CN104639205A - 一种基于近距离通信的信号增强系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于近距离通信的信号增强系统，所述系统包括天线、干扰信号消除单元、正交与同相双通道下变频单元、双通道积分单元、双通道上变频单元和双通道低通滤波单元。通过本发明的基于近距离通信的信号增强系统，无需知道接收设备的详细参数信息即可执行背景电磁干扰分离和窄带干扰消除，以及通过近距离通信接收机内部衰减环路的设置，有效缓解了接收机灵敏度瓶颈问题，具有有益的技术效果。

Description

一种基于近距离通信的信号增强系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于近距离通信的信号增强系统。

背景技术

目前使用较广泛的近距无线通信技术包括蓝牙(Bluetooth)、无线局域网802.11(Wi-Fi)、红外数据传输(IrDA)、ZigBee、超宽频(UltraWideBand)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。它们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。

对于采用上述近距离无线通信技术的接收机，一方面，为了适应近距离无线通信芯片的安全工作电压，一般会采用阻抗分压网络进行衰减，但是该阻抗分压网络并没有频率选择性，所以当其对天线子带进行衰减的同时，信号也相应被衰减了相同的倍数。接收机灵敏度的瓶颈就被分压网络所限制。

另一方面，为了实现最大的通信距离，接收机的灵敏度会设置的非常高，但是这也就决定了接收设备的电磁敏感性。因此环境中大量背景电磁干扰会对近距离无线通信接收机造成较大的干扰，而要执行干扰消除，就要尽量把干扰设备导致的干扰从上述背景电磁干扰中分离出来，而如何把这些背景电磁干扰分离出来显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的实施方式，提出一种基于近距离通信的信号增强系统，所述系统包括天线、干扰信号消除单元、正交与同相双通道下变频单元、双通道积分单元、双通道上变频单元和双通道低通滤波单元；

天线依次与干扰信号消除单元、双通道下变频单元输入端相连，双通道下变频单元的输出端分别与双通道积分单元的输入端相连，同时还与后面的双通道低通滤波单元的输入端相连，双通道积分单元的输出端与双通道上变频单元的输入端相连，双通道上变频单元的输出再反馈到双通道下变频单元的输入端进行反相叠加，从而构成一个闭合的环路；其中：

所述下变频单元用于将子带信号及可用信号进行向下的频率迁移，通过预先设置的近距离无线通信中心频率的本振进行下变频，将子带信号迁移到直流处，上述直流信号的大小指示输入子带信号的大小；

所述低通滤波单元用于对下变频之后的上扫频带的信号进行滤波，同时对基带信号进行放大，从而得到可用的基带信号；

所述积分单元用于放大直流信号，而衰减基带信号；

所述上变频单元用于将积分单元放大后的直流信号进行上变频，将直流信号变频到近距离无线通信中心频率，再将其输出与输入的信号进行反相叠加。

根据本发明的实施方式，所述干扰信号消除单元包括：叠加单元、第一带通滤波单元、第二带通滤波单元、第一路接收模块、第二路接收模块、第一取样单元、第二取样单元、背景电磁干扰平方差获取单元、平方差差异获得单元、干扰信号振幅获得单元以及干扰消除执行单元；

所述叠加单元用于对接收到的窄带干扰信号和背景电磁干扰信号进行叠加后，输出叠加信号给第一带通滤波单元；

所述第一带通滤波单元对接收的叠加信号进行巴特沃斯滤波处理后，输出窄带信号，该窄带信号是窄带干扰和窄带背景干扰信号之和，从特性角度来说就是两个相互独立的窄带高斯随机过程之和；

所述第一路接收模块对接收的窄带信号经过振幅检波单元后的输出振幅检波信号，该振幅检波信号中包络振幅的概率密度函数为瑞利分布；

所述第一取样单元对振幅检波信号进行取样后，得到第一随机序列，以及混合信号的平方差；

所述第二带通滤波单元对接收的背景电磁干扰信号进行巴特沃斯滤波处理后，输出窄带背景电磁干扰信号；

所述第二路接收模块对接收的窄带背景电磁干扰信号经过振幅检波单元后的输出背景电磁干扰信号振幅检波信号，该背景电磁干扰信号振幅检波信号是服从瑞利分布的随机过程；

所述第二取样单元对背景电磁干扰信号振幅检波信号进行后，得到第二随机序列；

所述背景电磁干扰平方差获取单元对第二随机序列进行统计分析，应用随机过程的理论得到背景电磁干扰信号平方差；

所述平方差差异获得单元对接收的第一随机序列、混合信号的平方差、背景电磁干扰信号平方差进行差异值比较得到干扰信号平方差；

所述干扰信号振幅获得单元对接收的干扰信号平方差进行数字积分，得到干扰信号幅度；

所述干扰消除执行单元，用于根据上述计算得到的干扰信号幅度进行干扰消除操作。

根据本发明的优选实施方式，所述下变频单元的电路结构为：输入信号加载到输入场效应管对M1、M2的栅极；场效应管M3、M4作为协助输入管，其栅极分别通过对应的电容C1、C2耦合输入信号；场效应管M5，M6，M7，M8是开关管，其中，场效应管M5、M6的源极分别与输入管M2、M4的漏极相连，场效应管M7、M8的源极分别与输入管M1、M3的漏极相连，场效应管M5、M7的栅极接本振L0，场效应管M6、M8的栅极接本振L0的反向信号；场效应管M5、M8的漏极输出与负载电阻R1相连，场效应管M6、M7的漏极输出与负载电阻R2相连。

根据本发明的优选实施方式，所述积分单元输入信号通过电阻R3接到跨导运算放大单元的负端输入，电容C5跨接在跨导运算放大单元的正负输入端口间；跨导运算放大单元正输入端口接地；电容C6跨接在跨导运算放大单元的负输入端口与输出端口之间；负载电阻R4与负载电容C7并联接在跨导运算放大单元输出端口与地之间。

根据本发明的优选实施方式，所示跨导运算放大单元的结构为：差分输入信号接到PMOS管M19、M20的栅端，PMOS管M19、M20的漏极输出分别接到NMOS管M13、M14的栅端，NMOS管M13，M14的漏端接输出；反馈电阻R9、R10串接在输出端口之间，其分压VCM接到PMOS管M18的栅极。

根据本发明的优选实施方式，所述上变频单元电路结构为：采用反相的差分PMOS管对M21、M22管作为中频输入，输入信号接到差分PMOS管对M21、M22的栅极，场效应管M25、M26、M27、M28是开关管，其中，场效应管M25、M27栅端接本振信号L0，场效应管M26、M28接本振L0的反向信号；输入PMOS管M21的漏极与场效应管M25、M26的源极相连，输入PMOS管M22的漏极与场效应管M27、M28的源极相连；变频单元第一级的输出采用PMOS二极管接法做低阻负载，场效应管M29、M30的栅端和漏端相连构成二极管接法的低阻负载，场效应管M25、M28的漏端与场效应管M29的漏端相连，场效应管M26、M27的漏端与场效应管M30的漏端相连；信号输出形式采用电流输出，场效应管M31、M32构成输出级，负载电阻R13、R14分别与输出级场效应管M31、M32采用电容C10、C11交流耦合；输出级同时通过共模反馈电阻R11、R12将输出的直流工作点钳位在Vdd/2以最大化信号的输出振幅。

根据本发明的优选实施方式，所述低通滤波单元的电路结构为：输入信号Vin与电阻R15左端相连，电阻R17串接在电阻R15右端与运算放大单元负输入端之间，电容C12接在电阻R15右端与地之间，电阻R16一端与电阻R15右端相连，一端接运放输出端，电容C13一端接运放负输入端，一端接输出端，运放正输入端接地。

根据本发明的优选实施方式，所述运算放大单元采用两级全差分结构，差分NMOS对管M36、M37和M40、M41作为输入，提供第一级放大；输入信号Vin+接到NMOS管M36、M41的栅端，Vin-接到NMOS管M37、M40的栅端；场效应管M42、M43作为输出管，提供第二级放大；场效应管M42、M43的栅端分别与NMOS管M36、M37的漏端相连，场效应管M42、M43的漏端分别与场效应管M40、M41的漏端相连，同时，场效应管M42、M43的漏端为运放输出端口；电阻R18、R19、R20、R21为共模反馈电阻，它们分别跨接在场效应管M38、M39、M44、M45的栅漏之间。

通过本发明的基于近距离通信的信号增强系统，无需知道接收设备的详细参数信息即可执行背景电磁干扰分离和窄带干扰消除，以及通过近距离通信接收机内部衰减环路的设置，有效缓解了接收机灵敏度瓶颈问题，具有有益的技术效果。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了根据本发明实施方式的基于近距离通信的信号增强系统结构示意图；

附图2示出了根据本发明实施方式的下变频单元结构示意图；

附图3示出了根据本发明实施方式的积分单元结构示意图；

附图4示出了根据本发明实施方式的跨导运算放大单元结构示意图；

附图5示出了根据本发明实施方式的上变频单元结构示意图；

附图6示出了根据本发明实施方式的低通滤波单元结构示意图；

附图7示出了根据本发明实施方式的运算放大单元结构示意图；

附图8示出了根据本发明实施方式的干扰信号消除单元结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本发明的实施方式，提出一种基于近距离通信的信号增强系统，如附图1所示，所述系统包括：天线、干扰信号消除单元、正交与同相双通道下变频单元、双通道积分单元、双通道上变频单元和双通道低通滤波单元；其连接关系为：天线依次与干扰信号消除单元、双通道下变频单元输入端相连，双通道下变频单元的输出端分别与双通道积分单元的输入端相连，同时还与后面的双通道低通滤波单元的输入端相连，双通道积分单元的输出端与双通道上变频单元的输入端相连，双通道上变频单元的输出再反馈到双通道下变频单元的输入端进行反相叠加，从而构成一个闭合的环路；其中：

所述下变频单元用于将子带信号及可用信号进行向下的频率迁移，通过预先设置的近距离无线通信中心频率的本振进行下变频，将子带信号迁移到直流处，上述直流信号的大小指示输入子带信号的大小；

所述低通滤波单元用于对下变频之后的上扫频带的信号进行滤波，同时对基带信号进行放大，从而得到可用的基带信号；

所述积分单元用于放大直流信号，而衰减基带信号；

所述上变频单元用于将积分单元放大后的直流信号进行上变频，将直流信号变频到近距离无线通信中心频率，再将其输出与输入的信号进行反相叠加，从而实现仅仅对于子带信号的衰减。

根据本发明的优选实施方式，所述下变频单元，输入端采用伪差分NMOS输入，同时采用电流复用技术来增大输入跨导；输出端采用电阻作为负载，在相同的压降的情况下，以得到更好的噪声；如附图2所示，所述下变频单元的电路结构如下：输入信号加载到输入场效应管对M1、M2的栅极；场效应管M3、M4作为协助输入管，其栅极分别通过对应的电容C1、C2耦合输入信号；场效应管M5，M6，M7，M8是开关管，其中，场效应管M5、M6的源极分别与输入管M2、M4的漏极相连，场效应管M7、M8的源极分别与输入管M1、M3的漏极相连，场效应管M5、M7的栅极接本振L0，场效应管M6、M8的栅极接本振L0的反向信号；场效应管M5、M8的漏极输出与负载电阻R1相连，场效应管M6、M7的漏极输出与负载电阻R2相连。

根据本发明的优选实施方式，所述积分单元采用有源积分单元结构，有源积分单元中的跨导运算放大单元采用两级放大结构，增益平均分配，输出级的差模增益通过共模反馈电阻调节；其中，如附图3所示，输入信号Vin通过电阻R3接到跨导运算放大单元的负端输入，电容C5跨接在跨导运算放大单元的正负输入端口间；跨导运算放大单元正输入端口接地；电容C6跨接在跨导运算放大单元的负输入端口与输出端口之间；负载电阻R4与负载电容C7并联接在跨导运算放大单元输出端口与地之间；其中，如附图4所示跨导运算放大单元的结构为：差分输入信号接到PMOS管M19、M20的栅端，PMOS管M19、M20的漏极输出分别接到NMOS管M13、M14的栅端，NMOS管M13，M14的漏端接输出；反馈电阻R9、R10串接在输出端口之间，其分压VCM接到PMOS管M18的栅极。

根据本发明的优选实施方式，所述上变频单元输入采用反相PMOS差分对管，使得电压裕度得到改善；输出级通过共模反馈将输出直流工作点钳位在Vdd/2以最大化信号的输出振幅；如附图5所示，所述上变频单元的电路结构为：采用反相的差分PMOS管对M21、M22管作为中频输入，输入信号接到差分PMOS管对M21、M22的栅极，场效应管M25、M26、M27、M28是开关管，其中，场效应管M25、M27栅端接本振信号L0，场效应管M26、M28接本振L0的反向信号；输入PMOS管M21的漏极与场效应管M25、M26的源极相连，输入PMOS管M22的漏极与场效应管M27、M28的源极相连；变频单元第一级的输出采用PMOS二极管接法做低阻负载，场效应管M29、M30的栅端和漏端相连构成二极管接法的低阻负载，场效应管M25、M28的漏端与场效应管M29的漏端相连，场效应管M26、M27的漏端与场效应管M30的漏端相连；信号输出形式采用电流输出，场效应管M31、M32构成输出级，负载电阻R13、R14分别与输出级场效应管M31、M32采用电容C10、C11交流耦合；输出级同时通过共模反馈电阻R11、R12将输出的直流工作点钳位在Vdd/2以最大化信号的输出振幅。

根据本发明的优选实施方式，所述低通滤波单元使用MFB结构的二阶低通滤波单元，其中的运算放大单元采用全差分结构，通过共模电阻实现共模反馈；如附图6所示，所述低通滤波单元的电路结构如下：输入信号Vin与电阻R15左端相连，电阻R17串接在电阻R15右端与运算放大单元负输入端之间，电容C12接在电阻R15右端与地之间，电阻R16一端与电阻R15右端相连，一端接运放输出端，电容C13一端接运放负输入端，一端接输出端，运放正输入端接地；其中，如附图7所示，所述运算放大单元采用两级全差分结构，差分NMOS对管M36、M37和M40、M41作为输入，提供第一级放大；输入信号Vin+接到NMOS管M36、M41的栅端，Vin-接到NMOS管M37、M40的栅端；场效应管M42、M43作为输出管，提供第二级放大；场效应管M42、M43的栅端分别与NMOS管M36、M37的漏端相连，场效应管M42、M43的漏端分别与场效应管M40、M41的漏端相连，同时，场效应管M42、M43的漏端为运放输出端口；电阻R18、R19、R20、R21为共模反馈电阻，它们分别跨接在场效应管M38、M39、M44、M45的栅漏之间。

根据本发明的实施方式，如附图8所示，所述干扰信号消除单元包括：叠加单元、第一带通滤波单元、第二带通滤波单元、第一路接收模块、第二路接收模块、第一取样单元、第二取样单元、背景电磁干扰平方差获取单元、平方差差异获得单元、干扰信号振幅获得单元以及干扰消除执行单元；

所述叠加单元用于对接收到的窄带干扰信号和背景电磁干扰信号进行叠加后，输出叠加信号给第一带通滤波单元；

所述第一带通滤波单元对接收的叠加信号进行巴特沃斯滤波处理后，输出窄带信号，该窄带信号是窄带干扰和窄带背景干扰信号之和，从特性角度来说就是两个相互独立的窄带高斯随机过程之和；

所述第一路接收模块对接收的窄带信号经过振幅检波单元后的输出振幅检波信号，该振幅检波信号中包络振幅的概率密度函数为瑞利分布；

所述第一取样单元对振幅检波信号进行取样后，得到第一随机序列，以及混合信号的平方差；

所述第二带通滤波单元对接收的背景电磁干扰信号进行巴特沃斯滤波处理后，输出窄带背景电磁干扰信号；

所述第二路接收模块对接收的窄带背景电磁干扰信号经过振幅检波单元后的输出背景电磁干扰信号振幅检波信号，该背景电磁干扰信号振幅检波信号是服从瑞利分布的随机过程；

所述第二取样单元对背景电磁干扰信号振幅检波信号进行后，得到第二随机序列；

所述背景电磁干扰平方差获取单元对第二随机序列进行统计分析，应用随机过程的理论得到背景电磁干扰信号平方差；

所述平方差差异获得单元对接收的第一随机序列、混合信号的平方差、背景电磁干扰信号平方差进行差异值比较得到干扰信号平方差；

所述干扰信号振幅获得单元对接收的干扰信号平方差进行数字积分，得到干扰信号幅度；

所述干扰消除执行单元，用于根据上述计算得到的干扰信号幅度进行干扰消除操作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于近距离通信的信号增强系统，所述系统包括天线、干扰信号消除单元、正交与同相双通道下变频单元、双通道积分单元、双通道上变频单元和双通道低通滤波单元；

天线依次与干扰信号消除单元、双通道下变频单元输入端相连，双通道下变频单元的输出端分别与双通道积分单元的输入端相连，同时还与后面的双通道低通滤波单元的输入端相连，双通道积分单元的输出端与双通道上变频单元的输入端相连，双通道上变频单元的输出再反馈到双通道下变频单元的输入端进行反相叠加，从而构成一个闭合的环路；其中：

所述下变频单元用于将子带信号及可用信号进行向下的频率迁移，通过预先设置的近距离无线通信中心频率的本振进行下变频，将子带信号迁移到直流处，上述直流信号的大小指示输入子带信号的大小；

所述低通滤波单元用于对下变频之后的上扫频带的信号进行滤波，同时对基带信号进行放大，从而得到可用的基带信号；

所述积分单元用于放大直流信号，而衰减基带信号；

所述上变频单元用于将积分单元放大后的直流信号进行上变频，将直流信号变频到近距离无线通信中心频率，再将其输出与输入的信号进行反相叠加。

2.一种如权利要求1所述的系统，所述干扰信号消除单元包括：叠加单元、第一带通滤波单元、第二带通滤波单元、第一路接收模块、第二路接收模块、第一取样单元、第二取样单元、背景电磁干扰平方差获取单元、平方差差异获得单元、干扰信号振幅获得单元以及干扰消除执行单元；

所述叠加单元用于对接收到的窄带干扰信号和背景电磁干扰信号进行叠加后，输出叠加信号给第一带通滤波单元；

所述第一带通滤波单元对接收的叠加信号进行巴特沃斯滤波处理后，输出窄带信号，该窄带信号是窄带干扰和窄带背景干扰信号之和，从特性角度来说就是两个相互独立的窄带高斯随机过程之和；

所述第一路接收模块对接收的窄带信号经过振幅检波单元后的输出振幅检波信号，该振幅检波信号中包络振幅的概率密度函数为瑞利分布；

所述第一取样单元对振幅检波信号进行取样后，得到第一随机序列，以及混合信号的平方差；

所述第二带通滤波单元对接收的背景电磁干扰信号进行巴特沃斯滤波处理后，输出窄带背景电磁干扰信号；

所述第二路接收模块对接收的窄带背景电磁干扰信号经过振幅检波单元后的输出背景电磁干扰信号振幅检波信号，该背景电磁干扰信号振幅检波信号是服从瑞利分布的随机过程；

所述第二取样单元对背景电磁干扰信号振幅检波信号进行后，得到第二随机序列；

所述背景电磁干扰平方差获取单元对第二随机序列进行统计分析，应用随机过程的理论得到背景电磁干扰信号平方差；

所述平方差差异获得单元对接收的第一随机序列、混合信号的平方差、背景电磁干扰信号平方差进行差异值比较得到干扰信号平方差；

所述干扰信号振幅获得单元对接收的干扰信号平方差进行数字积分，得到干扰信号幅度；

所述干扰消除执行单元，用于根据上述计算得到的干扰信号幅度进行干扰消除操作。

3.一种如权利要求1所述的系统，所述下变频单元的电路结构为：输入信号加载到输入场效应管对M1、M2的栅极；场效应管M3、M4作为协助输入管，其栅极分别通过对应的电容C1、C2耦合输入信号；场效应管M5，M6，M7，M8是开关管，其中，场效应管M5、M6的源极分别与输入管M2、M4的漏极相连，场效应管M7、M8的源极分别与输入管M1、M3的漏极相连，场效应管M5、M7的栅极接本振LO，场效应管M6、M8的栅极接本振LO的反向信号；场效应管M5、M8的漏极输出与负载电阻R1相连，场效应管M6、M7的漏极输出与负载电阻R2相连。

4.一种如权利要求1所述的系统，所述积分单元输入信号通过电阻R3接到跨导运算放大单元的负端输入，电容C5跨接在跨导运算放大单元的正负输入端口间；跨导运算放大单元正输入端口接地；电容C6跨接在跨导运算放大单元的负输入端口与输出端口之间；负载电阻R4与负载电容C7并联接在跨导运算放大单元输出端口与地之间。

5.一种如权利要求4所述的系统，所示跨导运算放大单元的结构为：差分输入信号接到PMOS管M19、M20的栅端，PMOS管M19、M20的漏极输出分别接到NMOS管M13、M14的栅端，NMOS管M13，M14的漏端接输出；反馈电阻R9、R10串接在输出端口之间，其分压VCM接到PMOS管M18的栅极。

6.一种如权利要求1所述的系统，所述上变频单元电路结构为：采用反相的差分PMOS管对M21、M22管作为中频输入，输入信号接到差分PMOS管对M21、M22的栅极，场效应管M25、M26、M27、M28是开关管，其中，场效应管M25、M27栅端接本振信号LO，场效应管M26、M28接本振LO的反向信号；输入PMOS管M21的漏极与场效应管M25、M26的源极相连，输入PMOS管M22的漏极与场效应管M27、M28的源极相连；变频单元第一级的输出采用PMOS二极管接法做低阻负载，场效应管M29、M30的栅端和漏端相连构成二极管接法的低阻负载，场效应管M25、M28的漏端与场效应管M29的漏端相连，场效应管M26、M27的漏端与场效应管M30的漏端相连；信号输出形式采用电流输出，场效应管M31、M32构成输出级，负载电阻R13、R14分别与输出级场效应管M31、M32采用电容C10、C11交流耦合；输出级同时通过共模反馈电阻R11、R12将输出的直流工作点钳位在Vdd/2以最大化信号的输出振幅。

7.一种如权利要求1所述的系统，所述低通滤波单元的电路结构为：输入信号Vin与电阻R15左端相连，电阻R17串接在电阻R15右端与运算放大单元负输入端之间，电容C12接在电阻R15右端与地之间，电阻R16一端与电阻R15右端相连，一端接运放输出端，电容C13一端接运放负输入端，一端接输出端，运放正输入端接地。

8.一种如权利要求7所述的系统，所述运算放大单元采用两级全差分结构，差分NMOS对管M36、M37和M40、M41作为输入，提供第一级放大；输入信号Vin+接到NMOS管M36、M41的栅端，Vin-接到NMOS管M37、M40的栅端；场效应管M42、M43作为输出管，提供第二级放大；场效应管M42、M43的栅端分别与NMOS管M36、M37的漏端相连，场效应管M42、M43的漏端分别与场效应管M40、M41的漏端相连，同时，场效应管M42、M43的漏端为运放输出端口；电阻R18、R19、R20、R21为共模反馈电阻，它们分别跨接在场效应管M38、M39、M44、M45的栅漏之间。