CN113109619A - 一种接收机解调器、峰值检测器及信号解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接收机解调器、峰值检测器及信号解调方法，其可提高接收器的抗阻塞和抗干扰能力，同时可减小整个器件的面积和成本，解调器包括自动增益控制电路、峰值检测电路、限幅电路、增益控制电压调节电路、增益控制滤波电容、动态阈值提取电路和高速比较器，应用于上述解调器的峰值检测器，峰值检测电路包括第二比较器、开关、分压电阻、电容、RC滤波器，应用包含有上述峰值检测器的解调器进行信号解调的方法，包括：通过自动增益控制电路对中频信号放大，通过峰值检测电路包络检波，通过限幅器电路对基带信号进行滤波，调整增益控制电压调节电路的增益，通过动态阈值提取电路对交流信号进行调整，通过高速比较器将待比较信号转换为数字信号。

Description

一种接收机解调器、峰值检测器及信号解调方法

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，具体为一种接收机解调器、峰值检测器及信号解调方法，采用标准CMOS工艺实现OOK接收机的中频信号解调。

背景技术

随着通信与物联网技术的不断发展，无线通信技术被广泛应用，目前常用的无线通信技术包括蓝牙、WIFI、IrDA等，其中短距离无线通信应用更为广泛。目前，短距离无线通信技术多采用OOK通信方式，尤其在低成本应用领域，通过将射频前端与基带芯片系统级整合集成于无线接收机中，实现数据解调。

目前常用的射频前端包括低中频解调(低中频接收机)、零中频解调(零中频解调接收机)等成熟架构，但是现有的低中频接收机存在占用面积大、稳定性差等问题，现有技术中提供了一种OOK解调电路，其包括依次连接的三极管放大电路、二极管峰值包络检波电路和比较器电路，通过三极管电路单元将接收的信号放大，再通过二极管峰值包络检波单元，最后使用集成运放做比较器，做电平转换，实现解调信号输出，该解调系统一般采用分立器件制作完成，面积大，成本高，分立器件之间易产生干扰，导致稳定性差。现有技术中提供一些集成系统将放大器和数据采样电路集成于片中，但整体结构仍与上述 OOK解调电路的结构类似，其动态解调范围和抗阻塞能力因放大器工作在开环状态而被限制，并且二极管峰值包络检波单元中无源二极管的开启阈值也导致了幅度的损失，同时固定阈值比较器的使用也导致了抗干扰能力较差，影响了整个系统的稳定性。

发明内容

针对现有技术中存在的OOK接收机解调电路抗干扰能力差，稳定性差，面积大、成本高的问题，本发明提供了一种片上集成的OOK接收机解调电路，其可提高接收器的抗阻塞和抗干扰能力，同时可减小整个器件的面积和成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种片上集成的OOK接收机解调器，用于解调所述OOK接收机的中频信号，其特征在于，其包括自动增益控制电路、峰值检测电路、限幅电路、增益控制电压调节电路、增益控制滤波电容、动态阈值提取电路和高速比较器，其中所述自动增益控制电路的输入端连接中频信号，输出端依次连接所述峰值检测电路、限幅器电路的输入端，所述限幅器电路的输出端分别连接所述高速比较器的输入端、动态阈值提取电路的输入端、增益控制电压调节电路的输入端，所述增益控制电压调节电路的输出端分别连接所述增益控制滤波电容、所述自动增益控制电路，所述动态阈值提取电路的输出端连接所述高速比较器的输入端，所述高速比较器的输出端即为所述解调电路的信号输出。

其进一步特征在于，

所述自动增益控制电路包括依次连接的五级可变增益放大器、一级固定增益放大器电路，每级所述可变增益放大器的输入端、第五级可变增益放大器与所述固定增益放大器电路之间串联交流耦合电容；

所述增益控制电压调节电路包括第一比较器、电荷泵、所述增益控制滤波电容，所述第一比较器的反向输入端连接所述限幅电路的输出，所示第一比较器的同向输入端连接参考电压VREF，所述第一比较器的输出端连接所述电荷泵的开关；

所述限幅电路为二极管、二极管结构的MOS管或缓冲器结构；

一种动态阈值提取电路，将该动态阈值提取电路应用于所述OOK接收机解调器，其特征在于，所述动态阈值提取电路包括第一运算放大器A1，第二运算放大器A2，第三运算放大器A3，第四运算放大器A4，第一分压电阻R1，第二分压电阻R2，开关S1、SN1、S2、SN2，电容C1、C2、C3、C4，第一 NMOS管M1及第二NMOS管M2，其中，所述开关S1和所述开关SN1为互补开关，所述开关S2和所述开关SN2为互补开关；其中，所述第一运算放大器A1和第一NMOS管组成第一有源二极管的结构，第二运算放大器A2和第二NMOS管M2组成第二有源二极管的结构；所述限幅器的输出连接第一运算放大器A1的反相输入端和第二运算放大器A2的同相输入端；所述第一有源二极管的输出端分别连接所述第三运算放大器A3的同相输入端、开关S1、电容 C3，所述第二有源二极管的输出端分别连接所述第四运算放大器A3的同相输入端、开关S2、电容C4；所述第三运算放大器A3的输出端与所述第三运算放大器的反向输入端连接作为第一缓冲器，同时连接所述开关SN2和所述电阻 R1，所述第四运算放大器A4的输出端连接所述第四运算放大器的反向输入端作为第二缓冲器，同时连接所述开关SN1和R2，所述开关S1、SN1与充电电容C1连接，所述开关S2和SN2与放电电容C2连接，所述第一分压电阻R1 与所述第二分压电阻R2连接作为动态阈值提取电路的输出。

一种峰值检测器，将该峰值检测器应用于所述OOK接收机解调器，其特征在于，所述峰值检测器包括所述峰值检测电路，所述峰值检测电路包括两个第二比较器、开关S10和S20、分压电阻R01和R02、电容C0、RC滤波器，两个所述第二比较器的正输入端分别连接中频差分信号V_INP、V_INN，负输入端连接所述分压电阻R01和R02，所述分压电阻R01和R02与两个所述第二比较器的正输入端构成对称结构，两个所述第二比较器的输出端分别通过开关S10、S20连接电容、RC滤波器。

采用本发明上述结构可以达到如下有益效果：1、本申请接收机解调器将自动增益控制电路、峰值检测电路、限幅电路、增益控制电压调节电路、增益控制滤波电容、动态阈值提取电路和高速比较器集成于同一器件中，相比于现有的分立器件，集成度大大提高，减小了整个器件的面积，同时提高了可靠性，降低了外部信号干扰。通过本申请接收机解调器实现了自动增益控制范围在 0dB～50dB的动态可调，具有极大的动态范围。

2、本申请接收机解调器集成了限幅电路，限幅电路具有基带信号低频滤波作用，抑制了毛刺对后级数字化输出的干扰，从而增强了抗阻塞和抗干扰能力，具有较好的适应性。

3、本申请接收机解调器集成了峰值检测电路，峰值检测电路包括两个互补式输出的低阈值比较器，其充分利用了正负半周期的信号幅度，降低了幅度的损失，同时通过RC滤波器对电压进行平滑滤波，减少了毛刺，提高了抗干扰能力，从而提高了整个系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明自动增益控制电路的电路原理图；

图3为本发明峰值检测电路的电路原理图；

图4为本发明动态阈值提取电路的电路原理图；

图5为本发明增益控制电压调节电路的电路原理图。

具体实施方式

见图1，一种片上集成的OOK接收机解调器，用于解调OOK接收机的中频信号，其包括自动增益控制电路1、峰值检测电路2、限幅电路3、增益控制电压调节电路4、增益控制滤波电容C、动态阈值提取电路6和高速比较器7，其中，自动增益控制电路1的输入端连接中频信号，输出端依次连接峰值检测电路2、限幅器电路3的输入端，限幅器电路3的输出端分别连接高速比较器7 的输入端、动态阈值提取电路6的输入端、增益控制电压调节电路4的输入端，增益控制电压调节电路4的输出端分别连接增益控制滤波电容C、自动增益控制电路1，增益控制滤波电容C作为增益控制电压负反馈输入到自动增益控制电压输入端作为控制电压，动态阈值提取电路6的输出端连接高速比较器的输入端，高速比较器7的输出端即为解调电路的信号输出。

见图2，自动增益控制电路1包括依次连接的五级可变增益放大器(VGA1、 VGA2、VGA3、VGA4、VGA5)、一级固定增益放大器电路，每级可变增益放大器的输入端、第五级可变增益放大器VGA5与固定增益放大器电路之间串联交流耦合电容，用于消除直流偏置的影响，五级可变增益放大器的增益由 V_CAGC电压控制；其中，固定增益放大器电路不仅提供固定的增益，而且为五级可变增益放大器提供偏置电压。可变增益放大器的增益大小由反馈电压 V_CAGC通过控制放大器的跨导放大器环节改变单级可变增益放大器的增益，从而增强各可变增益放大器的共模稳定性和线性度。

自动增益控制电路1将输入的中频信号放大后输出到峰值检测电路2，峰值检测电路2包括两个第二比较器、开关S10和S20、分压电阻R01和R02、电容C0、RC滤波器，两个第二比较器的正输入端分别连接中频差分信号V_INP、 V_INN，负输入端连接分压电阻R01和R02，分压电阻R01和R02与两个第二比较器的正输入端构成对称结构，两个第二比较器的输出端分别通过开关S10、 S20连接电容、RC滤波器。

见图5，增益控制电压调节电路4包括第一比较器A5、电荷泵、增益控制滤波电容C、开关S3、SN3，第一比较器A5的反向输入端V_IN连接限幅电路3 的输出，第一比较器A5的同向输入端连接参考电压V_REF，第一比较器A5的输出端连接电荷泵的开关S3、SN3，通过控制开关S3、SN3实现自动增益控制电路1的增益的调整；限幅电路为二极管、二极管结构的MOS管或缓冲器结构；

见图4，动态阈值提取电路6包括第一运算放大器A1，第二运算放大器 A2，第三运算放大器A3，第四运算放大器A4，第一分压电阻R1，第二分压电阻R2，由两相不交叠时钟控制的开关S1、SN1、S2、SN2，电容C1、C2、 C3、C4，第一NMOS管M1及第二NMOS管M2，其中，开关S1和开关SN1 为互补开关，开关S2和开关SN2为互补开关；其中，第一运算放大器A1和第一NMOS管组成第一有源二极管的结构，第二运算放大器A2和第二NMOS 管M2组成第二有源二极管的结构；限幅电路的输出连接第一运算放大器A1 的反相输入端和第二运算放大器A2的同相输入端；第一有源二极管的输出端分别连接第三运算放大器A3的同相输入端、开关S1、电容C3，第二有源二极管的输出端分别连接第四运算放大器A3的同相输入端、开关S2、电容C4；第三运算放大器A3的输出端与第三运算放大器的反向输入端连接作为第一缓冲器，同时连接开关SN2和电阻R1，第四运算放大器A4的输出端连接第四运算放大器的反向输入端作为第二缓冲器，同时连接开关SN1和R2，开关S1、SN1 与充电电容C1连接，开关S2和SN2与放电电容C2连接，第一分压电阻R1 与第二分压电阻R2连接作为动态阈值提取电路的输出。

一种OOK接收机信号解调方法，将该方法应用于上述OOK接收机解调器中，信号解调方法包括：S1、输入中频信号至自动增益控制电路的输入端，通过自动增益控制电路对中频信号放大，获取放大中频信号；

S2、放大中频信号输入至峰值检测电路，通过峰值检测电路包络检波，解调出放大中频信号包络上的基带信号，具体解调方法包括：峰值检测器电路主要是用于包络检波，可以将自动增益控制电路1的中频信号包络上所带有的基带信号恢复出来。传统的二极管包络检波，由于二级管存在开启阈值，因此包络会受损，且对于小信号不敏感，降低了接收机的灵敏度。本发明根据上述缺点提出一种新型结构的峰值检测电路(峰值检测器)，如图3所示，中频差分信号V_INP、V_INN各自输入一个比较器的正输入端，比较器的负输入端接经过电阻分压的反馈电压Vback，两者呈现对称结构；输出节点V_OUT1连接峰值电压暂存电容C03，同时连接一个放电通路，然后输出端V_OUT与RC滤波器连接，通过RC滤波器对V_OUT1电压平滑，减少毛刺。其基本原理为：根据OOK 接收器信号的特点，当中频差分信号V_INP、V_INN分别输出到两个比较器的端口时，此时中频正弦波信号的幅度大于静态下的Vback电压，交替打开开关S10、 S20，使恒定充电电流对峰值电压暂存电容C03充电，直至Vback大于V_IFP、 V_IFN时，充电停止，此时最大电压值被保留在峰值电压暂存电容C03中。当中频信号的包络为0时，中频信号就被拉低为0，此时开关S10、S20均关断，放电通路将存储在电容C03中的峰值电压泄放掉，此时峰值检测电路2(包络检波器)输出为低电平，从而实现中频信号的包络的提取，即解调出放大中频信号包络上的基带信号，同时开关S10、S20开启的阈值可通过调节电阻R01、 R02实现。峰值检测电路中的两个比较器为互补式输出的低阈值比较器，充分了利用正负半周期的信号幅度，同时低阈值比较器的使用可以得到无损检测峰值，同时适当控制电压暂存电容的放电电流，使其周期远小于充电周期，从而将中频信号的包络取出来，送至下一级比较器进行数字化标准信号的输出。

S3、峰值检测电路2将基带信号输入至限幅器电路3，通过限幅器电路3 对基带信号进行滤波，输出三路信号：反馈信号、交流信号、待比较信号，反馈信号输出至增益控制电压调节电路，交流信号输出至动态阈值提取电路，待比较信号输出至比较器电路；限幅器电路3的作用为：若峰值检测电路2的包络过大，则减小自动增益控制电路1的增益，中频信号的输入及其自身的噪声干扰，会造成严重的数据丢失和误判，同时限幅器电路3中具有RC滤波器， RC滤波器具有对基带信号进行低频滤波的作用，从而抑制了毛刺对后级数字化输出的干扰，增强了抗阻塞能力。

S4、当反馈信号小于增益控制电压调节电路4的参考电压V_REF时，电荷泵的充电开关S3打开，并对增益控制滤波电容C放电，参考电压V_CAGC的值升高，此时需调整自动增益控制电路1的增益，使其增益变大。当限幅器的输出大于参考电压V_REF时，电荷泵充电关闭，放电开关SN3打开，并对增益控制滤波电容C放电，电压V_CAGC降低，此时减小自动增益控制电路1的增益。通过开关S3、SN3自动调整增益，保持限幅器的输出稳定在参考电压V_REF。

S5、通过动态阈值提取电路对交流信号进行调整，提取动态阈值，调整方法包括：通过对开关S1、SN1、S2、SN2控制，使限幅器电路输出的交流信号为高电位或低电位，具体控制方法包括：

S51，当开关SN1闭合时，开关S1打开，第四运算放大器输出的高电平对电容C1充电；当开关SN1打开时，开关S1闭合，电容C1对电容C3放电，电容C3电压升高，第一运算放大器的同相输入端的电压大于第一运算放大器 A1的反相输入端电压，第一NMOS管M1打开，电容C3再次向第一电流源放电，直到电容C3上的电压再次小于第一运算放大器A1的反相输入端的电压时，第一NMOS管M1关闭，限幅器电路输出的交流信号保持为低电位。

当限幅器电路输出的交流信号为高电位时，第二运算放大器A2的输出为高，电容C4初始电位为低，即第二NMOS管M2的栅极电位为高，所以第二 NMOS管M2打开，第二电流源VDD对电容C4充电，直到电容C4上的电压大于第二运算放大器A2的同相输入端的电压时，第二NMOS管M2关闭，通过电容C4保持限幅器电路输出的交流信号为高电位，并通过第二缓冲器传送到至第二分压电阻R2。

S52，当开关S2打开时，开关SN2闭合，电容C2放电；当开关S2闭合时，开关SN2打开，电容C4上的高电平对电容C2放电，电容C4电压降低，第二运算放大器的反相输入端的电压小于第二运算放大器的同相输入端电压，第二NMOS管M2打开，第二电流源再次向电容C4充电，直到电容C4上的电压再次大于第二运算放大器的同相输入端的电压时，第一NMOS管M2关闭，限幅器电路输出的交流信号保持为高电位。

当限幅器电路输出的交流信号为低电位时，第一运算放大器的输出为高， C3初始电位为高，即第一NMOS管M1的栅极电位为高，所以第一NMOS管 M2打开，第一电流源对电容C3放电，直到电容C3上的电压小于第一运算放大器A1的反相输入端的电压时，第一NMOS管M1关闭，通过电容C3保持限幅器电路输出的交流信号为低电位，并通过第一缓冲器传送至第一分压电阻 R1。

S53、动态阈值提取电路的输出电压V_OUT＝(V_HIGN+V_LOW)/2，其中V_LOW为限幅器电路输出信号的低电平，V_HIGN为限幅器电路输出信号的高电平。当限幅器电路输出的交流信号幅度发生变化时，由于第一有源二极管被电容C3限制在低电平，第二有源二极管被电容C4限制在高电平，V_OUT电压保持信号变化前的大小。从而动态阈值提取电路的输出电压V_OUT＝(V_HIGN+V_LOW)/2能够实时的跟随输入信号的变化而调整，达到动态阈值提取的目的。

S6、将动态阈值提取电路输出的动态阈值作为高速比较器的中间值，通过高速比较器将待比较信号转换为数字信号，数字信号即为发射机发射的基带数据信号。

以上的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种接收机解调器，用于解调所述OOK接收机的中频信号，其特征在于，其包括自动增益控制电路、峰值检测电路、限幅电路、增益控制电压调节电路、增益控制滤波电容、动态阈值提取电路和高速比较器，其中所述自动增益控制电路的输入端连接中频信号，输出端依次连接所述峰值检测电路、限幅器电路的输入端，所述限幅器电路的输出端分别连接所述高速比较器的输入端、动态阈值提取电路的输入端、增益控制电压调节电路的输入端，所述增益控制电压调节电路的输出端分别连接所述增益控制滤波电容、所述自动增益控制电路，所述动态阈值提取电路的输出端连接所述高速比较器的输入端，所述高速比较器的输出端即为所述解调电路的信号输出。

2.根据权利要求1所述的接收机解调器，其特征在于，所述自动增益控制电路包括依次连接的五级可变增益放大器、一级固定增益放大器电路，每级所述可变增益放大器的输入端、第五级可变增益放大器与所述固定增益放大器电路之间串联交流耦合电容。

3.根据权利要求2所述的接收机解调器，其特征在于，所述增益控制电压调节电路包括第一比较器、电荷泵、所述增益控制滤波电容，所述第一比较器的反向输入端连接所述限幅电路的输出，所述第一比较器的同向输入端连接参考电压VREF，所述第一比较器的输出端连接所述电荷泵的开关。

4.根据权利要求3所述的接收机解调器，其特征在于，所述限幅电路为二极管、二极管结构的MOS管或缓冲器结构。

5.根据权利要求4所述的接收机解调器，其特征在于，所述动态阈值提取电路包括第一运算放大器A1，第二运算放大器A2，第三运算放大器A3，第四运算放大器A4，第一分压电阻R1，第二分压电阻R2，开关S1、SN1、S2、SN2，电容C1、C2、C3、C4，第一NMOS管M1及第二NMOS管M2，其中，所述开关S1和所述开关SN1为互补开关，所述开关S2和所述开关SN2为互补开关；其中，所述第一运算放大器A1和第一NMOS管组成第一有源二极管的结构，第二运算放大器A2和第二NMOS管M2组成第二有源二极管的结构；所述限幅器的输出连接第一运算放大器A1的反相输入端和第二运算放大器A2的同相输入端；所述第一有源二极管的输出端分别连接所述第三运算放大器A3的同相输入端、开关S1、电容C3，所述第二有源二极管的输出端分别连接所述第四运算放大器A3的同相输入端、开关S2、电容C4；所述第三运算放大器A3的输出端与所述第三运算放大器的反向输入端连接作为第一缓冲器，同时连接所述开关SN2和所述电阻R1，所述第四运算放大器A4的输出端连接所述第四运算放大器的反向输入端作为第二缓冲器，同时连接所述开关SN1和R2，所述开关S1、SN1与充电电容C1连接，所述开关S2和SN2与放电电容C2连接，所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2连接作为动态阈值提取电路的输出。

6.一种峰值检测器，将该峰值检测器应用于权利要求1或5所述OOK接收机解调器，其特征在于，所述峰值检测器包括所述峰值检测电路，所述峰值检测电路包括两个第二比较器、开关S1和S2、分压电阻R01和R02、电容C0、RC滤波器，两个所述第二比较器的正输入端分别连接中频差分信号V_INP、V_INN，负输入端连接所述分压电阻R01和R02，所述分压电阻R01和R02与两个所述第二比较器的正输入端构成对称结构，两个所述第二比较器的输出端分别通过开关S1、S2连接电容、RC滤波器。

7.一种信号解调方法，该方法应用于权利要求1所述解调器中，所述解调器包括权利要求6所述的峰值检测器，其特征在于，所述方法包括：S1、输入中频信号至所述自动增益控制电路的输入端，通过所述自动增益控制电路对所述中频信号放大，获取放大中频信号；

S2、所述放大中频信号输入至所述峰值检测电路，通过所述峰值检测电路包络检波，解调出所述放大中频信号包络上的基带信号；

S3、将所述基带信号输入至所述限幅器电路，通过所述限幅器电路对所述基带信号进行滤波，输出三路信号：反馈信号、交流信号、待比较信号，所述反馈信号输出至所述增益控制电压调节电路，所述交流信号输出至所述动态阈值提取电路，所述待比较信号输出至所述比较器电路；

S4、当所述反馈信号小于所述增益控制电压调节电路的参考电压VREF时，所述电荷泵的充电关闭，放电打开并对所述增益控制滤波电容放电，同时调整所述增益控制电压调节电路的增益，使所述限幅器输出的反馈信号稳定在所述参考电压VREF；

S5、通过所述动态阈值提取电路对所述交流信号进行调整，提取动态阈值；

S6、将所述动态阈值提取电路输出的动态阈值作为所述高速比较器的中间值，通过所述高速比较器将所述待比较信号转换为数字信号，所述数字信号即为所述发射机发射的基带数据信号。

8.根据权利要求7所述的OOK接收机信号解调方法，其特征在于，步骤S5中，通过所述动态阈值提取电路对所述交流信号进行调整，调整方法包括：通过对所述开关S1、SN1、S2、SN2控制，使所述限幅器电路输出的交流信号为高电位或低电位，具体控制方法包括：

S51，所述开关SN1闭合，所述开关S1打开，所述第四运算放大器输出的高电平对所述电容C1充电；当所述开关SN1打开时，所述开关S1闭合，所述电容C1对所述电容C3放电，所述电容C3电压升高，所述第一运算放大器的同相输入端的电压大于所述第一运算放大器A1的反相输入端电压，所述第一NMOS管M1打开，所述电容C3再次向所述第一电流源放电，直到所述电容C3上的电压再次小于所述第一运算放大器A1的反相输入端的电压时，所述第一NMOS管M1关闭，使所述限幅器电路输出的交流信号保持为低电位V_LOW。

S52，所述开关S2打开，所述开关SN2闭合，所述电容C2放电；当所述开关S2闭合时，所述开关SN2打开，所述电容C4上的高电平对所述电容C2放电，所述电容C4电压降低，所述第二运算放大器的反相输入端的电压小于所述第二运算放大器的同相输入端电压，所述第二NMOS管M2打开，所述第二电流源再次向所述电容C4充电，直到所述电容C4上的电压再次大于所述第二运算放大器的同相输入端的电压时，所述第一NMOS管M2关闭，使所述限幅器电路输出的交流信号保持为高电位V_HIGN。

S53、所述动态阈值提取电路的输出电压V_OUT＝(V_HIGN+V_LOW)/2，其中V_LOW为所述限幅器电路输出信号的低电平，V_HIGN为所述限幅器电路输出信号的高电平。

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