CN102904537B - 一种时分双工系统的微弱无线信号放大器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时分双工系统的微弱无线信号放大器及控制方法，包括单向放大器一和与其连接的单向放大器二，其特征是：所述单向放大器一包括限幅和保护电路一，所述限幅和保护电路一连接射频带通滤波器一，所述射频带通滤波器一连接SPDT开关一，所述SPDT开关一连接多级可调低噪声放大器一，所述多级可调低噪声放大器一连接功分器一和自动增益控制电路一，所述功分器一连接射频检波器一和SPDT开关二，所述射频检波器一连接自动增益控制电路一和电压比较器一，所述电压比较器一连接逻辑控制单元一和公共逻辑门电路，所述逻辑控制单元一连接SPDT开关二和多级可调低噪声放大器二的使能控制脚，SPDT开关二对于单向放大器二常通，对于单向放大器一常闭。
Description
技术领域
本发明涉及一种时分双工系统的信号放大器及控制方法，具体地讲，涉及一种时分双工系统的微弱无线信号放大器及控制方法。
背景技术
随着WIFI、蓝牙和无线传感器网络等近距离无线通信技术的快速发展，各种无线设备和终端广泛应用。相应的会有信号弱、通信质量差等问题。这些问题通常是由于障碍物遮挡或终端间距离远造成的。解决方案目前主要采用如下三种方式：
射频前端双向放大器，通过在终端上增加射频功率放大器来增加发射功率、低噪声放大器增加接收灵敏度，从而增加信号覆盖范围，该种方式增加了发射功率，功耗高，在遮挡严重时需要非常高的发射功率，而且效果并理想，另外还可能对信号覆盖范围内的其他无线设备造成干扰。
在蜂窝通讯系统中广泛采用的双向放大器通过双工器来分离上行和下行信号，而对于TDD系统上下行信号频率相同，该方案并不适用。
通过有线方式，一般为以太网将信号传输到目标区域，然后再转化为无线信号。这种方式硬件结构复杂，需要有线连接和额外的设备支持，成本高。
此外，专利200710303870.6提出了一种用于时分双工系统的双向动态放大方法及装置，该装置和方法适用于TDD系统，但是该装置的最小输入功率分别为-63dbm和-43dbm，并不适用于无线通信中的微弱信号(低至-90dbm)放大。另外，该装置和方法还存在动态范围小、RF开关切换导致的阻抗变换影响检波效果等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种时分双工系统的微弱无线信号放大器及控制方法，提高了放大器微弱信号的放大处理能力，可用于扩展无线传感器网络覆盖范围，增加传输距离。
本发明采用如下技术手段实现发明目的：
一种时分双工系统微弱无线信号放大器的控制方法，放大器包括单向放大器一和与其连接的单向放大器二，所述单向放大器一包括限幅和保护电路一，所述限幅和保护电路一连接射频带通滤波器一，所述射频带通滤波器一连接SPDT开关一，所述SPDT开关一连接多级可调低噪声放大器一，所述多级可调低噪声放大器一连接功分器一和自动增益控制电路一，所述功分器一连接射频检波器一和SPDT开关二，所述射频检波器一连接自动增益控制电路一和电压比较器一，所述电压比较器一连接逻辑控制单元一和公共逻辑门电路，所述逻辑控制单元一连接SPDT开关二和多级可调低噪声放大器二的使能控制角，SPDT开关二对于单向放大器二常通，对于单向放大器一常闭；所述单向放大器二包括限幅和保护电路二，所述限幅和保护电路二连接射频带通滤波器二，所述射频带通滤波器二连接SPDT开关二，所述SPDT开关二连接多级可调低噪声放大器二，所述多级可调低噪声放大器二连接功分器二和自动增益控制电路二，所述功分器二连接射频检波器二和SPDT开关一，所述射频检波器二连接自动增益控制电路二和电压比较器二，所述电压比较器二连接逻辑控制单元二和公共逻辑门电路，所述逻辑控制单元二连接常通的SPDT开关一和多级可调低噪声放大器一的使能控制角，SPDT开关一对于单向放大器一常通，对于单向放大器二常闭，其特征是：包括如下步骤：
(1)放大器上电后进入待机状态，当没有射频信号输入时，放大器处于空闲状态，当射频信号从端口a进入时,转步骤（2）；当射频信号从端口b进入时，转步骤（3）；(1)放大器上电后进入待机状态，当没有射频信号输入时，放大器处于空闲状态，当射频信号从端口a进入时,转步骤（2）；当射频信号从端口b进入时，转步骤（3）；
（2）射频信号经过限幅和保护电路一、射频带通滤波器一、常通的SPDT开关一、多级可调低噪声放大器一、功分器一后取出射频信号，经过射频检波器一后进入电压比较器一，如果进入的射频信号强度超过电压比较器一的门限值，转步骤（4）；
(3) 射频信号经过限幅和保护电路二、射频带通滤波器二、常通的SPDT开关二、多级可调低噪声放大器二、功分器二后取出射频信号，经过射频检波器二后进入电压比较器二，如果进入的射频信号强度超过电压比较器二的门限值，转步骤（4）；
(4) 电压比较器一和电压比较器二的输出进入公共逻辑门电路，如果只有电压比较器一超过门限，转步骤（5）；如果只有电压比较器二超过门限，转步骤(6); 如果电压比较器一和电压比较器二同时超过门限，保持逻辑电路输出不变，放大器保持在空闲状态，同时自动增益控制电路一根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器一的增益，自动增益控制电路二根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器二的增益；
（5） 关闭多级可调低噪声放大器二，切换SPDT开关二，联通功分器一和b端口，同时，自动增益控制电路一根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器一的增益，实现多级可调低噪声放大器一放大；
(6) 关闭多级可调低噪声放大器一，切换SPDT开关一，联通功分器二和a端口，同时，自动增益控制电路二根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器二的增益，实现多级可调低噪声放大器二放大。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用多级低噪声放大器一、二对输入的射频信号进行放大，适合于微弱射频信号的放大，在增加放大器增益的同时大幅提高放大器的接收灵敏度；其次，采用威尔金森功分器一、二提取检波用射频信号，该提取方法相比具有功率损耗小，提取的射频信号功率高的优点，可以实现对微弱射频信号的检测；本发明增加了自动增益控制电路一、二，可以根据输入信号的大小动态调整放大器增益，在信号强度变化很大的情况下保持放大器的增益稳定，扩大允许输入信号的动态范围，提高放大器性能；本发明采用吸收式的射频开关SPDT开关一、二，在SPDT开关一、二内的RF开关切换时阻抗变化很小，对检波器的检波效果基本没有影响；本发明在放大器的输入端增加了限幅和保护电路一、二，避免过强的输入信号或静电对放大器造成损坏；本发明采用两组单独的逻辑控制单元一、二和一个公用的逻辑门电路来实现放大器的方向控制，两组逻辑控制单元一、二相互独立，采用简单的门电路就可以实现，控制逻辑简单。此外，该发明的控制方法包含自动增益控制，可以改善放大器的设备性能。
附图说明
图1为本发明优选实施例的电路原理方框图。
图2为本发明应用实施例一的原理示意图。
图3为本发明应用实施例二的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。
参见图1，一种时分双工系统的微弱无线信号放大器，包括单向放大器一和与其连接的单向放大器二，其特征是：所述单向放大器一包括限幅和保护电路一，所述限幅和保护电路一连接射频带通滤波器一，所述射频带通滤波器一连接SPDT开关一，所述SPDT开关一连接多级可调低噪声放大器一，所述多级可调低噪声放大器一连接功分器一和自动增益控制电路一，所述功分器一连接射频检波器一和SPDT开关二，所述射频检波器一连接自动增益控制电路一和电压比较器一，所述电压比较器一连接逻辑控制单元一和公共逻辑门电路，所述逻辑控制单元一连接SPDT开关二和多级可调低噪声放大器二的使能控制角，SPDT开关二对于单向放大器二常通，对于单向放大器一常闭；所述单向放大器二包括限幅和保护电路二，所述限幅和保护电路二连接射频带通滤波器二，所述射频带通滤波器二连接SPDT开关二，所述SPDT开关二连接多级可调低噪声放大器二，所述多级可调低噪声放大器二连接功分器二和自动增益控制电路二，所述功分器二连接射频检波器二和SPDT开关一，所述射频检波器二连接自动增益控制电路二和电压比较器二，所述电压比较器二连接逻辑控制单元二和公共逻辑门电路，所述逻辑控制单元二连接常通的SPDT开关一和多级可调低噪声放大器一的使能控制角，SPDT开关一对于单向放大器一常通，对于单向放大器二常闭。
所述功分器一、二都采用威尔金森功分器。
一种采用权利要求1所述时分双工系统微弱无线信号放大器的控制方法，包括如下步骤：
(1) 放大器上电后进入待机状态，当没有射频信号输入时，放大器处于空闲状态，当射频信号从端口a进入时,转步骤（2）；当射频信号从端口b进入时，转步骤（3）；
(2) 射频信号经过限幅和保护电路一、射频带通滤波器一、常通的SPDT开关一、多级可调低噪声放大器一、功分器一后取出射频信号，经过射频检波器一后进入电压比较器一，如果进入的射频信号强度超过电压比较器一的门限值，转步骤（4）；
(3) 射频信号经过限幅和保护电路二、射频带通滤波器二、常通的SPDT开关二、多级可调低噪声放大器二、功分器二后取出射频信号，经过射频检波器二后进入电压比较器二，如果进入的射频信号强度超过电压比较器二的门限值，转步骤（4）；
(4) 电压比较器一和电压比较器二的输出进入公共逻辑门电路，如果只有电压比较器一超过门限，转步骤（5）；如果只有电压比较器二超过门限，转步骤(6); 如果电压比较器一和电压比较器二同时超过门限，保持逻辑电路输出不变，放大器保持在空闲状态，同时自动增益控制电路一根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器一的增益，自动增益控制电路二根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器二的增益；
（5） 关闭多级可调低噪声放大器二，切换SPDT开关二，联通功分器一和b端口，同时，自动增益控制电路一根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器一的增益，实现多级可调低噪声放大器一放大；
(6) 关闭多级可调低噪声放大器一，切换SPDT开关一，联通功分器二和a端口，同时，自动增益控制电路二根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器二的增益，实现多级可调低噪声放大器二放大。
下面以单向放大器一的元器件为例进行介绍，单向放大器二的工作原理和单向放大器一的工作原理相同，在此不再赘述。
检波器一输出电平Vdet到电压比较器一；
Vdet(该电平由最小输入门限功率和检波器型号决定,以ADI公司的射频检波器AD8314为例，当没有输入信号时输出低电平，随着输入信号的增强输出电平增加.当采用负斜率的射频检波器时特性相反)与电压比较器一的参考电平Vref比较,电压比较器一输出到本放大器的逻辑控制单元一输入和公共逻辑门电路的输入，进而控制输出端的SPDT开关二的切换和自动增益控制电路二的使能控制脚。如下表所示：
| a端口信号强度 | b端口信号强度 | 多级可调低噪声放大器一 | 多级可调低噪声放大器二 | SPDT开关一 | SPDT开关二 | 放大器状态 |
| 0 | 0 | 使能 | 使能 | 连通放大器一 | 连通放大器二 | 空闲 |
| 1 | 1 | 使能 | 使能 | 连通放大器一 | 连通放大器二 | 空闲 |
| 0 | 1 | 禁止 | 使能 | 连通放大器二 | 连通放大器二 | 放大（放大器二） |
| 1 | 0 | 使能 | 禁止 | 连通放大器一 | 连通放大器一 | 放大（放大器一） |
其中信号强度0表示没有射频信号输入或输入信号强度低于电压比较器一的门限值。信号强度1表示输入信号强度高于电压比较器的门限值。根据上述逻辑表设计逻辑控制单元一和公共逻辑门电路的电路结构是本领域的公知技术，在此不再赘述。
自动增益控制电路一的功能由检波器一的输出电压实现,可以直接利用检波器一输出电压来控制多级可调低噪声放大器一的偏置电压或控制可调衰减器来实现。依然以AD8314为例，当输入信号很小时Vdet电压最小，多级可调低噪声放大器一具有最大增益，随着输入信号的增强，Vdet变大，多级可调低噪声放大器一增益变小，自动增益控制电路一功能在保持多级可调低噪声放大器一的增益稳定的同时扩大放大器的动态范围。
关于功分器一的说明，为了检测射频信号强度我们需要提取一部分射频信号送到检波器一，一般方法为通过定向耦合器来实现。定向耦合器的耦合度一般<-10db,对于本来就很微弱信号，检测难度很大。因此我们采用威尔金森功分器来实现功率提取。 威尔金森功分器实现对输入信号的等分，输出信号功率相对于输入信号低3db，检测较容易，同时对已经放大了30db以上的射频信号，3db的衰减也是完全可以接受的。
SPDT开关一的说明：为了保证双向放大器的工作稳定和性能可靠，SPDT射频开关应采用高隔离度的快速吸收式开关。
应用实例一
1、 室外应用，用于扩展无线传感器网络覆盖范围增加传输距离。
无线传感器网络中传统方案为增加中继节点进行数据转发，不仅提高了网络拓扑结构的复杂度，增加了网络管理的难度，还存在系统传输延时和网络拥塞的风险；利用本发明的双向放大器可以在不影响网络拓扑结构的条件下实现无延时的双向数据转发，完成无线传感器网络覆盖范围的扩展。
实施方法：在需要进行数据中继的区域寻找合适的位置安装双向放大器，一般应空旷无遮挡，能够覆盖尽量多的终端节点，通常较高的安装位置具有较好的通信效果。放大器的两个端口分别安装朝向网络终端设备的具有良好前后比的定向天线。
22、 WLAN的信号中继
在距离WLAN基站较远的区域，无线信号较弱，特别是在室内WLAN信号衰减更为严重；而很多WLAN终端设备都是在室内使用的，信号弱和网络差成为人们经常抱怨的问题。建立更多的WLAN基站和热点是一种解决方案，而另一种解决方案就是安装本发明的双向放大器。
安装步骤：在室外安装朝向WLAN基站方向的向天线，然后接防雷器并通过馈线连接室内的双向放大器；放大器的另一个端口接全向/定向天线。通过合理的安装，该装置可以明显改善网络质量，多台双向放大器就可以实现WLAN的无盲点覆盖。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种时分双工系统微弱无线信号放大器的控制方法，放大器包括单向放大器一和与其连接的单向放大器二，所述单向放大器一包括限幅和保护电路一，所述限幅和保护电路一连接射频带通滤波器一，所述射频带通滤波器一连接SPDT开关一，所述SPDT开关一连接多级可调低噪声放大器一，所述多级可调低噪声放大器一连接功分器一和自动增益控制电路一，所述功分器一连接射频检波器一和SPDT开关二，所述射频检波器一连接自动增益控制电路一和电压比较器一，所述电压比较器一连接逻辑控制单元一和公共逻辑门电路，所述逻辑控制单元一连接SPDT开关二和多级可调低噪声放大器二的使能控制角，SPDT开关二对于单向放大器二常通，对于单向放大器一常闭；所述单向放大器二包括限幅和保护电路二，所述限幅和保护电路二连接射频带通滤波器二，所述射频带通滤波器二连接SPDT开关二，所述SPDT开关二连接多级可调低噪声放大器二，所述多级可调低噪声放大器二连接功分器二和自动增益控制电路二，所述功分器二连接射频检波器二和SPDT开关一，所述射频检波器二连接自动增益控制电路二和电压比较器二，所述电压比较器二连接逻辑控制单元二和公共逻辑门电路，所述逻辑控制单元二连接常通的SPDT开关一和多级可调低噪声放大器一的使能控制角，SPDT开关一对于单向放大器一常通，对于单向放大器二常闭，其特征是：包括如下步骤：
(1)放大器上电后进入待机状态，当没有射频信号输入时，放大器处于空闲状态，当射频信号从端口a进入时,转步骤（2）；当射频信号从端口b进入时，转步骤（3）；
（2）射频信号经过限幅和保护电路一、射频带通滤波器一、常通的SPDT开关一、多级可调低噪声放大器一、功分器一后取出射频信号，经过射频检波器一后进入电压比较器一，如果进入的射频信号强度超过电压比较器一的门限值，转步骤（4）；
(3) 射频信号经过限幅和保护电路二、射频带通滤波器二、常通的SPDT开关二、多级可调低噪声放大器二、功分器二后取出射频信号，经过射频检波器二后进入电压比较器二，如果进入的射频信号强度超过电压比较器二的门限值，转步骤（4）；
(4) 电压比较器一和电压比较器二的输出进入公共逻辑门电路，如果只有电压比较器一超过门限值，转步骤（5）；如果只有电压比较器二超过门限，转步骤(6); 如果电压比较器一和电压比较器二同时超过门限，保持逻辑电路输出不变，放大器保持在空闲状态，同时自动增益控制电路一根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器一的增益，自动增益控制电路二根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器二的增益；
（5） 关闭多级可调低噪声放大器二，切换SPDT开关二，联通功分器一和b端口，同时，自动增益控制电路一根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器一的增益，实现多级可调低噪声放大器一放大；
(6) 关闭多级可调低噪声放大器一，切换SPDT开关一，联通功分器二和a端口，同时，自动增益控制电路二根据输入信号的强度调节多级可调低噪声放大器二的增益，实现多级可调低噪声放大器二放大。
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