專利名稱：用于在級聯濾波器中消除通帶波紋的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及濾波器，尤其涉及級聯濾波器。更特別地，本發明涉及一種用于在級聯濾波器中消除通帶波紋的方法和系統。
濾波器用于各種廣范的應用中，包括例如蜂窩和無線局域網的通信網絡。濾波器是一種電路，該電路在通過具有所感興趣的頻率的信號的同時，抑制或衰減不需要的頻率信號。通過濾波器的頻率范圍就是通常所說的通帶。所抑制的頻率范圍就是通常所說的阻帶。
在理想的濾波器中，通帶的幅度響應是平坦的，并且位于通帶和阻帶之間的過渡區是相對于通帶的垂直線。然而實際上，在通帶平坦度和過渡區斜率之間通常存在一個折衷(trade-off)。例如，當通帶的幅度響應接近平坦時，過渡區通常是平緩的。但是當通帶的幅度響應具有波紋時(也就是不平坦)，過渡區通常是陡峭的或尖銳的。濾波器中的通帶波紋是不希望的，因為其在通帶的某些頻率區域內增加信號能量并在其它的頻率區域內減少能量，從而降低了信號的質量。
圖1是依據現有技術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分貝的幅度。在某些濾波器的應用中這個波紋可能太大了。在級聯設計中，當兩個或更多的濾波器互相連接在一起以創建一個復合濾波器時，每個濾波器的通帶波紋可能會疊加起來，從而導致復合濾波器的通帶波紋的幅度響應增加。
依據本發明，提供了一種用于在級聯濾波器中消除通帶波紋的方法和系統。一種復合濾波器設計包括至少兩個將復合濾波器中的通帶波紋最小化的級聯的濾波器。所述至少兩個級聯的濾波器還可以被設計成將復合濾波器中的阻帶抑制最大化。在依據本發明的典型實施例中，一個N階濾波器與一個M階濾波器相連，其中N和M是整數。選擇所述N階和M階濾波器的濾波器特性(如階數、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)復合濾波器中的通帶波紋。依據本發明的復合濾波器可以用模擬濾波器、數字濾波器或模擬和數字濾波器的組合來設計，并且可以包括任意數量的級聯濾波器。
通過參考以下結合附圖對依據本發明的示意性實施例的詳細描述，將會使本發明得到最好的理解，其中圖1是依據現有技術的濾波器的通帶波形的圖形表示；圖2是依據本發明的復合濾波器的方框圖；圖3是依據本發明第一個實施例的復合低通濾波器的方框圖；圖4A是可以實現在圖3的復合低通濾波器中的4階橢圓濾波器的示意圖；圖4B是可以實現在圖3的復合低通濾波器中的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的復合低通濾波器的通帶波形的圖形表示；圖6是依據本發明第二個實施例的復合低通濾波器的方框圖；圖7A是可以實現在圖6的復合低通濾波器中的4階橢圓濾波器的示意圖；圖7B是可以實現在圖6的復合低通濾波器中的3階切比雪夫濾波器的示意圖；圖8是圖7A和7B的橢圓濾波器和切比雪夫濾波器以及圖6的復合低通濾波器的通帶波形的圖形表示；圖9是依據本發明的3階橢圓濾波器、4階橢圓濾波器和復合帶通濾波器的通帶波形的圖形表示；圖10是依據本發明的復合數字濾波器的方框圖；以及圖11是依據本發明的包括模擬濾波器和數字濾波器的復合濾波器的方框圖。
本發明涉及一種用于在級聯濾波器中消除通帶波紋的方法和系統。以下的描述可以使得本領域的技術人員能夠實現和使用該發明，并且在專利申請及其要求的情境中提供。對依據本發明的所公開的實施例的各種各樣的修改對本領域技術人員來說是顯而易見的，并且這里的一般原理可以應用于依據本發明的其他實施例。因此，本發明并不局限于所示的實施例，而是與所附權利要求書和在此所描述的原理和特征的最寬范圍相一致。
現在參考附圖并且特別參考圖2，其中描述了依據本發明的復合濾波器的方框圖。復合濾波器200包括兩個級聯濾波器，即濾波器202和濾波器204。依據本發明的另外一個實施例中，可以將附加的組件連接到濾波器202、204當中的一個或兩個的輸入端或輸出端。例如，可以將一個放大器連接到濾波器202的輸出端。
在圖2的實施例中，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。例如，濾波器202可以是偶數階濾波器，而濾波器204可以是奇數階濾波器，或反之亦然。此外，在圖2的實施例中，濾波器的偶數階和奇數階之間的差值是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。在依據本發明的其他實施例中，濾波器202和204可以被設計成具有任意所需階數的濾波器。
復合濾波器200可以通過使用例如電阻、電容和電感的無源組件而被實現為模擬濾波器，或者通過使用有源組件而被實現為數字濾波器，所述有源組件包括(但是不局限于)運算放大器、電容和電阻。復合濾波器200可以是任意類型的濾波器，如低通或帶通濾波器。
復合濾波器200中的濾波器202、204可以被實現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。在依據本發明的其他濾波器設計中，多于兩個級聯濾波器可以被用來構建一個復合濾波器，以及可以使用任意所需的濾波器拓撲，比如梯形(ladder)濾波器或雙四邊形(bi-quad)濾波器。
為濾波器202、204設計和選擇濾波器特性(比如階數、帶寬、阻帶衰減和波紋幅度)，以便在復合濾波器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)異相來最小化或消除復合濾波器200中的通帶波紋。
圖3是依據本發明第一個實施例的復合低通濾波器的方框圖。在依據本發明的這個實施例中，復合低通濾波器300是一個7階低通濾波器，它包括一個與3階橢圓濾波器304相連的4階橢圓濾波器302。圖4A是可以實現在圖3的復合低通濾波器中的4階橢圓濾波器的示意圖。圖4B是可以實現在圖3的復合低通濾波器中的3階橢圓濾波器的示意圖。在依據本發明的其他實施例中，可以通過與圖4A和圖4B中所示的不同的組件和組件值來實現橢圓濾波器。而且，濾波器的次序可以顛倒過來，也就是說，在依據本發明的其他實施例中，可以在4階橢圓濾波器之前放置一個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設計和選擇濾波器特性(比如階數、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當中的每一個的特性表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，這兩個通帶波紋的幅度是相等的(或接近相等)。然而這兩個波形是互相異相的。因此，它們的累積結果是將復合低通濾波器300的波形中的通帶波紋減到最小。組合后的頻率響應相對平坦，其在大約7.6MHz下具有少于0.1dB的峰值波紋。另外，從通帶到阻帶的過渡是相對陡峭的，因此提供了相對高程度的阻帶抑制。
圖6是依據本發明第二個實施例的復合低通濾波器的方框圖。在依據本發明的這個實施例中，復合低通濾波器600是一個7階低通濾波器，它包括一個與3階橢圓濾波器604相連的4階切比雪夫濾波器602。圖7A是可以實現在圖6的復合低通濾波器中的4階橢圓濾波器的示意圖。圖7B是可以實現在圖6的復合低通濾波器中的3階切比雪夫濾波器的示意圖。在依據本發明的其他實施例中，可以通過與圖7A和圖7B所示的不同的部件和組件值來實現所述橢圓濾波器和切比雪夫濾波器。而且，濾波器的次序可以顛倒過來，也就是說，在依據本發明的其他實施例中，在切比雪夫濾波器之前放置一個橢圓濾波器。
為4階切比雪夫濾波器602和3階橢圓濾波器604設計和選擇濾波器特性(比如階數、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當中的每一個的特性表2濾波器特性
圖8是圖7A和7B的切比雪夫濾波器和橢圓濾波器以及圖6的復合低通濾波器的通帶波形的圖形表示。切比雪夫濾波器602和橢圓濾波器604都具有1分貝的通帶波紋。因此，這兩個通帶波紋的幅度是相等的(或接近相等)。然而這兩個波形是相互異相的。因此，它們的累積結果是將復合低通濾波600的波形中的通帶波紋減到最小。組合后的頻率響應是相對平坦的，其在大約7.8MHz下具有少于0.10dB的峰值波紋。另外，從通帶到阻帶的過渡是相對陡峭的，因此提供了相對高程度的阻帶抑制。
圖9是依據本發明的3階橢圓濾波器、4階橢圓濾波器和復合帶通濾波器的通帶波形的圖形表示。在依據本發明的實施例中，能產生波形904的帶通濾波器包括兩個級聯濾波器，其中每個濾波器都首先被設計成低通濾波器。然后執行一個傳統的低通向帶通的轉換。在圖9中的實施例中，該帶通濾波器所需要的中心頻率是20MHz，而用于轉換的中心頻率是18MHz。表3列出了每個低通濾波器的特性表3濾波器特性
如圖9所示，兩個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)。然而這兩個波形900、902是相互異相的。因此，它們的累積結果是將該復合帶通濾波器(見波形904)中的通帶波紋減到最小。組合后的頻率響應是相對平坦的，并且從通帶到阻帶的過渡是相對陡峭的，因此提供了相對高程度的阻帶抑制。
參考圖10，其中描述了依據本發明的復合數字濾波器的方框圖。復合數字濾波器1000包括兩個級聯的數字濾波器1002、1004。濾波器1002和濾波器1004可以被實現為無限脈沖響應(IIR)型數字濾波器或者有限脈沖響應(FIR)型數字濾波器。本領域的技術人員可以理解，與模擬濾波器相結合使用的濾波器階數不是FIR型數字濾波器的設計考慮因素。
與模擬濾波器一樣，為濾波器1002、1004設計和選擇濾波器特性(比如帶寬、阻帶衰減、波紋幅度和階數(用于IIR型濾波器))，以便在復合濾波器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)異相來最小化或消除復合數字濾波器1000中的通帶波紋。
圖11是依據本發明的包括模擬濾波器和數字濾波器的復合混合濾波器的方框圖。復合混合濾波器1100包括(但不局限于)一個模擬濾波器1102、一個模數(ADC)轉換器1104和一個數字濾波器1106。濾波器1102、1106的位置可以顛倒，也就是將數字濾波器1106放在模擬濾波器1102之前，并且在這兩個濾波器之間放置一個數模(DAC)轉換器。
為濾波器1102、1104設計和選擇濾波器特性(比如階數、帶寬、阻帶衰減和波紋幅度)，以便在復合混合濾波器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)異相來最小化或消除復合混合濾波器1100中的通帶波紋。
然而，依據本發明的實施例并不局限于僅有兩個級聯的濾波器的復合濾波器設計。復合模擬濾波器、復合數字濾波器和復合混合濾波器可以被設計或實現為具有任意所需數目的依據本發明的級聯濾波器。
權利要求
1.一種復合濾波器(200)，包括至少兩個級聯濾波器(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，從而使該復合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。
2.如權利要求1中的復合濾波器(200)，其特征在于，所述至少兩個級聯濾波器(202，204)中的通帶波紋的幅度是相等的。
3.如權利要求1中的復合濾波器(200)，其特征在于，所述至少兩個級聯濾波器(202，204)中的至少一個包括數字濾波器(1002)。
4.如權利要求1中的復合濾波器(200)，其特征在于，所述至少兩個級聯濾波器(202，204)中的至少一個包括模擬濾波器(302)。
5.如權利要求1中的復合濾波器(200)，其特征在于，選擇所述至少兩個級聯濾波器(202，204)中的至少一個特性來將該復合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。
6.如權利要求5中的復合濾波器(200)，其特征在于，所述至少一個特性包括所述至少兩個級聯濾波器(202，204)的階數。
7.如權利要求6中的復合濾波器(200)，其特征在于，至少一個濾波器是偶數階濾波器(302)，并且至少一個濾波器是奇數階濾波器(304)。
8.如權利要求7中的復合濾波器(200)，其特征在于，所述偶數階和奇數階的差值是1。
9.如權利要求5中的復合濾波器(200)，其特征在于，所述至少一個特性包括所述至少兩個級聯濾波器(202，204)的帶寬。
10.如權利要求5中的復合濾波器(200)，其特征在于，所述至少一個特性包括所述至少兩個級聯濾波器(202，204)的阻帶衰減。
11.一種用于在級聯的濾波器中消除通帶波紋以便使復合濾波器(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，從而使該復合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。
12.如權利要求11中的方法，其特征在于，所述至少兩個級聯濾波器(202，204)中的通帶波紋的幅度是相等的。
13.如權利要求11中的方法，其特征在于，所述至少兩個級聯濾波器(202，204)中的至少一個包括數字濾波器(1002)。
14.如權利要求11中的方法，其特征在于，所述至少兩個級聯濾波器(202，204)中的至少一個包括模擬濾波器(302)。
15.如權利要求11中的方法，其特征在于，選擇所述至少兩個級聯濾波器(202，204)的至少一個濾波器特性，以便使該復合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。
16.如權利要求15中的方法，其特征在于，所述至少一個濾波器特性包括所述至少兩個級聯濾波器(202，204)的帶寬。
17.如權利要求15中的方法，其特征在于，所述至少一個濾波器特性包括所述至少兩個級聯濾波器(202，204)的阻帶衰減。
18.如權利要求15中的方法，其特征在于，所述至少一個濾波器特性包括所述至少兩個級聯濾波器(202，204)的階數。
19.如權利要求18中的方法，其特征在于，所述至少兩個級聯濾波器(202，204)中的至少一個具有偶數階，并且所述至少兩個級聯濾波器(202，204)中的至少一個具有奇數階。
20.如權利要求19中的方法，其特征在于，所述偶數階和奇數階的差值是1。
全文摘要
一種復合濾波器(200)包括至少兩個級聯濾波器(202，204)，所述級聯濾波器(202，204)被設計成使該復合濾波器(200)中的通帶波紋最小化。所述至少兩個級聯濾波器(202，204)還可以被設計成使該復合濾波器(200)中的阻帶抑制最大化。為級聯濾波器(202，204)選擇濾波器特性(比如階數、帶寬、阻帶衰減和波紋幅度)，以便在復合濾波器(200)中獲得最小的通帶波紋和最大的阻帶抑制。通過使得級聯濾波器(202，204)中的通帶波紋在幅度上相等(或接近相等)但彼此異相來最小化或消除復合濾波器(200)中的通帶波紋。
文檔編號H03H11/12GK1842960SQ200480024443
公開日2006年10月4日 申請日期2004年8月28日 優先權日2003年8月28日
發明者Y·范 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司