CN101897117A - 在对数检波器中的改进和关于它们的改进 - Google Patents

Abstract

公开的是一种对数检波器，它包括：放大器元件；用来设置检波器的工作频率的装置；及控制器，其中，放大器元件的输入信号被置成在放大器元件中引起振荡，并且控制器是可操作的，以检测指示振荡的预定阈值，并且响应于检测到所述阈值，中断放大器的振荡，从而所述中断的频率与输入信号的功率的对数成比例。

Description

在对数检波器中的改进和关于它们的改进

技术领域

本发明涉及对数检波器，这些对数检波器应用于各种不同的电子项目中，既应用于消费电子学领域，又应用于诸如医学成像和电信之类的专用领域。

背景技术

在许多电子学领域中，希望或必要的是，从其它电信号中检测非常低电平信号，这些其它电信号可能包括其它发送和/或电噪声。经常地，当需要的信号处于非常低电平时，它可能被不需要的信号淹没，这些不需要的信号在下文用通用术语“噪声”表示。

在其中低电平信号必须被检测出和处理的典型应用中，需要非常灵敏的检波器，这些检波器能够从其它噪声中辨别出低电平信号。比如，在医学成像领域中，特别是超声波扫描，希望能够检测到非常低电平信号，该信号然后可被处理以显示希望的对象，例如胎儿或内部器官。

在实际系统中，降低显示图像质量的主要因素之一是妨碍可得到分辨率的大量噪声的存在。

在另一种典型现有技术系统-蜂窝电话系统中，关于发送功率和接收器的质量有多种相矛盾的要求。有在想发送尽可能多的功率以到达接收装置和希望使发送功率最小之间的矛盾，因为这将干扰和恶化在该发送附近的其它发送。同时，接收器只能够辨别处于一定电平或其以上的信号，并且这对于在网络计划中的因素，如发送器功率、小区大小及天线设计，具有直接影响。如果有可能设计一种能够更可靠地接收较低电平信号的接收器，那么发送器的发送功率可成比例地减小，导致对于邻近装置的较低干扰电平。而且，这样一种接收器在原理上允许使用大的小区尺寸，从而导致较低基础架构成本。

对于这样的检测问题的现有技术解决方案已经在各种应用中使用对数放大器(下文称作“log amps”)。对数放大器的限定特性在于，输出信号具有与输入信号的对数成比例的电压。这样的装置被发现在宽动态范围上特别有用，并且特别是用来接收低电平输入信号。典型现有技术对数放大器常常被提供为独立集成电路装置，或者它们可以集成到较大定制集成电路，例如ASIC中。

然而，存在与现有技术对数放大器的使用相关联的各种缺点。具体地说，现有技术中装置的动态范围可能受到限制，这意味着，对于非常高或非常低输入信号的电压输出不符合期望的对数关系。这可导致在极端输入值处的错误输出，并且在之前提到的低电平下特别成问题。

关于现有技术对数放大器的另一个问题是，热噪声可严重地干扰在工作范围的较低端处的信号。关于电噪声的问题当较大功率施加到输入电路上时往往增大，该输入电路本身在较宽工作范围上引起问题。

在非常专门的领域中，已经尝试诸如冷却整个电路以减少热噪声量之类的技术。尽管这些技术可提供一定程度的性能改进，但这样的技术不是通用的，并且实用价值有限。

图1表示现有技术对数放大器电路的典型说明性构造。这表示，期望的对数响应可通过串联地级联多个增益块(放大器1、2、...n)来实现。每个放大器级的输出馈给到下一级，并且此外，每个放大器的输出通过相应二极管(D1、D2...Dn)，其中由此产生的各个信号在求和放大器10中相加，使该求和放大器10的整体输出给出期望的对数响应。

在图1中表示的电路是在实际中发生的电路的相当简化样式，但给出用来实现期望的对数关系的技术的良好概况。由检查在图1中的电路可看到，在各个元件的性能之间的差别对于放大器的性能将具有影响，并且使它是非理想的。可以构造这种电路，从而它可借助于额外分立元件的添加而被调谐，但这不会提出对于批量生产目的可行的解决方案。

关于在图1中所示的现有技术对数放大器的另外问题是，它具有非常有限的工作范围(即，它是非常频率依赖的)，并且如果工作频率离理想频率太远，那么电路的对数性能受到不利的影响。

图2表示现有技术对数放大器的典型传递特性。x轴表示输入电压，并且y轴表示输出电压(以dB表示)。有效动态范围(由在虚线之间的区域表示)由传递曲线的线性部分表示，这是输入电压的范围，对于该范围产生真正的对数输出。在这个动态范围之外，输出电压将不是输入电压的真正对数，这限制其使用，特别是在涉及低电平输入信号的场合。

发明内容

本发明的实施例的目的在于解决关于现有技术对数放大器的问题，不管这里是否讨论过。具体地说，本发明的实施例的目的是，缓解与具有有限动态范围的对数放大器相关联的问题。

根据本发明的一个方面，提供有一种对数检波器，该对数检波器包括：放大器元件；用来设置检波器的工作频率的装置；及控制器，其中，放大器元件的输入信号被布置成在放大器元件中引起振荡，并且控制器是可操作的，以检测指示振荡的预定阈值，并且响应于感测到所述阈值，中断放大器的振荡，从而所述中断的频率与输入信号的功率的对数成比例。

优选地，放大器元件是分立晶体管，如BJT或FET，或运算放大器。可替换的放大器元件甚至可包括真空阀。

优选地，用来设置工作频率的装置包括反馈电路，该反馈电路连接在放大器元件的输入与输出之间。反馈电路优选地包括调谐电路，如L-C或R-C电路。对于变频控制，可以使用锁相环(PLL)。

优选地，预定阈值基于到放大器元件的电力供应中的电流流动而被确定。阈值电流电平可以通过测量跨过已知电阻器的电压被感测。

优选地，电流流动使用模拟比较器或数模转换器(DAC)被测量。如果使用DAC，控制器优选地包括微处理器以解释电流流动测量的结果。

优选地，倍频器可以用来提供大量样本测量点。

优选地，振荡通过将放大器元件的输入有效接地被中断。可替换地，反馈环路可以临时断开，或者电源可以临时与放大器元件断开。

优选地，检波器还包括频率-电压转换器，该频率-电压转换器是可操作的，以将由中断生成的尖峰序列转换成与输入信号的功率成比例的直流电压。

根据本发明的另一个方面，提供有检测信号的方法，该方法包括步骤：将信号施加到包括频率选择性反馈电路的放大器元件上，从而噪声和信号之和使放大器元件振荡；和响应于感测到指示振荡的预定阈值，中断振荡。

优选地，方法还包括步骤：将由所述中断产生的电压尖峰转换成与信号的功率的对数成正比的直流电压。

优选地，中断步骤包括将到放大器元件的输入有效地接地。

根据本发明的另外方面，提供有一种对数放大器，该对数放大器包括：放大器元件；用来设置对数放大器的工作频率的装置；其中，放大器元件的输入信号被布置成在放大器元件中引起振荡，并且提供周期地中断放大器的振荡的装置，从而所述中断的频率与输入信号的功率成比例。

优选地，工作频率由L-C调谐电路设置，尽管可以使用其它可能的配置。

优选地，中断频率由R-C调谐电路设置，尽管可以使用其它可能的配置。

优选地，中断频率设置到工作频率的近似十分之一。

优选地，提供频率-电压转换器，以将代表输入功率的算法的直流信号提供给对数放大器。

本发明的其它特征将由附属权利要求书、和随后的描述变得更加清楚。

附图说明

为了更好地理解本发明、和为了表示本发明的实施例如何实现，现在将作为例子参考附图，在附图中：

图1表示对数放大器的现有技术表示；

图2表示现有技术对数放大器的典型传递特性；

图3表示本发明第一实施例的功能方块图；

图4表示本发明第一实施例的示意图；

图5表示本发明第二实施例的示意图；及

图6表示根据本发明实施例的I/Q解调器。

具体实施方式

图3表示本发明的第一实施例。这个实施例包括增益元件100，输入信号施加到该增益元件100上。作为反馈电路提供的、将增益元件100的输出连接到增益元件100的输入上是的调谐电路110，该调谐电路110起作用以设置电路的工作频率。

整个电路由控制器150控制，该控制器150是可操作的以控制增益块的某些操作参数，并且从该控制器150得到电路的输出。

到增益元件100的输入是希望检测的信号。电路的输出从控制器150获得。输入典型地是在电噪声存在情况下的低电平RF信号。

在‘原始’形式中，输出信号包括电压尖峰系列或序列，其周期性频率与输入信号的功率的对数有关。在一些应用中，希望的是直接使用这个脉冲序列，并且在模拟或数字域中处理它们。在其它应用中，该序列可被预处理，以给出与输入信号的功率的对数成比例的模拟电压。

在优选实施例中，输出可由已知放大器升压，这使检波器101能够形成对数放大器(log amp)的基础，该对数放大器可用在各种不同应用中。

图4表示本发明第一实施例的不同元件的更详细示意图。在系统心脏处的放大器元件100可以是任何适当的放大器元件，如运算放大器(op-amp)、分立晶体管(例如BJT、FET或其它形式的晶体管)或甚至真空阀。其精确地特性相对地不重要。

本发明的实施例作为受控振荡器有效地操作，借此响应于电噪声和/或需要的信号，在增益元件100中开始振荡。响应于输入信号的幅值，周期性地终止振荡。振荡的开始的速度和其随后的终止指示输入信号的强度，并且这是本发明实施例的基本操作方法。已经发现，这种行为使非常低电平输入信号能够在电噪声中被更有效地辨别出。

提供在放大器元件100的输出与输入之间的是第一反馈电路110，该第一反馈电路110是可操作的，以控制电路的工作频率。在图4中表示的实施例中，反馈电路是简单串联L-C电路(包括电容器111和电感线圈112)形式的调谐电路，其中工作频率由如下公式确定：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

电路的工作频率如由具体应用所要求的那样选择，检波器要用于该具体应用。使用比如晶体或谐振器的其它形式的调谐电路也可按已知方式被使用。各种调谐电路，如锁相环(PLL)，也可被用来提供在不同频率的范围上可操作的电路。

在放大器100的输入处的电噪声，将在电路中建立在由以上所给出的L和C确定的频率的振荡。在L-C调谐电路的带宽之外的噪声对于电路的工作将具有很小影响。在调谐电路中的元件的基础上确定电路的Q。高Q电路可以通过比如晶体谐振器的使用而形成。

位于L-C调谐电路的带宽内的输入信号将使振荡器比如果随机噪声单独地激励电路更迅速地开始振荡。这样，具有期望频率的需要信号使振荡比单独随机噪声更快地发生。

作为说明，检查调谐电路的Q对于电路的振荡性能的影响是有用的。如果调谐电路110具有100的Q，那么输入信号的近似100次循环在振荡开始之前将需要通过放大器元件100。这不管输入信号是需要信号还是仅仅是噪声。然而，一旦放大器进入振荡模式，它就将继续振荡，直到某一外部事件停止它。在输入处仅有随机噪声的情况下，振荡的电平将随着时间比较慢地建立，直到达到阈值，在这时，控制器150起作用以终止振荡。

在噪声中有需要信号的情况下，输入信号的相对电平较高，并且将比对于仅仅随机噪声的情形更快地达到阈值。如将理解的那样，需要信号的电平越高，则越快地达到阈值，并因此振荡的中断越频繁。

这里随后是控制器如何操作以中断振荡的更详细描述。

除反馈电路110之外，提供有控制器150，该控制器150包括元件120和130。功能元件120布置成周期地中断放大器元件100的振荡。功能元件120包括RC电路，该RC电路包括电阻器121和电容器122。功能元件120的布置有效地采样在电压供给线中流动到放大器元件100的电流，并且一旦它达到预定电平，结果就是立即将到放大器的输入接地，这使振荡停止。实际上，功能元件120起模拟采样电路的作用，一旦达到阈值，该模拟采样电路就用来周期地中断放大器元件100的工作。

如果放大器不在振荡，那么由它汲取的电流相对较小。一旦振荡开始，汲取的电流就显著地增大。通过适当地选择阈值，振荡可足够频繁地中断以适当地检测输入信号。

功能元件130起频率-电压转换器的作用。频率-电压转换器的输入包括电压尖峰系列，并且来自频率-电压转换器的输出是与输入尖峰的频率成比例的直流电压。尖峰是由放大器元件100汲取的功率响应于输入信号和/或噪声而增大的方式以及一旦到达预定阈值如何突然地停止而产生的。

频率-电压转换器的输出是作为输入信号的功率的对数而变化的直流电压信号。这直接利用电路元件的物理特性，并且不要求进行任何显式(explicit)对数计算或估计。这是本发明实施例的优越性能的主要原因。

在本发明的可替换实施例中，可以省去频率-电压转换器，并且电压尖峰序列可按可替换方式处理，例如由数字信号处理器处理。

在图4至6中表示的实施例是纯模拟电路。功能元件120和其在其它图中的等效元件有效地起模拟采样器的作用，该模拟采样器检测由放大器元件100汲取的电流何时到达一定阈值和然后起作用以中断振荡。当然，有可能数字地进行这些操作，并且包括模数转换器(ADC)的数字采样器可用来代替表示的纯模拟方案。控制器150在这种情况下包括微处理器，该微处理器是可操作的，以读取DAC的输出，并且响应于达到阈值而中断放大器的振荡。

可使用用来中断放大器元件100的振荡的其它技术，这些包括将到放大器的输入接地、断开反馈环路或从放大器元件中除去功率。

在进一步的改进中，利用在功能元件120中的倍频器可实现改进的性能。这允许进行由放大器元件汲取的电流的较频繁采样，导致对于振荡开始的较迅速反应。发现这进一步地改进了本发明实施例检测低电平输入信号的能力。在模拟域中，倍频器可采取单稳多谐振荡器(‘one-shot(单稳多谐振荡器)’)的形式。在数字域中，可调节ADC的采样速率，从而较频繁地进行采样，并且对于具体情形可得到最佳电平。一定量的试验和错误可用来找到在适当建立振荡之前触发太快和当分辨率将失去时触发太晚之间的正确平衡。

根据本发明实施例的对数检波器能够较好地将需要信号与背景噪声区分开，因为在对数检波器的输入处的需要信号与固有噪声求和，使放大器更迅速地振荡，这指示在输入处的较大信号。在经验测量中，已经发现，根据本发明实施例的对数检波器能够检测比使用现有技术复杂精密的频谱分析仪工具能够检测的那些信号低近似10dB的需要输入信号。检波器性能的这样一种提高当这样一种检波器用在整个系统内时允许贯穿整个系统的改进性能。

以上已经描述的技术相信是完全新颖的，并且允许建造对数检波器，该对数检波器得益于改进的性能，同时不要求专门校准或冷却设备。由于对数检波器电路的放大器元件100不直接放大信号，所以这个装置的绝对性能特性对于对数检波器的整体性能不是关键的，而关于现有技术装置却是关键的，如在图1中表示的装置。

更确切地，电路的操作可最好地理解成是检波器，它对于输入功率的对数是灵敏的，并且输出与所述对数成正比的直流电压信号。

本发明可以按多种不同的形式实施，并且优选技术是使用已知制造技术将全部必要元件制造到单一芯片上。以这种方式，本发明的益处可容易地并入不同应用的范围中。

图5表示本发明第二实施例的示意图。这个实施例表示根据本发明实施例的对数检波器的完全实现。在这个示意图中包括的关键元件是：Q5，它起增益元件/振荡器的作用；L1和C3，它们是设置电路的工作频率的调谐电路；C14、D3及D4，它们起频率-电压转换器的作用；及U1A和U2B，它们起电平转换器和滤波器的作用，以调节输出信号用于另外的用途。其它元件按标准方式操作，并且本领域的技术人员将容易理解它们的功能。

下面稍些详细地描述可从本发明实施例得益的不同领域的例子。

使用根据本发明实施例的对数检波器的I/Q解调器能够检测和解调以比当前可能的信号电平低的信号电平的信号。图6表示使用根据本发明实施例的一对对数检波器101的样品布置。解调器电路的剩余部分与现有技术相同，并且本领域的技术人员将容易理解如何集成根据本发明实施例的对数检波器。它包括本机振荡器(LO)220，该本机振荡器(LO)220馈电到分频器210中，该分频器210具有两个互补输出，这两个互补输出的每一个馈电相应的双平衡混合器200。每个混合器还被馈有输入信号。每个混合器将输入信号向下混合到基带信号或中间频率(IF)，并且然后将信号馈给到一对对数检波器101中的一个。来自这对对数检波器的输出分别是同相(I)和正交(Q)信号。

这样一种I/Q解调器可用在各种不同的系统中，这些系统采用多种不同数字调制方案的一种或多种。

利用根据本发明实施例的I/Q解调器，优于现有技术接收器的接收器性能的改进可高达10dB，即可接收和处理比当前低10db的信号。在链路预算计算中包括的因数10db对于系统性能和计划形成显著差别。例如，如果蜂窝电信系统使用本发明的实施例实施，那么单独接收器性能的改进将允许较大小区尺寸，这导致要求较少基站，或者允许由给定基站支持较多信道。这些选项中任一种或两者的混合，提供基础结构成本的显著节省。

图6的I/Q解调器可用在各种不同的电信领域中。其它例子包括雷达，其中改进的接收性能提供增大的分辨率和/或范围的前景。

从根据本发明实施例的对数检波器可得益的其它领域包括：探地(ground-penetrating)雷达，它用在地质和考古研究中；医学成像，包括超声波成像、磁谐振成像(MRI)及CAT扫描；实验室设备，如频谱分析仪、网络分析仪及示波器。

注意全部文件和文档，这些文件和文档与同本申请相关的本说明书同时地或在其之前提交，并且这些文件和文档与本说明书一起对公众检查开放，并且全部这样的文件和文档的内容通过参考包括在里。

在本说明书(包括任何附属权利要求书、摘要及附图)中公开的特征的全部、和/或如此公开的任何方法或过程的步骤的全部，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤的相互排斥的组合外，可以按任何组合结合。

在本说明书(包括任何附属权利要求书、摘要及附图)中公开的每个特征可以由用于相同、等效或类似目的的可替换特征替代，除非特意另外指出。因而，除非特意另外指出，公开的每个特征仅是一个普通系列的等效或类似特征的一个例子。

本发明不限于以上实施例的细节。本发明扩展到在本说明书(包括任何附属权利要求书、摘要及附图)中公开的特征的任何一个新颖组合或多个新颖组合，或者扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何一个新颖组合或多个新颖组合。

Claims (13)

1.一种对数检波器，包括：

放大器元件；

用来设置检波器的工作频率的装置；和

控制器，其中，放大器元件的输入信号被布置成在放大器元件中引起振荡，并且控制器是可操作的以感测指示振荡的预定阈值，并且响应于感测到所述阈值来中断放大器的振荡，以使得所述中断的频率与输入信号的功率的对数成比例。

2.根据权利要求1所述的对数检波器，放大器元件是分立晶体管或运算放大器。

3.根据上述权利要求中任一项所述的对数检波器，其中，用来设置工作频率的装置包括反馈电路，该反馈电路连接在放大器元件的输出与输入之间。

4.根据权利要求3所述的对数检波器，其中，反馈电路包括调谐电路或锁相环。

5.根据上述权利要求中任一项所述的对数检波器，其中，预定阈值是到放大器元件的电力供应中的电流流动。

6.根据权利要求5所述的对数检波器，其中，使用模拟比较器或数模转换器来测量电流流动。

7.根据上述权利要求中任一项所述的对数检波器，其中控制器是可操作的以通过将放大器元件的输入有效地接地来中断振荡。

8.根据上述权利要求中任一项所述的对数检波器，还包括频率-电压转换器，该频率-电压转换器是可操作的，以产生与输入信号的功率的对数成比例的直流电压。

9.根据上述权利要求中任一项所述的对数检波器，其中，控制器还包括倍频器，该倍频器是可操作的以更频繁地感测预定阈值。

10.一种I/Q解调器，包括根据上述权利要求中任一项所述的一对对数检波器。

11.一种检测信号的方法，包括步骤：

将信号施加到包括频率选择性反馈电路的放大器元件上，从而噪声和信号之和使放大器元件振荡；

响应于感测到指示振荡的预定阈值，中断响应于预定阈值的振荡。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤：将由所述中断产生的电压尖峰转换成与信号的功率的对数成正比的直流电压。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，中断步骤包括将放大器元件的输入有效地接地。

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