CN1759535A

CN1759535A - 带有两个功率检测器的自动增益控制

Info

Publication number: CN1759535A
Application number: CNA2004800064775A
Authority: CN
Inventors: Y·张; H·A·维斯塞
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: St Wireless; ST Ericsson SA
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: EP1604457A1; DE602004005686D1; DE602004005686T2; CN100542020C; JP2006522525A; WO2004082134A1; ATE358908T1; TWI355798B; US7440738B2; US20070077894A1; EP1604457B1; JP4343216B2; TW200503413A

Abstract

接收机(100)根据检测到的输入信号的功率电平调整它的总增益。这种接收机包括两个以在输入信号的动态范围内的不同检测范围进行工作的检测器(D1，D2)。如果输入信号的实际功率电平落在其中一个分辨范围内，自动增益控制就将接收机的增益调整为一个相应的增益值。不然的话，移动两个检测器中的一个检测器的分辨范围并使它最终降低为覆盖动态范围内包含这个功率电平的部分。然后，暂时调整接收机的增益由使用新的分辨范围的检测器执行新的测量。AGC然后根据经修改的检测器给出的测量结果重新调整接收机的增益。

Description

带有两个功率检测器的自动增益控制

本发明总体而言涉及无线通信系统领域以及在WLAN收发机和接收机中的自动增益控制。更具体地说，本发明涉及一种使用两个并联的功率电平检测器的新的自动增益控制方案。

通信设备必须调整它们在无线媒体上发射信号的功率，而且由于在无线媒体上的传输可以是不一致的和不可预测的，因此通信设备还必须确定输入信号的功率电平，以便使内部电路适合这些输入信号的特征。确定功率电平将允许设备控制和调整接收系统的总增益，以保证随后有效地检测和处理包含在输入信号内的数据。为此，已考虑了许多解决方案来调整接收机RF部分的增益，使得将输入信号变换到数字域并传输给接收机的基带部分之前受到衰减或放大。传统的数模转换器(DAC)具有有限的工作范围，而在这些范围外会引入数字化误差。例如，如果接收的信号太弱，DAC内所用的量化电平可能太高而不能精确地表示模拟信号值。类似，如果输入信号太强，DAC的量化步长可能会导致截断输入信号的上部分。因此，当输入信号到达DAC时自动增益控制允许调整输入信号的强度，使得经调整的信号较好地适合DAC的量化窗，同时优化系统的信噪比。

因此，考虑到上述问题，需要一些系统和方法，该系统和方法在接收到信号时根据信号的功率电平及时调整整个通信系统的增益。

发明者认识到可以将检测方案设计成具有两个功率电平检测器，它们的分辨范围和在接收机电路内的位置可以允许可靠和快速地检测输入信号的功率电平。发明者因此提出了一种包括一个接收输入信号的输入端的设备。输入信号通过串联的第一和第二放大级。第一检测器接在第一放大级的输出端上，配置成如果功率电平在第一检测器的第一分辨范围内则提供输入信号的功率电平的测量。类似，第二功率检测器设置在第二放大级的输出端，只有当输入信号的功率电平处于第二检测器的第二分辨范围内时，才能测量该功率电平。如果功率电平处在第一和第二检测器的分辨范围之外，控制单元就将这两个检测器中的一个检测器的分辨范围修改为一个新的分辨范围，而整个系统的增益，即第一放大级和第二放大级各自的增益，调整为与包含在新的分辨范围内的一个功率值关联的已知增益值。一旦系统的增益设置为这个已知值，已修改分辨范围的检测器就提供一个对输入信号的功率电平的近似测量结果，再将第一和第二放大级的增益进一步修改成与近似测量的功率电平关联的相应第二增益值。

如果功率电平落在一个预定的分辨范围内，本发明的功率检测器可以检测和提供对输入信号的功率值的测量。如果功率电平实际超过分辨范围，检测器就会饱和而不能执行功率测量，虽然检测器可以检测到信号。如果输入信号太弱，即它的功率电平低于分辨范围的下限，检测器就不能测量功率电平，而且甚至检测不到信号。因此，可以将分辨范围选择成使它们覆盖输入信号的动态范围的一些部分，而这些检测器各自输出的读数将指出信号处在动态范围内的哪个地方。在本发明的一个实施例中，第一分辨范围与第二分辨范围不重叠，第一分辨范围高于第二分辨范围，即第一检测器所检测信号的功率电平比第二检测器所检测信号的功率电平大。如果确定输入信号处在这两个分辨范围中的一个分辨范围内，相应的检测器提供功率电平，系统的第一和第二放大级的增益因此各自调整为与所测量的功率电平关联的相应已知增益值。

如果两个检测器都没有提供功率电平的测量结果，控制器可以再进一步将输入信号功率的测量变窄为动态范围的一个有限部分。确实，通过读出第一和第二检测器各自的输出，控制器可以进一步得出功率值处在相对分辨范围的位置：是大于第一分辨范围的上限值、在两个分辨范围之间或小于第二分辨范围的下限值。然后，在本发明的下一个步骤，控制器暂时将第一和第二放大级的增益调整为与处在测量所减窄的这段内的功率电平关联的已知值。控制器还修改两个检测器中的一个检测器(优选第二检测器)的设置，使它工作在一个可以与动态范围内的信号功率电平所在的部分重叠的新的分辨范围。这个新的分辨范围于是允许第二检测器提供对功率电平的测量。然后将第一和第二放大级各自的增益调整为与所测量的功率电平关联的增益值。如果第二检测器仍然不能提供对功率电平的测量，可以进一步修改它的分辨范围，执行新的测量。可替换地，也可以将第一和第二放大级设置为与输入信号功率电平的近似值关联的增益值。

在本发明的一个实施例中，如果检测到输入信号的功率电平低于一个给定的门限值，就可以采用天线分集，使用提供较强的功率值的天线接收输入信号。

参照与本发明的典型实施例有关的附图以举例方式对本发明进行详细说明，在这些附图中：

图1说明了本发明的一个系统的方框图；

图2说明了本发明的一个检测器的典型特征；

图3示出了输入信号的典型动态范围；以及

图4示出了按照本发明的一个实施例用于检测方案的状态图的流程图。

在全部附图中，相同的附图标记表示类似或相应的部分或功能。

图1说明了本发明的一个收发系统的接收机100的方框图，其中仅示出了接收通道。接收机100包括一个RF部分、数模变换器116和128，后面接有一个在这里未示出的基带部分。基带部分的硬件设计和软件实现为该技术的技术人员所公知。还必须指出的是，接收机100的设计并不局限于在这里所介绍的，带有在这里所采用的之外的可替换构件的实施例也应在本发明的范围内。

输入的射频信号Sin最初由包括天线102和低噪声射频放大器(LNA)104的接收机100的前端接收。LNA 104放大输入信号Sin，所得到的经放大的输入信号然后通过在混频器106内与本地振荡器信号混频产生一个同相信号和通过在混频器118内与移相了90度的相同振荡信号混频产生一个正交分量，分成同相和正交分量。正交分量相对同相信号相位差90度。在由DAC 116和128将同相和正交分量变换到数字域之前，同相和正交分量通过一对滤波器108和120、第一对AC耦合器110和122、一对可变增益放大器(VGA)112和124和第二对AC耦合器114和126。

在本发明的一个典型实施例中，输入的RF信号Sin处在如在IEEE802.11a和b的物理层规范中所规定的2.4GHz或5GHz频带。本发明基于的前提是，输入的RF信号Sin呈现为一个高动态范围，例如100dBm，从-90dBm到5dBm，这影响以后要对信号Sin进行如何处理。确实，DAC116和128仅有有限的动态范围，不能精确地处理在它们各自的功率检测范围外的输入信号。因此，如果提供给DAC 116或128的信号太弱或太强，DAC 116和128的量化步长就不允许在数字域中精确表示这样的信号。因此，非常需要一个确定输入的RF信号Sin的功率电平Pin的检测方案。根据所确定的功率电平Pin，可以设置接收通道特征，以正确地调整提供给DAC 116和128的信号的功率电平。为此，接收机100包括自动增益控制AGC和控制器130，用来根据所测量的输入的RF信号Sin的功率电平Pin控制系统100的总增益。LNA 104，VGA 112、114，滤波器108、120，以及AC耦合器110、114、122和126都是可控的，它们各自的增益以及可能其他特征可以如以下说明的那样设置为所希望的值。AGC可以通过逐个将元件104、108-114和120-126各自的增益设置为预定值来调整接收机100的总增益。

接收机100还包括耦合到AC耦合器110和122上的第一检测器D1，只有在输入的RF信号Sin的功率电平Pin处在检测器D1的第一分辨范围内时，该第一检测器D1才测量功率电平Pin。系统100还包括耦合到AC偶合器114和126上的第二检测器D2，只有在输入的RF信号Sin的功率电平Pin处在检测器D2的第二分辨范围内时，该第二检测器D2才测量功率电平Pin。图2示出了本发明的功率电平检测器的输出特征的例子，这个功率电平检测器例如是一个在该技术领域内众所周知的接收信号强度指示器。图2示出了基于在检测器输入端提供的信号功率电平P的检测器输出电压V。在分辨范围的下限P_L前，检测器检测不到输入信号，输出电压V相对小，基本上是一个可能为零的恒定值V_L。在功率低于P_L的信号提供到输入端上时检测器状态没有改变，即检测器检测不到信号。当输入信号的功率电平P处在分辨范围[P_L；P_H]内时，检测器产生一个与功率电平成线性正比的输出电压，从而在这种情况下可以测量输入信号的功率电平P。超过分辨范围的上限P_H，检测器就工作在饱和状态，提供一个相对高基本上恒定的值V_L。虽然检测器可以检测到功率电平P大于P_H的输入信号，但这样的检测器不能测量功率电平P低于P_L和高于P_H的输入信号的功率电平。

图3示出了输入的RF信号Sin的动态范围和检测器D1和D2各自的分辨范围。检测器D1和D2的分辨范围在这里相对输入信号Sin的功率电平Pin的值而不是相对加到检测器D1和D2上的各自输入信号的功率电平的值给出。在这个实施例中，检测器D1与检测器D2的分辨范围不重叠，检测器D2的分辨范围低于检测器D1的分辨范围。检测器D1的分辨范围为[-52dBm；-25dBm]，检测器D2的分辨范围为[-86dBm；-60dBm]，而RF信号Sin的动态范围为[-95dBm；5dBm]。在这里给出的数值只是为了说明本发明的典型实施例，并不是用来限制本发明的范围。

参照图2所说明的那样检测器D1和D2进行工作。因此，如果信号Sin的功率电平Pin高于-25dBm，即在区域Z1内，检测器D1和D2都将饱和。如果功率电平Pin在[-50dBm；-25dBm]范围内，即在区域Z2内，检测器D1将提供对功率Pin的测量，而检测器D2将饱和。如果功率电平Pin在[-60dBm；-50dBm]范围内，即在区域Z3内，检测器D1将检测不到信号Sin，而检测器D2将饱和。如果功率电平Pin在[-80dBm；-60dBm]范围内，即在区域Z4内，检测器D1将检测不到信号Sin，而检测器D2将提供对功率Pin的测量。如果功率电平Pin在[-95dBm；-86dBm]范围内，即在区域Z5内，检测器D1和D2都将检测不到信号Sin。

如上面所提到的，AGC根据所测量的输入信号Sin的功率电平Pin调整接收机100各个元件的增益。功率Pin的测量遵循一个诸如图4所示的典型算法之类的状态机算法。状态机可以存储在AGC内或存储在控制器130内，可替换地也可以存储在通信系统的BB部分的一个数字控制器内。在这个实施例中，状态机在控制器130内执行。

状态机允许对输入无线信号Sin进行功率测量和调整接收机100的增益，情况如下。IEEE 802.11规定了用一个包括后接信令序列和数据的报头的预先规定的格式传输通信信号。接收机100的增益调整在接收报头期间执行，使接收机100可以及时正确地设置成对包含在信号Sin内的后续信令序列和数据进行接收和解译。因此增益设置对时间要求严格，而本发明提供了一种根据功率电平Pin快速设置接收机100的增益的方式。

在第一步骤410，控制器130将AGC复位为一个默认设置。当AGC复位时，AGC将系统100的总增益设置为一个预定的初始值，而LNA 104、滤波器108和120、AC耦合器110、122、114和126的各个增益也复位为各自的预定初始值。然后，在第二步骤420，控制器130确定Pin是否处在区域Z2内。为此，控制器130读取检测器D1的输出。如果功率Pin处在Z2内，在步骤460，检测器D1提供对功率Pin的测量，在步骤470，控制器130控制AGC，从而调整系统100的总增益。AGC可以包括一个指出元件108-114、120-126的对于输入信号Sin的功率电平Pin的各个值的各个增益的查找表。可替换地，也可以AGC运行预先存储的算法以根据所测量的功率电平Pin确定元件108-114和120-126各自的增益。

如果功率Pin不在区域Z2内，在步骤430，控制器根据检测器D2的输出端的读数确定功率Pin是否在区域Z4内。如果检测器D2在步骤460提供一个对功率Pin的测量，即功率Pin在检测器D2的分辨范围内，控制器130就将功率值Pin发送给AGC，响应功率Pin，在步骤470如上面所提到的那样，AGC通过调整元件110-114、120-126的各个增益调整总增益。

如果功率Pin既不在区域Z2内又不在区域Z4内，控制器130就通过读检测器D1和D2各自的输出和状态(即，是饱和状态还是检测不到状态)确定功率Pin处在区域Z1、Z3还是Z5内。一旦控制器130确定功率Pin是处在区域Z1、Z3或是Z5内，控制器130就修改检测器D2的设置，使得检测器D2可以检测到信号Sin。例如，控制器130将检测器D2的分辨范围移动和缩小或扩展成与功率Pin所处的动态范围Z1、Z3或Z5的区域重叠。检测器D2的这个新的分辨范围可以覆盖整个动态范围区域Z1、Z3或Z5或者它的一部分。

例如，如果控制器130确定信号Sin具有低于-86dB的功率电平Pin，即Pin包含在区域Z5内，控制器130就将检测器D2的分辨范围调整为新的值，而这个新的分辨范围，例如在这个实施例中为Z7，现在覆盖了区域Z5的一部分。控制器130也可以提高检测器D2的检测分辨率，从而提高最终的功率测量的精度。例如，在调整前检测器D2可以工作在±2dB的分辨率上，而在调整后检测器D2可以工作在±1dB的分辨率上。

在步骤480，AGC暂时将接收机100各元件的总增益设置为与控制器130在区域5内选择的或者处在新的分辨范围(区域7)内的一个功率电平关联的值。控制器130可以任意选择功率电平，例如处在区域5的中间，或者控制器130可以用所存储的计算或实验结果计算功率电平。暂时将接收机100的增益设置为一个新的值的目的是将接收机100调整到一个增益，该增益比接收机100在步骤410所设置的初始值更加接近最终增益。

一旦AGC调整了系统100的总增益，控制器130就测量功率Pin。为此，如参照图2所说明的那样控制器130读取检测器D2的输出，根据所读结果确定功率Pin是处在区域Z6、Z8还是区域Z7内。如果确定功率Pin处在区域Z7内，控制器130就在检测器D2的输出端读取功率Pin，AGC将系统100的增益调整为一个与所测量的功率值Pin关联的已知值。如果功率Pin处在区域Z6或区域Z8内，控制器130可以重复步骤450和480，将检测器D2的分辨范围重新修改成覆盖区域Z6或Z8。可替换地，AGC可以将接收机100的增益调整为一个最佳增益值而不再进一步计算。例如，如果控制器130确定功率Pin处在区域Z6内，AGC可以将接收机100的总增益调整为一个所存储或计算的增益值，该增益值对于区域6的功率值可认为是最佳值。

在本发明的另一个实施例中，将以上所说明的功率测量方案与天线分集结合在一起。接收机100配备有至少两个具有不同特征的天线。例如，这些天线的特征可以选择成使得其中一个天线对于一个特定的输入信号Sin接收情况要比另一个天线好，而相反，另一个天线对于不同的发射和接收条件的接收情况要好一些。在这个实施例中，控制器130如在步骤410-440中所说明的那样执行对功率Pin的功率测量，如果控制器130确定功率Pin低于一个预定门限值，控制器130就实施如下所说明的天线分集。如果两个检测器D1或D2中的一个检测器提供对功率Pin的测量结果低于门限值，接收机100就转接到另一个天线，进行新的功率测量。如果新的测量得到的功率值低于最初用第一天线测量的功率值，接收机100再转接回第一天线。AGC还将接收机100的增益调整为一个与最初所测量的功率值Pin关联的值。如果用第二天线进行的新的测量得到一个比用第一天线测量得到的功率值大的值，接收机100就不转接回第一天线，AGC将接收机100的增益调整为一个与新的测量值关联的值。

可替换地，如果检测器D1和D2都没有提供对功率值Pin的精确测量而控制器130确定功率Pin处在区域5内，接收机100可以转接到第二天线上，再重复状态机的步骤410-440的测量。如果检测器D1或D2然后能提供对功率Pin的测量，接收机100就不转接回第一天线上而用第二天线进行工作。可替换地，在接收机100实施天线分集和转接到第二天线之前，控制器130对功率Pin进行较精确的测量再使接收机100转接到第二天线上。然后用第二天线执行新的测量，并且使用产生最强测量功率的天线和因此调整了增益。

Claims

1.一种设备，所述设备包括：一个接收高动态范围的输入信号的输入端(102)；一个放大输入信号的第一放大器(104，108，120，122，110)；一个配置成在输入信号的功率电平处在一个第一分辨功率范围内的情况下确定输入信号通过第一放大器后的功率电平的第一检测器(D1)；一个接到第一放大器上的第二放大器(112，124，114，126)；一个配置成在输入信号的功率电平处在一个比第一分辨范围低的第二分辨范围内的情况下确定输入信号进一步通过第二放大器后的功率电平的第二检测器(D2)；以及一个根据由第一或第二检测器确定的功率电平、还根据第一和第二检测器各自的输出状态控制第一和第二放大器各自的增益的增益控制单元(130，AGC)。

2.权利要求1的设备，其中所述第一和第二分辨范围相互不重叠。

3.权利要求1的设备，所述设备还包括一个控制器(130，AGC)，用来根据第一和第二检测器各自的输出确定动态范围内一个包括所述功率电平的部分，并将两个检测器中的一个检测器的设置修改成以一个与所述部分重叠的新的分辨范围进行工作，而在所述部分不包含在第一和第二分辨范围内时，在控制器通过以新的分辨范围工作的检测器确定输入信号的功率电平之前，增益控制单元进一步调整第一和第二放大器各自的增益。

4.权利要求3的设备，其中，如果所述功率电平处在第一分辨范围的下限值和第二分辨范围的上限值之间，增益控制单元将第一和第二放大器的增益分别调整为与一个所选的处在所述上限值到下限值之间的功率值关联的相应已知增益值。

5.权利要求3的设备，其中，如果所述输入信号的功率电平低于第二分辨范围的下限值，增益控制单元将第一和第二放大器的增益分别调整为与一个低于第二分辨范围的下限值的功率值关联的相应已知增益值。

6.权利要求3的设备，其中，如果所述输入信号的功率电平高于第一分辨范围的上限值，控制单元将第一和第二放大器的增益分别调整为与一个高于第一分辨范围的上限值的功率值关联的相应已知增益值。

7.权利要求1的设备，其中所述第一检测器或第二检测器确定的功率电平取决于第一检测器或第二检测器各自的工作分辨率。

8.权利要求1的设备，所述设备还包括一个用第一天线和第二天线实施天线分集的天线分集控制器。

9.一种用于调整接收机的增益的方法，所述接收机包括一个连接到一个在第二放大级之后的第一放大级的、用于接收具有高动态范围的输入信号的输入端，所述方法包括：只有在输入端所接收的输入信号的功率电平包括在一个与第一检测器关联的第一分辨范围内时，才用第一检测器确定输入信号在经第一放大级放大后的功率电平；只有在输入端所接收的输入信号的功率电平包括在一个与第二检测器关联的第二分辨范围内时，才用第二检测器确定输入信号在进一步经第二放大级放大后的功率电平；根据由第一或第二检测器确定的功率电平、并且根据第一和第二检测器各自的输出调整第一放大级和第二放大级各自的增益。