專利名稱：用于在級(jí)聯(lián)濾波器中消除通帶波紋的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濾波器，尤其涉及級(jí)聯(lián)濾波器。更特別地，本發(fā)明涉及一種用于在級(jí)聯(lián)濾波器中消除通帶波紋的方法和系統(tǒng)。
濾波器用于各種廣范的應(yīng)用中，包括例如蜂窩和無(wú)線局域網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)。濾波器是一種電路，該電路在通過(guò)具有所感興趣的頻率的信號(hào)的同時(shí)，抑制或衰減不需要的頻率信號(hào)。通過(guò)濾波器的頻率范圍就是通常所說(shuō)的通帶。所抑制的頻率范圍就是通常所說(shuō)的阻帶。
在理想的濾波器中，通帶的幅度響應(yīng)是平坦的，并且位于通帶和阻帶之間的過(guò)渡區(qū)是相對(duì)于通帶的垂直線。然而實(shí)際上，在通帶平坦度和過(guò)渡區(qū)斜率之間通常存在一個(gè)折衷(trade-off)。例如，當(dāng)通帶的幅度響應(yīng)接近平坦時(shí)，過(guò)渡區(qū)通常是平緩的。但是當(dāng)通帶的幅度響應(yīng)具有波紋時(shí)(也就是不平坦)，過(guò)渡區(qū)通常是陡峭的或尖銳的。濾波器中的通帶波紋是不希望的，因?yàn)槠湓谕◣У哪承╊l率區(qū)域內(nèi)增加信號(hào)能量并在其它的頻率區(qū)域內(nèi)減少能量，從而降低了信號(hào)的質(zhì)量。


圖1是依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的濾波器通帶波形的圖形表示。波形102中的通帶波紋具有大約一個(gè)分貝的幅度。在某些濾波器的應(yīng)用中這個(gè)波紋可能太大了。在級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)中，當(dāng)兩個(gè)或更多的濾波器互相連接在一起以創(chuàng)建一個(gè)復(fù)合濾波器時(shí)，每個(gè)濾波器的通帶波紋可能會(huì)疊加起來(lái)，從而導(dǎo)致復(fù)合濾波器的通帶波紋的幅度響應(yīng)增加。
依據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于在級(jí)聯(lián)濾波器中消除通帶波紋的方法和系統(tǒng)。一種復(fù)合濾波器設(shè)計(jì)包括至少兩個(gè)將復(fù)合濾波器中的通帶波紋最小化的級(jí)聯(lián)的濾波器。所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波器還可以被設(shè)計(jì)成將復(fù)合濾波器中的阻帶抑制最大化。在依據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例中，一個(gè)N階濾波器與一個(gè)M階濾波器相連，其中N和M是整數(shù)。選擇所述N階和M階濾波器的濾波器特性(如階數(shù)、帶寬、阻帶衰減和波紋幅度)，以便獲得最小的通帶波紋和最大的阻帶抑制。通過(guò)使得所述N階濾波器和M階濾波器中的通帶波紋的幅度相等(或接近相等)但彼此異相，從而最小化(或消除)復(fù)合濾波器中的通帶波紋。依據(jù)本發(fā)明的復(fù)合濾波器可以用模擬濾波器、數(shù)字濾波器或模擬和數(shù)字濾波器的組合來(lái)設(shè)計(jì)，并且可以包括任意數(shù)量的級(jí)聯(lián)濾波器。
通過(guò)參考以下結(jié)合附圖對(duì)依據(jù)本發(fā)明的示意性實(shí)施例的詳細(xì)描述，將會(huì)使本發(fā)明得到最好的理解，其中圖1是依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的濾波器的通帶波形的圖形表示；圖2是依據(jù)本發(fā)明的復(fù)合濾波器的方框圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的復(fù)合低通濾波器的方框圖；圖4A是可以實(shí)現(xiàn)在圖3的復(fù)合低通濾波器中的4階橢圓濾波器的示意圖；圖4B是可以實(shí)現(xiàn)在圖3的復(fù)合低通濾波器中的3階橢圓濾波器的示意圖；圖5是圖4A和4B的橢圓濾波器和圖3的復(fù)合低通濾波器的通帶波形的圖形表示；圖6是依據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的復(fù)合低通濾波器的方框圖；圖7A是可以實(shí)現(xiàn)在圖6的復(fù)合低通濾波器中的4階橢圓濾波器的示意圖；圖7B是可以實(shí)現(xiàn)在圖6的復(fù)合低通濾波器中的3階切比雪夫?yàn)V波器的示意圖；圖8是圖7A和7B的橢圓濾波器和切比雪夫?yàn)V波器以及圖6的復(fù)合低通濾波器的通帶波形的圖形表示；圖9是依據(jù)本發(fā)明的3階橢圓濾波器、4階橢圓濾波器和復(fù)合帶通濾波器的通帶波形的圖形表示；圖10是依據(jù)本發(fā)明的復(fù)合數(shù)字濾波器的方框圖；以及圖11是依據(jù)本發(fā)明的包括模擬濾波器和數(shù)字濾波器的復(fù)合濾波器的方框圖。
本發(fā)明涉及一種用于在級(jí)聯(lián)濾波器中消除通帶波紋的方法和系統(tǒng)。以下的描述可以使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)和使用該發(fā)明，并且在專利申請(qǐng)及其要求的情境中提供。對(duì)依據(jù)本發(fā)明的所公開的實(shí)施例的各種各樣的修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的，并且這里的一般原理可以應(yīng)用于依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例。因此，本發(fā)明并不局限于所示的實(shí)施例，而是與所附權(quán)利要求書和在此所描述的原理和特征的最寬范圍相一致。
現(xiàn)在參考附圖并且特別參考圖2，其中描述了依據(jù)本發(fā)明的復(fù)合濾波器的方框圖。復(fù)合濾波器200包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器，即濾波器202和濾波器204。依據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中，可以將附加的組件連接到濾波器202、204當(dāng)中的一個(gè)或兩個(gè)的輸入端或輸出端。例如，可以將一個(gè)放大器連接到濾波器202的輸出端。
在圖2的實(shí)施例中，濾波器202是N階濾波器，而濾波器204是M階濾波器，其中N和M是1或更大的整數(shù)。例如，濾波器202可以是偶數(shù)階濾波器，而濾波器204可以是奇數(shù)階濾波器，或反之亦然。此外，在圖2的實(shí)施例中，濾波器的偶數(shù)階和奇數(shù)階之間的差值是1。因此，濾波器202可以是5階濾波器，而濾波器204可以是6階濾波器。在依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中，濾波器202和204可以被設(shè)計(jì)成具有任意所需階數(shù)的濾波器。
復(fù)合濾波器200可以通過(guò)使用例如電阻、電容和電感的無(wú)源組件而被實(shí)現(xiàn)為模擬濾波器，或者通過(guò)使用有源組件而被實(shí)現(xiàn)為數(shù)字濾波器，所述有源組件包括(但是不局限于)運(yùn)算放大器、電容和電阻。復(fù)合濾波器200可以是任意類型的濾波器，如低通或帶通濾波器。
復(fù)合濾波器200中的濾波器202、204可以被實(shí)現(xiàn)為任意類型的濾波器，這些濾波器包括(但是不局限于)切比雪比濾波器、橢圓濾波器、過(guò)渡濾波器以及在通帶中具有波紋的任何其他類型的濾波器。在依據(jù)本發(fā)明的其他濾波器設(shè)計(jì)中，多于兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器可以被用來(lái)構(gòu)建一個(gè)復(fù)合濾波器，以及可以使用任意所需的濾波器拓?fù)?，比如梯?ladder)濾波器或雙四邊形(bi-quad)濾波器。
為濾波器202、204設(shè)計(jì)和選擇濾波器特性(比如階數(shù)、帶寬、阻帶衰減和波紋幅度)，以便在復(fù)合濾波器200中獲得最小的通帶波紋和最大的阻帶抑制。通過(guò)使得濾波器202和濾波器204中的通帶波紋在幅度上相等(或接近相等)但彼此(部分地或完全地)異相來(lái)最小化或消除復(fù)合濾波器200中的通帶波紋。
圖3是依據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的復(fù)合低通濾波器的方框圖。在依據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合低通濾波器300是一個(gè)7階低通濾波器，它包括一個(gè)與3階橢圓濾波器304相連的4階橢圓濾波器302。圖4A是可以實(shí)現(xiàn)在圖3的復(fù)合低通濾波器中的4階橢圓濾波器的示意圖。圖4B是可以實(shí)現(xiàn)在圖3的復(fù)合低通濾波器中的3階橢圓濾波器的示意圖。在依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以通過(guò)與圖4A和圖4B中所示的不同的組件和組件值來(lái)實(shí)現(xiàn)橢圓濾波器。而且，濾波器的次序可以顛倒過(guò)來(lái)，也就是說(shuō)，在依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以在4階橢圓濾波器之前放置一個(gè)3階橢圓濾波器。
為4階橢圓濾波器302和3階橢圓濾波器304設(shè)計(jì)和選擇濾波器特性(比如階數(shù)、帶寬、阻帶衰減和波紋幅度)，以便在低通濾波器300中獲得最小的通帶波紋和最大的阻帶抑制。表1列出了濾波器302、304當(dāng)中的每一個(gè)的特性表1濾波器特性
參考圖5，圖5是圖4A和4B的橢圓濾波器和圖3的復(fù)合低通濾波器的通帶波形的圖形表示。橢圓濾波器302有1分貝的通帶波紋，并且橢圓濾波器304也有1分貝的通帶波紋。因此，這兩個(gè)通帶波紋的幅度是相等的(或接近相等)。然而這兩個(gè)波形是互相異相的。因此，它們的累積結(jié)果是將復(fù)合低通濾波器300的波形中的通帶波紋減到最小。組合后的頻率響應(yīng)相對(duì)平坦，其在大約7.6MHz下具有少于0.1dB的峰值波紋。另外，從通帶到阻帶的過(guò)渡是相對(duì)陡峭的，因此提供了相對(duì)高程度的阻帶抑制。
圖6是依據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的復(fù)合低通濾波器的方框圖。在依據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合低通濾波器600是一個(gè)7階低通濾波器，它包括一個(gè)與3階橢圓濾波器604相連的4階切比雪夫?yàn)V波器602。圖7A是可以實(shí)現(xiàn)在圖6的復(fù)合低通濾波器中的4階橢圓濾波器的示意圖。圖7B是可以實(shí)現(xiàn)在圖6的復(fù)合低通濾波器中的3階切比雪夫?yàn)V波器的示意圖。在依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以通過(guò)與圖7A和圖7B所示的不同的部件和組件值來(lái)實(shí)現(xiàn)所述橢圓濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。而且，濾波器的次序可以顛倒過(guò)來(lái)，也就是說(shuō)，在依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中，在切比雪夫?yàn)V波器之前放置一個(gè)橢圓濾波器。
為4階切比雪夫?yàn)V波器602和3階橢圓濾波器604設(shè)計(jì)和選擇濾波器特性(比如階數(shù)、帶寬、阻帶衰減和波紋幅度)，以便在低通濾波器600中獲得最小的通帶波紋和最大的阻帶抑制。表2列出了濾波器602、604當(dāng)中的每一個(gè)的特性表2濾波器特性
圖8是圖7A和7B的切比雪夫?yàn)V波器和橢圓濾波器以及圖6的復(fù)合低通濾波器的通帶波形的圖形表示。切比雪夫?yàn)V波器602和橢圓濾波器604都具有1分貝的通帶波紋。因此，這兩個(gè)通帶波紋的幅度是相等的(或接近相等)。然而這兩個(gè)波形是相互異相的。因此，它們的累積結(jié)果是將復(fù)合低通濾波600的波形中的通帶波紋減到最小。組合后的頻率響應(yīng)是相對(duì)平坦的，其在大約7.8MHz下具有少于0.10dB的峰值波紋。另外，從通帶到阻帶的過(guò)渡是相對(duì)陡峭的，因此提供了相對(duì)高程度的阻帶抑制。
圖9是依據(jù)本發(fā)明的3階橢圓濾波器、4階橢圓濾波器和復(fù)合帶通濾波器的通帶波形的圖形表示。在依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，能產(chǎn)生波形904的帶通濾波器包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器，其中每個(gè)濾波器都首先被設(shè)計(jì)成低通濾波器。然后執(zhí)行一個(gè)傳統(tǒng)的低通向帶通的轉(zhuǎn)換。在圖9中的實(shí)施例中，該帶通濾波器所需要的中心頻率是20MHz，而用于轉(zhuǎn)換的中心頻率是18MHz。表3列出了每個(gè)低通濾波器的特性表3濾波器特性
如圖9所示，兩個(gè)低通濾波器在它們的通帶中都具有1分貝的波紋(見波形900、902)。然而這兩個(gè)波形900、902是相互異相的。因此，它們的累積結(jié)果是將該復(fù)合帶通濾波器(見波形904)中的通帶波紋減到最小。組合后的頻率響應(yīng)是相對(duì)平坦的，并且從通帶到阻帶的過(guò)渡是相對(duì)陡峭的，因此提供了相對(duì)高程度的阻帶抑制。
參考圖10，其中描述了依據(jù)本發(fā)明的復(fù)合數(shù)字濾波器的方框圖。復(fù)合數(shù)字濾波器1000包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)的數(shù)字濾波器1002、1004。濾波器1002和濾波器1004可以被實(shí)現(xiàn)為無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)型數(shù)字濾波器或者有限脈沖響應(yīng)(FIR)型數(shù)字濾波器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，與模擬濾波器相結(jié)合使用的濾波器階數(shù)不是FIR型數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)考慮因素。
與模擬濾波器一樣，為濾波器1002、1004設(shè)計(jì)和選擇濾波器特性(比如帶寬、阻帶衰減、波紋幅度和階數(shù)(用于IIR型濾波器))，以便在復(fù)合濾波器1000中獲得最小的通帶波紋和最大的阻帶抑制。通過(guò)使得濾波器1002和濾波器1004中的通帶波紋在幅度上相等(或接近相等)但彼此(部分地或完全地)異相來(lái)最小化或消除復(fù)合數(shù)字濾波器1000中的通帶波紋。
圖11是依據(jù)本發(fā)明的包括模擬濾波器和數(shù)字濾波器的復(fù)合混合濾波器的方框圖。復(fù)合混合濾波器1100包括(但不局限于)一個(gè)模擬濾波器1102、一個(gè)模數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換器1104和一個(gè)數(shù)字濾波器1106。濾波器1102、1106的位置可以顛倒，也就是將數(shù)字濾波器1106放在模擬濾波器1102之前，并且在這兩個(gè)濾波器之間放置一個(gè)數(shù)模(DAC)轉(zhuǎn)換器。
為濾波器1102、1104設(shè)計(jì)和選擇濾波器特性(比如階數(shù)、帶寬、阻帶衰減和波紋幅度)，以便在復(fù)合混合濾波器1100中獲得最小的通帶波紋和最大的阻帶抑制。通過(guò)使得濾波器1102中的通帶波紋與濾波器1104中的通帶波紋在幅度上相等(或接近相等)但彼此(部分地或完全地)異相來(lái)最小化或消除復(fù)合混合濾波器1100中的通帶波紋。
然而，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例并不局限于僅有兩個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波器的復(fù)合濾波器設(shè)計(jì)。復(fù)合模擬濾波器、復(fù)合數(shù)字濾波器和復(fù)合混合濾波器可以被設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)為具有任意所需數(shù)目的依據(jù)本發(fā)明的級(jí)聯(lián)濾波器。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合濾波器(200)，包括至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)，所述濾波器(202，204)的通帶波紋在幅度上近似相等但彼此異相，從而使該復(fù)合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。
2.如權(quán)利要求1中的復(fù)合濾波器(200)，其特征在于，所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的通帶波紋的幅度是相等的。
3.如權(quán)利要求1中的復(fù)合濾波器(200)，其特征在于，所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的至少一個(gè)包括數(shù)字濾波器(1002)。
4.如權(quán)利要求1中的復(fù)合濾波器(200)，其特征在于，所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的至少一個(gè)包括模擬濾波器(302)。
5.如權(quán)利要求1中的復(fù)合濾波器(200)，其特征在于，選擇所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的至少一個(gè)特性來(lái)將該復(fù)合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。
6.如權(quán)利要求5中的復(fù)合濾波器(200)，其特征在于，所述至少一個(gè)特性包括所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)的階數(shù)。
7.如權(quán)利要求6中的復(fù)合濾波器(200)，其特征在于，至少一個(gè)濾波器是偶數(shù)階濾波器(302)，并且至少一個(gè)濾波器是奇數(shù)階濾波器(304)。
8.如權(quán)利要求7中的復(fù)合濾波器(200)，其特征在于，所述偶數(shù)階和奇數(shù)階的差值是1。
9.如權(quán)利要求5中的復(fù)合濾波器(200)，其特征在于，所述至少一個(gè)特性包括所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)的帶寬。
10.如權(quán)利要求5中的復(fù)合濾波器(200)，其特征在于，所述至少一個(gè)特性包括所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)的阻帶衰減。
11.一種用于在級(jí)聯(lián)的濾波器中消除通帶波紋以便使復(fù)合濾波器(200)中的通帶波紋最小化的方法，包括以下步驟提供至少兩個(gè)濾波器(202，204)，所述濾波器(202，204)的通帶波紋在幅度上接近相等但彼此異相，從而使該復(fù)合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。
12.如權(quán)利要求11中的方法，其特征在于，所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的通帶波紋的幅度是相等的。
13.如權(quán)利要求11中的方法，其特征在于，所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的至少一個(gè)包括數(shù)字濾波器(1002)。
14.如權(quán)利要求11中的方法，其特征在于，所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的至少一個(gè)包括模擬濾波器(302)。
15.如權(quán)利要求11中的方法，其特征在于，選擇所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)的至少一個(gè)濾波器特性，以便使該復(fù)合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。
16.如權(quán)利要求15中的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)濾波器特性包括所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)的帶寬。
17.如權(quán)利要求15中的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)濾波器特性包括所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)的阻帶衰減。
18.如權(quán)利要求15中的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)濾波器特性包括所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)的階數(shù)。
19.如權(quán)利要求18中的方法，其特征在于，所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的至少一個(gè)具有偶數(shù)階，并且所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的至少一個(gè)具有奇數(shù)階。
20.如權(quán)利要求19中的方法，其特征在于，所述偶數(shù)階和奇數(shù)階的差值是1。
全文摘要
一種復(fù)合濾波器(200)包括至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)，所述級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)被設(shè)計(jì)成使該復(fù)合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。所述至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)還可以被設(shè)計(jì)成使該復(fù)合濾波器(200)中的阻帶抑制最大化。為級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)選擇濾波器特性(比如階數(shù)、帶寬、阻帶衰減和波紋幅度)，以便在復(fù)合濾波器(200)中獲得最小的通帶波紋和最大的阻帶抑制。通過(guò)使得級(jí)聯(lián)濾波器(202，204)中的通帶波紋在幅度上相等(或接近相等)但彼此異相來(lái)最小化或消除復(fù)合濾波器(200)中的通帶波紋。
文檔編號(hào)H03H11/12GK1842960SQ200480024443
公開日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2004年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月28日
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