具有固有頻率解調(diào)能力的頻率選擇性對數(shù)放大器的制造方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請交叉引用
[0002] 本申請要求2013年3月15 日提交的題為"FrequencySelectiveLogarithmic AmplifierwithIntrinsicFrequencyDemodulationCapability" 的美國臨時申請61/ 789，829的權(quán)益，該申請的內(nèi)容通過全文引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開的主題內(nèi)容涉及具有集成FM解調(diào)能力的再生選擇性對數(shù)檢測器放大器 (LDA)。當與現(xiàn)有技術(shù)相比時，LDA可以以高靈敏度、高裙比和最小化的噪聲來接收有線或無 線FM調(diào)制信號，并且對其放大或解調(diào)。當與其它電路如鎖相環(huán)PLL或混合器結(jié)合使用時，LDA 可以提高干擾抑制和頻率選擇性，并且以頻率和相位的方式被鎖定在精確的頻道中。LDA產(chǎn) 生當達到給定閾值時為自淬滅的間歇性振蕩。LDA還可以嵌入電路，以執(zhí)行直接FM鑒頻。這 加上瞬時再生增益是低中級的事實允許檢測埋入噪聲中的小振幅信號。LDA對模擬或數(shù)字 FM、AM、或FM和AM調(diào)制信號進行轉(zhuǎn)換，并且在寬的動態(tài)范圍上以中頻的方式產(chǎn)生一系列幾乎 恒定的振幅和準數(shù)字脈沖。數(shù)字頻率電壓轉(zhuǎn)換器(VFC)可以用于利用簡單的處理以數(shù)字電 壓字的方式對脈沖頻率進行轉(zhuǎn)換。替代地，簡單的模擬VFC或峰值檢測器可以用于將輸入信 號解調(diào)到具有音頻或視頻帶寬的基帶。創(chuàng)新因素包括直接FM解調(diào)、根據(jù)噪聲電平的信號再 生和高靈敏度、高裙比和準數(shù)字輸出數(shù)據(jù)，而不需要AFC。
【背景技術(shù)】
[0004] 本文公開的再生選擇性對數(shù)檢測器放大器(LDA)在電路拓撲方面具有與超再生接 收器(SR0)的相似性。然而，LDA是相位靈敏性再生檢測器，而SR0是振幅靈敏性再生裝置。具 體地，LDA具有低增益的自猝滅機構(gòu)，其在多個循環(huán)中根據(jù)噪聲基底放大信號。相反，SR0具 有外部猝滅和使得其電行為和性能有很大不同的高增益。在LDA和DC或基帶對數(shù)放大器之 間還有一些相似性:兩者均在寬的動態(tài)范圍中提供對數(shù)放大。此外，LDA可以具有固有能力， 以同時對模擬或數(shù)字FM或AM和FM進行解調(diào)。LDA的示例可以在授予DockOnAG的美國專利第 7，911，235中找到，該專利的內(nèi)容通過全文引用的方式并入本文。
[0005]當被用于窄帶信號時，SR0通常遭受差的選擇性和較高的輸出噪聲。當振蕩器基于 LC時，SR0還可能以溫度的方式漂移。SR0接收器很快被用于主流無線電的超外差接收器所 取代，這是因為后者具有優(yōu)良的選擇性和靈敏度。然而，SR0簡單、低功耗，并且針對遠程控 制系統(tǒng)、短距離遙測以及無線安全已經(jīng)被使用了幾十年。選擇性和漂移的限制在80年代末 通過使用SAW裝置得到解決。在21世紀的前十年，文章表明了對在高達GHz范圍的低功率接 收器中所使用的以及適于高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的SR0的重新關(guān)注。
[0006]基帶對數(shù)放大器基于多個吉伯單元，并且通常以低至高頻在中至大的動態(tài)范圍中 提供良好的線性度。更簡單的對數(shù)放大器(如DC對數(shù)放大器)基于晶體管對數(shù)電流與電壓傳 輸特性，并且解決從DC到低頻的范圍的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0007]貫穿附圖，可以重復(fù)使用附圖標記，以指示標記的元件之間的對應(yīng)關(guān)系。提供附圖 以說明本文所描述的示例，而不意圖限制本公開的范圍。
[0008]圖1描繪了來自LDA的輸入和輸出信號的不例。
[0009]圖2描繪了來自圖1的輸入和輸出信號的組合。
[0010]圖3描繪了具有信號和噪聲的輸入、再生信號以及低電平輸出頻率脈沖。
[0011]圖4描繪了具有信號和噪聲的輸入、再生信號以及較高輸入電平的輸出頻率脈沖。 [0012]圖5描繪了具有FM解調(diào)能力的LDA的時變振蕩和淬滅循環(huán)。
[0013] 圖6描繪了具有并聯(lián)諧振電路和串聯(lián)諧振電路的四極子。
[0014] 圖7描繪了示出四極子的大致響應(yīng)的波特圖。
[0015] 圖8A、圖8B、圖8C和圖8D描繪了具有集成FM解調(diào)電路的LDA的各種實施方式的框 圖。圖8E示出了相對于LDA頻率貝爾形狀響應(yīng)的中心何處可以完成窄帶(NB)FM解調(diào)。圖8F示 出相對寬帶(WB)FM信號的解調(diào)。
[0016] 圖9描繪了具有FM解調(diào)的LDA的原理的實施方式。
[0017] 圖10描繪了偽數(shù)字頻率輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出脈沖流的示例。
[0018] 圖11描繪了數(shù)字脈沖流轉(zhuǎn)換成數(shù)字等效電壓采樣的示例。
[0019] 圖12描繪了模擬頻率電壓轉(zhuǎn)換器的示例。
[0020] 圖13描繪了模擬檢測器的一個實施方式。
[0021] 圖14描繪了LDA的另一實現(xiàn)。
[0022] 圖15描繪了設(shè)計有微帶線的匹配網(wǎng)絡(luò)的示例。
[0023] 圖16描繪了設(shè)計有右左手傳輸線(CRLH-TL)的匹配網(wǎng)絡(luò)的示例。
[0024]圖17描繪了使用圖16中所示的設(shè)計有右左手傳輸線路(CRLH-TL)的匹配網(wǎng)絡(luò)在兩 個頻率處進行匹配的方案的示例。
[0025] 圖18描繪了CRLH-TL的一個潛在的實現(xiàn)。
[0026] 圖19描繪了LDA作為高靈敏度FM無線電接收器和解調(diào)器的示例。
[0027] 圖20描繪了針對利用固定參考電壓和電位器的差分或單端調(diào)諧電壓的變?nèi)蓦娐?實現(xiàn)的示例。
[0028] 圖21描繪了以鎖相環(huán)(PLL)的方式將LDA脈沖振蕩器的頻率鎖定在調(diào)諧到所需的 FM無線電頻道的精確的參考頻率的實施方式，在所需的FM無線電頻道中天線與LDA的諧振 電路一體，并且無線電波直接耦合到諧振電路的電感部分。
[0029]圖22描繪了具有利用連接到輸入RF_IN的CPL天線進行調(diào)諧的數(shù)字頻道的基于LDA的FM無線電接收器(FM-LDA)的實施方式。
[0030] 圖23描繪了針對具有連接到RF_IN輸入的天線的FSK或FH-SS調(diào)制的基于FM-LDA和 PLL的高靈敏度、低噪聲放大器的替代例。
[0031] 圖24A描繪了針對具有超外差拓撲的FH-SS或FSK調(diào)制的基于FM-LDA的高靈敏度、 低噪聲放大器的實施方式。
[0032]圖24B描繪了基于FMLDA和超外差接收的針對FSK接收器的LNA替代例的實施方 式。
[0033]圖25描繪了FM-LDALNA替代例的示例。
[0034]圖26描繪了基于處于FM模式和PLL的LDA的針對FSK接收器的LNA替換例的實施方 式。
[0035]圖27描繪了基于FSK中繼器的FM-LDA的實施方式。這樣的無線中繼器的實現(xiàn)類似 于LNA替換例。
【具體實施方式】
[0036]本文描述的LDA技術(shù)大大改善了現(xiàn)有SR0和對數(shù)放大器的現(xiàn)狀。例如，LDA可以具有 以高裙比率、非常高的靈敏度和噪聲抑制、非常高的動態(tài)范圍、優(yōu)異的鑒頻以及在接收器鏈 中靈活的位置來對頻率進行解調(diào)的固有能力，而無缺陷。表1從各自的優(yōu)缺點對各種LDA、 SR0和放大器技術(shù)進行了比較。
[0037] _
[0038]表1LDA、SR0以及放大器技術(shù)的比較
[0039]

[0041]可以設(shè)想下面的其它方法以處理埋入噪聲中的微弱信號:求平均、選擇性放大、濾 波、同步檢測、擴頻以及非線性RAMAN光學放大器：
[0042]-求平均:在N個周期上降低噪聲;然而，信號沒有被放大。此外，求平均需要針對參 考的精確的觸發(fā)，并且這個觸發(fā)可能在低信號電平處是嘈雜且有問題的。
[0043] -選擇性放大和/或濾波:放大和/或濾波是依賴于頻率的并且平穩(wěn)的，所以在頻率 通帶中它們不隨時間提供任何改善，也沒有降低通帶中的噪聲。如果帶寬很大，則這是有問 題的。此外，選擇性放大器具有有限的噪聲抑制。
[0044] -同步檢測:使用鎖相環(huán)(PLL)將其鎖定到輸入信號，除非使用更復(fù)雜的方法，否則 其選擇性意味著窄帶，并且在非常低的信號電平處也可能是有問題的。
[0045] -直接序列擴頻(DS-SS):在發(fā)射調(diào)制過程期間，位分布在寬的頻率范圍，最終通過 有損介質(zhì)進行傳達。接收器使能量擴散，并且使解調(diào)信號顯得高出噪聲基底很多（如具有典 型的為一千的擴展因子的GPS)。通過這種方法，可以克服非常高的衰減。當然，在這個方法 的最后可以使用DS-SS發(fā)射器，其對于許多應(yīng)用不實用。
[0046] -RAMAN分布式光纖放大器:利用這樣的設(shè)備，可以改善SNR，并且可能利用最小的 再生將數(shù)據(jù)在光纖上傳輸數(shù)百或數(shù)千公里。
[0047] 本文描述的LDA技術(shù)涉及具有集成FM解調(diào)的再生性對數(shù)檢測器放大器(LDA) (FM-LDA)，相對于目前使用的電路，F(xiàn)M-LDA可以用增加的靈敏度、干擾抑制以及帶寬來接收有線 或無線FM、AM或FM和AM信號。LDA還可以放大信號，同時使噪聲最小化。
[0048] FM-LDA利用整體硬件來實現(xiàn)這些目標，當輸入信號隨著時間達到特定振幅（閾值） 時，該整體硬件通過自動重新啟動其周期來提高AM或FM輸入信號的信噪比SNR，而不需要外 部裝置。由此，LDA電路將振幅或頻率調(diào)制的輸入轉(zhuǎn)換到低中頻（"IF"）頻率脈沖的輸出流， 在該輸出流中利用輸入波對瞬時頻率進行調(diào)制（即AM/FM變換到IF頻帶）。這個輸出流被提 供作為準數(shù)字頻率脈沖調(diào)制信號。當AM被調(diào)制時，通過固有對數(shù)標度進行轉(zhuǎn)換，并且隨后將 其輸出。
[0049]相同的頻率脈沖調(diào)制的輸出還可以經(jīng)由添加模擬頻率振幅轉(zhuǎn)換器、峰值檢測器或 數(shù)字計數(shù)器、邏輯反相器以及數(shù)字縮放電路被轉(zhuǎn)換成基帶或被解調(diào)成(0Hz至F_max)隨時間 變化的電壓。
[0050]這種創(chuàng)新的FM-LDA電路可以執(zhí)行若干功能，其中一些可以同時被執(zhí)行:對數(shù)放大、 信號再生、頻率轉(zhuǎn)換、噪聲濾波、干擾抑制以及模擬/數(shù)字振幅/頻率解調(diào)。此外：
[0051 ]-在AM模式中，輸出頻率與輸入電壓的對數(shù)成比例。
[0052]-通過在η個周期上降低噪聲的同時將信號放大，作為非傳統(tǒng)的頻率變換過程的一 部分，LDA充當再生接收器和放大器。
[0053]-固有對數(shù)功能將線性輸入轉(zhuǎn)換為對數(shù)輸出，使得在非常低的輸入電平處可以進 行檢測，其所允許的可用動態(tài)范圍約100dB。
[0054]-LDA可以將FM輸入轉(zhuǎn)碼到不同的頻率。
[0055]-LDA可以使用可調(diào)頻率來處理各種頻道和電路板。
[0056]-LDA接收器電路提供非常高的靈敏度。
[0057] -LDA是高性價比、可擴展的，并且能夠被直接集成到1C芯片中。
[0058] -LDA可以適應(yīng)于模擬、數(shù)字、AM和FM解調(diào)。在添加額外的電路的情況下，其它類型 的解調(diào)如PM是可行的，其中該額外的電路使其在范圍廣泛的實際應(yīng)用中是有用的。
[0059]應(yīng)用是廣泛的。LDA技術(shù)可以被集成到幾乎所有的電子系統(tǒng)中，該電子系統(tǒng)將受益 于更高的靈敏度、更高的動態(tài)范圍、更低的功耗、更好的干擾抑制、增加的帶寬、更好的信噪 比SNR、更長的范圍，和/或更清晰的放大。
[0060] 圖1描繪了來自LDA的示例輸入和輸出信號。LDA可以給出被白高斯輸入噪聲10 2所 掩蓋的在其頻率捕獲帶寬內(nèi)的低電平輸入信號10ULDA可以在多個周期上使放大的輸入信 號103再生，直到達到閾值水平為止。當達到輸入閾值水平時，LDA可以生成輸出脈沖，并且 重新啟動其周期。
[0061] 如通過減少噪聲104所示，因為高斯噪聲是隨機的并且與輸入信號不相關(guān)，并且隨 著再生放大的輸入信號103的增大，噪聲可以達到平衡并且保持在相同的值，因此不在多個 周期上被放大。
[0062]圖2描繪了來自圖1的輸入和輸出信號的組合。當在多個周期上對輸入信號201進 行組合時，所得到的曲線202表示具有隨時間降低的抖動的再生并放大的信號。
[0063]此效果類似于其中光子在腔中以特定波長被放大的激光。在諧振頻率，駐波隨著 時間積極地堆積能量。在堆積期間末，產(chǎn)生了更高能量的放電，并且過程重新開始。
[0064]