TWI469588B - 快速且穩健之自動增益控制裝置及其操作之方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種具有快速且穩健之自動增益控制裝置及其操作之方法，不僅只限於無線區域網路(Wireless Local Area Networks,WLAN)之使用，特別是有關於一種接收訊號時可進行自動增益控制之裝置。
本發明係有關於一種無線通訊系統，但不限制於無線區域網路(Wireless Local Area Networks,WLAN)，特別是802.11a/b/g/n接收基頻解調器，為各種RF收發器IC(Integrated Circuits)提供了一個快速且穩健的自動增益控制(Auto Gain Control,AGC)功能。在一個典型的無線區域網路的環境下，隨著發射器與接收器之間的距離有所不同，其接收訊號強度的動態範圍可高達100dB。自動增益控制電路已被廣泛應用於無線區域網路的接收器，以改善其性能及可應用範圍。
早期一個典型的無線區域網路收發器包括三個晶片：一個功率放大器晶片(Power Amplifier,PA)，一個射頻收發器晶片，以及一個結合基頻(Baseband,BB)和媒介存取控制(Medium Access Control,MAC)的晶片。為了進一步降低無線收發器之成本，整合功率放大器之射頻收發晶片已經被實現了，近來結合以上三個晶片的無線區域網路收發器單晶片也已被開發。第1圖顯示了一個
無線收發器，其中包括於無線區域網路上應用的直接轉換(亦稱為零中頻)接收機。在最高層次上，它包含四個功能方塊：天線11、天線切換器12、發射器20，以及接收器10。
請參考第1圖，一個典型的零中頻接收器10其包含了：一個低雜訊放大器(Low Noise Amplifier，LNA)13、一對混頻器14a和14b、一對低通濾波器17a和17b，以及一對具有兩級之可變增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)18a和18b。低雜訊放大器13用來放大微弱的接收訊號以獲取最小的失真程度。也就是說，低雜訊放大器13其作用係在於提高接收器的靈敏度，一級低雜訊放大器通常提供了超過15dB的增益和1.5至2.5dB之間的雜訊係數(NF)。雖然第1圖中未特別顯示，一低雜訊放大器13實際上常包含多級低雜訊放大器用來進一步加強接收微弱訊號之靈敏度。
在一個訊號強度較強的環境下，如果使用多級低雜訊放大器，通常會希望將低雜訊放大器的部分或每一級都關閉，低雜訊放大器13的輸出連接到一對混頻器14a及14b。為了使接收到的訊號不失真，需要兩個混頻器提供同相(in-phase)和正交(quadrature)的一對基頻訊號。一個混頻器14a需要由頻率合成器16產生射頻載波為一輸入，和低雜訊放大器13的輸出作為另一輸入，將收到的射頻訊號轉換成基頻同相訊號(也稱為I通道)作為其輸出。而另一個混頻器14b，係採用了90度的相位移之射頻載波15為一輸入，以及低雜訊放大器13的輸出作為另一輸入，將接收到的射頻
訊號轉換成基頻正交訊號(也稱為Q通道)作為其輸出。以下，將接收到的同相訊號和正交訊號分別簡稱為I通道和Q通道訊號，I通道和Q通道訊號處理基本上是相同的。因此，以下將僅描述I通道訊號的處理過程。
對於I通道訊號，低通濾波器17a將其收到的混頻器14a輸出，過濾掉不必要的相鄰信道干擾和於接收射頻訊號兩倍頻的混頻器輸出。I通道濾波器的輸出連接至可變增益放大器18a作增益調整。如第1圖所示，在此系統中，可變增益放大器18a包含兩級可變增益放大器：第一級可變增益放大器19a和第二級可變增益放大器19b，其增益由自動增益控制單元22所產生的控制訊號控制。設計者可以使用3級或更多級的可變增益放大器來實施可變增益放大器18a之功能。
正如其名稱所示，第一級可變增益放大器19a或第二級可變增益放大器19b藉由調整其控制電壓來為其輸入訊號提供可變增益。可變增益放大器18a的輸出連接至基頻解調器40的I通道類比數位轉換器21a。I通道N-位元類比數位轉換器21a輸出一般為無符號整數(0至2N
-1)訊號，再經由一-2N-1
轉換器210a轉換成符號整數(-2N-1
至2N-1
-1)訊號，以方便基頻解調器23進一步處理接收到的訊號。稍後將描述更詳細的操作方式。
為了充分利用類比數位轉換器21a的動態範圍，輸入到類比數位轉換器的訊號大小必須保持或接近最佳位準。此功能由自動增益控制裝置22完成。而自動增益控制裝置22，通常設置在基頻
解調接收器40，其功能包含估計接收訊號強度及產生低雜訊放大器13的開關控制訊號與可變增益放大器18a及18b的增益控制訊號，來適當調整低雜訊放大器13的開關模式(亦即增益)，以及可變增益放大器18a及18b的增益。
為了讓802.11a/b/g/n接收器能達到最佳性能，此自動增益控制功能需要在大約2微秒內完成。這項需求因為接收訊號強度有高達100dB的變化而使自動增益控制功能變得極具挑戰性。
自動增益控制功能的更多細節將在下面介紹。為了適當地支持自動增益控制的功能，可變增益放大器18a通常含有二級可變增益放大器19a和19b。通常可變增益放大器的總增益係由基頻解調器40中的自動增益控制22所控制。一級典型的可變增益放大器19a或19b依其控制電壓的不同，可以提供從0到25dB左右的增益。若採用三可變增益放大器，則可提供大約75dB的動態範圍訊號。這還是不足以支持高達100dB的動態範圍。因此，一些射頻收發器提供了(1)低雜訊放大器的開關，或一個不匹配天線切換，或(2)多級低雜訊放大器的個別開關，以進一步擴大接收訊號的動態範圍。
根據IEEE 802.11g或802.11n無線區域網路應用，它需要檢測訊號的存在，並確定訊號強度(用於自動增益控制設定接近其最終增益)，以及打開或關閉低雜訊放大器(即將其增益至最大，中等或最小)，所有動作都必須在2微秒內完成。因此，設置在802.11b、802.11g、802.11a、或802.11n無線區域網路接收機的自
動增益控制電路的將顯得更加關鍵。
更進一步而言，傳統的自動增益控制裝置22如第2圖所示。一對類比數位轉換器將接收到的類比波形轉換成無符號整數的輸出，此對類比數位轉換器21a和21b輸出分別耦合到其對應之轉換器210a和210b。在210a和210b減掉一個N位類比數位轉換器的無符號輸出樣本動態範圍的中間值2N/2-1
，便獲得轉換器210a和210b的輸出樣本。
-2N/2-1
轉換器210a和210b的輸出其第i對的訊號以Ii
及Qi
表示，此Ii
及Qi
與功率偵測器224耦合，由功率偵測器224測得功率以Pi
表示，此Pi
在226與接收訊號之目標功率(PD
)相減，PD
值的選擇通常必須根據接收訊號之特性，以充分利用類比數位轉換器21a和21b的動態範圍為原則。此Pi
-PD
即所謂之功率誤差訊號。
此功率誤差訊號輸至乘法器222，此乘法器222具有一個可調增益K，用以控制自動增益控制迴路增益，累加器228係使用一個加法器228a和延遲228b以追蹤放大後的功率誤差訊號的累積值。累加器228提供的輸出為數字增益值Glinear
，此Glinear
為可變增益放大器與低雜訊放大器增益映像單元223之輸入。由於可變增益放大器和低雜訊放大器的增益通常以dB表示，而Glinear
之值為一線性值，故可變增益放大器/低雜訊放大器增益映像單元223用來將Glinear
之值轉換成適當的低雜訊放大器/可變增益放大器增益控制訊號。
在統計上，為了獲得更準確的功率估計值，可以採用多數對
Ii
/Qi
計算其平均功率，再輸出至減法器226。然而，多數對的樣本平均，會使得自動增益調整較慢。這個自動增益控制運行的其他缺點是飽和的樣本。為了能接收到最小訊號，在當訊號到達之前，自動增益控制22最初值常接近接收器之最大增益(此時只有接收器底噪)。
第3圖可用來解釋飽和的Ii
及Qi
樣本，若類比數位轉換器21a和21b及轉換器210a和210b皆被允許有無限位元，轉換器之輸出210a和210b不會有因21a和21b飽和而被產生被截斷之Ii
及Qi
樣本。第3圖中兩條虛線水平線顯示Ii
或Qi
波形樣本因一個N位元類比數位轉換器的動態範圍限制而造成波形的截斷。當輸出波形樣本Ii
或Qi
被截斷，此時N位元類比數位轉換器被稱為“飽和”之下。
一對具有N位元之類比數位轉換器其訊號之動態範圍(單位：dB)正比於位元數N，然而，更大的N須更高的成本來實現這對類比數位轉換器。一個實際的無線區域網路接收器，其位元數N是遠遠小於其接收訊號的動態範圍(約100dB)。因此，輸入訊號(取決於發射器和接收器之間的距離)的動態範圍，比起一對N位元類比數位轉換器的動態範圍，可能超過30dB或更多。
在等待無線區域網路訊號時，自動增益控制增益會設定為接近最大值，故訊號出現時，通常會導致大部分或所有的具有N位元之類比數位轉換器進入輸出飽和狀態，如第3a圖(狀況A)和第3b圖(狀況B)所示。簡單來說，假如類比數位轉換器的輸出飽和
時，狀況A就和狀況B相似。由於一對類比數位轉換器在輸出飽和時不能維持輸入訊號波形的完整，故自動增益控制產生之功率誤差訊號對狀況A和狀況B是接近的，且自動增益控制單元將難以決定其確切的增益值，在狀況A中，降低了幾個dB，狀況B中也降低了幾個dB，狀況B中比較希望將增益值多降一些，而同樣的增益值若用在狀況A中，會造成類比數位轉換器輸出的接收訊號過小。
當自動增益控制反應過度時，它可能會導致數位化的訊號樣本過小，如第3c圖和第3d圖所示，傳統自動增益控制算法，對於此類情況之處理可以解釋如下。若採取一更快的收斂速度，更高的迴路增益k 222可導致振盪與自動增益控制迴路變得不穩定。另一方面，一個較小的迴路增益k 222，則需要較長的收斂時間。所以直覺上可以利用類比數位轉換器輸出飽和的統計數據以幫助自動增益控制單元22更完美的執行其功能。在第3c圖和第3d圖的情況下，如果不僅利用類比數位轉換器的輸出飽和，也同時檢測其他幾個較低功率水平的“飽和程度”，如第3c圖和第3d圖所示，將可以更快速有效的估計接收訊號功率。
如第2圖所示的傳統的自動增益控制迴路(不飽和檢測輔助算法)，需要較長的時間讓自動增益控制增益收斂，因此不適合像無線區域網路應用。通常此類迴路增益設置較小但較平穩。樣本之功率誤差的平均值係為了得到更準確的功率誤差估計。
當一個更高的自動增益控制增益k值被使用於快速收斂自動
增益控制的迴路以加速其收斂時，自動增益控制增益反而可能因為進入振盪以致系統性能下降。一個收斂速度慢的自動增益控制迴路是不適合一個需要自動增益控制增益在幾個微秒間收斂的系統，尤其當無線區域網路封包只搭配極短的短訓練序列，輔助算法可被用來改進傳統自動增益控制算法的不足，於縮短自動增益控制收斂時間的同時，避開進入振盪的可能。
一個傳統的飽和度檢測輔助自動增益控制算法只利用飽和類比數位轉換器採樣，例如一個具有N位元之類比數位轉換器，飽和類比數位轉換器輸出的數位採樣為0和2N
-1。然而，802.11a/g/n使用OFDM調變的無線訊號可以有一個約10dB的峰值對平均功率比。對於這樣的調變訊號，通常需要的平均功率回退(back-off)更超過了6 dB，使接近峰值的訊號於通過類比數位轉換器時，不會因截斷而造成失真。在這種情況下，統計上類比數位轉換器飽和變得較罕見，因而較難成為用來確定是否自動增益控制增益過高的有用指示。此外，類比數位轉換器飽和程度可用來檢測自動增益控制增益是否偏高，但這樣的輔助算法，並沒有考慮自動增益控制增益太低的情況。
因此，傳統的飽和度檢測的輔助算法，在自動增益控制從高增益至低增益時，相較下更快且更容易，從低增益至高增益時，並未提供任何改進。此外，利用傳統的接收訊號強度指示器(接收訊號強度指示)的輔助自動增益控制算法，由於估計精準的接收訊號強度需要大量的時間，並不適用於需要一個快速收斂的自
動增益控制無線區域網路系統之應用。
此外，較長的接收訊號強度指示測量時間會導致一個緩慢的自動增益調整，若用來輔助傳統的原本緩慢的自動增益控制環路(第2圖)算法，便剩下更少的時間作精確的增益收斂。此外，一個準確的接收訊號強度指示測量需要自鎖時間(於此期間自動增益控制增益值固定)，這個自鎖的時間若是發生在封包到達前瞬間因接收器誤以為封包已到達時，因無線區域網路封包中的序言或訓練序列很短將可能造成封包損失。
本發明主要著重在接收器接收功能的一部分，即自動增益控制單元22。本發明中由一個接收器中包括低雜訊放大器和可變增益放大器所提供之整體放大器增益以“自動增益控制增益”表示，在一般情況下，接收器對較高的接收訊號功率會提供較小的自動增益控制增益。自動增益控制單元22用於測量接收訊號功率，以及提供一個適當的自動增益控制增益(包括低雜訊放大器和可變增益放大器)使接收到的訊號被適當地放大，而可變增益放大器18的輸出可恰當的利用類比數位轉換器的整個動態範圍。
如果自動增益控制之增益過高，類比數位轉換器的輸出便會飽和而造成訊號失真。如果自動增益控制增益太小，類比數位轉換器輸出太小則會浪費類比數位轉換器的動態範圍，進而造成解調變器可能會無法正確解碼。整個接收器系統的性能在這兩種情況下都會退化。實際上，一802.11a/b/g/n接收訊號功率變化可達100dB，自動增益控制單元22須在幾個微秒內，正確完成對接收
訊號功率的估計，從而自動增益控制增益的設定，包括低雜訊放大器開關和可變增益放大器增益的設定，以及每一級低雜訊放大器開關需要幾百奈秒固定時間。
在幾微秒內實現一個快速和精確的自動增益控制算法，正確接收變化可達100dB動態範圍的訊號，是任何無線區域網路接收器的一個很大的挑戰。因此，本發明的目的是針對傳統的自動增益控制單元22、提供一個簡單快速、穩健，兼具粗調及微調功能，採用輔助算法之自動增益控制裝置及其操作之方法。
本發明提出了一個以複數對-2N/2-1
轉換器輸出的I-通道及Q-通道樣本之統計數據為輔的創新的自動增益控制算法。使用這個自動增益控制算法有以下個優點：(1)提供了一個簡單的輔助算法，只要對傳統自動增益控制單元22稍加修改；(2)相較於傳統的自動增益控制算法，經由改進之輔助自動增益控制算法收斂更快且更穩健；(3)它提供了一個通用的算法，可應用於各種需要應付高達100dB的接收功率變化之射頻接收器。
參照美國專利公告第7,936,850號，其揭示一種“數字自動增益控制(AGC)的方法及其設備”，其揭示由對數模擬數位化類比數位轉換器以模擬RF訊號進行樣本化，包含了一個FIR濾波器對數模擬數位化類比數位轉換器，一個以重新樣本化被數位化後的訊號的樣本器，以及一個自動增益控制電路。這項專利著重於一個自動增益控制功能，係將自動控制訊號中以形成第二個複數位元的第一複數位元重新樣本化。根據以上的問題所在，必須要有一
方法或裝置來解決先前技術的缺點。
本發明之目的在於提供了一個快速且穩健之自動增益控制裝置，係透過對成對的N位元類比數位轉換器經由無符號至符號訊號轉換器之輸出之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之功率統計及振幅統計，便可決定額外的增益調整訊號，一起來控制低雜訊放大器之開關之狀態，以及可變增益放大器之增益，進而提供一具有快速且穩健之自動增益控制電路。
本發明的另一目的在於提供一個藉由第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之振幅統計之自動增益控制(AGC)增益設定之方法。
本發明的另一目的在於提供一個藉由第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之功率統計之自動增益控制(AGC)增益設定之方法。
本發明的另一目的在於提供一個具有自動增益控制(AGC)之無線通訊接收器。
為達到上述之主要目的，本發明提供一種快速穩健且具有一額外增益調整訊號之自動增益控制裝置，其包含：一第一符號訊號(Ii
)與一第二符號訊號(Qi
)；一功率偵測器；一具有輔助統計之自動增益控制運算單元；一減法器；一平均單元；一加法器；一乘法器；一累加器；一低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元。該第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)，係為N位元類比數位轉換器經由無符號至符號訊號轉換器(即-2N/2-1
轉換器)之輸出。
該功率偵測器，係電性連接至一第一轉換器與一第二轉換器，用以提供量測之功率(Pi
)訊號，其中，該量測之功率(Pi
)訊號為該第一轉換器所提供之一第一符號訊號(Ii
)之平方與該第二轉換器所提供之一第二符號訊號(Qi
)之平方的總和。該具有輔助統計之自動增益控制運算單元，係電性連接至該第一轉換器、該第二轉換器及該功率偵測器，用以根據複數組M對之該第一符號訊號(Ii
)與該第二符號訊號(Qi
)之一振幅統計，或複數組對應之M個該量測之功率(Pi
)訊號之一功率統計，決定之一額外增益調整(△Aided
)訊號，其中，M為1至100之整數。該減法器，係電性連接至該功率偵測器，用以估算一接收訊號之目標功率(PD
)與每一該量測之功率(Pi
)訊號之間之功率差值，並提供複數個功率誤差訊號，其中，該複數個功率誤差訊號為該接收訊號之目標功率(PD
)與該量測之功率(Pi
)訊號之差值。該平均單元，係電性連結至該減法器，用以平均該複數個功率誤差訊號，並提供一平均功率誤差訊號。該加法器，係電性連接至該平均單元與該具有輔助統計之自動增益控制運算單元，用以根據該額外增益調整(△Aided
)訊號與該平均功率誤差訊號之總和提供一增益調整訊號。該乘法器，係電性連接至該加法器，用以根據一可調增益(k)控制一自動控制增益迴路之增益。該累加器，係電性連接至該乘法器，用以追蹤經該乘法器放大後之該增益調整訊號、對複數個該增益調整訊號進行累加、儲存並提供一適當數位增益值(Glinear
)作為輸出。該低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元，係電性連接至該累加器，用以將該適當數位
增益值(Glinear
)轉換為一低雜訊放大器之開關控制訊號以及I-通道和Q-通道之可變增益放大器之增益控制訊號，簡稱低雜訊放大器與可變增益放大器控制訊號。
為達到上述之另一目的，本發明提供一種藉由一振幅統計輔助之自動增益控制(AGC)增益設定之方法，其包含下列之步驟：步驟1：決定該振幅統計，該振幅統計包含存在於複數組M對(以M對第一符號訊號(Ii
)及第二符號訊號(Qi
)為一組)之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)中之一最高有效位元之飽和振幅數量、一第k個最高有效位元之飽和振幅數量以及一第k個最高有效位元之非飽和振幅數量；步驟2：根據步驟1中之該振幅統計決定一額外增益調整(△Aided
)訊號。
根據本發明之一特徵，其中該決定該振幅統計之步驟1更包含下列之條件：條件1：若該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)其中之一之振幅為2N-1
-1或-2N-1
之一，則將該最高有效位元之飽和振幅數量增加1；條件2：若該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)其中之一之振幅絕對值大於或等於2N-k
，則將該第k個最高有效位元之飽和振幅數量增加1，其中k為2至N之整數；條件3：若該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)及第二符號訊號(Qi
)兩者之振幅絕對值皆小於2N-k
，則將該第k個最高有效位元之非飽和振幅數量增加1，其中k為2至N之整數。
根據本發明之一特徵，其中決定該額外增益調整(△Aided
)訊號
之步驟2更包含下列之條件：條件1：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之中，存在m個最高有效位元之飽和振幅，則使用該額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於0至-30dB之實數，且m為介於0至M之整數；條件2：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii
))與第二符號訊號(Qi
)之中，存在m個第k個最高有效位元之飽和振幅，則使用該額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於-40至40dB之實數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數；條件3：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之中，存在連續j組具有m個第k個非飽和振幅，則使用該額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於-40至40dB之實數、j為介於1至5之整數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數。
為達到上述之另一目的，本發明提供一種藉由一功率統計輔助之自動增益控制(AGC)增益設定之方法，其包含下列之步驟：步驟1：決定該功率統計，該功率統計包含存在於複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之中之一最高有效位元飽和功率數量，一第k個最高有效位元之飽和功率數量以及一第k個最高有效位元之非飽和功率數量；步驟2：根據步驟1中之該功率統計決定一額外增益調整(△Aided
)訊號。
根據本發明之一特徵，其中該決定該功率統計之步驟1更包含下列之條件：條件1：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與
第二符號訊號(Qi
)中，存在任何一對之該第一符號訊號(Ii
)與該第二符號訊號(Qi
)之平方的總和等於或大於2×(2N-1
-1)，則將該之最高有效位元之飽和功率數量增加1；條件2：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)中，存在任何一對之該第一符號訊號(Ii
)與該第二符號訊號(Qi
)之平方的總和等於或大於2×22(N-k)
，則將該第k個最高有效位元飽和功率數量增加1，其中k為2至N之整數；條件3：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)中，存在任何一對之該第一符號訊號(Ii
)與該第二符號訊號(Qi
)之平方的總和小於2×22(N-k)
，則將該第k個最高有效位元非飽和功率數量增加1，其中k為2至N之整數。
根據本發明之一特徵，其中該決定該額外增益調整(△Aided
)訊號之步驟2更包含下列之條件：條件1：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之中，存在m個最高有效位元飽和功率，則使用一額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於0至-30dB之實數且m為介於0至M之整數；條件2：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之中，存在m個第k個最高有效位元飽和功率，則使用一額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於-40至40dB之實數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數；條件3：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之中，存在連續j組之具有m個第k個非飽和功率，則使用該額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整
(△Aided
)訊號為一介於-40至40dB之實數、j為介於1至5之整數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數。
為達到上述之另一目的，本發明提供一種於接收訊號時具有自動增益控制(AGC)之無線通訊收發器，其包含：一天線；一天線切換器；一射頻接收器；一基頻解調器。該天線，用以接收與發射一射頻訊號。該天線切換器，依其切換位置可電性連接該天線與該發射器或該天線與該射頻接收器。雖然此無線通訊收發器通常含一發射器，當該無線通訊收發器用於接收訊號時，其發射器通常關掉以省電，同時其天線切換器之切換位置會將該天線與該射頻接收器相連。該射頻接收器，於接收訊號時係透過該天線切換器電性連接至該天線，並用以根據該接收之射頻訊號提供一第一訊號與一第二訊號。該基頻解調器，係電性連接至該射頻接收器，用以提供一低雜訊放大器與可變增益放大器增益控制訊號至該射頻接收器及一解調訊號。
根據本發明之一特徵，其中該射頻接收器更包含：一具有多級之低雜訊放大器；具有複數級可變增益放大器之第一可變增益放大器；具有複數級可變增益放大器之第二可變增益放大器。該具有多級之低雜訊放大器，係電性連接至該天線切換器，用以放大接收之該射頻訊號。該具有複數級可變增益放大器之第一可變增益放大器，係透過一第一濾波器及一第一混頻器電性連接至該具有多級之低雜訊放大器，用以提供該第一訊號。該具有複數級可變增益放大器之第二可變增益放大器，係透過一第二濾波器及
一第二混頻器電性連接至該具有多級之低雜訊放大器，用以提供該第二訊號。
根據本發明之一特徵，其中該基頻解調器更包含：一第一具有N位元之類比數位轉換器；一第二具有N位元之類比數位轉換器；一第一轉換器；一第二轉換器；一數位自動增益控制模組；一基頻解調處理器。該第一具有N位元之類比數位轉換器，係電性連接至該第一可變增益放大器，用以將該具有複數級可變增益放大器之第一可變增益放大器輸出之該第一訊號轉換為一第一無符號訊號。該第二具有N位元之類比數位轉換器，係電性連接至該第二可變增益放大器，用以將該具有複數級可變增益放大器之第二可變增益放大器輸出之該第二訊號轉換為一第二無符號訊號。該第一轉換器，係電性連接至該第一具有N位元類比數位轉換器，用以將該第一無符號訊號轉換為一第一符號訊號(Ii
)。該第二轉換器，係電性連接至該第二具有N位元類比數位轉換器，用以將該第二無符號訊號轉換為一第二符號訊號(Qi
)。該自動增益控制模組，係電性連接至該第一轉換器及該第二轉換器，用以提供一自動增益控制之設定。該基頻解調處理器，係電性連接至該第一轉換器及該第二轉換器，用以處理將該第一符號訊號(Ii
)與該第二符號訊號(Qi
)並提供一解調訊號。
根據本發明之一特徵，其中該數位自動增益控制模組更包含：一第一符號訊號(Ii
)與一第二符號訊號(Qi
)；一功率偵測器；一具有輔助統計之自動增益控制運算單元；一減法器；一平均單元；
一加法器；一乘法器；一累加器；一低雜訊放大器與可變增益放大器映像單元。該第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)，係為該第一具有N位元類比數位轉換器與該第二具有N位元類比數位轉換器經由無符號至符號訊號轉換器(即-2N/2-1
轉換器)之輸出。該功率偵測器，係電性連接至該第一轉換器與該第二轉換器，用以藉由該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)之平方的總和提供複數個對應之量測功率(Pi
)訊號，其中M為1至100之整數。該具有輔助統計之自動增益控制運算單元，係電性連接至該第一轉換器、該第二轉換器及該功率偵測器，用以根據該複數組M對之第一符號訊號(Ii
)、第二符號訊號(Qi
)與該量測之功率(Pi
)訊號決定一額外增益調整(△Aided
)訊號，並根據一功率統計與一振幅統計提供該額外增益調整(△Aided
)訊號。該減法器，係電性連接至該功率偵測器，用以估算一接收訊號之目標功率(PD
)與每一個該量測之功率(Pi
)訊號之間之功率誤差值，並提供複數個功率誤差訊號。該平均單元，係電性連結至該減法器，用以平均該複數個功率誤差訊號，並提供一平均功率誤差訊號。該加法器，係電性連接至該平均單位與該具有輔助統計之自動增益控制運算單元，用以藉由該額外增益調整(△Aided
)訊號與該平均功率誤差訊號之相加提供一增益調整訊號。該乘法器，係電性連接至該加法器，用以藉控制一可變增益(k)將該額外增益調整(△Aided
)訊號適當放大。該累加器，係電性連接至該乘法器，用於追蹤該放大後之額外增益調整(△Aided
)訊號，並提供一適當之數位增益值(Glinear
)為輸出。該低
雜訊放大器與可變增益放大器映像單元，係電性連接至該累加器，用以將該適當之數位增益值(Glinear
)轉換為一低雜訊放大器開關控制訊號以及I-通道和Q-通道之可變增益放大器增益之控制訊號，簡稱低雜訊放大器與可變增益放大器控制訊號。
根據本發明之一特徵，其中該累加器更包含：一加法器；一延遲器。該加法器，係電性連接至該乘法器。該延遲器，具有一輸入端係電性連接至該該加法器及一輸出端係電性連接至該加法器與該低雜訊放大器與可變增益放大器映像單元。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本發明之較佳實施例，並請了解本文所揭示者係考量為本發明之一範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。
現請同步參考第4圖及第9圖，其顯示為本發明之一種利用額外增益調整訊號之快速且穩健的自動增益控制裝置100之系統方塊圖，其包含：一功率偵測器110；一具有輔助統計之自動增益控制運算單元120；一減法器130；一平均單元140；一加法器150；一乘法器160；一累加器170；一低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元180。該功率偵測器110，係電性連接至一第一轉換器253(第9圖)與一第二轉換器254(第9圖)，用以提供量測之功率
(Pi
)訊號111，其中，該量測之功率(Pi
)訊號111為該第一轉換器253所提供之一第一符號訊號(Ii
)2531之平方與該第二轉換器254所提供之一第二符號訊號(Qi
)2541之平方的總和。該具有輔助統計之自動增益控制運算單元120，係電性連接至該第一轉換器253、該第二個轉換器254及該功率偵測器110，用以根據複數組M對之該第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541之一振幅統計，與該複數組中對應之M個該量測之功率(Pi
)訊號111之一功率統計，決定之一額外增益調整(△Aided
)訊號121，其中M為1至100之整數。該減法器130，係電性連接至該功率偵測器110，用以估算一接收訊號之目標功率(PD
)112與每一該量測之功率(Pi
)111訊號之間之功率誤差值，並提供複數個功率誤差訊號131，其中，該複數個功率誤差訊號131為該接收訊號之目標功率(PD
)112與該量測之功率(Pi
)訊號111之差值。該平均單元140，係電性連結至該減法器130，用以平均該複數個功率誤差訊號131，並提供一平均功率誤差訊號141。該加法器150，係電性連接至該平均單位140與該具有輔助統計之自動增益控制運算單元120，用以根據該額外增益調整(△Aided
)訊號121與該平均功率誤差訊號141之總和提供一增益調整訊號151。該乘法器160，係電性連接至該加法器150，用以根據一可調增益(k)160控制對增益調整訊號151的放大。需注意，本發明中所提及之該第一轉換器253與該第二轉換器254皆為-2N/2-1
之轉換器。
該累加器170，係電性連接至該乘法器150，用以追蹤複數個
該放大後之增益調整訊號151、對複數個該增益調整訊號151透過加法器171進行累加、延遲器172進行儲存並提供一適當之數位增益值(Glinear
)173為輸出。該低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元180，係電性連接至該累加器170，用以將該數位增益值(Glinear
))173轉換為低雜訊放大器241(第9圖)開關控制訊號以及I-通道之可變增益放大器2423和Q-通道之可變增益放大器2433(第9圖)之增益控制訊號，簡稱為低雜訊放大器與可變增益放大器增益控制訊號181。
現請參照第5圖和第4圖，其顯示為本發明中該第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541之間的關係與其功率表示。對於一個具有N位元之類比數位轉換器而言，該符號訊號的輸出(即第9圖第一轉換器253與第二轉換器254的輸出)，亦即該第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541的範圍是-2N-1
to 2N-1
-1，其中包括0。
若該該第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541等於-2N-1
或2N-1
-1便會出現飽和，亦即，該快速且穩健之自動增益控制裝置100的增益太高，因此造成具有N位元類比數位轉換器之輸入訊號超出其可承受之最大動態範圍。在這種情況下，具有N位元類比數位轉換器的輸出訊號，亦即為輸入至基頻解瓢處理器之訊號將因被截斷而失真，進而導致系統的性能下降。
一般而言，在封包取得的過程中，接收器會試圖偵測封包存在並正確地設置自動增益控制裝置100之增益，通常在封包出現
之前偵測不到訊號的存在時，其初始的自動增益會設定到接近最大值。如果接收到的訊號功率高於接收器系統雜訊功率10dB或更多時，飽和的情況很可能在封包接收到時立即發生。然而，飽和的情況也是一個有用的指示，其可提供自動增益控制裝置100在接收到過多的飽和振幅或飽和功率之Ii
2531與Qi
2541樣本時，迅速調整低雜訊放大器或可變增益放大器之增益設定。
然而，如果僅透過檢查類比數位轉換器的飽和輸出，亦即該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541，來決定了自動增益控制裝置100的額外增益，在接收具有動態範圍90dB(或以上)之無線區域網路(Wireless Local Area Network,WLAN)訊號時，將難以在幾個微秒時間內完成自動增益控制之設定。
因為類比數位轉換器的飽和樣本統計對以下的情況無法提供足夠的資訊：(1)訊號的振幅極大(具有很多飽和或被截斷之類比數位轉換器之輸出)或(2)訊號的功率極小(遠小於類比數位轉換器之飽和功率值)。如第2圖所示，在這兩種情況下傳統的自動增益控制運算，僅能根據自動增益控制之功率誤差進而緩慢地調整自動增益控制之設定。本發明所提出之自動增益控制設定則可有效的節省其增益控制之收歛時間，並可迅速處理上述之兩種情況。
現請再次參照第5圖，本發明中該快速且穩健的增益裝置100可利用該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541與該第二最高有效位元及第三最高有效位元進行比較，再根據其飽和或非飽和之程度，使用額外增益。舉例來說，若一對一
2N-1
轉換器之
輸出，該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541皆為飽和，其計算功率需滿足PMSB_1
=2-(2 N
-1
-1)2
,(2 N
-1
-1)2
+(2 N
-1
)2
，或2*22(N
-1)
，近似為2．(2(N-1)
-1)2
，其中N是一個不小於8的正整數。同樣地，若第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541皆等於該N位元類比數位轉換器經由無符號至符號訊號轉換器(即轉換器)輸出最大振幅之一半(振幅為MSBp2
或MSBn2
)，則其功率(Pi
)為PMSB_2
=2.22(N-2)
，而PMSB_2
約比PMSB_1
小了6dB。一具有6dB解析度之參考功率與振幅準位序列(PMSB_k
,MSBpk
，及MSBnk
)可被得到，如第5圖所示。更具體地來說，對於一個具有N位元之類比數位轉換器，PMSB_1
表示為該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541之最大功率。當該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541為正或負的最大振幅時，其功率之計算方式為2．(2N-1
-1)2
,(2N-1
-1)2
+(2N-1
)2
或2．22(N-1)
。
綜上所述，第一最大功率值發生在該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541之振幅皆為2N-1
-1時，第二最大功率值發生在該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541其中之一之振幅為2N-1
-1且另一為-2N-1
時，第三最大功率發生在該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541皆為-2N-1
時。對一個無線區域網路而言，N通常不小於8，因此本發明以下敘述將以PMSB_1
=2．(2N-1
-1)2
，同樣地，PMSB_2
=2．22(N-2)
表示為PMSB_1
之後6dB值，PMSB_3
=2．2(N-3)
表示為為PMSB_1
之後12 dB值。
現請再次參考第5圖，對一個具有N位元之類比數位轉換器，
MSBp1
表示為該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541中正的飽和振幅2N-1
-1，而MSBn1
表示為該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541中負的飽和振幅-2N-1
。MSBpk
表示為該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541中第k位元正的飽和振幅。MSBnk
表示為該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541中第k位元負的飽和振幅。第5圖中的方程式與箭頭顯示了該第一符號訊號(Ii
)2531及該第二符號訊號(Qi
)2541對應之PMSB_1
、PMSB_2
與PMSB_3
。
在具體的應用上，更可以選擇任何合適的功率解析度，例如1dB或其一小部分。換句話說，使用最高有效位元或第k個最高有效位元之飽和或非飽和功率是最簡單和直觀的實例，但在技術上，可依據不同條件來改變其增益之設定，亦即，第k個最高有效位元的非整數位元振幅的飽和或未飽和，或第k個最高有效位元的非整數位元功率的飽和或未飽和。例如，一個PMSB_k.25
=22(N-k-0.25)
功率飽和或非飽和是一個介於第k個最高有效位元功率飽和及第(k+1)個最高有效位元功率飽和之中間值。
為了能更了解本發明揭示之快速且穩健的自動增益控制裝置100，本發明提供一種藉由一振幅統計輔助之自動增益控制(AGC)之增益設定之方法，其包含下列之步驟：步驟1：決定該振幅統計，該振幅統計包含存在於複數組(以M對Ii
及Qi
為一組)之第一符號訊號(Ii
)2531與第二符號訊號(Qi
)2541中每組之最高有效位元之飽和振幅數量、第k個最高有效位元之飽和振幅數量以及第k個最
高有效位元之非飽和振幅數量；步驟2：根據步驟1中之該振幅統計決定一額外增益調整(△Aided
)訊號。
該決定該振幅統計之步驟1更包含下列之條件：條件1：以M對第一符號訊號(Ii
)2531與第二符號訊號(Qi
)2541為一組，若任一對Ii
與Qi
中，該Ii
或該Qi
其中之一之振幅為2N-1
-1或-2N-1
之一，則將該組之最高有效位元之飽和振幅數量增加1；條件2：以M對Ii
及Qi
為一組，若任一對Ii
與Qi
中，該Ii
或該Qi
之振幅絕對值大於或等於2N-k
，則將該組之第k個最高有效位元之飽和振幅數量增加1，其中k為2至N之整數；條件3：以M對Ii
及Qi
為一組，若任一對Ii
與Qi
中，該Ii
及該Qi
之振幅絕對值皆小於2N-k
，則將該組之第k個最高有效位元之非飽和振幅數量增加1，其中k為2至N之整數。
該決定該額外增益調整(△Aided
)訊號之步驟2更包含下列之條件：條件1：以M對Ii
及Qi
為一組，若該組存在m個最高有效位元之飽和振幅，則使用一額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於0至-30dB之實數且m為介於0至M之整數；條件2：以M對Ii
及Qi
為一組，若該組存在m個第k個最高有效位元之飽和振幅，則使用一額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於-40至40dB之實數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數；條件3：以M對Ii
及Qi
為一組，若連續j組每組皆存在具有m或更多個第k個最高有效位元之非飽和振幅，則使用該額外增益調整(△Aided
)訊
號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於-40至40dB之實數、j為介於於0至5之整數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數。
為了能更了解本發明揭示之快速且穩健的自動增益控制裝置100，本發明提供一種藉由一功率統計輔助之自動增益控制(AGC)之增益設定之方法，其包含下列之步驟：步驟1：決定該功率統計，該功率統計包含存在於複數組(以M對Ii
及Qi
為一組)之該第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541中每組之最高有效位元之飽和功率數量，第k個最高有效位元之飽和功率數量以及第k個最高有效位元之非飽和功率數量；步驟2：根據步驟1中之該功率統計決定一額外增益調整(△Aided
)訊號。
該決定該功率統計之步驟1更包含下列之條件：條件1：以M對第一符號訊號(Ii
)2531與第二符號訊號(Qi
)2541為一組，若任何一對Ii
與Qii
之平方和等於或大於2×(2N-1
-1)2
，則將該組之最高有效位元之飽和功率數量增加1；條件2：以M對第一符號訊號(Ii
)2531與第二符號訊號(Qi
)2541為一組，若任何一對Ii
與Qi
之平方和等於或大於2×22(N-k)
，則將組之第k個最高有效位元之飽和功率數量增加1，其中k為2至N之整數；條件3：以M對第一符號訊號(Ii
)2531與第二符號訊號(Qi
)2541為一組，若任何一對Ii
與Qi
之平方和小於2×22(N-k)
，則將該類比數位轉換之第k個最高有效位元之非飽和功率數量增加1，其中k為2至N之整數。
該決定該額外增益調整(△Aided
)訊號之步驟2更包含下列之條
件：條件1：以M對Ii
及Qi
為一組，若該組存在m個最高有效位元之飽和功率，則使用一額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於0至-30dB之實數且m為介於0至M之整數；條件2：以M對Ii
及Qi
為一組，若該組存在m個第k個最高有效位元之飽和功率，則使用一額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於-40至40dB之實數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數；條件3：以M對Ii
及Qi
為一組，若連續j組每組皆存在具有m或更多個第k個最高有效位元之非飽和功率，則使用該額外增益調整(△Aided
)訊號，其中該額外增益調整(△Aided
)訊號為一介於-40至40dB之實數、j為介於0至5之整數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數。
現請參照第6圖，顯示為具一符號、3位元之類比數位轉換器經由無符號至符號訊號轉換器(即-2N/2-1
轉換器)輸出與功率關係之一第一實施例。簡單地來說，對每個第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541來說，一些簡單被定義“訊號功率過高”的功率和振幅指標的定義如下：
(a)功率指標：
(b)振幅指標
同樣地，第6圖亦顯示出了幾個訊號“功率過低”的振幅指標
上述之第1式中，若“P msb_k_sat
為真”，則顯示出此類比數位轉換器經由無符號至符號訊號轉換器(即-2N/2-1
轉換器)輸出第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541之功率高於第k個參考功率準位。同樣地，在第3式中，若“MSB_k_sat為真”，則顯示第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541其中之一大於MSKpk
或小於MSBnk
。在第4式中，當自動增益控制之增益設定過小時，MSB_k_null可作為一個有用的指標。舉例來說，當接收訊號之目標功率PD
被設定為Pmsb_2
(即從最大功率準位退6dB)，若是大多數對的Ii
與Qi
之MSB_3_null皆為真(true)，因在MSBp3
和MSBn3
兩區域之間所有的Ii
與Qi
是在較長觀測時間下做統計數據的，亦即自動增益設定至少低了6dB以上。
現請參照第7圖，顯示使用本發明提供之利用8對Ii
與Qi
樣
本功率統計及振幅統計輔助之自動增益控制方法之第二實施例。對於8對中的每一對第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541，是根據上述的簡單指標進行統計，以確認自動增益控制之設定是否極端不合適。第7圖的第一欄中，六種情況((I)-(VI))顯示了自動增益控制極端不適當的情況。在第二欄中相應的“額外”增益調整訊號值則以dB表示。第三欄包含”使用該額外增益調整“的理由。更具體地的來說，情況(I)中的8對第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541中存在6對具有最高有效位元之飽和。在第二欄中，額外增益調整(△Aided
)訊號121值為-15dB，並在第三欄中提供了一些簡短的說明。在累加器170中通常使用的迴路增益k為已知，故額外增益調整(△Aided
)訊號121可藉由輸入適當的△Aided
值至加法器150來得到。
即使在本實施例中只有提及6個情況，但值得注意的是，一個熟練於本領域的工作者可以很容易地根據接收訊號之“峰值對平均功率比“的特性，將給予的簡單指標修改和微調至相應的額外增益調整訊號。在第7圖中的最後一列顯示”....”，用來表示該方法可更被用於更多不同的情況。
現請參照第8圖，顯示使用本發明提供之利用16對Ii
與Qi
樣本功率統計及振幅統計輔助之自動增益控制方法之第三實施例。對於16對Ii
與Qi
中的每一對第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541，是根據上述的簡單振幅統計指標進行統計，以
確認自動增益控制之設定是否極端不合適。本實施例與第7圖所示的實施例2略有不同。其主要差異在於第7圖中所提及之功率指標Pmsb_k_sat
於本實施例中未使用。在第8圖的第一欄中，五種情況(((I)-(V))顯示了自動增益控制極端不合適的情況。在第二欄中，顯示了額外增益調整(△Aided
)訊號值，並在第三欄中提供了一些簡短的說明。在累加器170中通常使用的迴路增益k為已知，故額外增益調整(△Aided
)訊號121可藉由輸入適當的△Aided
值至加法器150所得到。在第8圖中的最後一列顯示”....”，其表示該方法可更被用應用於不同的情況。
現請參照第9圖，其顯示為本發明一種具有自動增益控制(AGC)之無線通訊收發器，其包含：一天線210；一天線切換器220；一射頻接收器240；一基頻解調器250。該天線210，用以接收與發射一射頻訊號。該天線切換器220，依其切換位置可電性連接該天線與該發射器230或該天線與該射頻接收器240。雖然此無線通訊收發器通常含一發射器230，當該無線通訊收發器用於接收訊號時，其發射器230通常關掉以省電，同時其天線切換器220之切換位置會將該天線210與該射頻接收器240相連。該射頻接收器240，於接收訊號時係透過該天線切換器電性連接至該天線，並用以根據該接收之射頻訊號提供一第一訊號2424與一第二訊號2434給該基頻解調器250。該基頻解調器250，係電性連接至該射頻接收器240，用以提供一低雜訊放大器與可變增益放大器增益控制訊號181至該射頻接收器及產生一解調訊號257。
其中該射頻接收器240更包含：具有多級之低雜訊放大器241；具有複數級可變增益放大器之第一可變增益放大器2423；第二含複數級可變增益可變放大器之增益放大器2433。該具有多級之低雜訊放大器241，係電性連接至該天線切換器220，用以放大該射頻接收訊號211。該具有複數級可變增益放大器之第一可變增益放大器2423，係透過一第一濾波器2422及一第一混頻器2421電性連接至該具有多級之低雜訊放大器241，用以提供一第一訊號2424。該具有複數級可變增益放大器之第二可變增益放大器2433，係透過一第二濾波器2432及一第二混頻器2431電性連接至該具有多級之低雜訊放大器241，用以提供一第二訊號2434。
其中該基頻解調器250更包含：一第一具有N位元之類比數位轉換器251；一第二具有N位元之類比數位轉換器252；一第一轉換器253；一第二轉換器254；一數位自動增益控制模組100；一基頻解調處理器256。該第一具有N位元之類比數位轉換器251，係電性連接至具多級可變增益放大器之第一可變增益放大器2423，用以將該第一可變增益放大器2423輸出之一第一訊號2424轉換為一第一無符號訊號2511。該第二具有N位元之類比數位轉換器252，係電性連接至具多級可變增益放大器之第二可變增益放大器2433，用以將該第二可變增益放大器2433輸出之一第二訊號2434轉換為一第二無符號訊號2521。該第一轉換器253，係電性連接至該第一具有N位元類比數位轉換器251，用以將該第一無符號訊號2511轉換為一第一符號訊號(Ii
)2531。該第二轉換器
254，係電性連接至該第二具有N位元類比數位轉換器252，用以將該第二無符號訊號2521轉換為一第二符號訊號(Qi
)2541。該數位自動增益控制模組100，係電性連接至該第一轉換器253及該第二轉換器254，用以提供一自動增益控制之設定。該基頻解調處理器256，係電性連接至該第一轉換器253及該第二轉換器254，用以處理該第一符號訊號(Ii
)2531與該第二符號訊號(Qi
)2541並提供一解調訊號257。
該數位自動增益控制模組100更包含：一功率偵測器110；一具有輔助統計之自動增益控制運算單元120；一減法器130；一平均單元140；一加法器150；一乘法器160；一累加器170；一低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元180。該功率偵測器110，係電性連接至一第一-2N/2-1
轉換器253與一第二-2N/2-1
轉換器254，用以提供量測之功率(Pi
)訊號111，其中，該量測之功率(Pi
)訊號111為該第一轉換器253所提供之一第一符號訊號(Ii
)2531之平方與該第二轉換器254所提供之一第二符號訊號(Qi
)2541之平方和，其中M為1至100之整數。該具有輔助統計之自動增益控制運算單元120，係電性連接至該第一轉換器253、該第二個轉換器254及該功率偵測器110，用以根據該複數對第一符號訊號(Ii
)2531、該第二符號訊號(Qi
)2541與其對應之該量測之功率(Pi
)111訊號決定一功率統計與一振幅統計，並據此產生一額外增益調整(△Aided
)訊號121。
該減法器130，係電性連接至該功率偵測器110，用以逐一估
算一接收訊號之目標功率(PD
)112與每一個量測之功率(Pi
)111訊號之間之功率差值，並提供複數個功率誤差訊號131。
該平均單元140，係電性連接至該減法器130，用以平均該複數個功率誤差訊號131，並提供一平均功率誤差訊號141。該加法器150，係電性連接至該平均單元140與該具有輔助統計之自動增益控制運算單元120，用以藉由該額外增益調整(△Aided
)訊號121與該平均功率誤差訊號141之相加，提供一增益調整訊號151。該乘法器160，係電性連接至該加法器150，用以適當放大增益調整訊號藉可變增益(k)151，以控制整個可變增益迴路。該低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元，係電性連接至該累加器，用以將該適當數位增益值(Glinear
)轉換為一低雜訊放大器之開關控制訊號以及I-通道和Q-通道之可變增益放大器之增益控制訊號。
該累加器170，係電性連接至該乘法器160，用以追蹤經乘法器放大後之增益調整訊號151、對該複數個放大後之增益調整訊號進行累加、儲存並提供一適當數位增益值(Glinear
)173作為輸出。該低雜訊放大器與可變增益放大器映像單元180，係電性連接至該累加器170，用以將該適當之數位增益值(Glinear
))173轉換為一低雜訊放大器之開關控制訊號以及I-通道和Q-通道之可變增益放大器2423,2433之增益控制訊號181。該累加器170更包含：一加法器171；一延遲器172。該加法器171，係電性連接至該乘法器160，將放大後之增益調整訊號與延遲器內存之結果相加。該延遲器172，具有一輸入端係電性連接至該加法器171，一輸出端係電性
連接至該加法器171以供其累加，另一輸出端電性連接至該低雜訊放大器與可變增益放大器映像單元180。
雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧數位自動增益控制模組
110‧‧‧功率偵測器
111‧‧‧量測之功率(Pi
)訊號
112‧‧‧接收訊號之目標功率(PD
)
120‧‧‧具有輔助統計之自動增益控制運算單元
121‧‧‧額外增益調整(△Aided
)訊號
130‧‧‧減法器
131‧‧‧功率誤差訊號
140‧‧‧平均單元
141‧‧‧平均功率誤差訊號
150‧‧‧加法器
151‧‧‧增益調整訊號
160‧‧‧乘法器
170‧‧‧累加器
171‧‧‧加法器
172‧‧‧延遲器
173‧‧‧適當之數位增益值(Glinear
)
180‧‧‧低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元
181‧‧‧低雜訊放大器與可變增益放大器增益控制訊號
210‧‧‧天線
211‧‧‧射頻訊號
220‧‧‧天線切換器
230‧‧‧發射器
240‧‧‧射頻接收器
241‧‧‧具有多級之低雜訊放大器
2421‧‧‧第一混頻器
2422‧‧‧第一濾波器
2423‧‧‧具有複數級可變增益放大器之第一可變增益放大器
2424‧‧‧第一訊號
2431‧‧‧第二混頻器
2432‧‧‧第二濾波器
2433‧‧‧具有複數級可變增益放大器之第二可變增益放大器
2434‧‧‧第二訊號
250‧‧‧基頻解調器
251‧‧‧第一具有N位元之類比數位轉換器
2511‧‧‧第一無符號訊號
252‧‧‧第二具有N位元之類比數位轉換器
2521‧‧‧第二無符號訊號
253‧‧‧第一轉換器
2531‧‧‧第一符號訊號(Ii
)
254‧‧‧第二轉換器
2541‧‧‧第二符號訊號(Qi
)
256‧‧‧基頻解調處理器
257‧‧‧解調訊號
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：第1圖所示為先前技術之含直接轉換接收器之無線收發器之電路方塊圖；第2圖所示為先前技術之傳統的自動增益控制之電路方塊圖；第3圖所示為先前技術之相對於類比數位轉換器之動態範圍之四種大小不同之訊號波形示意；第4圖所示為本發明之具有統計輔助之快速且穩健之自動增益控制電路方塊圖；第5圖所示為本發明之第一符號訊號(Ii
)與第二符號訊號(Qi
)與其功率之關係示意圖；第6圖所示為本發明之具有一符號、3位元數位類比轉換器經由無符號至符號訊號轉換器(即-2N/2-1
轉換器)輸出與其功率關係之第一實施例示意圖；第7圖所示為使用本發明提供之利用8對Ii
與Qi
樣本功率統計及振幅統計輔助之自動增益控制之方法第二實施例；第8圖所示為使用本發明提供之利用16對Ii
與Qi
樣本功率統計及振幅統計之輔助之自動增益控制之方法之第三實施例；以及第9圖所示為一種具有自動增益控制(AGC)之無線通訊收發器之電路方塊圖。
100‧‧‧數位自動增益控制模組
110‧‧‧功率偵測器
111‧‧‧量測之功率(Pi
)訊號
112‧‧‧接收訊號之目標功率(PD
)
120‧‧‧具有輔助統計之自動增益控制運算單元
121‧‧‧額外增益調整(△Aided
)訊號
130‧‧‧減法器
131‧‧‧功率誤差訊號
140‧‧‧平均單元
141‧‧‧平均功率誤差訊號
150‧‧‧加法器
151‧‧‧增益調整訊號
160‧‧‧乘法器
170‧‧‧累加器
171‧‧‧加法器
172‧‧‧延遲器
173‧‧‧適當之數位增益值(Glinear
)
180‧‧‧低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元
181‧‧‧低雜訊放大器與可變增益放大器之增益控制訊號
2531‧‧‧第一符號訊號(Ii
)
2541‧‧‧第二符號訊號(Qi
)
Claims (12)
- 一種快速且穩健之自動增益控制裝置，其包含：一功率偵測器，係電性連接至一第一類比數位轉換器與一第二類比數位轉換器，用以提供一量測之功率(Pi )訊號，其中，該量測之功率(Pi )訊號為該第一類比數位轉換器所提供之一第一符號訊號(Ii )之平方與該第二類比數位轉換器所提供之一第二符號訊號(Qi )之平方的總和；一具有輔助統計之自動增益控制運算單元，係電性連接至該第一類比數位轉換器、該第二個類比數位轉換器及該功率偵測器，用以根據複數組M對之該第一符號訊號(Ii )與該第二符號訊號(Qi )之一振幅統計，或複數組對應之M個該量測之功率(Pi )訊號之一功率統計決定之一額外增益調整(△Aided )訊號，其中，M為1至100之整數；一減法器，係電性連接至該功率偵測器，用以估算一接收訊號之目標功率(PD )與每一該量測之功率(Pi )訊號之間之功率差值，並提供一功率誤差訊號，其中，該功率誤差訊號為該接收訊號之目標功率(PD )與該量測之功率(Pi )訊號之差值；一平均單元，係電性連結至該減法器，用以平均該功率誤差訊號，並提供一平均功率誤差訊號；一加法器，係電性連接至該平均單位與該具有輔助統計之自動增益控制運算單元，用以根據該額外增益調整(△Aided )訊號與該平均功率誤差訊號之總和提供一增益調整訊號； 一乘法器，係電性連接至該加法器，用以根據一可調增益(k)控制一自動控制增益迴路之增益；一累加器，係電性連接至該乘法器，用以追蹤經該乘法器放大後之該增益調整訊號、對複數個該增益調整訊號進行累加、儲存並提供一適當數位增益值(Glinear )作為輸出；以及一低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元，係電性連接至該累加器，用以將該適當數位增益值(Glinear )轉換為一低雜訊放大器與可變增益放大器控制訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之自動增益控制裝置，其中該累加器更包含：一加法器，係電性連接至該乘法器；以及一延遲器，具有一輸入端係電性連接至該加法器及一輸出端係電性連接至該加法器及該低雜訊放大器與可變增益放大器控制映像單元。
- 一種藉由一振幅統計輔助之自動增益控制(AGC)增益設定之方法，其包含下列之步驟：步驟1：決定一振幅統計，該振幅統計包含存在於複數組M對之一第一符號訊號(Ii )與一第二符號訊號(Qi )之一最高有效位元之飽和振幅數量、一第k個最高有效位元之飽和振幅數量以及一第k個最高有效位元之非飽和振幅數量；以及 步驟2：根據步驟1中之該振幅統計決定一額外增益調整(△Aided )訊號。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該決定該振幅統計之步驟更包含下列之條件：條件1：若該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )其中之一之振幅為2N-1 -1或-2N-1 之一，則將該最高有效位元之飽和振幅數量增加1；條件2：若該複數組M對之該第一符號訊號(Ii )與該第二符號訊號(Qi )其中之一之振幅絕對值大於或等於2N-k ，則將該第k個最高有效位元之飽和振幅數量增加1，其中k為2至N之整數；以及條件3：若該複數組M對之該第一符號訊號(Ii )及該第二符號訊號(Qi )兩者之振幅絕對值皆小於2N-k ，則將該第k個最高有效位元之非飽和振幅數量增加1，其中k為2至N之整數。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該決定該額外增益調整(△Aided )訊號之步驟更包含下列之條件：條件1：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )之中，存在m個最高有效位元之飽和振幅，則使用該額外增益調整(△Aided )訊號，其中該額外增益調整(△Aided )訊號為一介於0至-30dB之實數，且m為介於0至M之整數；條 件2：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )之中，存在m個第k個最高有效位元之飽和振幅，則使用該額外增益調整(△Aided )訊號，其中該額外增益調整(△Aided )訊號為一介於-40至40dB之實數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數；條件3：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )之中，存在連續j組具有m個第k個非飽和振幅，則使用該額外增益調整(△Aided )訊號，其中該額外增益調整(△Aided )訊號為一介於-40至40dB之實數、j為介於1至5之整數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數。
- 一種藉由一功率統計輔助之自動增益控制(AGC)增益設定之方法，其包含下列之步驟：步驟1：決定一功率統計，該功率統計包含存在於複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )之一最高有效位元之飽和功率數量、一第k個最高有效位元之飽和功率數量以及一第k個最高有效位元之非飽和功率數量；步驟2：根據步驟1中之該功率統計決定一額外增益調整(△Aided )訊號。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該決定該功率統計之步驟更包含下列之條件： 條件1：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )中，存在任何一對之該第一符號訊號(Ii )與該第二符號訊號(Qi )之平方的總和等於或大於2×(2N-1 -1)，則將該之最高有效位元之飽和功率數量增加1；條件2：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )中，存在任何一對之該第一符號訊號(Ii )與該第二符號訊號(Qi )之平方的總和等於或大於2×22(N-k) ，則將該第k個最高有效位元飽和功率數量增加1，其中k為2至N之整數；以及條件3：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )中，存在任何一對之該第一符號訊號(Ii )與該第二符號訊號(Qi )之平方的總和小於2×22(N-k) ，則將該第k個最高有效位元非飽和功率數量增加1，其中k為2至N之整數。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該決定該額外增益調整(△Aided )訊號之步驟更包含下列之條件：條件1：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )之中，存在m個最高有效位元飽和功率，則使用一額外增益調整(△Aided )訊號，其中該額外增益調整(△Aided )訊號為一介於0至-30dB之實數且m為介於0至M之整數； 條件2：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )之中，存在m個第k個最高有效位元飽和功率，則使用一額外增益調整(△Aided )訊號，其中該額外增益調整(△Aided )訊號為一介於-40至40dB之實數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數；以及條件3：若於該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )之中，存在連續j組之具有m個第k個非飽和功率，則使用該額外增益調整(△Aided )訊號，其中該額外增益調整(△Aided )訊號為一介於-40至40dB之實數、j為介於1至5之整數、m為介於0至M之整數且k為一介於2至N之整數。
- 一種於接收訊號時具有自動增益控制(AGC)之無線通訊收發器，其包含：一天線，用以接收與發射一射頻訊號；一天線切換器，係電性連接至該天線與一發射器；一射頻接收器，係電性至該天線切換器，用以根據該射頻訊號提供一第一訊號與一第二訊號；以及一基頻解調器，係電性連接至該射頻接收器，用以提供一低雜訊放大器與可變增益放大器增益控制訊號至該射頻接收器及一解調訊號； 其中該基頻解調器更包含：一第一具有N位元之類比數位轉換器，係電性連接至具有複數級可變增益放大器之第一可變增益放大器，用以將該具有複數級可變增益放大器之第一可變增益放大器輸出之該第一訊號轉換為一第一無符號訊號；一第二具有N位元之類比數位轉換器，係電性連接至具有複數級可變增益放大器之第二可變增益放大器，用以將該具有複數級可變增益放大器之第二可變增益放大器輸出之該第二訊號轉換為一第二無符號訊號；一第一轉換器，係電性連接至該第一具有N位元類比數位轉換器，用以將該第一無符號訊號轉換為一第一符號訊號(Ii )；一第二轉換器，係電性連接至該第二具有N位元類比數位轉換器，用以將該第二無符號訊號轉換為一第二符號訊號(Qi )；一數位自動增益控制模組，係電性連接至該第一轉換器及該第二-轉換器，用以提供一自動增益控制之設定；以及一基頻解調處理器，係電性連接至該第一轉換器及該第二轉換器，用以處理將該第一符號訊號(Ii )與該第二符號訊號(Qi )並提供一解調訊號。
- 如申請專利範圍第9項所述之無線通訊收發器，其中該射頻接收器更包含：一具有多級之低雜訊放大器，係電性連接至該天線切換器，用以放大該射頻訊號；一具有複數級可變增益放大器之第一可變增益放大器，係透過一第一濾波器及一第一混頻器電性連接至該具有多級之低雜訊放大器，用以提供該第一訊號；以及一具有複數級可變增益放大器之第二可變增益放大器，係透過一第二濾波器及一第二混頻器電性連接至該具有多級之低雜訊放大器，用以提供該第二訊號。
- 如申請專利範圍第9項所述之無線通訊收發器，其中該數位自動增益控制模組更包含：一功率偵測器，係電性連接至該第一轉換器與該第二轉換器，用以藉由該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )之平方的總和提供複數個對應之量測之功率(Pi )訊號，其中M為1至100之整數；一具有輔助統計之自動增益控制運算單元，係電性連接至該第一轉換器、該第二轉換器及該功率偵測器，用以根據該複數組M對之第一符號訊號(Ii )與第二符號訊號(Qi )及複數個對應之量測之功率(Pi )訊號決定一額外增益調整(△Aided )訊號，並 根據一功率統計與一振幅統計提供該額外增益調整(△Aided )訊號；一減法器，係電性連接至該功率偵測器，用以估算一接收訊號之目標功率(PD )與每一個該量測之功率(Pi )訊號之間之功率差值，並提供複數個功率誤差訊號；一平均單元，係電性連結至該減法器，用以平均該複數個功率誤差訊號，並提供一平均功率誤差訊號；一加法器，係電性連接至該平均單位與該具有輔助統計之自動增益控制運算單元，用以藉由該額外增益調整(△Aided )訊號與該平均功率誤差訊號之相加提供一增益調整訊號；一乘法器，係電性連接至該加法器，用以藉控制一可變增益(k)將該額外增益調整(△Aided )訊號適當放大；一累加器，係電性連接至該乘法器，用於追蹤放大後之該額外增益調整(△Aided )訊號，並提供一適當之數位增益值(Glinear )；以及一低雜訊放大器與可變增益放大器映像單元，係電性連接至該累加器，用以將適當之數位增益值(Glinear )轉換為一低雜訊放大器與可變增益放大器控制訊號。
- 如申請專利範圍第9項所述之無線通訊收發器，其中該累加器更包含：一加法器，係電性連接至該乘法器；以及一延遲器，具有一輸入端係電性連接至該該加法器及一輸出端係電性連接至該加法器與該低雜訊放大器與可變增益放大器映像單元。
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