量自适应增益控制模块、信号采样模块和数字下变频模块处理后得到基带信号并输出至解调模块。

能量计算模块采集数字下变频模块输出的基带信号后经过计算得出平均采样信号幅度，具体的计算过程是：在设定的时间内将数字下变频单元输出的采样信号幅度平方和除以采样信号的个数后开方得到平均采样信号幅度，该设定的时间可以为10毫秒。

能量自适应增益控制模块根据能量计算模块计算出的所述平均采样信号幅度对模拟下变频单元输出的中频信号的幅度进行调节后输入到信号采样模块。能量自适应增益控制模块包括增益调整模块和三个增益幅度不同的增益控制模块，增益调整模块根据所述平均采样信号幅度更换或维持当前工作的增益控制模块。具体的，以第一增益控制模块、第二增益控制模块、第三增益控制模块分别提供A＝50dBm、B＝65dBm、C＝80dBm的增益档位为例，对于输入到能量自适应增益控制模块的幅度为-110～-55dBm的中频信号，如图3所示，将其输出信号的幅度维持在-5～-30dBm的过程：

能量自适应增益控制模块启动时默认工作在第一增益控制模块提供的增益档位A上；

当处于增益档位A时，若能量计算模块计算出的所述平均采样信号幅度达到-5～-30dBm，则保持当前档位不变，若所述平均采样信号幅度小于-30dBm，则更换至增益档位B；

当处于增益档位B时，若能量计算模块计算出的所述平均采样信号幅度达到-30～-5dBm，则保持当前档位不变，若所述平均采样信号幅度小于-30dBm，则更换至增益档位C，若所述平均采样信号幅度大于-5dBm，则更换至增益档位A；

当处于增益档位C时，若能量计算模块计算出的所述平均采样信号幅度达到-30～-5dBm，则保持当前档位不变，若所述平均采样信号幅度大于-5dBm，则更换至增益档位B。

由前述能量自适应增益控制模块中设置的三个增益档位：A＝50dBm、B＝65dBm、C＝80dBm，可以推知：

A档位对应的输入信号幅度范围为-80～-55dBm之间，此时输出信号幅度范围为-30～-5dBm；

B档位对应的输入信号幅度范围为-95～-70dBm之间，此时输出信号幅度范围为-30～-5dBm；

C档位对应的输入信号幅度范围为-110～-85dBm之间，此时输出信号幅度范围为-30～-5dBm；

这样每个档位之间的输入电平都有10dBm的重复余量，由于在无线信道下，接收信号的瞬时动态范围较大，并且峰均比大约为5db左右，如果两个档位之间不设置重复余量，就会出现在两个档位之间频繁来回切换的情形。

信号采样模块采用AD转换器，由于AD转换器在将模拟信号转变为数字信号的过程中会产生噪声，输入信号的幅度越大，噪声越低，但是当输入信号幅度过大又会导致AD转换器饱和，噪声增大。为了保证在极低能量的射频输入信号下无线接收机能正常工作又不出现饱和状态，对AD转换器输入信号幅度的要求设置为-30dBm～-5dBm，以保证AD转换器的自噪声即噪声基底足够低，从而避免对接收信号本身的信噪比带来负面影响。

本发明第二实施例，如图4所示，一种无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机，与第一实施例中的所述无线接收机的组成大致相同，区别在于，本实施例中的所述无线接收机进一步包括位于数字下变频模块和解调模块之间的数字自适应增益控制模块，用于对数字下变频模块输出的幅度在-30dBm～-5dBm的动态范围的采样信号进行进一步处理：通过将每个采样信号的幅度与设定的门限相比较来调整对每个采样信号的增益，以保证每个采样信号都能稳定在所设定的门限值附近。这样，由超大动态范围的信号得到的每个采样信号的幅度都能稳定在所设定的门限附近，本实施例的优势在于，通过增加数字自适应增益控制模块，保证高动态范围内的采样信号在进入解调模块前都能保持基本恒定的幅度，使解调模块能够在占用尽量少资源的情况下较好的解调信号，数字自适应增益控制模块可以采用TI公司的AFE8406芯片来完成，其工作原理本领域公知的技术内容，故此处不详述。

本发明第三实施例，如图5所示，一种无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机，与第二实施例中的所述无线接收机的组成大致相同，区别在于，本实施例中，从接收天线接收到的射频信号在输入到射频自动增益控制模块之前先经过腔体滤波器和低噪声放大器处理。腔体滤波器用于滤去带外干扰。低噪声放大器用于降低所述无线接收机的噪声系数。

经过实际应用证明，本发明所述无线接收机所能接收到最弱的有用信号即灵敏度为-110dbm，所能接收到的最强有用信号为0dbm，此时信号幅度的变化范围为110dbm，这是一个相当宽的范围，任何现有的恒定增益的接收机都无法正确解调这么宽能量范围的信号。同时为了能在-110dbm条件下能解调出信号。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (8)

1.一种无线通信系统下适用于超大动态范围的无线接收机，包括接收天线、载波均衡单元、模拟下变频单元、信号采样单元、数字下变频单元和解调单元，其特征在于，

所述载波均衡单元进一步包括射频自动增益控制单元、能量自适应增益控制模块和能量计算模块；

接收天线、射频自动增益控制单元、模拟下变频单元、能量自适应增益控制模块、信号采样单元、数字下变频单元和解调单元依次相连，数字下变频单元输出的信号还要通过能量计算模块反馈给能量自适应增益控制模块；

所述能量计算模块，用于计算数字下变频单元输出的平均采样信号幅度；

所述能量自适应增益控制模块，用于根据能量计算模块计算出的所述平均采样信号幅度对模拟下变频单元输出的中频信号的幅度进行调节后输入到信号采样单元；

所述能量自适应增益控制模块包括增益调整模块和三个增益幅度不同的增益控制模块，增益调整模块根据所述平均采样信号幅度更换或维持当前工作的增益控制模块；

所述增益控制模块的增益幅度的关系为：第一增益控制模块<第二增益控制模块<第三增益控制模块；

所述增益调整模块根据所述平均采样信号幅度更换或维持当前工作的增益控制模块的方式为：

当第一增益控制模块工作时，若所述平均采样信号幅度达到设定的信号幅度范围，则保持第一增益控制模块工作状态不变，若所述平均采样信号幅度小于设定的信号幅度范围的最小值，则更换至第二增益控制模块工作；

当第二增益控制模块工作时，若所述平均采样信号幅度达到设定的信号幅度范围，则保持第二增益控制模块工作状态不变，若所述平均采样信号幅度小于设定的信号幅度范围的最小值，则更换至第三增益控制模块工作，若所述平均采样信号幅度大于设定的信号幅度范围的最小值，则更换至第一增益控制模块工作；

当第三增益控制模块工作时，若所述平均采样信号幅度达到设定的信号幅度范围，则保持第三增益控制模块工作状态不变，若所述平均采样信号幅度大于设定的信号幅度范围的最大值，则更换至第二增益控制模块工作。

2.根据权利要求1所述无线接收机，其特征在于，所述计算模块进一步用于在设定的时间内将数字下变频单元输出的采样信号幅度平方和除以采样信号的个数后开方得到平均采样信号幅度。

3.根据权利要求2所述无线接收机，其特征在于，所述设定的时间为10毫秒。

4.根据权利要求1所述无线接收机，其特征在于，所述射频自动增益控制单元，用于降低超过第一设定信号幅度数值以上的模拟信号的幅度，采用NXP公司的TD1316AF芯片实现。

5.根据权利要求1所述无线接收机，其特征在于，所述无线接收机进一步包括位于接收天线和射频自动增益控制单元之间的腔体滤波器，用于滤去带外干扰。

6.根据权利要求1所述无线接收机，其特征在于，所述无线接收机进一步包括位于接收天线和射频自动增益控制单元之间的腔体滤波器和低噪声放大器；

所述腔体滤波器，用于滤去带外干扰；

所述低噪声放大器，用于降低所述无线接收机的噪声系数。

7.根据权利要求1或4或5或6所述无线接收机，其特征在于，所述无线接收机进一步包括数字自动增益控制单元，用于将所述数字下变频单元输出的信号幅度调整到第二设定信号幅度数值，再输出给解调单元。

8.根据权利要求7所述无线接收机，其特征在于，所述数字自动增益控制单元采用TI公司的AFE8406芯片来实现。