CN104617904A - 一种基于数字rssi检测的自动增益控制电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字RSSI检测的自动增益控制电路及其控制方法，输入信号首先经过模拟的可编程增益放大器以一定的增益模式放大，放大后的模拟信号经过模数转换器转换为数字信号，再经过RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度Yout，然后通过增益控制模块确定增益模式并反馈到可编程增益放大器的增益控制端，实现增益的调节。采用此种RSSI检测方式，能够在输入信号发生变化的时候做出快速响应，另外对数字硬件电路的资源消耗少；自动增益控制的实现是根据当前的增益模式、检测到的RSSI信号进行，能够较快速调整到合适的增益模式；本发明的基于数字RSSI检测的自动增益控制电路响应快速、增益控制准确。

Description

一种基于数字RSSI检测的自动增益控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种一种基于数字RSSI(Received Signal Strength Indicator)检测的自动增益控制电路及其控制方法，包括了信号的放大、检测和处理，涉及无线接收机的接收和数字基带处理技术。
背景技术
无线传感器网络由大量的传感器节点组成，而无线传感器节点之间的通信是由无线收发机实现的，其主要由射频前端部分和基带部分组成，射频前端的主要作用是进行数据的接收和发射，基带部分主要是进行数字信号处理。在不同的工作环境下，射频接收机的天线接收到的有效信号功率是变化的。在无线通信系统中，由于外界各种因素的影响，使得接收机接收到的信号强度会在很大的动态范围内变化，如果接收机增益不变，则信号太强时会造成接收机饱和或阻塞，而信号太弱时有可能被丢失，因此必须采用自动增益控制电路(Automatic Gain Control，AGC)将输出信号保持在一定的强度范围内，从而实现信号的正确解调。基本的思想是当输入信号强度较大时，采用较小的增益；当输入信号强度较小时，采用较大的增益，最终使得输出信号能够在不同的输入信号强度时保持一定的强度。
通常自动增益控制电路主要包括以下几个组成部分：可编程增益放大器、RSSI检测模块、增益控制模块。自动增益控制电路有不同的分类，按照控制方式可以分为数字自动增益控制电路和模拟自动增益控制电路、反馈式和前馈式自动增益控制电路。其中模拟自动增益控制电路信号强度的检测是通过模拟电路实现的，模拟的方式检测信号的强度主要的方式是通过对电容的充放电实现，因此需要额外的大电容，占用的芯片面积较大。前馈式自动增益控制电路是直接对放大器之前的输入信号进行强度检测，需要额外的RSSI检测的放大链路，增加了电路结构的复杂性和电路的功耗。因此在本发明中主要关注的是数字反馈式自动增益控制电路。数字反馈自动增益控制电路主要包括模拟可编程增益放大器链路、模数转换器、数字RSSI检测、增益控制模块。由于基带本来就是在数字域处理的，所以直接利用现成的模数转换器检测到的数字信号进行分析控制，提高的电路的利用效率，不需要额外的模拟电路来检测信号强度，减小了芯片面积并降低了功耗。
数字RSSI检测用于对经过可编程增益放大器放大的信号进行能量检测。传统的在自动增益控制电路中一般采用的是模拟的RSSI检测，在CMOS工艺中主要采用的方法是：通过限幅放大器链路和全波整流器实现对信号强度的检测。采用该方式进行RSSI检测，能够实时连续地检测信号强度，但是该方式消耗额外的功耗并且大电容会占用较大的芯片面积。因此，数字RSSI检测具有较强的应用前景，数字RSSI检测对经过模数转换器转换后的数字信号进行处理，得到合适的控制信号反馈到模拟的可编程增益放大器的增益控制端，最终得到在模数转换器可检测范围内的信号。常用的数字RSSI检测方式有：平均值检测、峰值检测和均方根值检测。其中平均值检测会有较大的误差并且响应速度较慢；峰值检测一般只能保持峰值，所以当输入信号变小时难以准确得检测，可靠性能差；均方根值检测虽然可以得到较准确的检测值，但是均方根涉及到平方和开方，在数字电路的实现中对电路的硬件消耗资源较大。因此，如何准确、快速得进行数字RSSI的检测是关系自动增益控制电路性能的关键因素。
自动增益控制电路的主要性能指标有两个：一是动态范围，二是响应时间。在数字基带信号处理的过程中，需要自动增益控制电路在预处理的时间能够自动调整到合适的增益模式。因此对自动增益控制电路中的RSSI检测和增益控制有较高的要求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于数字RSSI检测的自动增益控制电路及其控制方法。采用类似包络检测的方式进行RSSI检测，通过增益控制状态机控制可编程增益放大器的增益模式，实现自动增益的控制。本发明的自动增益控制电路具有动态范围大，增益变化精度高，响应时间快速，响应稳定的特点。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于数字RSSI检测的自动增益控制电路，包括可编程增益放大器、模数转换器、RSSI检测模块和增益控制模块，输入信号首先经过模拟的可编程增益放大器以一定的增益模式放大，放大后的模拟信号经过模数转换器转换为数字信号，再经过RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度Yout，然后根据强度Yout的大小通过增益控制模块确定增益模式，将确定到的增益模式反馈到可编程增益放大器的增益控制端，实现增益的调节；若RSSI检测模块检测到当前输出信号的强度Yout大于阈值，则通过增益控制模块反馈增益控制字，使可编程增益放大器降低增益；若RSSI检测模块检测到当前输出信号的强度Yout小于阈值，则通过增益控制模块反馈增益控制字，使可编程增益放大器增加增益；若RSSI检测模块检测到当前输出信号的强度Yout在阈值范围内，则保持编程增益放大器当前的增益模式；可编程增益放大器包括四个固定增益放大器和一个可变增益放大器，分别为第一放大器g1、第二放大器g2、第三放大器g3、第四放大器g4和可变增益放大器g5，通过控制固定增益级和可变增益级实现增益控制范围的较大动态范围和较高的精确度。
具体的，所述RSSI检测模块检测时采用的基本方式为类似包络检测的方式，基本思想是：以Xin表示RSSI检测模块输入信号的强度值，以Yout表示RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度值；当Xin大于Yout时，调节RSSI检测模块的检测值，使其增加一定比例的Xin与Yout的差值，在数字信号处理过程中，为了简化数字运放的复杂度，将该比例系数通过移位来实现，用符号表示为Yout＝Yout+(Xin-Yout)/K1，K1表示右移N1位，相当于K1的值为2的N1次方；当Xin小于Yout时，调节RSSI检测模块的检测值，使其减少一定比例的Yout与Xin的差值，在数字信号处理过程中，为了简化数字运放的复杂度，将该比例系数通过移位来实现，用符号表示为Yout＝Yout-(Yout-Xin)/K2，K2表示右移N2位，相当于K2的值为2的N2次方；取K1小于K2，从而使得RSSI检测模块的检测信号能够准确反应输入信号的强度。
所述可编程增益放大器中，为了电路设计的简便，四个固定增益放大器的增益均设计为(g)dB，一个可变增益放大器的可调增益范围为(0～g’)dB、增益步长为1dB或2dB，通过整个可编程增益放大器能够实现动态范围为(4g+g’)dB；
固定增益放大器的增益控制通过选通开关A0、A1、A2和A3控制，对应的控制字分别为A[0]、A[1]、A[2]和A[3]，通过选通开关的导通和关断选择参与放大的固定增益放大器的个数，从而得到不同的固定增益：当选通开关A0导通，A1、A2、A3断开的时候，固定级为最小增益0dB；当选通开关A1导通，A0、A2、A3断开的时候，固定级的增益为(g)dB；当选通开关A2导通，A0、A1、A3断开的时候，固定级的增益为(2g)dB；当选通开关A3导通，A0、A1、A2断开的时候，固定级的增益为(3g)dB；当选通开关A0、A1、A2、A3全部断开的时候，固定级为最大增益(4g)dB。
一种上述基于数字RSSI检测的自动增益控制电路的控制方法，在初始化的过程中，首先设定可编程增益放大器的增益值(固定增益级的增益和可变增益级的增益均可以设定在动态范围的中间值)，通过RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度Yout，然后根据强度Yout的大小通过增益控制模块确定增益模式，使得可编程增益放大器的最终输出信号强度能够在基带能够接收的合理范围内；每次改变固定增益级的时候，可变增益级都设定为可变增益变化范围的中间值；当检测到的信号强度范围超过可变增益放大器的可调增益范围时，首先恢复可变增益级为可变增益变化范围的中间值，接着调节固定增益级的增益，最后微调可变增益级的增益；当检测到的信号强度在可变增益放大器的可调增益范围时，微调可变增益级的增益；最终使得可编程增益放大器的输出信号强度稳定在基带能够接收的合理范围内。
有益效果：本发明提供的基于数字RSSI检测的自动增益控制电路及其控制方法，改进了数字RSSI检测的方式，并通过增益控制模块来控制增益；采用类似包络检测的方式，具有响应速度快，准确性高的特点；通过增益控制模块，根据RSSI检测模块的当前的检测值给出增益控制，具有较强的可靠性，并能够防止增益出现反复切换的问题；本发明的数字自动增益控制电路，克服了传统的模拟自动增益控制电路功耗大、占用芯片面积大的特点，并且对于不同强度的输入信号能够即时作出准确、稳定的响应。
附图说明
图1为本发明的基于数字RSSI检测的自动增益控制电路的结构框图；其中ADC表示模数转换器，RSSI_detect表示RSSI检测模块，Gain_mode表示增益控制模块；
图2为本发明的数字RSSI检测的数字实现电路图；
图3为本发明的自动增益控制的流程图；
图4为本发明的数字自动增益控制电路在输入信号发生变化时的输出波形图和对应的RSSI检测波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于数字RSSI检测的自动增益控制电路，包括可编程增益放大器、模数转换器、RSSI检测模块和增益控制模块，输入信号首先经过模拟的可编程增益放大器以一定的增益模式放大，放大后的模拟信号经过模数转换器转换为数字信号，再经过RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度Yout，然后根据强度Yout的大小通过增益控制模块确定增益模式，将确定到的增益模式反馈到可编程增益放大器的增益控制端，实现增益的调节；若RSSI检测模块检测到当前输出信号的强度Yout大于阈值，则通过增益控制模块反馈增益控制字，使可编程增益放大器降低增益；若RSSI检测模块检测到当前输出信号的强度Yout小于阈值，则通过增益控制模块反馈增益控制字，使可编程增益放大器增加增益；若RSSI检测模块检测到当前输出信号的强度Yout在阈值范围内，则保持编程增益放大器当前的增益模式；如图1所示，可编程增益放大器包括四个固定增益放大器和一个可变增益放大器，分别为第一放大器g1、第二放大器g2、第三放大器g3、第四放大器g4和可变增益放大器g5，通过控制固定增益级和可变增益级实现增益控制范围的较大动态范围和较高的精确度。
所述可编程增益放大器中，四个固定增益放大器的增益均为(g)dB，一个可变增益放大器的可调增益范围为(0～g’)dB、增益步长为1dB或2dB，通过整个可编程增益放大器能够实现动态范围为(4g+g’)dB。
固定增益放大器的增益控制通过选通开关A0、A1、A2和A3控制，对应的控制字分别为A[0]、A[1]、A[2]和A[3]，通过选通开关的导通和关断选择参与放大的固定增益放大器的个数，从而得到不同的固定增益：当选通开关A0导通，A1、A2、A3断开的时候，固定级为最小增益0dB；当选通开关A1导通，A0、A2、A3断开的时候，固定级的增益为(g)dB；当选通开关A2导通，A0、A1、A3断开的时候，固定级的增益为(2g)dB；当选通开关A3导通，A0、A1、A2断开的时候，固定级的增益为(3g)dB；当选通开关A0、A1、A2、A3全部断开的时候，固定级为最大增益(4g)dB。
如图2所示，所述RSSI检测模块检测时采用的基本方式为类似包络检测的方式，基本思想是：以Xin表示RSSI检测模块输入信号的强度值，以Yout表示RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度值；当Xin大于Yout时，调节RSSI检测模块的检测值，使其增加一定比例的Xin与Yout的差值，在数字信号处理过程中，为了简化数字运放的复杂度，将该比例系数通过移位来实现，用符号表示为Yout＝Yout+(Xin-Yout)/K1，K1表示右移N1位，相当于K1的值为2的N1次方；当Xin小于Yout时，调节RSSI检测模块的检测值，使其减少一定比例的Yout与Xin的差值，在数字信号处理过程中，为了简化数字运放的复杂度，将该比例系数通过移位来实现，用符号表示为Yout＝Yout-(Yout-Xin)/K2，K2表示右移N2位，相当于K2的值为2的N2次方；取K1小于K2，从而使得RSSI检测模块的检测信号能够准确反应输入信号的强度。
如图3所示，为上述自动增益控制电路的控制方法，在初始化的过程中，首先设定可编程增益放大器的增益值，固定增益级的增益和可变增益级的增益均可以设定在动态范围的中间值即：固定增益级的增益A＝A0＝(2g)dB，可变增益级的增益B＝B0＝7dB；通过RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度Yout，然后根据强度Yout的大小通过增益控制模块确定增益模式，使得可编程增益放大器的最终输出信号强度在基带能够接收的合理范围内，这里强度Yout的阈值都是使用数字表示的；每次改变固定增益级的时候，可变增益级都设定为可变增益变化范围的中间值。
当强度Yout在阈值电压Vmin和Vmax之间时，可编程增益放大器保持当前的增益模式。
当强度Yout较小的时候，Yout的值小于阈值电压Vlow时，可编程增益放大器需要增加一级固定增益放大器的增益，改变增益控制字A[3:0]，反馈到可编程增益放大器的增益控制端；当强度Yout较大的时候，Yout的值大于阈值电压Vhigh时，可编程增益放大器需要降低一级固定增益放大器的增益，改变增益控制字A[3:0]，反馈到可编程增益放大器的增益控制端。这是自动自动控制电路的粗调，粗调时增益调节的变化范围较大。
当强度Yout在一定的范围内时：若Yout的值小于阈值电压Vmin时，可编程增益放大器需要调节增加可变增益放大器的增益，改变增益控制字B[3:0]，在原来B的基础上增加X，其中X的值是当前信号强度而得到的微调量，反馈到可编程增益放大器的增益控制端；若Yout的值大于阈值电压Vmax时，可编程增益放大器需要调节降低可变增益放大器的增益，改变增益控制字B[3:0]，在原来B的基础上减去X，其中X的值是当前信号强度而得到的微调量，反馈到可编程增益放大器的增益控制端。
其中阈值电压Vmin、Vmax为基带能够处理的信号强度范围，阈值电压Vlow、Vhigh为信号强度过小、过大时的电压；这四个阈值电压的关系为Vhigh>Vmax>Vmin>Vlow。在实际的电路设计应用中需要合理设计这四个阈值电压的数值。在本发明的增益控制过程中，为了更有效得确定合适的增益，在每次固定增益级增益发生改变时，即控制字A[3:0]发生变化，可变增益级的增益都会恢复到初始化增益B0。
如图4所示，当输入信号强度发生改变时自动增益控制电路的最终输出信号和RSSI检测的输出信号，其中Y0是输入信号，Y1是自动增益控制电路的输出信号和RSSI检测的输出信号。从图中可以直观地看出增益调节的过程，当输入信号较小或较大时，自动增益控制电路通过多次增益调节，使最终的输出信号都保持在一定的范围内。在图4中，前100us输入信号较小，自动增益控制电路通过多次增大增益使得输出信号的峰峰值达到633mV附近；在100us到200us之间，输入信号强度增大，自动增益控制电路通过降低增益使输出信号的峰峰值达到615mV附近；200us到300us输入信号再次小，自动增益控制电路通过多次增大增益使得输出信号的峰峰值达到633mV附近；在100us到200us之间，输入信号强度增大，自动增益控制电路通过降低增益使输出信号的峰峰值达到521mV附近。图中的RSSI检测值跟随着输出信号强度的变化而变化，对应强度的输出信号有相应的RSSI检测值。RSSI检测值能够即时跟随输出信号的强度进行变化。从图中可以看出通过自动增益控制电路，可以快速有效得将不同强度的输入信号最终放大到一定的范围内，便于基带电路的解调。
本发明的数字自动增益控制电路，改进了RSSI检测的方法，具有响应快速准确的特点，对数字电路实现的要求简单；本发明的自动增益控制电路的检测和控制部分都是在数字域实现，跟模拟自动增益控制电路相比降低了电路的复杂性和功耗，并且能够更加准确得进行增益控制。与通常的数字自动增益控制电路相比，具有简单、快速、准确的优势和特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于数字RSSI检测的自动增益控制电路，其特征在于：包括可编程增益放大器、模数转换器、RSSI检测模块和增益控制模块，输入信号首先经过模拟的可编程增益放大器以一定的增益模式放大，放大后的模拟信号经过模数转换器转换为数字信号，再经过RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度Yout，然后根据强度Yout的大小通过增益控制模块确定增益模式，将确定到的增益模式反馈到可编程增益放大器的增益控制端，实现增益的调节；若RSSI检测模块检测到当前输出信号的强度Yout大于阈值，则通过增益控制模块反馈增益控制字，使可编程增益放大器降低增益；若RSSI检测模块检测到当前输出信号的强度Yout小于阈值，则通过增益控制模块反馈增益控制字，使可编程增益放大器增加增益；若RSSI检测模块检测到当前输出信号的强度Yout在阈值范围内，则保持编程增益放大器当前的增益模式；可编程增益放大器包括四个固定增益放大器和一个可变增益放大器，分别为第一放大器g1、第二放大器g2、第三放大器g3、第四放大器g4和可变增益放大器g5。
2.根据权利要求1所述的基于数字RSSI检测的自动增益控制电路，其特征在于：所述RSSI检测模块检测时采用的基本方式为类似包络检测的方式，基本思想是：以Xin表示RSSI检测模块输入信号的强度值，以Yout表示RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度值；当Xin大于Yout时，调节RSSI检测模块的检测值，使其增加一定比例的Xin与Yout的差值，在数字信号处理过程中，为了简化数字运放的复杂度，将该比例系数通过移位来实现，用符号表示为Yout＝Yout+(Xin-Yout)/K1，K1表示右移N1位，相当于K1的值为2的N1次方；当Xin小于Yout时，调节RSSI检测模块的检测值，使其减少一定比例的Yout与Xin的差值，在数字信号处理过程中，为了简化数字运放的复杂度，将该比例系数通过移位来实现，用符号表示为Yout＝Yout-(Yout-Xin)/K2，K2表示右移N2位，相当于K2的值为2的N2次方；取K1小于K2，从而使得RSSI检测模块的检测信号能够准确反应输入信号的强度。
3.根据权利要求1所述的基于数字RSSI检测的自动增益控制电路，其特征在于：所述可编程增益放大器中，四个固定增益放大器的增益均为(g)dB，一个可变增益放大器的可调增益范围为(0～g’)dB、增益步长为1dB或2dB，通过整个可编程增益放大器能够实现动态范围为(4g+g’)dB；固定增益放大器的增益控制通过选通开关A0、A1、A2和A3控制，对应的控制字分别为A[0]、A[1]、A[2]和A[3]，通过选通开关的导通和关断选择参与放大的固定增益放大器的个数，从而得到不同的固定增益：当选通开关A0导通，A1、A2、A3断开的时候，固定级为最小增益0dB；当选通开关A1导通，A0、A2、A3断开的时候，固定级的增益为(g)dB；当选通开关A2导通，A0、A1、A3断开的时候，固定级的增益为(2g)dB；当选通开关A3导通，A0、A1、A2断开的时候，固定级的增益为(3g)dB；当选通开关A0、A1、A2、A3全部断开的时候，固定级为最大增益(4g)dB。
4.一种权利要求1所述的基于数字RSSI检测的自动增益控制电路的控制方法，其特征在于：在初始化的过程中，首先设定可编程增益放大器的增益值，通过RSSI检测模块检测得到当前输出信号的强度Yout，然后根据强度Yout的大小通过增益控制模块确定增益模式，使得可编程增益放大器的最终输出信号强度在基带能够接收的合理范围内；每次改变固定增益级的时候，可变增益级都设定为可变增益变化范围的中间值；当检测到的信号强度范围超过可变增益放大器的可调增益范围时，首先恢复可变增益级为可变增益变化范围的中间值，接着调节固定增益级的增益，最后微调可变增益级的增益；当检测到的信号强度在可变增益放大器的可调增益范围时，微调可变增益级的增益；最终使得可编程增益放大器的输出信号强度稳定在基带能够接收的合理范围内。
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