CN114866108A - 一种用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机，低噪音放大器、混频器、延迟电路、衰减电路、隔直电容、中频放大器、低通滤波器以及模数转换器依次连接，混频器的输出端还连接整流电路的输入端，整流电路的输出端连接调节电路的输入端，调节电路的输出端连接衰减电路的控制端；整流电路用于对所述混频器输出信号进行全波整流；调节电路用于在整流电路的输出信号幅值大于参考电压时，输出衰减控制信号到衰减电路，控制衰减电路对输入信号产生信号衰减作用。本发明提供的接收机结构，解决了带有发射调制信号的干扰进入接收机后接收机恢复时间长的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线接收机结构，具体涉及一种用于半双工通信的无线接收机结构。
背景技术
半双工(Half Duplex)数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。在半双工无线通信中，发射机和接收机复用同一个天线，对于两个时段，采用时分复用的方式进行数据交换。由于电子设计中隔离度的不足，使得带有发射调制信号的干扰进入接收机，这部分信号经过射频前端的放大，转化为大信号干扰，使得接收机的电压偏置受到影响。从上述发方发射信号结束，到收方收到发射信号然后返回信号开始，两者时间间隔非常短，当微弱的返回信号进入接收机时，接收机的偏置无法及时恢复，造成接收机模块工作不正常，不能及时解调信号，造成信息的丢失。
并且，在现代无线电接收机设计中，常使用直接转换的接收机结构设计，不同于超外差接收机，直接转换的接收机混频的本振频率等于载波频率，这样中频频率就为零，所以再不存在镜像频率与镜频干扰，这种方案通常称为零中频方案。该方案的射频部分省去了镜像滤波器，而中频滤波器变成了低通滤波器，简化了系统的构成，降低了设计和实现的难度，节约了成本。但是这样的接收机结构存在直流偏移的干扰，通用的解决方式是在下变频之后，使用隔直电容耦合。而隔直电容的取值，往往要足够大才能使得基带信号通过，而大的电容又会造成大的时间常数，一旦偏置电压发生偏移，要电路恢复到正常状态将会需要更长的时间，如果真正有用的信号在这段恢复时间内到来，电路处于不正常状态将造成信息的丢失。而使用电容值小的隔直电容，虽然一定程度减少了恢复时间，但是又会对下变频的信号产生衰减，降低信噪比，进而给解调带来更高的误码率。
现有技术中，若采用时分复用的方式，通过数字逻辑实现直流电平的恢复，例如在发射期间隔断接收机通路，接收信号期间打开接收机通路，这带来了两个问题，一个是如何准确界定这两个时间段，另一个是两个时期切换时造成电压波动，给后级造成更大的解调问题。还有的技术是通过自干扰消除的方式消除直流电平偏移的影响，即引入一部分与干扰信号幅度相等、相位相反的信号进行叠加，但是要产生这样的信号需要特定算法实现，并且将会引入额外的硬件结构。
因此，现有技术存在的问题概括如下：
1.带有发射调制信号的干扰通过下变频，将带来大信号干扰，在微弱信号到来前接收机不能及时建立合适的偏置电压，造成信息的丢失。
2.在已有解决方案中，运用发射接收时分复用、自干扰消除等比较复杂的方法解决因发射调制信号干扰导致电压偏移的问题，造成设计和成本的困难。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机，解决带有发射调制信号的干扰进入接收机后接收机恢复时间长的问题。
技术方案：一种用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机，包括低噪音放大器、混频器、整流电路、调节电路、延迟电路、衰减电路、隔直电容、中频放大器、低通滤波器以及模数转换器；所述低噪音放大器、混频器、延迟电路、衰减电路、隔直电容、中频放大器、低通滤波器以及模数转换器依次连接，所述低噪音放大器的输入端连接外部的天线；所述混频器的输出端还连接整流电路的输入端，所述整流电路的输出端连接调节电路的输入端，所述调节电路的输出端连接所述衰减电路的控制端；
所述整流电路用于对所述混频器输出信号进行全波整流；
所述调节电路用于在所述整流电路的输出信号幅值大于参考电压时，输出衰减控制信号到所述衰减电路，控制所述衰减电路对输入信号产生信号衰减作用；
所述延迟电路用于对所述混频器输出信号进行延时，使得信号到所述衰减电路之前，通过所述整流电路、调节电路已经完成了对所述衰减电路的控制。
进一步的，所述参考电压包括多级电压，用于根据需要的精度选择对应的电压等级。
进一步的，所述整流电路包括电阻Rn1、电阻Rn2、电阻Rn3、二极管D1、第一运算放大器、二极管D2，电阻的阻值满足Rn1=Rn3=2Rn2；二极管D1和二极管D2采用肖特基二极管；电阻Rn1的一端作为整流电路的输入端，电阻Rn1的另一端同时与电阻Rn2和电阻Rn3的一端连接，电阻Rn3的另一端连接二极管D1的正极以及第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的正相输入端接地，第一运算放大器的输出端与二极管D1的负极以及二极管D2的正极相连，二极管D2的负极与电阻Rn2的另一端相连并作为整流电路的输出端。
进一步的，所述调节电路包括电阻R1~电阻Rn共n个电阻、开关组、比较器；电阻R1~电阻Rn串联在电压VREF与地之间，形成电压VREF的分压电路，各分压电阻之间的连接节点分别通过开关组中的一个开关连接到比较器的负输入端，比较器的正输入端作为调节电路的输入端，比较器的输出端作为调节电路的输出端；当调节电路输入的信号幅度大于比较器负输入端输入的参考电压VCOM时，比较器输出高电平的的衰减控制信号。
进一步的，所述衰减电路包括反相器、开关、电阻Rm1、电阻Rm2、电阻Rf、第二运算放大器，电阻的阻值满足Rm1= Rf，Rm2>>(Rm1+Rf)；反相器的输入端连接调节电路的输出端，反相器的输出端连接开关的控制端；电阻Rm1的一端作为衰减电路的输入端，用于连接延迟电路的输出端，电阻Rm1的另一端连接电阻Rm2的一端，电阻Rm2的另一端连接第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的同相输入端接地，电阻Rf并联在第二运算放大器的反相输入端与输出端之间，第二运算放大器的输出端作为衰减电路的输出端，开关并联在电阻Rm2两端；当所述调节电路输出高电平的衰减控制信号时，开关断开，使衰减电路能够产生信号衰减作用；当调节电路输出为低电平时，开关闭合，衰减电路变为反相跟随器。
有益效果：1、本发明能解决半双工通信中发射信号干扰的问题；2、本发明能自适应调节，快速建立接收机的直流电平点；3、本发明电路模块容易实现，分立电路和集成电路均可应用。
附图说明
图1为本发明接收机结构示意图；
图2为本发明接收机结构中整流电路的电路图；
图3为本发明接收机结构中调节电路的电路图；
图4为本发明接收机结构中衰减电路的电路图；
图5为本发明接收机工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机结构，天线103属于无线接收机外部结构，接收机内部电路包括低噪音放大器104、混频器105、整流电路101、调节电路102、延迟电路106、衰减电路107、隔直电容108、中频放大器109、低通滤波器110、模数转换器111。低噪音放大器104、混频器105、延迟电路106、衰减电路107、隔直电容108、中频放大器109、低通滤波器110以及模数转换器111依次连接，低噪音放大器104的输入端连接外部的天线103；混频器105的输出端还连接整流电路101的输入端，整流电路101的输出端连接调节电路102的输入端，调节电路102的输出端连接衰减电路107的控制端。
天线103用于捕获空中微弱的无线电信息，同时在半双工通信中承担信号发射的任务。低噪音放大器104用于放大微弱的无线电信号，同时具有低的噪声系数，避免带来多余的噪声，影响接收的信噪比。混频器105用于将射频信号上的信息搬移到低频率处，形成基带信号，方便后级放大器进行处理。整流电路101与延迟电路106共用混频器105的输出，信号通过整流电路101的整流后，会在调节电路102被处理成与其幅度相关的衰减控制信号，控制衰减电路107的衰减大小。另一路基带会正常通过延迟电路106和衰减电路107，延迟电路106的目的是延迟信号通过的时间，使得信号到达衰减电路107之前，通过整流电路101、调节电路102已经完成了对衰减电路107的控制。隔直电容108作用是常见的零中频接收机结构，用于滤除下变频产生的直流分量，隔直电容108和中频放大器109的输入共同形成了一个高通滤波器，要设置滤波器的截止频率尽可能低，即低于信号频率的1%，才能使得基带信号的通过尽量减少损耗。中频放大器109进一步放大基带信号，作为低通滤波器110的输入，滤除不必要的高频分量，最后基带信号经过模数转换器111转换为数字分量，供给后级的数字模块处理。
如图2所示，整流电路101具有全波整流功能，由电阻Rn1、电阻Rn2、电阻Rn3、二极管D1、第一运算放大器205、二极管D2组成，电阻的阻值满足Rn1=Rn3=2Rn2，二极管D1和二极管D2采用肖特基二极管，产生尽可能低的导通电压。电阻Rn1的一端作为整流电路101的输入端，电阻Rn1的另一端同时与电阻Rn2和电阻Rn3的一端连接，电阻Rn3的另一端连接二极管D1的正极以及第一运算放大器205的反相输入端，第一运算放大器205的正相输入端接地，第一运算放大器205的输出端与二极管D1的负极以及二极管D2的正极相连，二极管D2的负极与电阻Rn2的另一端相连并作为整流电路101的输出端。当整流电路101的输入信号Vin是正电压时，二极管D1导通，二极管D2断开，整流电路101的输出信号Vout=0.5Vin。当输入信号Vin是负电压时，二极管D1断开，二极管D2导通，输出信号Vout=-0.5Vin，实现全波整流的效果。
如图3所示，调节电路102由电阻R1~电阻Rn共n个电阻、开关组301、比较器302组成，电阻R1~电阻Rn串联在电压VREF与地之间，形成电压VREF的分压电路，各分压电阻之间的连接节点分别通过开关组301中的一个开关连接到比较器302的负输入端，比较器302的正输入端作为调节电路102的输入端，比较器302的输出端作为调节电路102的输出端，用于输出衰减控制信号。当调节电路102输入的信号幅度大于比较器302负输入端输入的参考电压VCOM时，比较器302输出高电平的衰减控制信号。本电路中，通过电阻分压将电压VREF分成多级电压，从而可根据需要的比较精度控制开关组301中对应开关的闭合来选择合适的电压作为参考电压VCOM，当选择电阻Ri与R(i-1)之间的连接节点输出参考电压时，
，其中，i取2,3...n。
如图4所示，衰减电路107能够产生信号衰减的作用，由反相器401、开关402、电阻Rm1、电阻Rm2、电阻Rf、第二运算放大器406组成。反相器401的输入端连接调节电路102的输出端，反相器401的输出端连接开关402的控制端。电阻Rm1的一端作为衰减电路107的输入端，用于连接延迟电路106的输出端，电阻Rm1的另一端连接电阻Rm2的一端，电阻Rm2的另一端连接第二运算放大器406的反相输入端，第二运算放大器406的同相输入端接地，电阻Rf并联在第二运算放大器406的反相输入端与输出端之间，第二运算放大器406的输出端作为衰减电路107的输出端，开关402并联在电阻Rm2两端。当衰减控制信号为高电平时，开关402断开，使衰减电路107产生信号衰减作用，电阻的阻值满足Rm1= Rf，Rm2>>(Rm1+Rf)，保证衰减电路107的输出Vout=-Vin(Rf/ (Rm+Rm2))趋近于0；其中，远大于“>>”即阻值相差100倍以上。当衰减控制信号为低电平时，开关402闭合，衰减电路107变为反相跟随器，衰减电路107输出Vout=-Vin。
如图5所示，图中的LNA即低噪音放大器104，本发明用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机结构的具体工作过程如下：
S1：电路开始工作，即发射机启动，带发射调制的射频干扰通过天线或者电路板等途径泄露到接收机链路中；
S2：带发射调制的射频干扰进入低噪音放大器104和混频器105作放大和频率转换处理，解调出发射调制信息，形成基带的大信号干扰；
S3：大信号干扰先进入整流电路101，进行全波整流；
S4：经过整流的信号在调节电路102中与参考电压VCOM进行比较，在大于参考电压VCOM的时段产生衰减控制信号；
S5：衰减控制信号使衰减电路107生效，保证衰减电路107处于衰减状态；
S6：在步骤S2中形成的大信号干扰同时经过延迟电路106的路径到达衰减电路107，此时大信号干扰在衰减电路的作用下幅度大幅降低，最后几乎不产生电压波动，从而使得接收链路直流电平得到快速恢复；
S7：从发方发射信号结束，到收方开始返回信号的这段时间内，发射机的发射干扰再也影响不到接收机的偏置电压；
S8：随后接收机接收到微弱信号，同样经过低噪音放大器104和混频器105放大和频率转换，但是此时的基带并未形成大信号，而是小信号；
S9：小信号经过整流电路101全波整流并未能使调节电路102产生衰减控制信号，此时衰减电路107自适应变为反相跟随器；
S10：小信号经过延迟电路106支路和反相跟随器后，顺利通过隔直电容108；
S11：小信号经过后级放大和滤波，再通过模数转换器111变为数字信号，给后级进行下一步的处理，至此完成了半双工通信的一次发送与解调，实现了快速恢复接收机偏置电压的过程。
本发明利用发射时间段干扰接收机时，产生大信号的特点，使衰减电路处于衰减状态，保证这段时间内经过衰减电路的输出电压偏移足够小，使得后级的直流飘移几乎没有，而收到小信号时，又能自适应的恢复接收链路的增益，实现完整接收机的功能，在两个时段转换瞬间，也不会带来过大的电压波动，从而实现了快速恢复直流电压的接收机功能。
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 (5)
1.一种用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机，其特征在于，包括低噪音放大器（104）、混频器（105）、整流电路（101）、调节电路（102）、延迟电路（106）、衰减电路（107）、隔直电容（108）、中频放大器（109）、低通滤波器（110）以及模数转换器（111）；所述低噪音放大器（104）、混频器（105）、延迟电路（106）、衰减电路（107）、隔直电容（108）、中频放大器（109）、低通滤波器（110）以及模数转换器（111）依次连接，所述低噪音放大器（104）的输入端连接外部的天线（103）；所述混频器（105）的输出端还连接整流电路（101）的输入端，所述整流电路（101）的输出端连接调节电路（102）的输入端，所述调节电路（102）的输出端连接所述衰减电路（107）的控制端；
所述整流电路（101）用于对所述混频器（105）输出信号进行全波整流；
所述调节电路（102）用于在所述整流电路（101）的输出信号幅值大于参考电压时，输出衰减控制信号到所述衰减电路（107），控制所述衰减电路（107）对输入信号产生信号衰减作用；
所述延迟电路（106）用于对所述混频器（105）输出信号进行延时，使得信号到所述衰减电路（107）之前，通过所述整流电路（101）、调节电路（102）已经完成了对所述衰减电路（107）的控制。
2.根据权利要求1所述的用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机，其特征在于，所述参考电压包括多级电压，用于根据需要的精度选择对应的电压等级。
3.根据权利要求1所述的用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机，其特征在于，所述整流电路（101）包括电阻Rn1、电阻Rn2、电阻Rn3、二极管D1、第一运算放大器（205）、二极管D2，电阻的阻值满足Rn1=Rn3=2Rn2；二极管D1和二极管D2采用肖特基二极管；电阻Rn1的一端作为整流电路（101）的输入端，电阻Rn1的另一端同时与电阻Rn2和电阻Rn3的一端连接，电阻Rn3的另一端连接二极管D1的正极以及第一运算放大器（205）的反相输入端，第一运算放大器（205）的正相输入端接地，第一运算放大器（205）的输出端与二极管D1的负极以及二极管D2的正极相连，二极管D2的负极与电阻Rn2的另一端相连并作为整流电路（101）的输出端。
4.根据权利要求2所述的用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机，其特征在于，所述调节电路（102）包括电阻R1~电阻Rn共n个电阻、开关组（301）、比较器（302）；电阻R1~电阻Rn串联在电压VREF与地之间，形成电压VREF的分压电路，各分压电阻之间的连接节点分别通过开关组（301）中的一个开关连接到比较器（302）的负输入端，比较器（302）的正输入端作为调节电路（102）的输入端，比较器（302）的输出端作为调节电路（102）的输出端；当调节电路（102）输入的信号幅度大于比较器（302）负输入端输入的参考电压VCOM时，比较器（302）输出高电平的的衰减控制信号。
5.根据权利要求1-4任一所述的用于半双工通信中快速恢复偏置电压的接收机，其特征在于，所述衰减电路（107）包括反相器（401）、开关（402）、电阻Rm1、电阻Rm2、电阻Rf、第二运算放大器（406），电阻的阻值满足Rm1= Rf，Rm2>>(Rm1+Rf)；反相器（401）的输入端连接调节电路（102）的输出端，反相器（401）的输出端连接开关（402）的控制端；电阻Rm1的一端作为衰减电路（107）的输入端，用于连接延迟电路（106）的输出端，电阻Rm1的另一端连接电阻Rm2的一端，电阻Rm2的另一端连接第二运算放大器（406）的反相输入端，第二运算放大器（406）的同相输入端接地，电阻Rf并联在第二运算放大器（406）的反相输入端与输出端之间，第二运算放大器（406）的输出端作为衰减电路（107）的输出端，开关（402）并联在电阻Rm2两端；当所述调节电路（102）输出高电平的衰减控制信号时，开关（402）断开，使衰减电路（107）能够产生信号衰减作用；当调节电路（102）输出为低电平时，开关（402）闭合，衰减电路（107）变为反相跟随器。
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