CN104639190A - 一种调频接收机的模拟前端系统及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种调频接收机中的模拟前端系统及其处理方法，上述方法包括以下步骤：计算接收信号的接收信号强度指示因子(RSSI)值，并判断所述RSSI值是否大于RSSI门限值；若所述RSSI值大于所述RSSI门限值，则确定所述接收信号的单频干扰的频点，消除所述频点的单频干扰；于所述单频干扰消除后，进行射频自动增益控制。本发明公开的调频接收机中的模拟前端系统及其处理方法，能够解决现有技术的调频接收机中单频干扰的问题。
Description
技术领域
本发明涉及物理层接收技术领域，尤其涉及一种调频接收机中的模拟前端系统及其处理方法。
背景技术
尽管数字系统无线接收装置的使用率在提高，但模拟调频(FM，Frequency Modulation)系统的FM接收机(俗称收音机)仍很流行，而且越来越多地出现于手机及其它电子手持装置(诸如MP3播放器)中。其中，立体声FM广播是现在使用的主流格式。为了保证立体声广播与仅具有一个扬声器的单声道接收器相兼容，以允许单声道接收器也可以接收立体声广播的一部分声音信号，立体声广播标准规定了如图1所示的发射信号频谱图。
其中，对于单声道FM广播标准来说，发射信号只占0Hz～15KHz的频段，在此频段内发射单声道广播信号。而对于立体声FM广播标准来说，在0Hz～15KHz的频段内，发射的广播信号是左右声道的和信号(L+R)，因此采用单声道接收机接收立体声广播信号时，实际接收的是左右声道的和信号(L+R)。具体而言，除了承载左右声道和信号(L+R)的主信道外，立体声广播信号还包括19KHz的导频信号，以及承载左右声道差信号(L-R)的副信道(位于23KHz～53KHz的频段内，为双边带抑制载波(DSBSC，Double Side Band Suppressed Carrier)信号)。发射19KHz导频信号的目的是辅助左右声道差信号(L-R)的解调，因为左右声道差信号(L-R)以38KHz为中心，在接收端恢复出19KHz信号后，通过倍频即可获得38KHz信号，再进一步对L-R信号进行解调。
众所周知，FM系统的信息传输依赖于相位域(或称为频率域)，而无线信号的传输是在时间域上进行的，大部分的干扰或噪声也是在时间域上引入的。在接收端，若要恢复传输的信息，必须先将接收到的无线信号转换到频率域，才能完成信息如声音和音乐信号的获取和进一步的处理。但如果时间域引入的干扰太强，如果预先不在时间域上将干扰消除，将信号转换到频率域后，将无法获取声音或音乐信号，也就无法做进一步的处理。因此，在将信号转换到频率域之前的信号处理过程是十分重要的，我们通常称这一部分信号处理过程为模拟接收前端处理过程。
此外，FM接收机通常需要依赖一些信号质量指示因子来指导接收机的具体操作，如接收信号强度指示因子(RSSI，Received Signal StrengthIndicator)和信噪比(SNR，Signal-to-Noise Ratio)等。这些信号质量指示因子直接决定了声音或音乐信号的接收质量，影响用户的主观感受。
单频干扰通常包括一个或多个频点的干扰，这一类干扰的频点不确定，干扰信号幅度较大，若不加以消除，将会影响如RSSI质量指示因子的计算，造成较大的误差，导致接收机的性能恶化。但是，由于处理困难，目前的FM接收机并没有设置单频干扰的处理单元；或者，人们尽量进行模拟器件的优化设计，减小单频干扰的发生，从而避免专门处理单频干扰。然而，若有系统外产生的单频干扰，这一类的FM接收机将会遭受较大影响，甚至无法正常工作。
发明内容
本发明提供一种调频接收机中的模拟前端系统及其处理方法，能够解决现有技术中调频接收机中单频干扰的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种调频接收机中的模拟前端处理方法，包括以下步骤：计算接收信号的接收信号强度指示因子(RSSI)值，并判断所述RSSI值是否大于RSSI门限值；若所述RSSI值大于所述RSSI门限值，则确定所述接收信号的单频干扰的频点，消除所述频点的单频干扰；于所述单频干扰消除后，进行射频自动增益控制。
进一步地，所述接收信号为经过调谐器、模数转换器及去直流器处理后的信号。
进一步地，若所述RSSI值不大于所述RSSI门限值，则进行射频自动增益控制。
进一步地，进行射频自动增益控制后还包括：监测所述接收信号的单频干扰情况，若存在单频干扰，暂停射频自动增益控制，于单频干扰消除后，进行射频自动增益控制。
进一步地，所述确定所述接收信号的单频干扰的频点过程包括：采用快速傅里叶变换处理所述接收信号获取信号频谱，对表示信号频谱的数值序列取绝对值，若某个频点的频谱幅值大于前后各N个频点的幅值，则所述频点确定为一个单频干扰的具体频点，其中，N为正整数。
进一步地，所述消除所述频点的单频干扰过程包括：通过至少一个带陷滤波器消除所述频点的干扰信号。
进一步地，所述进行射频自动增益控制的过程包括：根据信号功率生成增益值，根据所述增益值确定其映射的增益控制字，通过所述增益控制字控制调谐器内的可变增益放大器(VGA)及低噪声放大器(LNA)。
本发明还提供一种调频接收机中的模拟前端系统，包括：RSSI计算器、单频干扰消除器、单频干扰判断器及射频自动增益控制器(RF AGC)，所述RSSI计算器连接所述单频干扰判断器及所述RF AGC，所述单频干扰消除器连接所述单频干扰判断器及所述RSSI计算器。所述RSSI计算器，用于计算接收信号的接收信号强度指示因子(RSSI)值，并判断所述RSSI值是否大于RSSI门限值；若所述RSSI值大于所述RSSI门限值，所述单频干扰判断器，用于确定所述接收信号的单频干扰的频点并将确定的频点提供给所述单频干扰消除器，所述单频干扰消除器，用于消除所述频点的单频干扰；于单频干扰消除后，所述RF AGC，用于进行射频自动增益控制。
进一步地，若所述RSSI值不大于所述RSSI门限值，所述RF AGC，用于进行射频自动增益控制。
进一步地，所述调频接收机中的模拟前端系统，还包括干扰消除控制器，连接所述单频干扰消除器、所述单频干扰判断器及所述RSSI计算器，所述干扰消除控制器，用于控制所述单频干扰消除器的工作模式。
进一步地，所述调频接收机中的模拟前端系统，还包括调谐器、模数转换器及去直流器，所述模数转换器连接所述调谐器及所述去直流器，所述去直流器连接所述单频干扰消除器，所述调谐器连接所述RF AGC，其中，所述接收信号为经过所述调谐器、所述模数转换器及所述去直流器处理后的信号。
进一步地，所述单频干扰判断器，用于确定所述接收信号的单频干扰的频点的过程包括：采用快速傅里叶变换处理所述接收信号获取信号频谱，对表示信号频谱的数值序列取绝对值，若某个频点的频谱幅值大于前后各N个频点的幅值，则所述频点确定为一个单频干扰的具体频点，其中N为整数。
进一步地，所述单频干扰消除器，用于消除所述频点的单频干扰过程包括：通过至少一个带陷滤波器消除所述频点的干扰信号。
进一步地，所述RF AGC，用于进行射频自动增益控制的过程包括：根据信号功率生成增益值，根据所述增益值确定其映射的增益控制字，通过所述增益控制字控制调谐器内的可变增益放大器(VGA)及低噪声放大器(LNA)。
本发明提供的调频接收机中的模拟前端系统及其处理方法，可以自适应地消除强单频干扰带来的负面影响，从而提升调频接收机的性能。
附图说明
图1所示为现有技术中立体声广播标准规定的发射信号频谱图；
图2所示为本发明第一较佳实施例提供的调频接收机中的模拟前端系统的框图；
图3所示为本发明第一较佳实施例提供的调频接收机中的模拟前端处理方法的流程图；
图4所示为本发明第一较佳实施例中RF AGC的实现示意图；
图5所示为本发明第一较佳实施例中RF AGC的低通滤波器的实现示意图；
图6所示为本发明第二较佳实施例提供的调频接收机中的模拟前端系统的框图。
具体实施方式
本发明较佳实施例提供一种调频接收机中的模拟前端处理方法，包括以下步骤：计算接收信号的接收信号强度指示因子(RSSI)值，并判断所述RSSI值是否大于RSSI门限值；若所述RSSI值大于所述RSSI门限值，则确定所述接收信号的单频干扰的频点，消除所述频点的单频干扰；于单频干扰消除后，进行射频自动增益控制。
本发明较佳实施例还提供一种调频接收机中的模拟前端系统，包括RSSI计算器、单频干扰消除器、单频干扰判断器及射频自动增益控制器(RFAGC，Radio Frequency Automatic Gain Controller)。所述RSSI计算器连接所述单频干扰判断器及所述RF AGC，所述单频干扰消除器连接所述单频干扰判断器及所述RSSI计算器。所述RSSI计算器，用于计算接收信号的接收信号强度指示因子(RSSI)值，并判断所述RSSI值是否大于RSSI门限值；若所述RSSI值大于所述RSSI门限值，所述单频干扰判断器，用于确定所述接收信号的单频干扰的频点并将确定的频点提供给所述单频干扰消除器，所述单频干扰消除器，用于消除所述频点的单频干扰；于单频干扰消除后，所述RF AGC，用于进行射频自动增益控制。
图2所示为本发明第一较佳实施例提供的调频接收机中的模拟前端系统的框图。图3所示为本发明第一较佳实施例提供的调频接收机中的模拟前端处理方法的流程图。
如图2所示，本发明第一较佳实施例提供的调频接收机中的模拟前端系统包括调谐器、模数转换器、去直流器、单频干扰消除器、干扰消除控制器、RSSI计算器、单频干扰判断器、下变频器、信道滤波器及射频自动增益控制器(RF AGC)。调谐器连接模数转换器及RF AGC，去直流器连接模数转换器及单频干扰消除器，干扰消除控制器连接RSSI计算器、单频干扰判断器及单频干扰消除器，单频干扰消除器连接单频干扰判断器及下变频器，信道滤波器连接下变频器及RF AGC，RSSI计算器连接RF AGC。
具体而言，RF AGC用于设置调谐器里面的可变增益放大器(VGA，Variable Gain Amplifier)和低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)的增益控制字，决定对输入射频信号的放大倍数。调谐器输出的信号为低中频信号。模数转换器(ADC，Analog-Digital Converter)将模拟中频信号转换成数字中频信号。去直流器将时域信号中的直流分量消除。于此，由于输入信号是低中频信号，消除直流不会影响输入信号的完整性。
接着，若需要消除单频干扰，单频干扰消除器将指定的一个或多个单频频点处的信号和干扰能量消除；若不需要消除单频干扰，输入信号则直通通过。于此，决定是否需要消除单频干扰，依赖于RSSI计算器的计算结果。RSSI计算器计算中频信号的信号强度。一般来说，若存在强单频干扰，信号强度就会变大。因此，若计算出的RSSI值大于一个预先设定的门限值(即RSSI门限值)，表明存在强单频干扰，则启动单频干扰判断器，判断出单频干扰的频点，并提供给单频干扰消除器。同时，干扰消除控制器控制单频干扰消除器的具体操作模式(例如，从直通模式切换为消除模式)。接下来，下变频器将低中频信号下变频为零中频信号，然后，利用信道滤波器将带外分量或干扰滤除。最后，启动RF AGC。
如图3所示，本发明第一较佳实施例提供的调频接收机中的模拟前端处理方法包括以下步骤：步骤101：设置调谐器的增益缺省值，并关闭RF AGC；步骤102:计算接收信号的RSSI值，并判断RSSI值是否大于RSSI门限值；若RSSI值大于RSSI门限值，于步骤103，确定接收信号的单频干扰的频点，消除单频干扰；于单频干扰消除后，于步骤104，进行射频自动增益控制(即，启动RF AGC)；若RSSI值不大于RSSI门限值，于步骤105，进行射频自动增益控制(即，启动RF AGC)。
于本实施例中，在接收机的开始阶段，当RSSI未计算完成时，以及若有单频干扰但尚未消除时，RF AGC不启动。在信号接收过程中，若单频干扰从有到无，则RF AGC不受影响；若单频干扰从无到有，或者RF AGC计算得到的增益值突然急剧变小，则RF AGC应不使该增益值生效。如此，保证接收信号的信噪比。因为接收机的随机噪声能量基本不变，若减小信号强度，则信号的SNR将会下降。
此外，于本实施例中，为了防止单频干扰情况发生变化，模拟前端系统定期或不定期地查看单频干扰的新的情况，即监测输入信号的单频干扰情况。其中，单频干扰发生变化的情况可以分为以下三种情况：(一)原来有单频干扰，现在没有了；(二)原来没有单频干扰，现在有了；(三)原来有单频干扰，现在也有单频干扰，但单频干扰的频点发生了变化。
具体而言，单独从单频干扰消除器的直通模式引出一路数据，以不影响正常的数据通路，执行RSSI计算，进而做判断以确定是否存在单频干扰。(一)若是上述第一种情况，只需切换单频干扰消除器的工作模式即可，即从消除模式切换到直通模式。(二)若是上述第二种情况，要启动单频干扰判断器，暂停RF AGC，如接收机刚开机时的工作流程一样(同上述步骤103-104)。(三)若是上述第三种情况，则要启动单频干扰判断器，更新单频干扰的频点，然后更新单频干扰消除的具体配置，同时暂停RF AGC。
需要说明的是，在接收机工作过程中，若发生RF AGC输出的增益因子突然急剧变小的情况，立即暂停RF AGC工作，将VGA和LNA的增益因子设置为缺省值，然后，启动RSSI计算器以及随后的流程(如步骤S102及其后的步骤)。
以下详述图2中各部件的具体实现。
具体而言，调谐器包含VGA、LNA、混频器及锁相环等器件，用于控制信号强度，以及将射频信号(如FM信号的射频频段为76MHz～108MHz)转换为低中频信号(如162.5KHz)。于此，调谐器例如采用通用设计。
于此，模数转换器将低中频模拟信号转换为数字低中频信号(如中频频点为162.5KHz)。于本实施例中，例如只需一颗ADC即可。
于此，去直流器将时域信号中的直流分量去掉，其实现方案可以有多种具体形式。举例而言，采用带陷滤波器(Notch Filter)，其传输函数的形式为H(z)＝(1-z.^-1)/(1-a*z.^-1)。其中，a是一个可变因子，0<a<1，可以控制Notch Filter的凹槽深度。此外，对于FM信号来说，其频谱一般处于f0±75KHz范围内(f0为中频值)，也就是说，信号带宽为150KHz，占用的物理带宽为200KHz，因此，去直流器不会影响FM信号的完整性(如最低频率为162.5KHz–75KHz＝87.5KHz)。
于此，单频干扰消除器的直通模式例如通过延时电路实现，其中，延时的具体样本数量与其它工作模式相匹配。
于此，单频干扰消除器的消除模式例如采用至少一个带陷滤波器(NotchFilter)实现。其中，带陷滤波器的数目依据具体情况而定，一般不会超过3个。带陷滤波器用于消除某一个频点w0处的干扰信号能量。举例而言，传输函数例如是：H(z)＝(1-exp(j*w0)*z.^-1)/(1-b*exp(j*w0)*z.^-1)。其中，b是一个可变因子，0<b<1，可以控制Notch Filter的凹槽深度。
于此，RSSI计算器的计算方法可以是：RSSI＝(x1.^2+x2.^2+…+xM.^2)/M。其中，x1,x2,…,xM是单频干扰消除器的输出样本，为实数信号样本，M>1；上式表示对一段信号的能量取平均值。其中，若计算得到的RSSI值大于RSSI门限值，表明接收信号中存在单频干扰，则启动单频干扰消除器的消除模式，启动单频干扰判断器；若RSSI值不大于RSSI门限值，则启动单频干扰消除器的直通模式，关闭单频干扰判断器。其中，RSSI门限值例如为预先设定。同时，若RSSI值大于RSSI门限值，则RF AGC不工作，以免影响系统的信噪比。因为，此时存在单频干扰，而单频干扰又较强，将把有用信号淹没，此时若RF AGC工作，将导致有用信号很小，进而导致信噪比较低。
于此，下变频器的工作例如参见下述公式：
I_out+j*Q_out＝2*I_in*(cos(2*π*f0*t)-j*sin(2*π*f0*t))
其中，I_out+j*Q_out为零中频信号，I_in为输入的低中频实信号，f0为中频值。
于此，信道滤波器将带外干扰以及2倍中频分量都滤除后，进行RF AGC计算。
于此，RF AGC的实现示意图如图4所示，RF AGC例如包括样本点能量计算单元、低通滤波器、计数器、增益因子生成单元、增益控制字映射单元。其中，样本点能量计算单元，用于计算信号实部的平方加上信号虚部的平方值。低通滤波器用于消除单个样本点能量异常。低通滤波器的实现示意图如图5所示，低通滤波器例如包括两个乘法器、两个加法器及延时电路。其中，控制因子可控制滤波器的带宽。计数器用于每隔一段时间，利用计算出的信号功率生成新的增益因子。于此，生成增益因子的具体方案如下：
其中，GAIN为获得的增益因子，其初始值可设为1，不能等于0。POWER为计算得到的功率值，POWER_THRD1为最低信号功率门限值，若小于该门限值，表明没有信号，无需进行AGC操作。POWER_THRD2为有信号时期望的功率上限门限值，若大于该值，表明应减小GAIN值，因此A<1，A为一个寄存器控制的增益步进值。POWER_THRD3为有信号时期望的功率下限门限值，若小于该值，表明应增大GAIN值，因此B>1，B为一个寄存器控制的增益步进值。其它情况下，GAIN应保持不变。
此外，由于调谐器中的VGA和LNA是通过控制字控制增益的，而不能直接接受增益值，因此，本实施例还包括增益值向控制字映射的过程。举例而言，表1所示为VGA/LNA与实际增益映射表。
表1 VGA/LNA与实际增益映射表
若GAIN为8个比特，即取值范围是1～255，其实际表示增益倍数范围是1/16～15.9375，则从GAIN获得控制字的映射表格如表2所示。
表2 GAIN与控制字映射表
于此，单频干扰判断器的具体实现过程为：先采用快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)操作，获取信号频谱，对表示信号频谱的数值序列取绝对值，再判断单频干扰的具体频点。例如，若某个频点的频谱幅值明显大于前后各N个频点的幅值，则该频点就被认为是一个单频干扰。其中，N为正整数。于此，扫频范围无需太宽，如对于FM信号来说，只需在中频频点左右各扫描75KHz即可。
图6所示为本发明第二较佳实施例提供的调频接收机中的模拟前端系统的框图。于此，调频接收机例如为模拟FM立体声接收机。如图6所示，在本发明第二较佳实施例提供的调频接收机中的模拟前端系统中，信道滤波器为一个低通滤波器。其余部件同第一较佳实施例，故于此不再赘述。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (14)
1.一种调频接收机中的模拟前端处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算接收信号的接收信号强度指示因子(RSSI)值，并判断所述RSSI值是否大于RSSI门限值；
若所述RSSI值大于所述RSSI门限值，则确定所述接收信号的单频干扰的频点，消除所述频点的单频干扰；
于所述单频干扰消除后，进行射频自动增益控制。
2.如权利要求1所述的调频接收机中的模拟前端处理方法，其特征在于：所述接收信号为经过调谐器、模数转换器及去直流器处理后的信号。
3.如权利要求1所述的调频接收机中的模拟前端处理方法，其特征在于，还包括：若所述RSSI值不大于所述RSSI门限值，则进行射频自动增益控制。
4.如权利要求1所述的调频接收机中的模拟前端处理方法，其特征在于，进行射频自动增益控制后还包括：监测所述接收信号的单频干扰情况，若存在单频干扰，暂停射频自动增益控制，于单频干扰消除后，进行射频自动增益控制。
5.如权利要求1所述的调频接收机中的模拟前端处理方法，其特征在于，所述确定所述接收信号的单频干扰的频点过程包括：采用快速傅里叶变换处理所述接收信号获取信号频谱，对表示信号频谱的数值序列取绝对值，若某个频点的频谱幅值大于前后各N个频点的幅值，则所述频点确定为一个单频干扰的具体频点，其中，N为正整数。
6.如权利要求1所述的调频接收机中的模拟前端处理方法，其特征在于：所述消除所述频点的单频干扰过程包括：通过至少一个带陷滤波器消除所述频点的干扰信号。
7.如权利要求1所述的调频接收机中的模拟前端处理方法，其特征在于：所述进行射频自动增益控制的过程包括：根据信号功率生成增益值，根据所述增益值确定其映射的增益控制字，通过所述增益控制字控制调谐器内的可变增益放大器(VGA)及低噪声放大器(LNA)。
8.一种调频接收机中的模拟前端系统，其特征在于，包括：RSSI计算器、单频干扰消除器、单频干扰判断器及射频自动增益控制器(RF AGC)，所述RSSI计算器连接所述单频干扰判断器及所述RF AGC，所述单频干扰消除器连接所述单频干扰判断器及所述RSSI计算器，
所述RSSI计算器，用于计算接收信号的接收信号强度指示因子(RSSI)值，并判断所述RSSI值是否大于RSSI门限值；
若所述RSSI值大于所述RSSI门限值，所述单频干扰判断器，用于确定所述接收信号的单频干扰的频点并将确定的频点提供给所述单频干扰消除器，所述单频干扰消除器，用于消除所述频点的单频干扰；
于单频干扰消除后，所述RF AGC，用于进行射频自动增益控制。
9.如权利要求8所述的调频接收机中的模拟前端系统，其特征在于：若所述RSSI值不大于所述RSSI门限值，所述RF AGC，用于进行射频自动增益控制。
10.如权利要求8所述的调频接收机中的模拟前端系统，其特征在于：还包括干扰消除控制器，连接所述单频干扰消除器、所述单频干扰判断器及所述RSSI计算器，所述干扰消除控制器，用于控制所述单频干扰消除器的工作模式。
11.如权利要求8所述的调频接收机中的模拟前端系统，其特征在于：还包括调谐器、模数转换器及去直流器，所述模数转换器连接所述调谐器及所述去直流器，所述去直流器连接所述单频干扰消除器，所述调谐器连接所述RF AGC，其中，所述接收信号为经过所述调谐器、所述模数转换器及所述去直流器处理后的信号。
12.如权利要求8所述的调频接收机中的模拟前端系统，其特征在于，所述单频干扰判断器，用于确定所述接收信号的单频干扰的频点的过程包括：采用快速傅里叶变换处理所述接收信号获取信号频谱，对表示信号频谱的数值序列取绝对值，若某个频点的频谱幅值大于前后各N个频点的幅值，则所述频点确定为一个单频干扰的具体频点，其中N为整数。
13.如权利要求8所述的调频接收机中的模拟前端系统，其特征在于，所述单频干扰消除器，用于消除所述频点的单频干扰过程包括：通过至少一个带陷滤波器消除所述频点的干扰信号。
14.如权利要求8所述的调频接收机中的模拟前端系统，其特征在于，所述RF AGC，用于进行射频自动增益控制的过程包括：根据信号功率生成增益值，根据所述增益值确定其映射的增益控制字，通过所述增益控制字控制调谐器内的可变增益放大器(VGA)及低噪声放大器(LNA)。
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