ASK无线接收机及其自动增益控制方法.pdf

本发明涉及电子器件，公开了一种ASK无线接收机及其自动增益控制方法。ASK无线接收机包含：第一级前馈自动增益控制模块和第二级反馈自动增益控制模块。第一级前馈自动增益控制模块根据从天线接收到的射频信号的幅度，对用于对所述射频信号进行放大的低噪声放大器LNA进行自动增益控制；第二级反馈自动增益控制模块根据后级所产生的控制电压动态地调整所述LNA输出的、经带通滤波器滤除干扰信号后的有用信号的放大增益，输出幅度相对恒定的调制信号；所述输出的调制信号通过复数解调器进行解调；所述控制电压根据对所述解调后的信号得到。ASK无线接收机能快速地对整个接收机链路增益进行调节，同时能够实现对链路增益的连续线性调节。

权利要求书1.  一种ASK无线接收机，其特征在于，包含：第一级前馈自动增益控制模块和第二级反馈自动增益控制模块；其中，所述第一级前馈自动增益控制模块根据从天线接收到的射频信号的幅度，对用于对所述射频信号进行放大的低噪声放大器LNA进行自动增益控制；所述第二级反馈自动增益控制模块根据后级所产生的控制电压动态地调整所述LNA输出的、经带通滤波器滤除干扰信号后的有用信号的放大增益，输出幅度相对恒定的调制信号；所述输出的调制信号通过复数解调器进行解调；所述控制电压根据所述解调后的信号得到。2.  根据权利要求1所述的ASK无线接收机，其特征在于，所述第一级前馈自动增益控制模块的输入端与天线相连，所述第一级前馈自动增益控制模块的输出端与所述LNA相连。3.  根据权利要求2所述的ASK无线接收机，其特征在于，所述第一级前馈自动增益控制模块为自动增益控制器AGC。4.  根据权利要求1所述的ASK无线接收机，其特征在于，所述第二级反馈自动增益控制模块的输入端与带通滤波器的输出端相连；所述第二级反馈自动增益控制模块的输出端与所述复数解调器相连；所述复数解调器的输出信号输入到电流控制器中，该电流控制器直接控制一电容的充放电；所述控制电压为所述电容上的电压。5.  根据权利要求4所述的ASK无线接收机，其特征在于，所述第二级反馈自动增益控制模块为可变增益放大器。6.  根据权利要求1至5中任一项所述的ASK无线接收机，其特征在于，所述LNA的输出端接混频器，所述混频器的另外一个输入端接锁相环的输出端；所述混频器的输出端接所述带通滤波器的输入端。7.  一种ASK无线接收机的自动增益控制方法，其特征在于，包含以下步骤：从天线接收射频信号；第一级前馈自动增益控制模块根据所述接收到的射频信号的幅度，对用于对所述射频信号进行低噪声放大的低噪声放大器LNA进行自动增益控制；第二级反馈自动增益控制模块根据后级所产生的控制电压动态地调整所述LNA输出的经带通滤波器滤除干扰信号后的有用信号的放大增益，输出幅度相对恒定的调制信号；所述输出的调制信号通过复数解调器进行解调；所述控制电压根据所述解调后的信号得到。8.  根据权利要求7所述的ASK无线接收机的自动增益控制方法，其特征在于，所述第一级前馈自动增益控制模块为自动增益控制器AGC；所述第二级反馈自动增益控制模块为可变增益放大器。9.  根据权利要求7所述的ASK无线接收机的自动增益控制方法，其特征在于，通过以下方式，根据所述解调后的信号得到所述控制电压：由电流控制器根据所述复数解调器的输出信号，直接控制一电容的充放电；所述控制电压为所述电容上的电压。10.  根据权利要求7至9中任一项所述的ASK无线接收机的自动增益控制方法，其特征在于，还包含以下步骤：所述LNA的输出信号经混频器输入到所述带通滤波器；所述混频器的另外一个输入端接收锁相环输出的载波信号。

说明书ASK无线接收机及其自动增益控制方法
技术领域
本发明涉及电子器件，特别涉及一种用于ASK无线接收机中的快速增益调节电路。
背景技术
ASK（Amplitude Shift Keying，振幅键控）无线通讯系统广泛用于远程无钥匙控制，门禁等领域，具有成本低、功耗低、传输距离远、应用电路简单的特点。一套完整的ASK无线控制系统包括发射机和接收机两部分，如图1所示，这两部分通常独立存在。在现有的ASK无线接收机的增益控制结构中，存在两种主要实现方案：
（1）基于峰值检测（PKD）的反馈控制方式，如图2所示。基于峰值检测的ASK无线接收机结构包含低噪声放大器（Low Noise Amplifier，简称“LNA”）、混频器、滤波器、可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，简称“VGA”）、峰值检测器（PKD）和自动增益控制器（Automatic Gain Control，简称“AGC”），其中AGC与VGA、Mixer（混频器）形成增益控制回路。这种增益控制结构是将解调后的信号输入到AGC模块中，AGC模块通过对解调信号幅度大小与预设值进行比较，从而控制电容C1的充放电，而电容C1上的电压直接控制VGA和混频器的增益，从而实现自动增益控制。如果幅度超过预设值，将控制电容C1放电，电容C1上的电压降低，链路增益降低；反之则反。
（2）基于接收信号强度指示（RSSI）的反馈控制方式，如图3所示。该方案同样采用闭环反馈方式控制增益，其增益控制的作用在LNA上，这 种增益控制结构的环路包含LNA，Mixer（混频器），VGA，RSSI以及AGC模块。RSSI接收到信号后输入到AGC中，在AGC模块中所接收的信号与预设值进行比较，从而决定LNA的增益大小，如果RSSI信号大于预设值，则将LNA设置为低增益模式；反之则反。
但是，当发射机与接收机的距离发生变化时，接收机天线能感应的信号将同步变化。如果不能对整个接收机链路增益进行快速调节，将导致接收机信号堵塞（信号过大）或无法接收（信号太小），进而导致数据丢包。在方案（1）中，该增益控制结构环路响应时间较长，不能够及时跟踪载波幅度变化，从而导致接收机在输入信号跳变时出现阻塞或无法接收。
同样，在方案（2）中，该方案也采用闭环反馈方式控制增益，其增益控制作用于LNA，该增益控制结构的环路包含LNA，Mixer，AMP（放大器），RSSI以及AGC模块，该环路所包括模块多，控制时间长，不利于快速响应。
同时，在方案（2）中，整个链路只存在大、小信号两种离散的增益模式，不利于链路增益的连续线性调解。
发明内容
本发明的目的在于提供一种ASK无线接收机及其自动增益控制方法，使得ASK无线接收机能够快速响应大信号或小信号的情况，同时能够实现对链路增益的连续线性调节。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种ASK无线接收机，包含：第一级前馈自动增益控制模块和第二级反馈自动增益控制模块；
其中，所述第一级前馈自动增益控制模块根据从天线接收到的射频信号的幅度，对用于对所述射频信号进行低噪声放大的低噪声放大器LNA进行自动增益控制；
所述第二级反馈自动增益控制模块根据后级所产生的控制电压动态地调整所述LNA输出的经带通滤波器滤除干扰信号后的有用信号的放大增益，输出幅度相对恒定的调制信号；所述输出的调制信号通过复数解调器进行解调；所述控制电压根据所述解调后的信号得到。
本发明还提供了一种ASK无线接收机的自动增益控制方法，包含以下步骤：
从天线接收射频信号；
第一级前馈自动增益控制模块根据所述接收到的射频信号的幅度，对用于对所述射频信号进行低噪声放大的低噪声放大器LNA进行自动增益控制；
第二级反馈自动增益控制模块根据后级所产生的控制电压动态地调整所述LNA输出的经带通滤波器滤除干扰信号后的有用信号的放大增益，输出幅度相对恒定的调制信号；所述输出的调制信号通过复数解调器进行解调；所述控制电压根据所述解调后的信号得到。
本发明实施方式相对于现有技术而言，由第一级前馈自动增益控制模块实现射频前端的前馈自动增益控制，由第二级反馈自动增益控制模块实现中频部分的反馈自动增益控制。由于第一级前馈自动增益控制模块可以在输入信号的幅度超过一定范围时，自动将LNA切换到低增益模式，反之，当输入信号幅度降低到一定范围时，自动将LNA切换到高增益模式，整个过程不需要后级反馈信号，因此大大提高响应速度，此部分对整个链路增益起到粗调作用。而第二级反馈自动增益控制模块是根据后级所产生的控制电压动态地调整放大增益，对整个链路增益起到细调作用。通过两个环节实现了快速增益的自动调节，使得ASK无线接收机能够快速地对整个接收机链路增益进行调节，快速响应大信号或小信号的情况，同时能够实现对链路增益的连续线性调节。
另外，第一级前馈自动增益控制模块为自动增益控制器AGC；第二级反馈自动增益控制模块为可变增益放大器VGA。由于AGC与VGA均是现有的成熟器件，保证了本发明实施方式的可行性。
另外，第二级反馈自动增益控制模块的输入端与带通滤波器的输出端相连；所述第二级反馈自动增益控制模块的输出端与所述复数解调器相连；所述复数解调器的输出信号输入到电流控制器中，该电流控制器直接控制一电容的充放电；所述控制电压为所述电容上的电压。由于中频反馈自动增益控制电路由VGA，复数解调器，电流控制器以及电容C一起构成，复数解调器检测到的信号输入到电流控制器中，电流控制器直接控制电容C充放电，电容C上的电压直接作用到VGA中。而通信数据编码理论可知，最终解调出来数据的“高电平”、“低电平”的理论概率应该相同，因此可用此信号来控制电流控制器中的电荷泵的开启和关闭。如果VGA增益过大，平均解调出来的高电平概率必将过大，因此此时电荷泵控制电容放电，降低其电压，从而降低VGA增益直至稳定；反之，如果VGA增益过小，则解调出来的“低电平”概率必将偏小，此时电荷泵控制电容C充电，使电容C电压升高，从而提高VGA增益直至稳定。因此，基于上述原理设计的闭环增益控制环路能有效结合解调模块控制VGA的增益，保证了中频反馈自动增益控制电路能对整个链路增益起到细调作用。
附图说明
图1是现有技术中的ASK无线控制系统结构示意图；
图2是现有技术中的基于峰值检测的反馈控制方式示意图；
图3是现有技术中的基于接收信号强度指示的反馈控制方式示意图；
图4是根据本发明第一实施方式的ASK无线接收机的结构示意图；
图5是根据本发明第二实施方式中的LNA的电路结构示意图；
图6是根据本发明第二实施方式中的AGC部分结构示意图；
图7是根据本发明第二实施方式中的VGA结构示意图；
图8是根据本发明第二实施方式中的复数解调器电路结构示意图；
图9是根据本发明第二实施方式中的电流控制器结构示意图；
图10是根据本发明第三实施方式的ASK无线接收机的自动增益控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种ASK无线接收机，具体结构如图4所示，该ASK无线接收机包含：天线、低噪声放大器（LNA）、自动增益控制器（AGC）、混频器（Mixer）、锁相环（Phase Locked Loop，简称“PLL”）、带通滤波器（band-pass filter，简称“BPF”）、可变增益放大器（VGA）、复数解调器、电流控制器、电容C和时钟数据恢复器。
其中，AGC作为第一级前馈自动增益控制模块，根据从天线接收到的射频信号的幅度，对用于对射频信号进行低噪声放大LNA进行自动增益控制。如图4所示，该AGC的输入端与天线相连，输出端与所述LNA相连。该AGC与LNA构成了射频部分的前馈自动增益控制电路，当输入信号（即从天线收到的射频信号）的幅度超过预设值时，AGC将LNA切换到低增益模式；反之，当输入信号幅度低于预设值时，AGC将LNA切换到高增益模式。 整个过程不需要后级反馈信号，有利于提高响应速度，该射频部分的自动增益控制对整个链路增益起到粗调作用。
在本实施方式中，LNA的输出端接混频器，混频器的另外一个输入端接锁相环的输出端，混频器的输出端接带通滤波器的输入端。也就是说，LNA将天线检测到的射频信号放大，并输入到Mixer中，Mixer的另外一个输入端为锁相环（PLL），PLL产生下混频所需要的载波信号。Mixer将所产生的信号输入到带通滤波器（BPF）中，BPF能够滤除有用信号频段外的干扰信号，把信道内的信号输入到下一级VGA中。VGA作为第二级反馈自动增益控制模块，根据后级所产生的控制电压动态地调整经带通滤波器滤除干扰信号后的有用信号的放大增益，输出幅度相对恒定的调制信号，所述输出的调制信号通过复数解调器进行解调；控制电压根据所述解调后的信号得到。
具体地说，VGA的输入端与带通滤波器的输出端相连，输出端与复数解调器相连，复数解调器的输出信号输入到电流控制器中，该电流控制器直接控制一电容的充放电，控制电压即为电容上的电压。复数解调器的输出信号在经过时钟数据恢复器后得到数据信号和时钟信号。
也就是说，VGA，复数解调器，电流控制器以及电容C一起构成中频部分的反馈自动增益控制电路。复数解调器检测到的信号输入到电流控制器中，电流控制器直接控制电容C充放电，电容C上的电压直接作用到VGA中。由通信数据编码理论可知，最终解调出来数据的“高电平”、“低电平”的理论概率应该相同，因此可用此信号来控制电流控制器中的电荷泵的开启和关闭。如果VGA增益过大，平均解调出来的高电平概率必将过大，因此此时电荷泵控制电容放电，降低其电压，从而降低VGA增益直至稳定；反之，如果VGA增益过小，则解调出来的“低电平”概率必将偏小，此时电荷泵控制电容C充电，使电容C电压升高，从而提高VGA增益直至稳定。基于 上述原理设计的闭环增益控制环路能有效结合解调模块控制VGA的增益。这个部分对整个链路增益起到细调作用。
因此，在本实施方式中，通过两级增益调节机制（射频前端的前馈自动增益控制电路与中频部分的反馈自动增益控制电路）实现了快速增益的自动调节，使得ASK无线接收机能够快速响应大信号或小信号的情况，同时能够实现对链路增益的连续线性调节，有效增强了设计的稳定性，更加适应工业应用。
而且，采用AGC作为第一级前馈自动增益控制模块，采用VGA作为第二级反馈自动增益控制模块。由于AGC与VGA均是现有的成熟器件，保证了本发明实施方式的可行性。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
本发明的第二实施方式涉及一种ASK无线接收机。第二实施方式在第一实施方式的基数上作了进一步细化，给出了ASK无线接收机中的LNA、AGC、VGA、复数解调器、电流控制器的具体结构。
具体地说，带增益切换的LNA的电路结构如图5所示，其中，RFI为输入的射频信号，RFOP，RFON为输出的射频差分信号，VCS1，VCS2为折叠管M2，M5的偏置电压，VB1，VB2为放大管M3，M6的直流偏置电压，GCTL为增益切换控制信号。
前馈增益控制电路中的AGC部分结构如图6所示，其中，RFI为输入的射频信号，GCTL为输出的增益控制信号，VBI为射频信号的偏置电压，VBC为电流源的偏置电压，VBT为比较器的阈值电压，输入的射频信号经过第一 级缓存后，输入到后级信号积分电路，积分电路所产生的均值电压输入到比较器中，与设定的阈值电压VBT比较，产生增益控制信号。
反馈增益控制电路中的VGA结构如图7所示（其中I，Q中任意一路）。其中，INM，INP为输入的差分信号，OUTM，OUTP为输出的差分信号，VREF为共模反馈参考电压，VC为增益控制电压，VBP为偏置电压，虚线框为共模反馈部分。
复数解调器电路结构如图8所示，其中，IP，IN，QP，QN为VGA输出的正交矢量信号，上述四路信号输入到MN5～MN8后，在MN2上所产生的电流包括一个恒定的直流分量和另外一个与输入信号幅度相关的交流分量，其中直流部分可以通过调节MN4的电流而抵消，因此MP4～MP9中仅存在与输入信号幅度相关的电流，上述电流经过OPA电压到电流转换以及BUF的整形后，形成解调输出信号DEM。
电流控制器结构如图9所示，其中，在电流控制器中，DEM为输入的解调信号，IB为输入参考电流，OUT为充、放电电流输出。当DEM为高电平时候，对应VGA此时增益较大，放电支路MN1，MN14打开，电容放电，电容电压下降；当DEM为低电平时候，对应VGA此时增益较小，充电支路MP13，MN18打开，电容充电，电容电压升高，上述过程形成一个完整的闭环控制。
值得一提的是，本实施方式中的LNA、AGC、VGA、复数解调器、电流控制器的具体结构，只是一种具体的实现方式，在实际应用中，也可以采用其他等效的电路结构，在此不一一赘述。
本发明第三实施方式涉及一种ASK无线接收机的自动增益控制方法，具体流程如图10所示。
在步骤1001中，ASK无线接收机从天线接收射频信号。
接着，在步骤1002中，第一级前馈自动增益控制模块（如AGC）根据接收到的射频信号的幅度，对用于对射频信号进行低噪声放大的LNA进行自动增益控制。具体地说，当输入信号（即从天线收到的射频信号）的幅度超过预设值时，AGC将LNA切换到低增益模式；反之，当输入信号幅度低于预设值时，AGC将LNA切换到高增益模式。整个过程不需要后级反馈信号，有利于提高响应速度，该射频部分的自动增益控制对整个链路增益起到粗调作用。
在步骤1003中，第二级反馈自动增益控制模块（如VGA）根据后级所产生的控制电压动态地调整所述LNA输出的经带通滤波器滤除干扰信号后的有用信号的放大增益，输出幅度相对恒定的调制信号。所述输出的调制信号通过复数解调器进行解调；所述控制电压根据所述解调后的信号得到。
具体地说，LNA将放大后的射频信号输出到混频器，混频器的另外一个输入端接收锁相环输出的载波信号。锁相环产生下混频所需要的载波信号。混频器将所产生的信号输入到BPF，由BPF滤除有用信号频段外的干扰信号，把信道内的信号输入到VGA中。VGA作为第二级反馈自动增益控制模块，根据后级所产生的控制电压动态地调整经带通滤波器滤除干扰信号后的有用信号的放大增益，输出幅度相对恒定的调制信号，所述输出的调制信号通过复数解调器进行解调。复数解调器的输出信号还将输入到一电流控制器中，该电流控制器直接控制一电容的充放电，控制电压即为电容上的电压。
通过利用复数解调器解调出的数据控制电流控制器中的电荷泵的开启和关闭。如果VGA增益过大，平均解调出来的高电平概率必将过大，因此此时电荷泵控制电容放电，降低其电压，从而降低VGA增益直至稳定；反之，如果VGA增益过小，则解调出来的“低电平”概率必将偏小，此时电荷泵控制电容C充电，使电容C电压升高，从而提高VGA增益直至稳定。 基于上述原理设计的闭环增益控制环路能有效结合解调模块控制VGA的增益。这个部分对整个链路增益起到细调作用。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。