CN1370348A - 超再生调幅解调器 - Google Patents

Abstract

本发明提供调幅(AM)接收机(10),它包括天线(12)、晶体管(14)、电流源(16)和电源(18)。天线(12)连接到晶体管(14)的栅极(14g),还通过连接线(20)连接到信号地。工作时,天线(12)接收辐射并产生对应的信号,后者传播到栅极(14g)。晶体管(14)分两步处理输入信号,即:第一步对输入信号反射放大并在栅极(14g)产生对应的反射放大的输入信号;第二步对放大的输入信号进行调幅。晶体管(14g)工作在其电流/电压的非线性区时可同时提供反射放大和信号解调,即两步同时发生。与此不同,利用工作于非线性区的增益装置来提供幅度解调的传统解调器要包括起传输放大器作用的装置。

Description

超再生调幅解调器

本发明涉及到用于放大和检波调幅辐射和信号的调幅(AM)接收机。

用于接收调幅辐射并产生对应的解调信号的传统接收机(例如像家用收音机这样的接收机)往往包括若干部分；这些部分通常包括：用于接收辐射并产生对应的接收信号的天线；对接收的信号放大和滤波以便提供放大信号的传输射频(r.f.)放大器；以及用于解调放大信号以便提供解调的输出信号的检波器。工作时，这些部分消耗有效功率，甚至在等待输入的辐射的待机方式下以降低的功率工作时也要消耗一些功率，例如在移动电话中等待承载“唤醒码”的辐射时。所述有效功率消耗带来的问题是它限制了为这些部分供电的给定的一组电池的工作时间。包括为其供电的微型电池的无线电应答器终端(tag)也存在这个问题，例如安装在身份标记和小汽车电子接入钥匙中的无线电应答器终端(tag)。

传统的接收机还有一个问题就是接收的信号往往是微伏级的，因而其中需要相当大的放大倍数以便提供足够大幅度的放大信号来驱动接收机检波器中的检波二极管工作；这样的检波器经常呈现截止电压，后者阻止它们对提供给它们的低于最小阈值幅度的信号的检波。由于对在没有产生寄生振荡危险的情况下能提供的放大程度有一个实际限制，所以，所述实际限制就是对接收的辐射施加较低的阈值振幅，也就是有限的工作范围，所述较低的阈值振幅在一些应用中会有问题，尤其是在设想更远距离的接收机工作的情况下。

在传统的接收机中，提供非线性传输特性的射频传输放大器可用来作为解调调幅信号的解调器是众所周知的原则。在硅半导体器件被广泛使用之前所述原则经常用于无线电接收机中的热离子电子管方面，电子管起着传输放大器的作用。

本发明人已经认识到有可能把无线电接收机的一些部分组合起来得到一个简单的接收机电路用来消除上述的一个或多个问题。

根据本发明的第一方面，提供一种AM接收机，用于接收输入信号并产生对应的解调信号。其特点是：所述接收机包括这样的晶体管、该晶体管被加偏压而同时起用于反射放大输入信号的反射放大器的作用以及起用于检波放大的输入信号并产生解调信号的检波器的作用。

本发明的优点是，所述接收机能够：

(a)    与先有技术中使用的传输放大相比，由于所开发的反

       射放大而消耗较少的功率，并且

(b)    由于其中不包括采用较低响应阈值的检波二极管，因

       此对输入信号更敏感。

利用提供信号混合的晶体管对放大的输入信号进行检波是方便的。有利的是，晶体管可以工作在电流/电压传输特性的非线性区。其优点是：放大的输入信号与它自己混合(即“自差”)，将它直接对基带解调来提供解调的信号。

更有利的是，所述晶体管在其非线性区以较小的供电电流工作，从而提高了接收机的功率效率。例如晶体管工作在其非线性区时导通的电流在5μA至100μA的范围内。

为了使晶体管可同时作为反射放大器和检波器，晶体管的连接最好是这样：在晶体管的输入端产生放大的反射信号然后在晶体管中检波，所述晶体管在其输入端提供负输入电阻以便实现这种功能。相比之下，传统的使用传输放大器的非线性混频器在其输入端不产生放大的信号，也不为解调回注信号。方便的是，所述晶体管包括用于接收输入信号的电极，所述电极通过信号通路连接到信号地，这样所述通路可以在晶体管和信号地之间传送反射信号，并将输入信号转移到所述电极。

根据本发明的第二方面，按照本发明第一方面的接收机可以并入到全球定位系统(GPS)接收机中，从而使它减少了工作电流消耗并提高了检波灵敏度。方便的是，GPS接收机包括多个依据本发明的接收机、用于接收输入辐射并产生对应的接收信号的接收装置以及用于对接收的信号进行滤波、放大和门控的处理装置，以便为所述多个接收机提供用于解调的输入信号，从而提供解调的信号，从该解调信号导出GPS接收机的位置坐标。

根据本发明的第三方面，本发明提供一种利用按照本发明第一方面的AM接收机对输入信号进行幅度解调的方法，所述方法包括可同时执行的如下步骤：

(a)  接收输入信号并在晶体管中将其反射放大产生放大的输

     入信号，并且

(b)  让放大的输入信号通过工作在非线性方式下的晶体管，

     将其解调由此产生对应的解调信号。

下面将参考附图描述仅仅作为例子的本发明的实施例，附图中：

图1是依据本发明的AM接收机的第一实施例的简图。

图2是包括图1所示接收机的GPS接收机的简要说明。

现在参照图1说明AM接收机10。接收机10包括插入(patch)天线12、砷化镓(GaAs)场效应晶体管(FET)14、电流源16和电源18。天线12连接到晶体管14的栅极14g，并且通过连接线20连接到信号地Eg。电源18的输出端P连接到晶体管14的漏极14d。晶体管14的源极14s连接到电流源16的第一端子I1。电流源16的第二端子I2也连接到信号地Eg。连接线20和端子I2两者连接到信号地的同一点上。

源极14s还连接到输出端Q，接收机10由此提供解调信号。

现在参考图1说明接收机10的工作。晶体管14是栅极接地配置，因此电源18的输出端P提供的正偏压使微安级的电流I_FET在14d电极和14s电极之间并且通过电流源16流动。I_FET最好在5μA至100μA的范围内。电流I_FET小到足于使晶体管14在它的传输特性的非线性区起反射放大器的作用。通过测量接收机10提供的信号增益，实验表明晶体管14提供反射放大作用；如果晶体管14只是起传输放大器的作用，那么，接收机10不可能提供这么高的放大作用。电流源16用来维持晶体管14在非线性区的偏置。

天线12接收输入的辐射22并将其转换为接收的信号S_R。信号S_R从天线12传输到栅极14g并通过连接线20。连接线20在信号地Eg和栅极14g之间提供辐射22的载波频率下的大约四分之一波长的信号通路；结果，连接线20并不从栅极14g转移接收的信号，因为连接到地Eg的连接线20所呈现的低阻抗在栅极14g处转变成开路。连接线20还起阻抗匹配元件的作用；其长度可根据晶体管14和天线12之间的阻抗匹配进行调整。

晶体管14对信号S_R的作用分两个阶段处理，即晶体管14：

(a)  在其栅极通过反射来放大接收的信号S_R，产生反射放

     大的信号S_A；然后

(b)  利用提供非线性传输特性的晶体管14解调信号S_A，在

     源极14s输出解调的信号。解调信号传到输出端Q供

     后面处理。

实际上(a)和(b)这两个阶段是同时发生的。

与这两个阶段的处理相比，先有技术的解调器不提供原地反射放大并同时检波的功能，因此提供比接收机10低的灵敏度。与接收机10不同，利用以非线性方式工作的增益装置进行幅度解调的传统解调器都包括配置成起传输放大器作用的装置。晶体管14在其工作于反射方式时，按照等式1提供平方定律的信号传输特性：

i_FET＝k₀(V_gs)²                    等式1

其中

i_FET＝I_FET的小信号变化；

V_gs＝栅极14g和源极14s之间电位差的小信号变化；

k₀＝增益常数

假设初步近似如下：

V_gs＝k₁S_R                            等式2

其中k₁＝常数

并且：

S_R＝k₂S_msinω_Rt                    等式3

其中：

k₂＝常数

S_m＝调幅信号

ω_R＝辐射22的载波角频率

t＝时间

从等式1到等式3得出：

i_FET＝k₀k₁ ²k₂ ²S_m ²sin²ω_Rt＝k₀k₁ ²k₂ ²S_m ²(1-cos2ω_Rt)  等式4

如果把高频分量(即ω_R及更高的角频率)从输出信号Q中过滤出来，那么输出信号将遵循等式5：

Q＝k₃S_m ²                               等式5

其中k₃＝常数，即k₃＝k₀k₁ ²k₂ ²

实际上在连接到接收机10的电路中将发生对所述高频分量的滤波，例如具有从50Hz到20kHz带宽的音频放大器对这些分量并不起反应。

等式5适合于输出端Q的解调的基带信号。这样，晶体管14就能在低工作电流下提供信号放大，并且还能提供对基带的直接解调

如果信号Sm是二进制数字数据，就不用考虑等式5中所隐含的非线性。

接收机10具有如下优点：

(i)它在相对低的电流下工作，例如μA；

(ii)它既提供放大又提供从高频到基带的直接的检波；

(iii)它能够在比传统的接收机振幅更小的信号下工作；以及

(iv)它可能很便宜并且只需要很少的元件。

接收机10的这些优点使它在短距离无线电链接中的使用具有吸引力，例如像无线局域计算机网络、远距离可查询识别终端(tag)以及移动电话和全球定位系统(GPS)接收机中的功能增强的检波器中。

接收机10只用一个晶体管实现反射放大和检波的双重优点。此外，接收机10能在微波频率下工作，例如在1.5GHz附近；在这些频率下的实验结果表明它能对产生天线12的大约-80dBm的接收信号的调幅辐射进行放大和检波。结果表明接收机10比通常的二极管式的检波器有相当大的改进，传统的二极管式检波器如果没有足够的传输放大用来放大二极管检波前接收的信号，就不能对这么小的接收信号检波。

接收机10的应用包括用做：

(a)多方式标志装置的低功率接收机，例如个人佩带的标志。

   传统的多方式标志能以主动方式传送信息，其范围比它们

   以半被动方式接收信息的范围要大。主动方式有一个缺

   点，即与半被动方式相比它们有比较高的功率消耗电平。

   通常用采样技术可减少标志的功率消耗，其中标志以相对

   短的间隔期进入它们的主动方式；这种技术的使用导致复

   杂的关于标志的操作协议。当接收机10用在多方式标志

   时，它能提供高灵敏度的“唤醒”接收能力，它增大标志

   的工作范围并且减少对复杂操作协议的需求；

(b)用于小汽车的安全接收机，这种包括接收机10的安全接

   收机能够：

(1)    呈现低功率消耗，例如消耗大约数十μW；

(2)    低成本；以及

(3)    可工作在约500MHz到600MHz的特高频(UHF)

       范围，高于通常的安全接收机。

包括接收机10的安全接收机可以用来传送密码，例如允许

被授权者进入汽车并控制安装在其中的固定系统的“无线电

钥匙”。安装在钥匙环饰物中的接收机10相当简单和紧凑，

因此能够在车辆和与其相关的钥匙环饰物之间可进行双向通

信联系。这样的双向联系要使用更复杂的安全协议，因此提

高了安全性，并且允许更多增加的功能加入到钥匙环饰物

中，例如记住有关车辆在停车场的停放位置，停车场有一

个低功率无线电发射机星座，钥匙环饰物可从中得到位置坐

标；

(c)超低功率GPS接收机

用于确定地球表面的位置坐标的GPS接收机是众所周知的。传统的GPS接收机以1.5GHz级的载波频率将编码的辐射发射到赤道对地静止卫星的星座上并测量辐射到达卫星的持续时间，卫星将信号放大然后再发射，GPS接收机再将信号收回。每个卫星对与其相关的特定频率范围内的辐射敏感。在GPS接收机中计算与持续时间对应的距离，并应用几何计算法从这些距离中确定接收机的位置坐标，因为卫星的位置事先已经知道。用接收机中产生的伪随机位(bit)序列对GPS接收机发射的辐射进行编码，所述编码使GPS接收机能识别从卫星发回的它的辐射。

利用接收机上回收的辐射、借助伪随机序列的相关的“早些”(early)、“准时”(on time)和“晚些”(late)版本(version)，可以在GPS接收机中得出持续时间。为了保证信号同步并得到可靠和精确的持续时间测量，这样做是必须的。

下面参考图2说明GPS接收机100。接收机100包括圆极化天线110、静磁表面波装置(MSWD)滤波器/隔离器120、反射放大器130、三路分路器单元140、反射放大器组件150、窄带表面声波滤波器组件160、以及接收机组件170。组件170包括三个接收机172、174和176，每一个都与图1中的接收机10一样。接收机100还包括测量单元178，用于处理组件170产生的“晚些”“准时”和“早些”的输出信号，并在J₁、J₂、J₃端子产生供组件150使用的信号。此外，接收机100还包括计算单元180，用于根据测量单元178提供的时间测量结果、用三角测量法确定位置坐标并在单元180的M₀端子提供位置坐标数据。从事GPS接收机设计的技术人员会很熟悉测量单元178和计算单元180的设计。

反射放大器130和组件150包括依据我们的英国专利GB 2 284323 B的反射放大器，所述专利的内容通过引用被包括在本文中，当晶体管工作于其传输特性的线性区时它可以起反射放大器的作用。每个反射放大器都包括场效应晶体管(FET)，即，硅结型FET(JFET)或砷化镓(GaAs)器件，将它们连接成反馈的形式、诸如使它工作在其电流/电压特性的线性区，这样可反射接收的信号并使振幅增大。

天线110包括连接到滤波器/隔离器120的第一个输入端H₁的输出端S_A。滤波器/隔离器120包括连接到放大器130的输入/输出端F的第二个输入端H₂和连接到分路器单元140的输入端K₀的第三个端子H₃。

单元140包括分别连接到反射放大器152、154、156的输入端B₁、B₂和B₃的输出端子K₁、K₂和K₃。组件150包括反射放大器152、154和156。放大器152、154、156包含控制端C₁、C₂和C₃，来自测量单元178的对应端子J₁、J₂、J₃的“晚些”、“准时”、“早些”控制信号分别连接控制端C₁、C₂和C₃。这些控制信号是相同的伪随机位流(即，数据序列)，它们彼此相对时移，时移量通常为与数据序列中1/2或1比特持续时间对应的时段。

端子K₁、K₂、K₃还分别连接到表面声波(SAW)滤波器162、164、166的输入端G₁、G₂、G₃。滤波器的输出端W₁、W₂、W₃分别连接到接收机172、174、176的输入端Z₁、Z₂、Z₃。接收机172、174、176的输出端D₁、D₂、D₃上分别输出“晚些”、“准时”、“早些”信号。D₁、D₂、D₃输出端分别连接到测量单元178的对应的输入端E₁、E₂、E₃。

滤波器/隔离器120包括设置在铝或石英衬底上的、厚度在10μm到100μm范围的钇铁石榴石(YIG)薄层，它提供通过隔离器120的信号传播通路。

SAW滤波器162、164、166用来延迟通过它们传播的信号并且对它们进行带通滤波。放大器130被安排成放大接收的信号并且随后以+23dB将其反射回去。如以上参考接收机10所描述的那样，接收机172、174、176用来提供+20dB放大增益以及调幅检波。通过C₁、C₂、C₃端可分别对放大器152、154、156进行切换，使得每个放大器在高增益状态下提供+20dB的增益、而在低增益状态下提供-20dB的增益。

现在参照图2说明GPS接收机的工作。

GPS接收机从其连接在测量装置178的发射单元(未示出)将编码的辐射发射到第一个对地静止卫星(未示出)上，卫星放大和发射所述编码的辐射、以便提供入射在天线110上的输入辐射190。

天线110接收输入辐射190、所述辐射是具有1574.42MHz频率的C码GPS辐射，并产生对应的信号S₁。信号S₁传播到滤波器/隔离器120的第一个端子H₁，经过它传输到第二端子H₂并输出到放大器130的F端；滤波器/隔离器120可以有选择地限制信号S₁的其振幅超过阈值电平的各分量，所述电平是在滤波器/隔离器120制造时确定的。放大器130起负阻的作用，它反射放大信号S₁并产生对应的放大信号S₂，S₂再从端子F传回到滤波器/隔离器120的端子H₂。信号S₂从滤波器/隔离器120的H₂端子传输到H₃端子，这时它是输出信号S₃。信号S₃传输到分路器单元140的输入端K₀，分路器140把信号S₃分割，分别在输出端K₁、K₂、K₃产生三个信号S₁₀、S₁₁、S₁₂。响应加在端子C₁、C₂、C₃上的控制信号，放大器152、154、156分别有选择地反射放大或衰减信号S₁₀、S₁₁、S₁₂；这样，信号S₁₀、S₁₁、S₁₁成了定时选通的，例如，当发生与所述控制信号中的一个或多个控制信号相关时，呈现凸出的振幅。

分别被放大器152、154、156切换而被放大和衰减的控制信号S₁₀、S₁₁、S₁₁分别传输到输入端G₁、G₂、G₃。滤波器162、164、166对通过其传输的信号S₁₀、S₁₁、S₁₁进行带通滤波和延迟，以便分别在输出端W₁、W₂、W₃提供对应的信号S₂₀、S₂₁、S₂₂。输入端Z₁、Z₂、Z₃接收信号S₂₀、S₂₁、S₂₂，后者传输到接收机172、174、176，这些信号在这里被放大和解调，以便分别在输出端D₁、D₂、D₃提供输出信号“晚些”、“准时”和“早些”。信号D₁、D₂、D₃分别传输到测量单元178的输入端E₁、E₂、E₃。

单元178监视信号E₁、E₂、E₃，以便在那里识别对应于出现在端子K₁、K₂、K₃的信号与测量单元178中产生的信号的相关性的信号，并且通过端子J₁、J₂、J₃分别把它们输出到端子C₁、C₂、C₃。经过这样的交互(interative)处理，测量单元178就可确定从接收机100发射的辐射传到第一个卫星然后再被接收机100接收回来的持续时间。

接收机100对第二和第三个对地静止通信卫星进行如上所述的同样的测量，从而导出三个持续时间测量值。测量单元178将这些测量值输出到计算单元180，从中算出对应的距离，应用三角测量算法从中计算出位置坐标，并在输出端M₀提供位置数据。

概括地说，加在端子C₁、C₂、C₃的控制信号用来对来自天线110的信号S₁进行选通，并在输出端D₁、D₂、D₃提供输出信号供单元178、180处理，目的是确定持续时间并且由此得到接收机100的位置坐标。从事GPS接收机设计的技术人员会熟悉位置坐标的确定方法，其中输出端D₁、D₂、D₃的输出信号用来控制包括在测量装置178中的用于同步和确定持续时间的编码发生器。

GPS接收机100比传统的GPS接收机有更低的功耗。接收机100利用放大器130、反射放大器150组件及接收机170组件中的反射放大实现其较低的功耗。利用反射放大的另一个优点是接收机100可以与MSWD和SAW一起组装在GaAs微波单片集成电路(MMIC)中。这样的MMIC是GPS系统中的低成本紧凑的元件。

本领域的技术人员会想到对前面叙述的接收机10和GPS接收机100做各种变更而不脱离本发明的范围。例如，可用一些滤波器电路代替连接线20给晶体管14加偏压来提供反射增益同时使接收机10获得窄通带特征，因此使它有更好的频率选择性。此外，当电路10用来接收较低频率(例如范围在100MHz到150MHz的VHF频率)的辐射时，晶体管14可以是硅晶体管。

接收机10可以用来在内部附加地提供自动增益控制(AGC)特性，以便压缩加在接收机10上的信号的动态范围。通过适当选择晶体管14栅极14g上的负阻，当输入信号强度增加时可使电流I_FET减小，栅极14g上的负阻的变化就是为了提供负增益。

通过在天线12和栅极14g之间的信号通路中加入频率敏感截止滤波器(例如带通滤波器)，有可能将AM接收机10改成用来解调调频辐射的调频(FM)接收机。例如随着信号频率变化，滤波器稍微失谐就能对通过其传输的信号提供信号衰减；这样的衰减表现为对由滤波器提供的信号的幅度调制，晶体管14用来对该信号进行解调。此外，由于接收机10也适合于是FM接收机，因此它也能作为用来对调相辐射和信号进行解调的检相器。

Claims (18)

1.一种接收机，用于接收输入信号(22)并产生对应的解调信号(Q)，其特征在于：所述接收机(10)包括这样的晶体管(14)，该晶体管被加偏压而同时作为用于反射放大所述输入信号的反射放大器和对所述放大的输入信号进行检波并产生解调的信号的检波器。

2.如权利要求1所述的接收机，其特征在于：所述晶体管(14)工作在其电流/电压传输特性的非线性区。

3.如权利要求2所述的接收机，其特征在于：所述晶体管可导通5μA到100μA的电流、以便工作在其非线性区。

4.如权利要求1、2或3所述的接收机，其特征在于：晶体管(14)包括用来接收输入信号的电极(14g)，该电极通过信号通路(20)连到信号地，使得所述通路(20)可以在晶体管和信号地之间传输反射的信号，并将所述输入信号转送到电极(14g)。

5.如权利要求1、2、3或4所述的接收机，其特征在于：所述接收机(10)包括天线(12)，用来接收输入的辐射(22)并从中产生所述晶体管的输入信号。

6.如权利要求1、2、3或4所述的接收机，其特征在于：所述接收机被安排成提供对输入信号的大小敏感的增益，从而使所述接收机具有AGC(自动增益控制)特性。

7.一种FM接收机，它包括如权利要求1至6中任一项所述的AM接收机，其特征在于：所述FM接收机还包括转换装置，用来将加在其上的输入的调频信号转换为对应的调幅信号，所述AM接收机可将所述对应的调幅信号解调、以便提供解调的输出信号。

8.如权利要求7所述的接收机，其特征在于：所述转换装置包括带通滤波器，后者可以失谐、以便将所述调频信号转换为所述对应的调幅信号。

9.一种GPS接收机(100)，它包括：如权利要求1、2、3、4、6或7所述的一个或多个接收机(170)；接收装置(120，130)，用于接收输入的辐射并产生对应的接收信号(K₀)；以及处理装置(140，150，160，170，178，180)，用于对所述接收的信号(K₀)进行滤波、放大和门控，以便为所述一个或多个接收机(170)提供输入信号，所述接收机对所述信号进行解调并提供解调信号，GPS接收机(100)可以从所述解调信号中推算出位置坐标。

10.如权利要求9所述的接收机，其特征在于：所述接收装置是圆极化天线。

11.如权利要求9或10所述的接收机，其特征在于：所述处理装置(140，150，160，170，178，180)包括反射放大器(172，174，176)，用于对所述接收信号进行放大和门控以便产生处理后的信号。

12.如权利要求9、10或11所述的接收机，其特征在于：所述处理装置包括静磁滤波和频率选择限制装置(160)，用于处理所述接收的信号。

13.一种识别终端(tag)，它包括如权利要求1至8中任一项所述的接收机，所述接收机能响应接收到的无线电辐射。

14.一种用于连接计算机的无线局域网，它包括如权利要求1至8任一项所述的接收机，所述接收机用于对所述网络中的信号进行解调。

15.一种移动电话，它包括如权利要求1至8中任一项所述的接收机，所述接收机用于对在其中传播的信号进行解调。

16.一种电子安全钥匙，它包括如权利要求1至8中任一项所述的接收机，所述接收机用于对在其中传播的信号进行解调。

17.如权利要求16的钥匙，其特征在于：所述接收机安装在钥匙环饰物中。

18.一种利用权利要求1的调幅(AM)接收机(10)对输入信号进行幅度解调的方法，所述方法包括同时执行的如下步骤：

(a)    在晶体管(14)中接收所述输入信号并将它反射放大，以便产生放大的输入信号；以及

(b)    使所述放大的信号通过工作于非线性方式的所述晶体管(14)，对它进行解调，从而产生对应的解调信号(Q)。

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