CN1181659A - 窄带接收机中获得快速自动增益控制响应的方法 - Google Patents

Abstract

在窄带接收机中获得快速自动增益控制响应的方法包括开环AGC环路(100),将AGC放大级(104)的增益控制信号(106)幅度设定于一个已知值上,随时间变更增益控制信号的幅度,监视窄带接收机的输出信号(112)。检测出输出信号(112)时保持住增益控制信号幅度变更;闭环AGC环路并开始正常操作。在环路闭环后和在正常操作开始前以可变增益检测器(116,132)检测该输出信号。

Description

窄带接收机中获得快速自动 增益控制响应的方法

本发明涉及窄带接收机，具体涉及窄带零中频(ZIF)接收机。尤其是，涉及使用了自动增益控制(AGC)的窄带ZIF接收机。

窄带ZIF接收机往往具有慢的AGC环路建立时间。其原因部分地是由于AGC系统的闭环性质，和窄带宽滤波器往往在滤波器转折频率附近会附加长的相位延时的事实，因此对于AGC环路的最大环路带宽设立了稳定性限制。对于窄带ZIF接收机来说，AGC建立时间在4-6毫秒范围内可被认为是较优的。尽管如此，现有几种显露出的用途要求稳定时间在2毫秒以下。

AGC环路在理论上带宽宽得足以实现所需的稳定时间，通常是不稳定的或欠阻尼的，因而在AGC环路增益控制信号中含有过分的波动。另一种解决方案建议：在稳定期间切换在较快速的AGC环路上，然后在正常操作期间切换到较慢的AGC环路上。遗憾的是，当快速的AGC环路被切换到较慢的AGC环路时，由于快速环路跟踪调幅(AM)信号，因而增益控制信号中的波动会使控制信号留置在一个随机地高的电平上。从该过冲状态中复原需要有一个附加的稳定时间。本领域的技术人员理解，这附加的稳定时间只是为了在第一种情况下消除采用快速环路的目的才工作的。

由于这些原因，提供出一种用以在窄带ZIF接收机中获得快速AGC响应(稳定时间)的方法将是极为有益的。

图1示出一种与窄带无线电接收机一起应用的AGC环路的方框图。

图2示出按照本发明用于获得快速AGC响应的步骤的流程图。

图3示出图1所示的AGC检测器的详细电路图。

虽然，本说明书是以权利要求书结束的，其中限定了被认为是新颖性的本发明的特点，但可以相信，结合附图来考虑下文的描述，将会更好地理解本发明。

现在，参看图1，图中示出一种与窄带无线电接收机一起应用的自动增益控制(AGC)环路的详细方框图。AGC环路100含有一个正向传输通路和两个反馈环路，后者与前者正向通路耦合。在优选实施例中，正向传输通路包含自动增益控制(AGC)放大器104、下变频器108和低通滤波器(LPF)110。AGC环路100的输入是中频(IF)信号102，其输出112是基带正交信号112。在第一反馈通路中，一个电压检测器128位于低通滤波器110输入端处用来检测正向传输通路中的信号状态情况，即信号存在和/或不存在。

另一个检测器130用来控制正向通路中的信道外(off-channel)和/或邻信道(不希望的)信号的幅度。一个第三检测器132用来压抑任何过冲状态，下文对此将要较详细地描述。在第二反馈通路中，一个电压检测器142位于低通滤波器110输出端处，用来检测正向通路中的信号状态情况，即信号存在和/或不存在。另一个检测器114用来控制正向通路中信道内(on-channel)(希望的)信号的幅度。一个第三检测器116用来压抑任何过冲状态，下文对此将要较详细地描述。检测器114和130最好是平方和(SOS)检测器，它们提供出一个输出电流，它与正交输入电压的平方和成比例。信道外检测器130在操作中其阈值点设定得足够大，以使它对信道内信号的存在无反应。信道内检测器114检测LPF110输出端上的信号，它对信道外信号无反应，因为这种信号基本上由LPF110衰减了。信道内检测器114和信道外检测器130的输出电流组合一起，馈送至AGC积分电容器156，它产生增益控制信号106，通过驱动器162施加到AGC放大器104上，以控制AGC放大器104的增益。驱动器162对输入功率电平应当具有线性的斜率，这里所述的“斜率”定义为增益控制信号106中每伏电压变化引起的放大器衰减量分贝(dB)数。用数学表示时，斜率的单位为dB/V。

本领域的技术人员在考察图1后可以理解，这种配置在操作时随着信道外信号电平的增加，将产生出分级劣化的信道内信号。这被实现部分地在于，定义信道内AGC阈值为LPF110输出中摆动的最大所需信道内电压。然后，将信道外AGC阈值定为LPF110输入端上摆动的最大所需信道外电压。

对于阈值而言，流进和流出积分电容器156的净电流的总和为零，为此，借助于对流进积分电容器156中的电流进行平衡，可使阈值能被实现。

按照优选实施例，在检测器114的输出端上使用了一个陷电流槽(current sink)(图中未示出)。对于信道内检测器114而言，陷电流槽电流值被设定得可在检测器114输入电压处于AGC阈值时，检测器114输出电流值等于陷电流槽的电流值。相反地，如果给检测器114的信道内输入电压小于AGC阈值电压，则检测器114输出电流值将小于陷电流槽的电流值，并且来自检测器114的电流为一个陷电流槽。另一方面，如果给SOS检测器114的信道内输入电压大于AGC阈值电压，则检测器114输出电流值将大于陷电流槽的电流值，并且来自检测器114的电流将是一个电流源。信道外检测器130被设置得可使它只在强的信道外信号存在时它才流出电流。对于弱的信道外信号，信道外检测器130的净输出电流为零。

当复合的SOS检测器114/130吸收电流时，增益控制信号106的幅度减小。增益控制信号106幅度的减小导致AGC放大器级104对输入102的衰减减小。相反地，当复合的SOS检测器114/130输出电流时，增益控制信号106的幅度增加。增益控制信号106幅度的增加导致AGC放大器104对输入102的衰减增大。复合的SOS检测器114/130被安排得对于弱的信道内信号而言，SOS检测器114/130吸收电流，降低增益控制信号106的幅度，降低AGC放大器104的衰减，从而增大输出112的增益。类似地，复合的SOS检测器114/130被安排得对于强的信道外和内信号而言，SOS检测器114/130输出电流，增大增益控制信号106的幅度，并增大AGC放大器104的衰减，从而降低输出112的增益。当大的信道外信号存在时(例如，在-50至-20dBm之间)，具有双反馈环路和SOS检测器的AGC环路100将工作，使输入到基带LPF110输入端上摆动的峰值信号限制在一个规定范围之内(例如，0.35至0.88V峰)。

AGC环路100的关键特性是它的起动(attack)时间或稳定时间。AGC环路的起动时间是环路响应任意的输入功率电平而达到稳态操作所需的时段。对于通常的窄带ZIF接收机来说，起动时间在4.0至6.0毫秒范围内便认为是优越的。当LPF110带宽为18KHz、AGC范围超过80dB时，AGC环路100的起动时间典型地少于1.5毫秒。

为达到这种性能等级而在AGC环路100中采用的方法称为“反向AGC”。“反向”只是意味着：在训练时期的开始时利用较高的衰减电平，然后减低它，直至到达所希望的电平。参看图2，图中示出在AGC控制器126的引导和控制下为了根据本发明来获得快速的AGC响应时由图1的AGC环路100所执行的步骤的流程图，流程从步骤200开始，然后进到步骤202，AGC环路100置于开环工作状态。按照优选实施例，这由AGC控制器126来完成的，通过个别的控制线120、124、136和140使开关S1-S4打开。流程从步骤202进到步骤204，将增益控制信号106设定于一个已知值。按照本发明并参考图1，这由控制器126来完成的，通过开关S7和控制线160使积分电容器156与环路100上断开。此后，在控制器126的控制下一个已知幅度的电压通过电压源150、开关S6和控制线154施加到增益控制线106上。按照本发明，由电压源150提供的电压对应于从AGC放大器上可得到最大的AGC衰减。虽然本发明预期将AGC放大器104的增益设定于最大衰减上，但本领域的技术人员理解，可以将其它已知的衰减电平用以作为初始设定值，并不偏离本发明的精神。

步骤200-204在下文总括地称为“AGC预置”(preset)。这几个步骤可以在AGC起动初始化之前任何时间执行。按照本发明，AGC预置通常在通电或者电池省电工作期间执行。然而，值得注意的是，AGC预置不是固有地依赖于电池省电或通电操作的。

在AGC起动的初始化时，流程从步骤204进到步骤206，在这里如施加到AGC放大器104上的增益控制信号106的幅度迅速降低。按照本发明和参考图1，这是借助于控制器126再将积分电容器156通过开关S7和控制线160连接到环路100上而实现的。此后，在控制器126的控制下陷电流槽144通过驱动器162、开关S5和控制线148施加到增益控制线106上。本领域的技术人员理解，引入的陷电流槽144工作将迅速地拉走积分电容器156中的电荷，从而使增益控制信号106的幅度相应地减小，并导致AGC放大器104的衰减相应地下降，而AGC放大器的增益反比例地上升。为了保证比正常的稳定时间要快些，增益控制信号幅度下降的速率必须大于AGC环路最大稳定闭环响应的速率。

在步骤208，控制器126通过电压检测器128和142分别监视LPF110的输入和输出。检测器128和124是分步响应检测器。如果在步骤210检测到一个信号大于或等于相应的AGC阈值，则流程进到步骤212。否则，流程从步骤210返回到步骤206，增益控制信号106的幅度在那里进一步减小。

在步骤212，当检测到一个信号大于或等于相应的AGC阈值电平时，控制器126通过将陷电流槽信号可切换地从积分电容器156移开，强制保持增益控制信号106的衰减量，并在步骤214闭环该AGC环路，由此，阻塞本发明的AGC下拉阶段，也即图2步骤206-214。

由于所需的AGC下拉速度和与基带信号处理关联的固有延时的原因，下拉方式往往将增益控制信号106的电压拉到低于最佳稳定点。于是，在步骤214当AGC环路闭环时，图1中的AGC检测器116和132必须能够快速地从过冲状态中复原，并使增益控制信号106回到所需的稳定点上。可遗憾的是，如果输出信号112为幅度调制的，则在从下拉过冲中复原时，具有足够大增益的AGC检测器往往对伪信号幅度敏感。在下降中，这意味着检测器可能开始跟踪信号中的幅度调制，因而使幅度信息失真，并在增益控制信号106上引入过分的波动。虽然较慢的检测器可产生较小的波动，但从过冲状态中复原的时间通常太长。据此，要求具有高初始增益的AGC检测器其增益能随时间快速地衰减。这种可变增益检测器的一个实施例公开在图3中。

据此，在步骤216，控制器126利用可变增益/衰减带宽的AGC检测器116和132来检测信道内和信道外的基带信号，以便从预想的过冲中复原。当环路到达稳态操作时，并在接收到信息信号之前，控制器126对于信道内的检测是通过开关S2和控制线124的，对于信道外的检测是通过开关S4和控制线140的，将AGC检测器116和132从AGC环路100上移开，以恒定窄带宽检测器114和130取代它们。由于检测器128/142的响应形状不同于检测器116/132或114/130展现的那些形状，所以由这些检测器来表征反馈环路具有可转换的、可选择的响应形状，以适应快速下拉、过冲复原和正常方式的操作。本领域的技术人员理解，检测器响应形状定义为所讨论的检测器对大信号输入下的输出特性。

流程从步骤216直到步骤218，在那里开始正常的AGC操作，直至需要下一次AGC预置时为止。在那时，流程支路从步骤218回到步骤202，在那里重复上述的AGC操作。

图3示出图1所示的AGC检测器116和132的详细电路图。，这些可变增益或衰减带宽的检测器在增益分量从高变低的降落范围内检测基带中频信号，直至到达稳定点时为止。为了帮助读者理解，检测器传输特性由下式给出： $i_{\mathrm{SOS}}=k{V}_i^2-----\left(1\right)$

检测器的小信号增益由下式给出： ${\mathrm{gm}}_1=\frac{{\∂i}_{\mathrm{SOS}}}{{\∂V}_i}-----\left(2\right)$

复合检测器的输出电流由下式给出： $i_o=\sqrt{i_{\mathrm{SOS}}\·i_b};i_o=\sqrt{k{V}_i^2\·i_b}=V_i\sqrt{k{i}_b}----\left(3\right)$

复合小信号增益由下式给出： ${\mathrm{gm}}_o=\frac{{\∂i}_o}{{\∂v}_i}=\sqrt{{\mathrm{ki}}_b}----\left(4\right)$

所以，增益和由此得到的AGC带宽正比例于 $\sqrt{i_b}----\left(5\right)$

根据上述内容，本领域的技术人员在考察上述内容之后可以理解，检测器116/132的增益和由此得到的带宽取决于电流值i_b。由于使i_b值随时间减小，检测器的增益和带宽将在同一时段内以相等的比例量减小。减小的速率由衰减函数的斜率来控制。为了维持所需的AGC阈值，要相应地减小输出基准电流i_c。对于电流i_b的一种整形函数的例子是借助于电容器通过电阻放电所表征的指数衰减。如果使i_b随时间的下降导致检测器增益按比例地减小，和如果衰减函数的斜率决定了减小速率，则本领域的技术人员理解，对电流i_b控制衰减函数的斜率可在图1所示的AGC环路100的起动时间内允许进行附加地控制。据此，如果对于电流i_b的整形函数的斜率成为可选择或可调整的，则能得到一个具有可选择的、可调整的或动态的AGC起动响应的AGC环路100。

尽管业已示例和描述了本发明的优选实施例，但很清楚，本发明并不受此限制。本领域的技术人员可以作出无数的修改、变更、变型、替代和等同，而不偏离所附的权利要求书中限定的本发明的精神和范畴。例如，不采用反向AGC，现有一种相对立的方案可被实施，其中AGC预置以低/中衰减开始，这与这里建议的最大衰减开始位置相对立。并且，代之以陷电流槽144现在提供一个电流下拉，亦即电流源144用来变更增益控制信号幅度，尚且提供一种上拉功能来将增益控制信号调整到其任选的电平上。按照这个实施例，监视接收机输出以便监测其输出信号衰减的情况；一检测到这个输出信号状态，上拉功能就终结；在过冲复原之后，开始正常方式的操作。此外，一种电压箝位电路不同于图1中的箝位电路，含有晶体管Q₁、开关S8与S9、控制线148与148和基准电压V_ref1与V_ref2，可以防止供给积分电容器156的电压不致跌落到规定电平之下。

Claims (10)

1.一种用以在窄带接收机中获得快速自动增益控制(AGC)响应的方法，该窄带接收机利用一个具有最大稳定闭环响应速率的AGC环路，该AGC环路具有一级，用以接收具有某一幅度的控制信号，其特征在于该方法包括以下步骤：

开环(opening)该AGC环路；

将控制信号幅度设定于一个已知值；

变更控制信号幅度；

监视窄带接收机的信号状态；

检测信号状态；

保持的控制信号幅度变更；

闭环该AGC环路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将控制信号幅度设定于一个已知值的步骤还包括以下步骤：将控制信号幅度设定在对应于使级衰减最大化的数值上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，变更控制信号幅度的步骤还包括以下步骤：以比AGC环路最大稳定的闭环响应的速率大些的一个速率来降低控制信号幅度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将控制信号幅度设定于一个已知值的步骤还包括以下步骤：将控制信号幅度设定在对应于使级衰减最小化的数值上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，变更控制信号幅度的步骤还包括以下步骤：以比AGC环路最大稳定的闭环响应的速率大些的一个速率来增加控制信号幅度。

6.一种用以在窄带接收机中获得快速自动增益控制(AGC)响应的方法，该窄带接收机利用一个具有最大稳定闭环响应速率的AGC环路，该AGC环路具有一个低通滤波器和一个增益级，该增益级接收某一幅度的增益控制信号，其特征在于，该方法包括以下步骤：

开环该AGC环路；

将增益控制信号幅度设定在对应于最大增益级衰减的数值上；

以比最大稳定的闭环响应的速率大些的一个速率来降低增益控制信号幅度；

监视窄带接收机的输出信号；

检测输出信号；

保持增益控制信号幅度的降低；

闭环该AGC环路；

用一个可变增益检测器来检测输出信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，检测输出信号的步骤还包含以下步骤：以一个衰降增益的检测器检测输出信号。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，检测输出信号的步骤还包括以下步骤：以具有至少第一和第二增益分量的检测器检测输出信号，第一增益分量比第二增益分量的增益高些。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，检测输出信号的步骤还包括以下步骤：以具有多个增益分量的检测器检测输出信号，所述的多个增益分量中的第一增益分量比其余的多个增益分量增益高些。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括以可变增益检测器检测低通滤波器输入端信号的步骤。

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