CN106100657A - 一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端，其特征在于：包括低噪声跨导放大器、电流开关无源混频器、基于混叠滤波的跨阻放大器、阻塞检测和抑制率控制模块，其中，所述混叠滤波跨阻放大器为基于具有周期时变极点的一阶低通特性的传输函数，阻塞检测和抑制率控制模块包括低通滤波器、幅度检测电路和产生控制信号的逻辑电路。本发明具有可根据阻塞信号强弱自动调节阻塞抑制率，能够利用简单的电路结构实现多档位抑制率调节，避免因抑制率过高而产生不必要的功耗浪费，起到尽量降低功耗的作用，可作为关键部件用于抗阻塞无片外射频滤波器的无线接收机中。

Description

一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端

技术领域

本发明涉及接收机，尤其涉及适用于无片外射频滤波器的无线接收机中的一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端。

背景技术

阻塞信号影响接收机对有用信号的接收过程，具体表现在：阻塞信号严重压缩接收机对有用信号的增益；阻塞信号引起的大电压摆幅使电路工作点发生偏移，使有用信号发生失真；阻塞信号相关的频谱再生产物落入有用信号频率范围，成为无法滤除的噪声。

现有的阻塞信号抑制方案采用的滤波电路具有较低的阶数，因此无法实现很高的频率选择性。若为了提高频率选择性而提高电路的阶数，则存在电路不稳定、电路复杂度上升和电路功耗明显增加的问题。在无线通信系统中，阻塞信号的功率和频率具有很大的随机性，因此相应所需要的抑制率也具有不确定性。在阻塞信号的功率较小或距离有用信号较远时，所需的阻塞抑制率较低，此时过高的阻塞抑制率将导致功耗的浪费。而传统高阶滤波电路无法灵活控制频率特性的阶数，因此无法实现阻塞抑制率的实时调节。

混叠滤波是近年来提出的一种新型滤波技术。其基本原理是构造一个周期时变的滤波器，并通过同周期采样获得最终的输出采样信号。在频域中，通过设置合适的周期变化特性，上述结构可等效为一个线性时不变的滤波系统。在频域上，滤波器的频率特性在周期信号的作用下，被复制到各分量频率处，经过叠加后呈现很高的频率选择性。混叠滤波电路可以使用简单的无源器件(电阻、电容)构造，因此具有很好的抗阻塞能力。此外，由于具有很高的频率选择性，因此该电路可于滤除阻塞信号。

混叠滤波电路中，对于滤波器的周期时变控制通常通过周期性切换电阻或电容来实现，由于切换的电阻或电容支路数量有限，因此形成的周期函数只能尽量逼近所设计的理想函数，其量化误差将影响等效滤波系统的阻带抑制率，即影响阻塞抑制率。参与切换的支路数量越多，则量化误差将越小，阻塞抑制率越高；反之，参与切换的支路数量越少，则量化误差将越大，阻塞抑制率越低。然而，由于开关器件在开关过程中需要充放电，因此混叠滤波电路的动态功耗与参与切换的支路数量呈现正相关性。

由级联系统的噪声系数计算公式可知，前级模块的资用功率增益越大，后级模块的噪声系数对系统的总噪声系数的贡献越小。因此，为了抑制后级模块噪声的影响，前级模块应当具有适当的资用功率增益。

发明内容

发明目的：为解决无片外射频滤波器接收机面对的阻塞信号强弱具有不确定性的问题，本发明提出一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端，其具有可根据阻塞信号强弱自动调节阻塞抑制率从而尽量降低额外功耗的作用，可作为关键部件用于抗阻塞无片外射频滤波器的无线接收机中。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端，包括低噪声跨导放大器、电流开关无源混频器、基于混叠滤波的跨阻放大器、阻塞检测和抑制率控制模块，其中，所述低噪声跨导放大器的输入端为接收射频前端结构的总输入端，低噪声跨导放大器的输出端与电流开关无源混频器的输入端相连接，电流开关无源混频器的输入端同时输入本地振荡器信号，电流开关无源混频器的输出端与基于混叠滤波的跨阻放大器的输入端相连接，基于混叠滤波的跨阻放大器的输出端为接收射频前端结构的总输出端，阻塞检测和抑制率控制模块的输入端与本接收射频前端结构的总输出端相连，阻塞检测和抑制率控制模块的输出信号作为基于混叠滤波的跨阻放大器的控制信号；低噪声跨导放大器提供前级放大作用，将输入的射频电压信号转换为射频电流信号；电流开关无源混频器将射频电流信号下混频为中频电流信号，基于混叠滤波的跨阻放大器滤除中频电流信号中的阻塞信号分量，并将有用信号分量转换为电压信号并输出，阻塞检测和抑制率控制模块用于判断阻塞是否发生，并实时调节基于混叠滤波的跨阻放大器的阻塞抑制率。

优选的，所述混叠滤波跨阻放大器为基于具有周期时变极点的一阶低通特性的传输函数，传输函数极点的变化通过调节电阻或电容的大小实现，调节方法是利用开关器件在具有不同电阻或电容值的支路间进行切换，参与切换的支路的个数由阻塞检测和抑制率控制模块输出的控制信号确定，混叠滤波跨阻放大器基于混叠滤波理论实现抑制阻塞信号。

优选的，所述阻塞检测和抑制率控制模块包括低通滤波器、幅度检测电路和产生控制信号的逻辑电路，所述低通滤波器的通带范围为有用信号所处的频率范围，阻塞信号的频率位于其阻带频率范围内，幅度检测电路输出信号为一直流电压信号，所述直流电压信号的电压大小由幅度检测电路的输入信号确定，产生控制信号的逻辑电路根据幅度检测电路输出的直流电压信号，按照阻塞抑制率控制逻辑输出用于混叠滤波跨阻放大器的控制信号。

所述阻塞检测和抑制率控制模块的工作过程包括如下步骤：

(1)开启基于混叠滤波的跨阻放大器最少的切换支路，使其阻塞抑制率降到最低；

(2)控制基于混叠滤波的跨阻放大器的增益增加至A倍；

(3)判断幅度检测电路检测到的有用信号幅度增大的倍数B：若B<kA，则判断发生了阻塞，即导致了增益压缩效应，执行步骤(4)；否则，判断未发生阻塞，执行步骤(5)；其中，0<k<1，k为评价阈值；

(4)恢复基于混叠滤波的跨阻放大器的增益至原始值，然后增加一条切换支路，返回步骤(2)；

(5)恢复基于混叠滤波的跨阻放大器的增益至原始值，维持当前的切换支路数量。

本发明提出的基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端，其低噪声跨导放大器输出的信号电流经过无源混频器下混频后，绝大部分信号电流能够进入跨阻放大器形成电压信号，基于混叠滤波的跨阻放大器、阻塞检测和抑制率控制模块利用混叠滤波技术进行阻塞信号抑制，利用避免高阻节点的方法来防止阻塞信号引起大电压摆幅，能使用相对简单的结构实现高频率选择性，判断系统是否发生阻塞，并据此自动调节阻塞抑制率，避免由于阻塞抑制电路的抑制率过高而产生不必要的功耗浪费，同时利用简单的电路结构实现多档位抑制率调节，通过控制混叠滤波支路数改变逼近理想周期函数的相对精度，实现抑制率的调节，起到尽量降低功耗的作用。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明具有较强的抗阻塞能力，利用其构成的接收机可不使用外片射频滤波器，有助于降低接收机的成本和外围电路复杂度；

2、本发明具有高频率选择性，对于邻近有用信号的阻塞信号也具有较高的抑制作用，能够防止阻塞信号对接收链路后级模块的影响；

3、本发明可根据输出信号情况判断系统是否发生阻塞，并自动调节电路对于阻塞信号抑制率，在保证有效防止阻塞发生的前提下，尽量降低额外的功耗。

附图说明

图1为本发明的基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端的结构示意图；

图2为本发明中的阻塞检测和抑制率控制模块的结构示意图；

图3为图2中的阻塞检测和抑制率控制的具体工作流程框图。

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所示为本发明提出的基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端，其结构主要分为四部分，即低噪声跨导放大器、电流开关无源混频器、基于混叠滤波的跨阻放大器、阻塞检测和抑制率控制模块，其中，低噪声跨导放大器的输入端为接收射频前端结构的总输入端，低噪声跨导放大器的输出端与电流开关无源混频器的输入端相连接，电流开关无源混频器的输入端同时输入本地振荡器信号，电流开关无源混频器的输出端与基于混叠滤波的跨阻放大器的输入端相连接，基于混叠滤波的跨阻放大器的输出端为接收射频前端结构的总输出端，阻塞检测和抑制率控制模块的输入端与本接收射频前端结构的总输出端相连，阻塞检测和抑制率控制模块的输出信号作为基于混叠滤波的跨阻放大器的控制信号。

本发明中，低噪声跨导放大器将将输入信号电压转换为信号电流，具有高输出阻抗。由于电流开关无源混频器的输出端同时输出有用信号和阻塞信号，阻塞信号的电流-电压转换系数远小于有用信号的电流-电压转换系数。为了防止阻塞信号在低噪声跨导放大器的输出节点产生大电压摆幅，破坏电路的工作点，本发明使用了电流开关无源混频器和基于混叠滤波的跨阻放大器，在该节点构造了低阻通路，绝大部分信号电流进入此低阻通路，避免了阻塞信号在该节点产生大电压摆幅，该绝大部分的信号电流为电流开关无源混频器的输出的有用信号和阻塞信号，阻塞信号的电流-电压转换系数远小于有用信号的电流-电压转换系数。

为了防止电流开关无源混频器输出的电压信号中，阻塞信号对应的分量进入后级电路，需要在此处进行滤波，以抑制阻塞信号。为了能够滤除与有用信号频率间隔较小的阻塞信号，此处的滤除电路需要具有高阶的选频特性。传统的线性时不变电路构造的滤波器可以通过增加阶数的方法来获得高频率选择性，但高阶滤波电路不但结构复杂，而且功耗较高。当阻塞信号距有用信号较远，或强度不大时，高阶滤波电路的性能存在过剩的问题。然而，由于难以灵活调节，性能过剩的问题往往带来不必要的功率消耗。

与上述传统方式不同的是，本发明采用了近年来提出的混叠滤波技术进行阻塞抑制，本发明中的混叠滤波跨阻放大器为基于具有周期时变极点的一阶低通特性的传输函数，传输函数极点的变化通过调节电阻或电容的大小实现，调节方法是利用开关器件在具有不同电阻或电容值的支路间进行切换，参与切换的支路的个数由阻塞检测和抑制率控制模块输出的控制信号确定，混叠滤波跨阻放大器基于混叠滤波理论实现抑制阻塞信号。即：由于混叠滤波电路的传输函数可以通过编程灵活地控制，因此非常适合于无片外滤波器接收机的设计。此外，考虑到混叠滤波利用多支路无源元件(电阻或电容)周期切换的方式来叠加最终的等效传输特性，而滤波效果和动态功耗均与支路数目呈正相关性，因此可以通过增减工作支路的方式来控制阻塞抑制率，同时控制动态功耗。具体的，当阻塞信号幅度较强或与有用信号在频率上较为接近时，可以增加周期切换支路的数目，提高阻塞抑制率，但具有较高的功耗；而当阻塞信号幅度较弱或与有用信号在频率上间隔较大时，可以减少周期切换支路的数目，降低阻塞抑制率，但具有较低的功耗。

如图2，从具体结构上，本发明中的阻塞检测和抑制率控制模块可分为低通滤波器、幅度检测电路和产生控制信号的逻辑产生电路。低通滤波器用于滤除输出信号中有用信号频段外的信号分量；幅度检测电路用于检测有用信号的幅度；而产生控制信号的逻辑产生电路则负责判断是否发生了阻塞，并对跨阻放大器的增益和阻塞抑制率进行控制。因此，即阻塞检测和抑制率控制模块通过检测输出信号中的有用信号功率随增益的变化情况判断是否发生了阻塞，并据此输出控制信号，控制基于混叠滤波的跨阻放大器，调节阻塞抑制率。

如图3所示，本发明中的阻塞检测和抑制率控制模块的具体检测和控制方法如下：

(1)开启基于混叠滤波的跨阻放大器最少的切换支路，使其阻塞抑制率降到最低；

(2)控制基于混叠滤波的跨阻放大器的增益增加至A倍；

(3)判断幅度检测电路检测到的有用信号幅度增大的倍数B：若B<kA，则判断发生了阻塞，即导致了增益压缩效应，执行步骤(4)；否则，判断未发生阻塞，执行步骤(5)；其中，0<k<1，k为评价阈值；

(4)恢复基于混叠滤波的跨阻放大器的增益至原始值，然后增加一条切换支路，返回步骤(2)；

(5)恢复基于混叠滤波的跨阻放大器的增益至原始值，维持当前的切换支路数量。

综上所述，本发明提出的基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端具有抗阻塞和阻塞抑制的能力。利用避免高阻节点的方法来防止阻塞信号引起大电压摆幅，从而提高抗阻塞能力。利用混叠滤波技术进行阻塞信号抑制，能使用相对简单的结构实现高频率选择性。此外，该射频前端还能够判断系统是否发生阻塞，并据此自动调节阻塞抑制率，起到避免功耗浪费的作用。

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)

1.一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端，其特征在于：包括低噪声跨导放大器、电流开关无源混频器、基于混叠滤波的跨阻放大器、阻塞检测和抑制率控制模块，其中，所述低噪声跨导放大器的输入端为接收射频前端结构的总输入端，低噪声跨导放大器的输出端与电流开关无源混频器的输入端相连接，电流开关无源混频器的输入端同时输入本地振荡器信号，电流开关无源混频器的输出端与基于混叠滤波的跨阻放大器的输入端相连接，基于混叠滤波的跨阻放大器的输出端为接收射频前端结构的总输出端，阻塞检测和抑制率控制模块的输入端与本接收射频前端结构的总输出端相连，阻塞检测和抑制率控制模块的输出信号作为基于混叠滤波的跨阻放大器的控制信号；低噪声跨导放大器提供前级放大作用，将输入的射频电压信号转换为射频电流信号；电流开关无源混频器将射频电流信号下混频为中频电流信号，基于混叠滤波的跨阻放大器滤除中频电流信号中的阻塞信号分量，并将有用信号分量转换为电压信号并输出，阻塞检测和抑制率控制模块用于判断阻塞是否发生，并实时调节基于混叠滤波的跨阻放大器的阻塞抑制率。

2.根据权利要求1所述的一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端，其特征在于：所述混叠滤波跨阻放大器为基于具有周期时变极点的一阶低通特性的传输函数，传输函数极点的变化通过调节电阻或电容的大小实现，调节方法是利用开关器件在具有不同电阻或电容值的支路间进行切换，参与切换的支路的个数由阻塞检测和抑制率控制模块输出的控制信号确定，混叠滤波跨阻放大器基于混叠滤波理论实现抑制阻塞信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端，其特征在于：所述阻塞检测和抑制率控制模块包括低通滤波器、幅度检测电路和产生控制信号的逻辑电路，所述低通滤波器的通带范围为有用信号所处的频率范围，阻塞信号的频率位于其阻带频率范围内，幅度检测电路输出信号为一直流电压信号，所述直流电压信号的电压大小由幅度检测电路的输入信号确定，产生控制信号的逻辑电路根据幅度检测电路输出的直流电压信号，按照阻塞抑制率控制逻辑输出用于混叠滤波跨阻放大器的控制信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于混叠滤波的可自动调节阻塞抑制率接收射频前端，其特征在于：所述阻塞检测和抑制率控制模块的工作过程包括如下步骤：

(1)开启基于混叠滤波的跨阻放大器最少的切换支路，使其阻塞抑制率降到最低；

(2)控制基于混叠滤波的跨阻放大器的增益增加至A倍；

(3)判断幅度检测电路检测到的有用信号幅度增大的倍数B：若B<kA，则判断发生了阻塞，即导致了增益压缩效应，执行步骤(4)；否则，判断未发生阻塞，执行步骤(5)；其中，0<k<1，k为评价阈值；

(4)恢复基于混叠滤波的跨阻放大器的增益至原始值，然后增加一条切换支路，返回步骤(2)；

(5)恢复基于混叠滤波的跨阻放大器的增益至原始值，维持当前的切换支路数量。