可編程濾波器電路和方法

2023-05-29 02:57:36 3

專利名稱：可編程濾波器電路和方法
技術領域：
本發明涉及濾波器電路，且特定來說涉及可編程濾波器電路和方法。
背景技術：
濾波器是傳遞處於某些頻率的電子信號分量並抑制(例如，衰減或阻斷)處於其它頻率的分量的電子電路。圖1A說明現有技術濾波器。濾波器101可接收電子信號x(t)，並輸出另一信號y(t)。如果輸入信號x(t)包含多個頻率分量，那麼濾波器可能僅傳遞這些分量中的一些而不是全部分量。因此，輸出信號y(t)可能僅包含濾波器傳遞的頻率。圖1進一步說明理想濾波器的頻率響應F"co)。輸入信號可包含兩個頻率分量110和120。如曲線圖所示，零頻率(即，DC)處的頻率響應為單位一 (即，|F|=1)。頻率響應在一個頻率範圍內保持為單位一，且接著在較高頻率處下跌。當濾波器的頻率響應在給定頻率處為單位一時，處於此頻率的信號將被傳遞通過而到達輸出。然而，當頻率響應小於單位一時，信號將被衰減。圖1說明濾波器輸入x(t)的兩個頻率分量110和120。分量110處於濾波器具有單位一頻率響應的頻率。因此，輸入信號x(t)的頻率分量110將傳遞通過濾波器。然而，頻率分量120處於濾波器具有小於單位一的頻率響應的頻率。因此，輸入信號的頻率分量120在被傳遞通過濾波器101時將被衰減。濾波器傳遞的頻率範圍有時被稱為濾波器的"通頻帶"，且濾波器衰減或阻斷的頻率範圍有時被稱為"抑止頻帶"。通頻帶的範圍在頻率上通常被稱為濾波器的"帶寬"。圖1中曲線圖中所說明的頻率響應是低通濾波器("LPF")的實例，因為從零至多達所述帶寬的低頻率被傳遞，且高於所述帶寬的較高頻率被逐漸衰減。實際上，濾波器通頻帶可衰減或放大一個信號。通頻帶通過每個頻帶中響應的相對衰減(或增益)而與抑止頻帶區分開來。
可編程濾波器具有可改變的濾波器特性。舉例來說，濾波器101可接收改變濾波器頻率響應的編程信號。所述編程信號可以是改變(例如)濾波器的通頻帶和/或抑止頻帶的特性的模擬或數位訊號。如圖l中的曲線圖中所示，可使用可編程濾波器來在第一頻率響應FKco)與第二頻率響應F2((0)之間改變頻率響應。在此實例中，第二頻率響應只不過具有比第一頻率響應寬的帶寬。因此，在一種配置中，濾波器可僅傳遞分量IIO且衰減或阻斷分量120，且在另一配置中，濾波器可傳遞分量110與120兩者。在電子系統在不同時間實施不同處理功能的應用中，可編程濾波器是有用的。提供單個可編程濾波器並對其進行重新編程，以用於不同使用，而不是包含多個不同的濾波器。
圖IB進一步說明兩種常見的濾波器實施方案。第一示範性濾波器實施方案包含電阻器與電容器網絡。在電阻器130的第一端子處提供輸入信號x(t)。電阻器130的第二端子連接到電容器131的第一端子。電容器131的第二端子接地。在電阻器130與電容器131之間的節點處取得輸出y(t)。這種簡單的RC配置實施了低通濾波器，其將傳遞至多達約如下頻率的頻率-
f = 1/(2丌RC)。
高於此頻率的頻率將隨著頻率響應下跌(或"下降")而逐漸衰減。第二示範性濾波器實施方案包含電感器與電容器網絡。兩個電感器141和143串聯耦合在輸入與輸出之間。第一電容器142從中間節點耦合在兩個電感器與接地之間，且第二電容器144耦合在輸出與接地之間。此濾波器也是帶通濾波器，但因為兩(2)個電感器-電容器網絡耦合在一起，所以與RC網絡相比，頻率響應的下跌速度將較快，從而導致恰高於截止頻率的頻率處的較大衰減。
對濾波器進行編程的常見方法已經包含改變濾波器中所使用的電阻器、電容器或電感器的值。然而，在需要濾波器特性的實質改變的情況下，此方法可能並不總是實際的。舉例來說，在一些應用中，使用此方法將濾波器從100kHz帶寬改變到20MHz帶寬可能是不實際的。
圖2說明與濾波器可編程性有關的另一問題。在許多系統中，需要在信號已經被濾波之後對其進行數位化。舉例來說，信號x(t)可由濾波器201接收，並接著直接地或通過其它組件耦合到模擬到數字轉換器("A/D") 202。 A/D 202將經濾波的信號轉換成(例如)可以數字方式處理的N個數字位。然而，當通過以取樣頻率fs對連續時間信號進行取樣來對信號進行數位化時，信號頻率的混疊可能導致較高頻率轉變成較低頻率。舉例來說，如果經取樣的輸入信號x(t)具有處於取樣頻率的整數倍的頻率分量，那麼混疊將導致這些分量移動到零頻率。如圖2中的圖所示，輸入信號x(t)的頻率分量210、 211和212可能在取樣之後下移到零頻率。因此，所關注的信號分量213 (在此實例中是DC信號)可能在較高頻率分量移到同一頻率時完全丟失。因此，在一些應用中(例如上文的對位於或接近於DC的所關注信號進行取樣的實例)，需要具有這樣一種濾波器，其將在取樣頻率的整數倍處提供強衰減，使得取樣頻率的倍數處的頻率分量的影響被減小或消除。
5圖2還包含可能需要的濾波器規範，其包含低頻率通頻帶221; 223A、 223B和223C(例如，幹擾信號混疊在所關注信號上的位置)處的強衰減抑止頻帶；以及針對222A、222B和222C處的其它頻帶外信號的適度衰減。用此濾波器規範設計可編程濾波器可能是非常具有挑戰性的。在一些應用中，可編程濾波器可能需要適應變化的帶寬("BW")、不同的取樣頻率，或不同的通頻帶和/或抑止頻帶頻率、增益或衰減等級。在許多應用中，使用傳統方法實施這種濾波器並不有效或實際。
圖3A是理論上的開窗積分取樣器(windowed integration sampler)。開窗積分取樣器包含乘法器301、電容器302和取樣器303 (例如，開關)。在乘法器310的一個輸入處接收輸入信號x(t)，且乘法器的另一輸入接收窗函數(window function) w(t)。乘法器301的輸出耦合到電容器302。電容器302首先通過開關304放電，且接著求乘法器輸出的積分，且結果被取樣。輸出y(t。)表示輸入信號與窗函數的經求積分的乘積的一個樣本。輸出y(t。)可表示如下
(等式i) f r x(7r>i<r —^)dr
■r0 -
其中Tw是窗函數的長度。圖3B展示x(t)為輸入、y(t)為輸出且h(t)為濾波器脈衝響應的連續時間濾波器。輸出(y(t。))可由如下積分巻積公式(integral convolution formula)
描述
(等式2) = f^X("Afe 一 0&
對於因果有限脈衝響應(FIR)濾波器，h(t)=0，其中tO且t〉TnR。因此等式2可改寫成
(等式3) >^。)=f°T
比較等式1與等式3，明顯可見開窗積分取樣器針對具有脈衝響應h(t"w(-t)的濾波器採取巻積積分的形式。因此，可將開窗積分取樣器表示為具有連續時間輸入和離散時間輸出的濾波器。圖3B展示開窗積分取樣器的功能性。連續時間輸入信號受濾波器支配，嵌入開窗積分取樣器中，且接著經取樣以產生離散的時間輸出樣本。
圖3C是使用"n"個並聯級的理論上的開窗積分取樣器，其使用"n"個移位的有限長度窗函數w(t)、 w(t-Ts)、…和w(t-nTs)來產生樣本輸出。每個級針對窗函數中的某一位置提供一個樣本。舉例來說，乘法器311接收輸入信號x(t)和第一窗函數w(t)。通過電容器312在窗函數的長度Tw上求窗函數與輸入信號的乘積的積分。在350處對結果進行取樣，以產生第一經取樣輸出y(nTs)，其中Ts是取樣周期。從輸入信號與移位了取樣周期的第二版本的窗函數(即，w(t-Ts))的乘積獲得下一樣本。通過電容器322在
窗函數的長度lw上求輸入信號與經移位的窗函數的乘積的積分，並進行取樣以提供第
二經取樣輸出y(nTs)。通過使用多個移位了取樣周期Ts的窗函數，可獲得表示經濾波的輸入信號的離散時間信號，其中通過窗函數來設置濾波器脈衝響應。
用於濾波器應用的開窗積分取樣器的實際實施方案可能難以實現。舉例來說，使用濾波開窗積分取樣器，對於一些應用來說可能難以實現足夠高的衰減等級和足夠寬的帶寬。另外，需要有效地實施窗函數和乘法器兩者。
因此，需要改進的可編程濾波器。本發明提供改進的可編程濾波器電路和方法。

發明內容
本發明的實施例包含可編程濾波器電路和方法。在一個實施例中，本發朋包含一種用於對輸入信號進行濾波的可編程濾波器，其包括用於存儲表示離散時間窗函數的多個
數字值的存儲元件，以及多個濾波器通道，每個通道包括相乘數字到模擬轉換器
(multiplying digital-to-analog converter),其具有耦合到所述存儲元件的多個數字輸入，以及用於接收所述待濾波的輸入信號的模擬輸入；至少一個電容器，其具有耦合到所述相乘數字到模擬轉換器的輸出的至少一個端子；以及取樣裝置，其耦合在所述至少一個電容器的所述至少一個端子與所述濾波器的輸出之間。
在另一實施例中，本發明包含軟體定義的無線電結構、電路和方法。
以下具體實施方式
和附圖提供對本發明特徵和優點的更好理解。


圖1A說明現有技術濾波器。
圖1B說明兩個常見濾波器實施方案。
圖2說明取樣應用中的濾波。
圖3A是理論上的開窗積分取樣器。分取樣器的功能性。
圖3C是使用"n"個並聯級的理論上的開窗積分取樣器，其使用"n"個移位的有限長度窗函數來產生樣本輸出。
圖4說明根據本發明一個實施例的可編程濾波器。圖5說明示範性離散時間窗函數的時域和頻域表示。
圖6說明根據本發明一個實施例的取樣與保持系統和圖像抑制濾波器對示範性離散時間窗函數的時域和頻域影響。
圖7說明根據本發明另一實施例的可編程濾波器。
圖8說明根據本發明實施例的可編程濾波器。
圖9A說明使用簡單離散時間窗函數的開窗積分取樣。
圖9B說明使用具有不均勻取樣的簡單離散時間窗函數的開窗積分取樣。
圖IO說明根據本發明另一實施例的可編程濾波器。
圖11說明根據本發明另一實施例的可編程濾波器通道。
圖12說明根據本發明另一實施例的可編程濾波器。
圖13是可在根據本發明實施例的可編程濾波器中使用的電壓到電流轉換器的實例。圖14是可在根據本發明實施例的可編程濾波器中使用的MDAC的實例。圖15是可在根據本發明實施例的可編程濾波器中使用的積分電路的實例。圖16說明可在根據本發明其它實施例的可編程濾波器中使用的一類窗函數。圖17是根據本發明實施例的可編程濾波器的示範性實施方案。圖18是控制開關陣列的離散時間窗函數的實例。圖19A-C說明根據本發明另一實施例的過取樣的可編程濾波器。圖20是根據本發明實施例的可編程濾波器的示範性應用。
具體實施例方式
本文描述可編程濾波器電路和方法。在以下描述內容中，出於闡釋的目的，陳述大量實例和具體細節，以便提供對本發明的詳盡理解。然而，所屬領域的技術人員將明了，本發明的實施例可包含下文所示實例的其它等效實施例或修改。舉例來說，儘管下文使用三角形窗函數來呈現實施例和實例，但也可使用其它窗函數。因此，如權利要求書所界定的本發明可僅包含這些實例中的特徵的一些或全部，或與下文連同等效物描述的其它特徵組合。
圖4說明根據本發明一個實施例的可編程濾波器組件。電路包含存儲在存儲元件中
8的離散時間窗函數401、相乘數字到模擬轉換器("MDAC") 402、電容器403以及取樣 裝置404。 MDAC 402包含耦合到所述存儲元件的數字輸入以及用於接收輸入信號x(t) 的連續時間(即，模擬)輸入。MDAC 402接收表示來自存儲元件的離散時間窗函數401 的多個數字值(即，數字位)以及輸入信號。MDAC402在輸出處產生經相乘的信號， 其表示離散時間窗函數與輸入信號x(t)的乘積。通過電容器403求MDAC 402的輸出處 的經相乘信號的積分。通過取樣裝置404以(例如)頻率"fs"對結果進行取樣。
離散時間窗函數有時也被稱為加權函數。本發明的實施例包含以數字方式將任一離 散時間窗函數存儲在存儲元件(例如，存儲器、寄存器或其它類型的數字存儲裝置)中。 將窗函數作為N個數字值提供到MDAC。 MDAC實施輸入信號x(t)與窗函數的相乘。在 一個實施例中，輸出是表示經相乘信號的電流。將電流提供到電容器，且通過電容器求 經相乘的信號的積分。可以等於窗函數的長度Tw的時間周期對結果(通常是電壓)進 行取樣。應了解，可使用多種窗函數。可通過(例如)改變窗函數來對使用此技術的濾 波器進行編程。可以包含差分或單端電路技術的多種方式來實施MDAC、存儲元件、電 容器和取樣裝置。舉例來說，存儲元件可包含存儲器、移位寄存器配置、鎖存器、易失 性或非易失性存儲裝置、觸發器陣列或等效物。MDAC204是這樣一種電路，其接收數 字輸入和一個或一個以上模擬輸入，並提供模擬輸出，所述模擬輸出是模擬輸入的整數 倍乘以單位值(例如，最低有效位"LSB")。針對積分可使用一個或一個以上電容性元 件。取樣裝置可包含(例如)使用MOS電晶體實施的開關，其(例如)以包含多路復 用器配置的多種方式來配置。
圖5說明示範性離散時間窗函數w(nTsDAc)的時域和頻域表示。此實例展示具有窗 長度(即，窗周期)Tw的有限長度三角形窗函數501。此波形的離散時間表示包含七(7)
個樣本。每個樣本可作為數字值而存儲。以頻率fsDAC提供所述樣本，所述頻率fsDAC代
表MDAC取樣頻率或MDAC改變數字輸入值的頻率。三角形窗函數501的頻率域表示 是"sinc2，，(即，sinc的平方)函數。因此，三角形窗函數501可用作如下文更詳細陳述 的濾波器。"sinc^"函數502在最終取樣頻率fs的整數倍處包含空值(即，陷波)。與"sinc" 相比，"sine2"函數502提供強衰減和較寬的帶寬。然而，因為所述窗是離散時間波形， 所以頻率響應的圖像將在離散時間波形被取樣的頻率的整數倍處重複。此處，在頻率 fsDAC處對離散時間三角形波形進行取樣。因此，"sine2"函數502的圖像將如圖所示在 510A和510B處重複。圖5進一步說明當使用離散時間窗函數時可能發生的另一現象。 如圖所示在520處，由於將任意連續窗函數w(t)表示為離散時間窗函數w(nTsDAC)，所以
可能出現量化噪聲。 一般來說，可通過增加位的數目或增加取樣頻率來減少量化噪聲。
9可總是以結果不含量化噪聲的方式對三角形窗進行取樣和量化。
圖6說明根據本發明一個實施例的取樣與保持系統和圖像抑制濾波器對示範性離散 時間窗函數的時域和頻域影響。在此實例中，數字值在窗取樣周期fsDAC期間保持在恆
定值，如圖在601處所示。因此，不是將窗表示為脈衝，而是通過圖6中所說明的連續 矩形且通過Wd(t)來表示窗函數。這具有將"sine"函數602疊加在圖5所示的頻譜上的 效應，其中疊加的"sine"函數的陷波位於f;DAc;的整數倍處。結果是通過使窗取樣值保 持恆定持續周期fsDAc而抑制了窗函數頻譜611的混疊圖像610A和610B。此圖說明了 本發明的另一方面。如果使用離散時間窗函數對濾波器進行編程，那麼在一些應用中(例 如，通過使用三角形窗)可獲得強衰減，且可通過在系統中提供第二輔助濾波器603來 減少或消除fsDAC附近的帶外分量。在此實例中，使用具有如603處所示的響應的輔助 濾波器(例如，2階RC濾波器(2nd order RC filter))來減少或消除窗函數的圖像附近 的頻率分量。此輔助濾波器具有放鬆的要求(例如，較寬過渡帶寬)，且因此其可以簡 單結構來建置。因此，可容易用較少的開關可選擇的組件來重新配置輔助濾波器。
圖7說明根據本發明另一實施例的輔助濾波器。基於以上論述，可將輔助濾波器750 添加到系統。可首先通過輔助濾波器750處理連續時間輸入信號x(t)。接著在MDAC 702 中將來自濾波器的連續時間輸出信號乘以離散時間窗函數701。在MDAC 702的輸出處 提供的經相乘的信號在電容器703中求積分，並由取樣裝置704以頻率fs進行取樣。
圖8說明根據本發明實施例的可編程濾波器。在一個實施例中，多個濾波器通道每 一者均包含一個MDAC，所述MDAC具有用於接收待濾波的所述輸入信號的模擬輸入， 以及耦合到存儲元件以用於存儲表示離散時間窗函數的多個數字值的多個數字輸入。每 個濾波器通道進一步包含至少一個電容器，其具有耦合到相乘數字到模擬轉換器的輸 出的至少一個端子；以及取樣裝置，其耦合在所述至少一個電容器的端子與濾波器的輸 出之間。舉例來說，第一濾波器通道可包含MDAC 802，其經耦合以接收輸入信號x(t)， 且進一步耦合到存儲表示離散時間窗函數w(nTsDAc)的數字位的存儲元件801。存儲元件 801通過每一者均能夠承載一個數據位的N條數據線(即，導線)耦合到MDAC 802。 數據位隨著時間而改變，以表示隨著時間改變的離散時間窗函數。MDAC 802產生作為 輸入信號與數字值的乘積的輸出信號。輸出信號(例如，電流)在(例如)電容器803 中求積分。如果在窗函數的最後的值已經與輸入信號相乘且結果經求積分之後，對電容 器進行取樣，那麼輸出如下
10其中Tw是窗函數的長度(或周期)，Wd現在是離散時間窗函數的經取樣和保持的結 果，且x(t)是對MDAC的輸入。因此，每個通道針對所述窗上的特定時間點產生巻積的
一個樣本。所述窗上其它時間點處的巻積的數據值可從其它通道獲得。如果窗函數Wd(t)
的時間上的長度是Tw，最終取樣頻率是fs，且Ts是最終取樣周期(其中Tw〉Ts)，那 麼產生所有輸出樣本所需的通道數目如下
在一些實施例中，可調節濾波器的增益。舉例來說，在一個實施例中，可增加離散 時間窗函數的幅值。增加窗函數的幅值增加了濾波器的增益，且減小窗函數的幅值減小 了濾波器的增益。因此，可對表示離散時間窗函數的數字值重新進行編程，以改變濾波 器的增益。在另一實施例中，可改變電容器值以改變增益。增加電容器值將減小濾波器 增益，且減小電容器值將增加濾波器增益。舉例來說，多個電容器可通過開關耦合在一 起。可打開或閉合開關以改變電容，且進而改變濾波器增益。因此，可用不同電容器值 來對濾波器重新進行編程，以改變濾波器的增益。
圖9A是使用簡單離散時間窗函數的開窗積分取樣的實例。在此簡化實例中，離散
三角形窗函數包含針對三個通道901到903上的三角形窗的三(3)個數據點。通道卯l
上的第一三角形首先被相乘並求積分。通道902上的第二三角形被移位Ts， Ts等於窗周
期Tw的一半。通道903上的第三三角形類似地從第二三角形移位Ts。基於以上等式可
見，需要三(3)個通道(即，N = Tw/Ts+l =Tw/(Tw/2)+l =2(Tw/Tw) +1 =3)。在將離
散時間窗函數901中的最後的點提供給MDAC、與輸入信號相乘並求積分之後，從第一
通道獲得第一輸出樣本。在輸出電容器已對窗中的最後的點求積分之後，可對電容器進
行取樣。在對輸出電容器進行取樣之後，可使其復位以用於下一積分循環。從第二通道
獲得第二輸出樣本。在將離散時間窗函數902中的最後的點提供給MDAC、與輸入信號
相乘並求積分之後，獲得第二樣本。在此實例中，在離散窗函數的最後的值已經積分之
後從第三通道903獲得第三輸出樣本。從第一通道獲得第四樣本。舉例來說，當將第二
通道902中的窗函數的最後的值施加於第二通道MDAC時，將第一通道901中的窗函數的第一值施加於第一通道MDAC。因此，在從第三通道獲得第三樣本之後，第一通道 901將具有在下一取樣間隔上可用的下一後續輸出樣本。應了解，以上實例僅僅是展示 TS、 TW、 fsDAC和通道數目N的關係的簡化實例。舉例來說，可針對具有不同離散時間 點數目和不同窗周期Tw的不同窗函數、不同的輸出取樣頻率fs、不同的MDAC頻率fk)Ac 來改變所有這些值。
儘管圖9A展示簡化的離散時間窗函數，但可使用任何所需的離散時間窗函數。對 於一些離散時間窗，例如三角形窗，在任一取樣時刻(nTsDAC)產生的數字(或量化) 值可精確等於同一時刻連續窗的模擬值。然而，對於許多離散時間窗，產生的數字值將 不與每個對應的模擬值一致。因此， 一些實施例可能使用不均勻的時間間隔，而不是以
速率fsDAC產生新的離散時間窗值。舉例來說， 一些連續時間波形可精確地與窗循環期 間某些時間的可用數字值(或量化等級) 一致。因此，在數字值對應於窗的連續時間值 (可能不是Tsdac的整數倍)的時間時，提供離散時間窗函數值。因此，使提供數字值 的速率不均勻，以使得表示離散窗的數字值與對應的連續時間窗值相匹配。通過在與對 應的連續時間波形相匹配的不均勻時間時提供離散時間窗函數的數字值，有利地減少了 量化誤差。
圖9B說明使用具有不均勻取樣的簡單離散時間窗函數的開窗積分取樣。在此實例 中，提供多個延遲元件910A到910E，以用於產生例如時鐘或其它控制信號的觸發信號 的經延遲版本，以用於改變從存儲裝置920提供到MDAC 930的離散時間窗值。在此實 例中，延遲元件的輸出耦合到多路復用器的輸入。多路復用器的輸出耦合到存儲裝置 920，存儲裝置920保存離散時間窗的數字值。控制信號確定哪個經延遲信號通過多路 復用器耦合。當在存儲裝置920處接收到經延遲的觸發信號時，將下一數字值提供給 MDAC 930。僅作為一個實例，可將觸發信號耦合到移位存儲器的"移位"輸入。多路 復用器的控制信號可耦合到例如處理器的數字電路，以用於監視存儲在存儲裝置920中 的特定離散時間窗，且用於指定使用哪些經延遲信號來觸發改變數字值。圖9B中展示 示範性連續時間窗函數w(t)以及離散時間窗函數w(n,m)， w(n,m)使用不均勻的取樣，使 得表示離散窗的數字值與對應的連續時間窗值相匹配。"n"為序號，且"m"表示樣本 的時間常數。
圖10說明根據本發明另一實施例的可編程濾波器。在此實例中，離散窗函數值存
儲在存儲器1060中。舉例來說，對應於第一離散時間窗函數值wl的第一數字值存儲在
存儲器位置1061中。窗函數的其它值類似地存儲在可連續尋址的存儲器位置中。對應
於最後的離散時間窗函數值wn的最後的數字值存儲在存儲器位置1062中。多個開窗積
12分濾波器通道每一者可接收模擬輸入x(t)，並接收來自存儲器1060的數字輸入。在一個 示範性實施例中，來自存儲器位置1061的第一窗值wl耦合到MDAC 1002。可通過使 存儲器值移位來將窗函數值施加到MDAC 1002。舉例來說，在某一時間周期TsDAC (MDAC取樣頻率的周期)之後，存儲器值可向下移位。在移位之後，窗值w2移動到 存儲器位置1061，窗值w3移位到先前存儲w2的位置，且窗值wl移位到存儲器1060 的最後的存儲元件。在移位之後，MDAC 1002接收離散時間窗函數的第二值。可通過 以頻率fsDAC移位存儲器來將窗函數的每個連續值施加到MDAC 1002。因此，使每個離 散時間窗函數值與輸入信號x(t)相乘，通過輸出電容器(例如，電容器1003)求積分， 且使用多路復用器("MUX") 1050以頻率fs對結果進行取樣。在取樣之後，可(例如) 使用由SW2 1005說明的開關來使電容器1003復位。
在此實例中，其它濾波器通道接收來自同一存儲器1060的窗函數值。舉例來說， 在時間周期Ts之後，窗函數的第一值wl移位到存儲器位置1063 ("wl(Ts)")。存儲器 位置1063耦合到第二濾波器通道中的MDAC 1012，使得MDAC 1012接收在時間上移 位了Ts的窗函數。使經移位的窗函數的連續離散時間樣本值乘以輸入信號x(t)，在電容 器1013中求積分，且由MUX 1050對結果進行取樣。在取樣之後，可例如使用由SW4 1015說明的開關使電容器1013復位。類似地，在時間周期2Ts之後，窗函數的第一值 wl移位到存儲器位置1064 ("wl(2Ts)")。存儲器位置1064耦合到第三濾波器通道中的 MDAC 1022，使得MDAC 1022接收在時間上移位了 2Ts的窗函數。使經移位的窗函數 的連續離散時間樣本值乘以輸入信號x(t)，在電容器1023中求積分，且由MUX 1050 對結果進行取樣。在取樣之後，可(例如)使用由SW6 1025說明的開關使電容器1023 復位。對於額外的通道，例如位置1065的其它存儲器位置可耦合到每個通道中的額外 MDAC。舉例來說，第N通道MDAC 1032耦合到存儲器位置1065，其在時間NTs之後
接收窗函數的第一值W1。窗函數的後續值以頻率fsDAC移位到位置1065中。因此，在
MDAC 1032中，使離散時間窗函數乘以輸入信號x(t)，在電容器1033中求所述輸出的
積分，且使用MUX 1050以頻率fs對結果進行取樣。提供組合的樣本作為輸出y(nt)，
其表示由具有脈衝響應w(-t)的濾波器處理的輸入信號x(t)的離散時間值，其中可通過改
變窗函數或取樣參數來對濾波器進行編程。
圖11說明根據本發明另一實施例的可編程濾波器通道。此實例說明MDAC的示範
性實施方案。離散時間窗函數可存儲在存儲元件1101中。可提供數字輸出作為數字到
模擬轉換器("DAC") 1102的輸入。轉換器的全標度(full-scale, "F.S.")可由電路1103
控制，電路1103接收輸入信號x(t)，作為控制輸入以設置DAC的全標度。因此，對於任何數字輸入，輸出是通過數字輸入設置的DAC的全標度的分數值，其中全標度由輸 入信號控制。
圖12說明根據本發明另一實施例的可編程濾波器。在此實例中，在每一者均包含 電壓到電流轉換器1201A到1201C的多個濾波器通道的輸入處接收待濾波的輸入信號。 將輸入信號轉換成每個通道中的電流，並使其耦合到相應MDAC 1202A到1202C的輸 入。每個MDAC 1202A到1202C耦合到例如存儲器1251的存儲裝置，其可存儲如上所 述經移位的離散時間窗函數。存儲位置具有耦合到MDAC的數字值。數字值連續地與 輸入信號x(t)相乘，且輸出耦合到相應的積分與取樣電路1203A到1203C。每個積分與 取樣電路的輸出連續地如所說明在開關1250處以頻率fs進行取樣，以提供以取樣周期 Ts分隔的經取樣的輸出。
圖13是可在根據本發明實施例的可編程濾波器中使用的電壓到電流轉換器的實例。 電壓到電流轉換器可包含至少一個電晶體，其在柵極端子上接收電壓並產生電流。電壓 到電流轉換器的一個輸出端子可耦合到電流鏡，以產生供系統中使用的其它電流。此實 例說明差分電壓到電流轉換器，其在電晶體1301和1302的柵極端子上接收輸入信號。 此實例僅僅是用於轉換電壓到電流的電壓到電流轉換構件的一個實例。電晶體1301和 1302與電流源1304和1305偏置。在電阻器1303上產生差分電壓，其導致產生電流。 差分電流鏡像通過電晶體1306-1311到達任一數目的電流源單元，例如1320和1330。 鏡像到每個單元的電流包含DC電流Ilsb和AC電流Gmx(t)。從存儲元件耦合的數字位 [DO...DN]用於控制每個電流源單元。舉例來說，離散時間窗函數的不同值可具有對應的 數字位值，所述值使不同的電流單元接通或斷開，以修改電流並產生所需的輸出。在電 流單元1320中，當DO為高且D(^ (即，NOT(DO))為低時，來自電壓到電流轉換器的 差分電流鏡像通過電晶體1321、 1322、 1323和1326，且輸入如下
OUTA = ILSB - Gmx(t),
OUTB = ILSB + Gmx(t),
OUT—DIFF = OUTA - OUTB = - 2Gmx(t)。
類似地，當DO為低且D0^為高時，電流通過電晶體1321、 1322、 1324和1325耦 合到輸出，且差分輸出為+2GmX(t)。因此，每個電流單元可產生正或負輸出電流，其表 示單位電流乘以輸入信號x(t)。可將單位電流設置為任何所需的電平。數字位DN和DN*
14可用於以相同方式控制任一數目的電流單元(例如，單元1330)的差分輸出。
圖14是可在根據本發明實施例的可編程濾波器中使用的MDAC 1400的實例。此實 例僅僅是可用於使模擬輸入信號與數字值相乘的相乘數字到模擬轉換構件的一個可能 實例。對於存儲為N個數字位的離散時間窗函數值，MDAC 1400可包含2n個可如上所 述接通或斷開的電流單元。在一個實施例中，存儲元件通過解碼器1401耦合，以將n 個位轉變成2"個控制信號，以用於接通或斷開不同的單元。對於簡單的說明性實例，如 果存儲元件將離散窗函數值表示為兩(2)個位，那麼可使用四(4)個電流單元，且下 表說明針對不同的位組合可獲得的可能的電流輸出值-
DODlOUT一DIFF
004x(t)
012x(t)
100
11-2x(t)
在以上實例中，Gm = X和[1,0]表示其中兩個電流單元正產生OUT—DIFF = x(t)且另 外兩個電流單元正產生OUT—DIFF = -x(t)的狀態。應了解，以上僅僅是說明MDAC數字 控制方案的簡單實例，所述方案導致作為模擬輸入信號x(t)與存儲的數字值的乘積的輸 出。可使用離散窗值、位、單元、電流和Gm值的任何組合。
圖15是可在根據本發明實施例的可編程濾波器中使用的積分電路1500的實例。積 分電路1500提供用於求(例如)來自MDAC的電流的積分的一種可能構件。首先，使 用開關1551使電容器1550復位。接著，閉合開關1552和1553，並打開開關1551，因 此電容器準備好求傳入電流的積分。積分電路1500包含差分電流輸入1560和1561。輸 入電流通過電晶體1501到1504鏡像到包含電晶體1505到1512的差分共源共柵級 (differential cascode stage)中。所述共源共柵級包含DC偏置電流。求電容器1550上 的電流差的積分，且在窗循環的結尾處對結果進行取樣(例如，通過未圖示的開關)。
圖16說明可在根據本發明其它實施例的可編程濾波器中使用的一類窗函數。任意 有限長度窗函數1601可與矩形窗1602巻積，以產生新的窗函數1603。在一個實施例中， 所得的長度為nTs的有限長度窗函數可分解為長度為Ts的矩形窗與長度為(n-l)Ts的窗 函數的巻積。窗函數1603具有如下特性
15m一:w(卜則。楊=C
其中C是常數。圖16中在910到913處說明此現象，其展示任一給定時間點處的 經移位窗函數1603的和為常數值。在如上所述具有多個濾波器通道的可編程濾波器的 上下文中，具有以上特性的一類離散時間窗函數可存儲有有利的結果。舉例來說，對於 具有函數1603的特性的離散時間窗函數，在任一給定時間點，輸入信號與每個濾波器 通道中的離散窗函數值的相乘結果的和將為常數。
圖17是根據本發明實施例的可編程濾波器的示範性實施方案。由於圖16中描述的 特性，可實現可編程濾波器的有效實施方案。可編程濾波器1700包含多個跨導電路 1701A到1701C，其具有經耦合以接收待濾波的輸入信號x(t)的輸入。跨導電路的輸出 耦合到多個開關1702。所述多個開關可經配置以將任一跨導電路的輸出耦合到多個電容 器1703A到1703C (即，交叉點開關配置)。根據存儲在存儲器1751中的離散時間窗函 數來控制所述開關。在此實例中，表示存儲器1751中的離散時間窗函數的數字值用於 控制開關陣列1702中的開關。此處，解碼器1752耦合到存儲器1751，以接收離散時間 窗值，並產生控制信號以將跨導電路1701A到1701C耦合到電容器1703A到1703C。 如果使用具有圖16中所述的特性的離散時間窗函數，那麼在任一給定時間，每個跨導
電路耦合到一個輸出電容器，且耦合到特定電容器的特定跨導電路輸出以頻率fsDAC改
變。因此，由離散時間窗函數值設置的開關控制將電流提供到每個電容器中的跨導電路 的數目。因此，跨導電路和開關將經加權的電流值提供到每個電容器中，其中進入每個 電容器中的經加權電流根據正使用的特定離散時間窗函數而隨著時間改變。電容器又求 結果的積分，所述結果接著連續地由開關1750以頻率fs進行取樣。當使用一類窗函數 以使得窗函數值的和為常數(即，圖16)時，所有跨導電路可在整個積分間隔上耦合到 特定電容器，這導致較少的功率損失和較高的效率。
圖18是控制開關陣列的離散時間窗函數的實例。在此說明性實例中，使用三角形 窗作為離散時間窗函數。可通過對兩個矩形波形進行巻積來獲得三角形波形。因此，三 角形窗具有圖16所描述的特性。當然，可使用如上所述與矩形窗巻積的其它窗函數。 在此實例中，窗函數周期Tw與取樣周期Ts有關，如下
Tw/Ts = 2。因此，可編程濾波器可使用三(3)個輸出電容器來處理輸入信號X(t)。以頻率fsDAC
提供對應於離散時間窗函數值的數字值，且因此每個樣本之間的時間為TsDAC。在時間 周期Tl期間，第一輸出電容器("C1")開始新的積分循環，其中Cl接收電流，並根 據窗函數1801 w(nt)求電流的積分。類似地，在時間周期Tl期間，第二輸出電容器("C2") 完成積分循環的一半，其中C2接收電流，並根據窗函數1802 w(nt-Ts)求電流的積分。 在時間周期T1期間，可對此實例中的第三輸出電容器("C3")進行取樣，並接著使其
復位，且因此不接收電流。起初，在fsDAC的第一循環中，1801的窗函數值為零(0)。 因此，在fsDAC的此循環期間，沒有電流提供到C1。在fsDAC的同一循環中，1802的窗
函數值為四(4)。因此，來自四(4)個跨導電路的電流可耦合到C2。在&dac的下一循 環中，窗函數1801具有值一 (1)，且窗函數1802具有值三(3)。因此，一 (1)個跨 導電路電流耦合到C1，且三(3)個跨導電路電流耦合到C2。然而明顯可見，系統所使
用的總跨導電路仍是四(4)個，且不需要額外的跨導電路。在fsDAC的下一循環中，窗
函數1801具有值二 (2)，且窗函數1802具有值二 (2)。因此，兩(2)個跨導電路電 流耦合到C1，且兩(2)個跨導電路電流耦合到C2。而且明顯可見，系統所使用的總跨 導電路仍是四(4)個。類似地，在fsDAc的下一循環中，窗函數1801具有值三(3)， 且窗函數1802具有值一 (1)。因此，三(3)個跨導電路電流耦合到Cl，且一 (1)個 跨導電路電流耦合到C2，其總電流仍是四(4)個。在T1中fsDAc的最後循環中，窗函 數1801具有值四(4)，且窗函數1802具有值零(0)。因此，所有跨導電路電流均轉到 Cl。在穩定時間之後，現可對C2進行取樣並使其復位。因此，在窗1801繼續在C1上 求積分時，窗1802現可用於在C3上開始新的循環。因此，在fsDAc的此循環開始時， 可用窗1802的初始值(在此情況下為零)對C3進行編程。以類似方式，窗函數控制所 述開關以將來自4、 3、 2、 1和接著0個跨導電路的電流耦合到C1，同時在時間周期T2 期間，將0、 1、 2、 3和接著4個跨導電路耦合到C3。在時間周期T2結束時，可對Cl 進行取樣並使其復位。在時間周期T3期間，電容器C3根據窗1802完成積分循環，且 窗1801表示進入電容器C2中的電流。
以上實例說明本發明的實施例可通過使用對應於離散時間窗函數的數字值以控制 將跨導電路的輸出耦合到多個電容器的開關，來實施可編程濾波器。再次參看圖17，離 散時間窗函數可存儲在移位存儲器中，其中提供特定存儲器位置作為對解碼器的輸入。 每個解碼器輸入可表示將針對對應電容器而施加的N位離散時間窗值。舉例來說，在解 碼器輸入處接收到的具有值四(4)的8位數可指示四個跨導電路電流將耦合到特定電 容器，其中進入電容器中的電流為
17Iin = x(t)*[NGm], N = 4。
解碼器1752可接收N位值，並產生控制信號以使開關閉合以便將四個跨導電路電 流耦合到指定電容器。其它解碼器輸入可控制所述開關以將指定電流耦合到其它電容 器。在fsDAC的每個循環中，存儲器可移位，且解碼器輸入處所提供的值改變。如果存 儲在存儲器1751中的窗函數具有針對圖16而描述的特性，那麼跨導電流將簡單地在電 容器之間重新路由。應了解，可使用不同數目的跨導體、離散時間窗函數、位表示、輸
出電容器或開關控制機構。在一個實施例中，可以不均勻時間間隔而不是以fsDAC來重
新配置開關，以減少上述量化誤差。
圖19A說明根據本發明另一實施例的可編程濾波器。在一個實施例中，可使用過取 樣技術。過取樣量化器以較高速率產生窗樣本。這些樣本不是窗函數的直接量化的結果， 而是以如下方式經進一步處理窗的量化噪聲經成形並從所關注的頻帶移動到可能隨後 由早先所述的輔助濾波器移除的其它頻率。舉例來說，通過利用過取樣方法，過取樣的 MDAC 1901可用來使待濾波的輸入信號與存儲的離散時間窗函數1901相乘，且在電容 器1903中求輸出的積分，且由取樣器1904以速率fs對其進行取樣。在過取樣的系統中， MDAC中位的數目(例如，電流單元數目或跨導電路數目)減少且頻率fsDAc增加。在 MDAC實施方案中，位的數目可以是N4或2或某個較低值。當使用較高解析度實施 方案時(例如，使用N-6獲得的14位有效解析度)，此技術可進一步有利。
圖19B說明用於修改供過取樣的系統中使用的窗函數的2-A結構。對於過取樣的 實施方案，可對離散時間窗函數進行修改，以用於在具有噪聲整形(noise shaping)的 2-A過取樣系統中實施。舉例來說，可在2-A的輸入處提供窗函數w(t)的連續時間等 效物，以產生經修改的窗函數w，(nlVa取樣)，其可包含較少的位、較大數目的樣本以及噪 聲整形。圖19B是可用來產生經修改的窗函數w，(t)的二階2-A的實例。求和電路1910、 1911、 1916、 1914、積分器1912和1913以及量化器1915是具有係數al、 a2、 bl和b2 的二階無限脈衝響應("IIR")濾波器。輸出是n位經噪聲整形的流，其可被截斷並存儲 在存儲器中，以用於驅動MDAC。圖19C說明經修改的窗的頻率響應。MDAC取樣頻 率現比可編程濾波器的取樣頻率fs大得多。可以取樣速率fs且以整數諧波來放置2-A 零點，以(例如)通過使用較高階2:-A結構來提供較深空值。噪聲傳遞函數("NTF") 如下NTF = (1 -Z，
從圖19C可見，已通過對窗函數使用S-A濾波器來使量化噪聲重新分布到較高頻 率。在低頻率處，原始窗函數w(t)和經修改的窗函數w'(t)兩者具有相同的響應。然而在 fsDAC附近的較高頻率處，量化噪聲增加。量化噪聲從濾波器空值的區域移動到較高頻率，
進而改進濾波器在空值處的特性。因此，可使用如先前提到的弱輔助低通濾波器1930 來消除量化噪聲。
圖20是根據本發明實施例的可編程濾波器的示範性軟體定義的無線電("SDR") 應用。SDR是這樣一種無線電，其可調諧到任何無線電頻帶，選擇具有任何帶寬的任何 通道，且解調或調製任何種類的經調製信號以供在任何時間接收或傳輸。這種無線電有 時被稱為可再配置的無線電。在此實例中，可使用可編程濾波器來在較寬頻率範圍上針 對多種無線格式而處理在天線2010上接收到的RF信號。可編程濾波器實現了較寬頻率 範圍上的信號處理，其中具有多種無線格式的任何RF信號可由天線2010接收、由寬帶 低噪聲放大器2011放大、並通過使用寬帶混頻器2012和2022 (即，同相和正交分量) 以及寬調諧範圍頻率合成器2030進行降頻轉換。寬調諧範圍合成器2030可經編程以對 包含(例如)蜂窩式標準、802.11、 802.15的多種傳入RF信號標準中的任一種標準進 行降頻轉換。可使用的寬帶低噪聲放大器的實例在發明人為Rahim Bagheri、 Masoud Djafari和Mahnaz Atri的2004年8月20日申請的題為"High Frequency Wireless Receiver Circuits and Methods"的第10/929,206號共同所有美國專利申請案中得以描述，所述專 利申請案全文以引用的方式併入本文中。可使用的寬帶混頻器的實例在發明人為Rahim Bagheri和Masoud Djafari的2005年4月14日申請的題為"Mixer Circuits and Methods with Improved Spectral Purity"的第11/106,902號共同所有美國專利申請案中得以描述， 所述專利申請案全文以引用的方式併入本文中。可使用的寬調諧範圍合成器的實例在發 明人為Mohammad E. Heidari、 Ahmad Mizaei、Masoud Djafari、Mike Choi、Filipp A. Baron、 Alireza Mehrnia禾B Rahim Bagheri的2005年6月1日申請的題為"High Frequency Synthesizer Circuits and Methods"的第11/142,6卯號共同所有美國專利申請案中得以描 述，所述專利申請案全文以引用的方式併入本文中。 一旦信號經降頻轉換，就可通過上 述輔助濾波器2013和2023對基帶模擬信號進行預先濾波。接下來，可對可編程濾波器 2014和2024進行編程以根據多種無線標準中的任一種進行濾波。可通過將如上所述的 不同離散時間窗函數存儲在(例如)存儲裝置2016和2026中，來對濾波器2014和2024 進行編程。可編程濾波器2014和2024的輸出是可由模擬到數字轉換器("A/D") 2015和2025數位化的樣本。A/D的N位數字輸出接著可耦合到處理器2020。舉例來說，處 理器2020可包含用於以數字方式處理多種不同無線標準的基帶處理器。因為可通過對 濾波器進行編程並以數字方式處理信息來處理處於不同頻率且具有不同帶寬的多種RF 輸入信號，所以此類系統被稱為"軟體定義的無線電"。
以上描述內容說明本發明的各種實施例以及可如何實施本發明的各方面的實例。以 上實例和實施例不應被視為僅有的實施例，且應呈現為說明如所附權利要求書所界定的
本發明的靈活性和優點。舉例來說，儘管可使用存儲元件來存儲離散時間窗函數，但應 了解，可使用其它實施方案，例如使用以與存儲在存儲器中的離散時間窗函數等效的方 式重新配置MDAC輸入或開關的可編程狀態機。基於以上揭示內容和所附權利要求書， 所屬領域的技術人員將明了其它布置、實施例、實施方案和等效物，且可在不脫離如權 利要求書所界定的本發明的精神與範圍的情況下，使用這些布置、實施例、實施方案和 等效物。
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權利要求
1. 一種用於對輸入信號進行濾波的可編程濾波器，其包括存儲元件，其用於存儲表示離散時間窗函數的多個數字值；以及多個濾波器通道，每個通道包括相乘數字到模擬轉換器，其具有耦合到所述存儲元件的多個數字輸入，以及用於接收所述待濾波的輸入信號的模擬輸入；至少一個電容器，其具有耦合到所述相乘數字到模擬轉換器的輸出的至少一個端子；以及取樣裝置，其耦合在所述至少一個電容器的所述至少一個端子與所述濾波器的輸出之間。
2.根據權利要求1所述的濾波器，其進一步包括用於對所述模擬輸入進行預先濾波的 輔助濾波器。
3.根據權利要求1所述的濾波器，其中所述相乘數字到模擬轉換器被過取樣。
4.根據權利要求3所述的濾波器，其中用2 A濾波器來處理表示離散時間窗函數的所 述多個數字值。
5.根據權利要求1所述的濾波器，其中所述相乘數字到模擬轉換器以不均勻時間間隔 接收數字值。
6.根據權利要求l所述的濾波器，其進一步包括多個跨導電路，所述跨導電路用於接 收作為電壓信號的所述模擬輸入，且將所述模擬輸入轉換成電流信號。
7.根據權利要求1所述的濾波器，其進一步包括耦合在所述存儲元件與所述相乘數字 到模擬轉換器之間的解碼器。
8.根據權利要求1所述的濾波器，其中所述存儲元件是存儲器。
9.根據權利要求1所述的濾波器，其中所述存儲元件是移位存儲器。
10. 根據權利要求1所述的濾波器，其中所述取樣裝置包括一個或一個以上MOS晶體.管。
11. 根據權利要求1所述的濾波器，其中所述可編程濾波器用在軟體定義的無線電中。
12. —種可編程濾波器，其包括-存儲元件，其用於存儲表示離散時間窗函數的多個數字值；多個電壓到電流轉換器，其每一者均具有用於接收待濾波的電壓輸入信號的輸 入，並根據所述電壓輸入信號產生電流；多個開關裝置，其耦合到所述存儲元件；多個電容器，其每一者均具有通過所述開關裝置的一部分耦合到所述多個電壓到 電流轉換器中的一者或一者以上的至少一個端子； 多個復位開關，其耦合到所述多個電容器；以及取樣裝置，其耦合在每個電容器的所述至少一個端子與所述濾波器的輸出之間， 其中所述多個電容器在所述數字值的控制下耦合到所述電壓到電流轉換器的輸 出。
13. 根據權利要求12所述的濾波器，其中以取樣時間周期對所述電容器進行連續取樣， 且電壓到電流轉換器的數目等於由所述取樣時間周期分隔的所述窗函數上的所述 數字值的和。
14. 根據權利要求12所述的濾波器，其中對所述電容器中的至少一者進行取樣並使其 復位，而其它電容器正在接收電流。
15. —種對信號進行濾波的方法，其包括-存儲離散時間窗函數；在相乘數字到模擬轉換器中使所述信號乘以所述離散時間窗函數，並據此產生經 相乘信號；在第一電容器中求所述經相乘信號的積分；以及對所述第一電容器上的電壓進行取樣。
16. 根據權利要求15所述的方法，其進一步包括在使所述信號相乘之前，用具有連續 時間輸入和輸出的濾波器對所述信號進行濾波。
17. 根據權利要求15所述的方法，其中所述相乘數字到模擬轉換器被過取樣，且其中 用S A濾波器來處理表示離散時間窗函數的所述多個數字值。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中所述相乘數字到模擬轉換器以不均勻的時間間 隔接收數字值。
19. 根據權利要求15所述的方法，其中所述信號是電壓信號，所述方法進一步包括將 所述電壓信號轉換成多個電流信號。
20. 根據權利要求15所述的方法，其進一步包括使所述離散時間窗函數移位以連續向 所述相乘數字到模擬轉換器提供離散時間窗函數值。
21. 根據權利要求15所述的方法，其進一步包括對所述離散時間窗函數進行解碼。
全文摘要
本發明的實施例包含可編程濾波器電路和方法。在一個實施例中，本發明包含一種用於對輸入信號進行濾波的可編程濾波器，其包括用於存儲表示離散時間窗函數的多個數字值的存儲元件，以及多個濾波器通道，每個通道包括相乘數字到模擬轉換器，其具有耦合到所述存儲元件的多個數字輸入，以及用於接收待濾波的所述輸入信號的模擬輸入；至少一個電容器，其具有耦合到所述相乘數字到模擬轉換器的輸出的至少一個端子；以及取樣裝置，其耦合在所述至少一個電容器的所述至少一個端子與所述濾波器的輸出之間。在另一實施例中，本發明包含軟體定義的無線電。
文檔編號H03H17/02GK101499786SQ20081000712
公開日2009年8月5日 申請日期2008年1月31日 優先權日2008年1月31日
發明者拉希姆·巴蓋裡, 艾哈邁德·米爾扎尼 申請人:維林克斯公司