专利名称：用于在级联滤波器中消除通带波纹的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及滤波器，尤其涉及级联滤波器。更特别地，本发明涉及一种用于在级联滤波器中消除通带波纹的方法和系统。
滤波器用于各种广范的应用中，包括例如蜂窝和无线局域网的通信网络。滤波器是一种电路，该电路在通过具有所感兴趣的频率的信号的同时，抑制或衰减不需要的频率信号。通过滤波器的频率范围就是通常所说的通带。所抑制的频率范围就是通常所说的阻带。
在理想的滤波器中，通带的幅度响应是平坦的，并且位于通带和阻带之间的过渡区是相对于通带的垂直线。然而实际上，在通带平坦度和过渡区斜率之间通常存在一个折衷(trade-off)。例如，当通带的幅度响应接近平坦时，过渡区通常是平缓的。但是当通带的幅度响应具有波纹时(也就是不平坦)，过渡区通常是陡峭的或尖锐的。滤波器中的通带波纹是不希望的，因为其在通带的某些频率区域内增加信号能量并在其它的频率区域内减少能量，从而降低了信号的质量。
图1是依据现有技术的滤波器通带波形的图形表示。波形102中的通带波纹具有大约一个分贝的幅度。在某些滤波器的应用中这个波纹可能太大了。在级联设计中，当两个或更多的滤波器互相连接在一起以创建一个复合滤波器时，每个滤波器的通带波纹可能会叠加起来，从而导致复合滤波器的通带波纹的幅度响应增加。
依据本发明，提供了一种用于在级联滤波器中消除通带波纹的方法和系统。一种复合滤波器设计包括至少两个将复合滤波器中的通带波纹最小化的级联的滤波器。所述至少两个级联的滤波器还可以被设计成将复合滤波器中的阻带抑制最大化。在依据本发明的典型实施例中，一个N阶滤波器与一个M阶滤波器相连，其中N和M是整数。选择所述N阶和M阶滤波器的滤波器特性(如阶数、带宽、阻带衰减和波纹幅度)，以便获得最小的通带波纹和最大的阻带抑制。通过使得所述N阶滤波器和M阶滤波器中的通带波纹的幅度相等(或接近相等)但彼此异相，从而最小化(或消除)复合滤波器中的通带波纹。依据本发明的复合滤波器可以用模拟滤波器、数字滤波器或模拟和数字滤波器的组合来设计，并且可以包括任意数量的级联滤波器。
通过参考以下结合附图对依据本发明的示意性实施例的详细描述，将会使本发明得到最好的理解，其中图1是依据现有技术的滤波器的通带波形的图形表示；图2是依据本发明的复合滤波器的方框图；图3是依据本发明第一个实施例的复合低通滤波器的方框图；图4A是可以实现在图3的复合低通滤波器中的4阶椭圆滤波器的示意图；图4B是可以实现在图3的复合低通滤波器中的3阶椭圆滤波器的示意图；图5是图4A和4B的椭圆滤波器和图3的复合低通滤波器的通带波形的图形表示；图6是依据本发明第二个实施例的复合低通滤波器的方框图；图7A是可以实现在图6的复合低通滤波器中的4阶椭圆滤波器的示意图；图7B是可以实现在图6的复合低通滤波器中的3阶切比雪夫滤波器的示意图；图8是图7A和7B的椭圆滤波器和切比雪夫滤波器以及图6的复合低通滤波器的通带波形的图形表示；图9是依据本发明的3阶椭圆滤波器、4阶椭圆滤波器和复合带通滤波器的通带波形的图形表示；图10是依据本发明的复合数字滤波器的方框图；以及图11是依据本发明的包括模拟滤波器和数字滤波器的复合滤波器的方框图。
本发明涉及一种用于在级联滤波器中消除通带波纹的方法和系统。以下的描述可以使得本领域的技术人员能够实现和使用该发明，并且在专利申请及其要求的情境中提供。对依据本发明的所公开的实施例的各种各样的修改对本领域技术人员来说是显而易见的，并且这里的一般原理可以应用于依据本发明的其他实施例。因此，本发明并不局限于所示的实施例，而是与所附权利要求书和在此所描述的原理和特征的最宽范围相一致。
现在参考附图并且特别参考图2，其中描述了依据本发明的复合滤波器的方框图。复合滤波器200包括两个级联滤波器，即滤波器202和滤波器204。依据本发明的另外一个实施例中，可以将附加的组件连接到滤波器202、204当中的一个或两个的输入端或输出端。例如，可以将一个放大器连接到滤波器202的输出端。
在图2的实施例中，滤波器202是N阶滤波器，而滤波器204是M阶滤波器，其中N和M是1或更大的整数。例如，滤波器202可以是偶数阶滤波器，而滤波器204可以是奇数阶滤波器，或反之亦然。此外，在图2的实施例中，滤波器的偶数阶和奇数阶之间的差值是1。因此，滤波器202可以是5阶滤波器，而滤波器204可以是6阶滤波器。在依据本发明的其他实施例中，滤波器202和204可以被设计成具有任意所需阶数的滤波器。
复合滤波器200可以通过使用例如电阻、电容和电感的无源组件而被实现为模拟滤波器，或者通过使用有源组件而被实现为数字滤波器，所述有源组件包括(但是不局限于)运算放大器、电容和电阻。复合滤波器200可以是任意类型的滤波器，如低通或带通滤波器。
复合滤波器200中的滤波器202、204可以被实现为任意类型的滤波器，这些滤波器包括(但是不局限于)切比雪比滤波器、椭圆滤波器、过渡滤波器以及在通带中具有波纹的任何其他类型的滤波器。在依据本发明的其他滤波器设计中，多于两个级联滤波器可以被用来构建一个复合滤波器，以及可以使用任意所需的滤波器拓扑，比如梯形(ladder)滤波器或双四边形(bi-quad)滤波器。
为滤波器202、204设计和选择滤波器特性(比如阶数、带宽、阻带衰减和波纹幅度)，以便在复合滤波器200中获得最小的通带波纹和最大的阻带抑制。通过使得滤波器202和滤波器204中的通带波纹在幅度上相等(或接近相等)但彼此(部分地或完全地)异相来最小化或消除复合滤波器200中的通带波纹。
图3是依据本发明第一个实施例的复合低通滤波器的方框图。在依据本发明的这个实施例中，复合低通滤波器300是一个7阶低通滤波器，它包括一个与3阶椭圆滤波器304相连的4阶椭圆滤波器302。图4A是可以实现在图3的复合低通滤波器中的4阶椭圆滤波器的示意图。图4B是可以实现在图3的复合低通滤波器中的3阶椭圆滤波器的示意图。在依据本发明的其他实施例中，可以通过与图4A和图4B中所示的不同的组件和组件值来实现椭圆滤波器。而且，滤波器的次序可以颠倒过来，也就是说，在依据本发明的其他实施例中，可以在4阶椭圆滤波器之前放置一个3阶椭圆滤波器。
为4阶椭圆滤波器302和3阶椭圆滤波器304设计和选择滤波器特性(比如阶数、带宽、阻带衰减和波纹幅度)，以便在低通滤波器300中获得最小的通带波纹和最大的阻带抑制。表1列出了滤波器302、304当中的每一个的特性表1滤波器特性
参考图5，图5是图4A和4B的椭圆滤波器和图3的复合低通滤波器的通带波形的图形表示。椭圆滤波器302有1分贝的通带波纹，并且椭圆滤波器304也有1分贝的通带波纹。因此，这两个通带波纹的幅度是相等的(或接近相等)。然而这两个波形是互相异相的。因此，它们的累积结果是将复合低通滤波器300的波形中的通带波纹减到最小。组合后的频率响应相对平坦，其在大约7.6MHz下具有少于0.1dB的峰值波纹。另外，从通带到阻带的过渡是相对陡峭的，因此提供了相对高程度的阻带抑制。
图6是依据本发明第二个实施例的复合低通滤波器的方框图。在依据本发明的这个实施例中，复合低通滤波器600是一个7阶低通滤波器，它包括一个与3阶椭圆滤波器604相连的4阶切比雪夫滤波器602。图7A是可以实现在图6的复合低通滤波器中的4阶椭圆滤波器的示意图。图7B是可以实现在图6的复合低通滤波器中的3阶切比雪夫滤波器的示意图。在依据本发明的其他实施例中，可以通过与图7A和图7B所示的不同的部件和组件值来实现所述椭圆滤波器和切比雪夫滤波器。而且，滤波器的次序可以颠倒过来，也就是说，在依据本发明的其他实施例中，在切比雪夫滤波器之前放置一个椭圆滤波器。
为4阶切比雪夫滤波器602和3阶椭圆滤波器604设计和选择滤波器特性(比如阶数、带宽、阻带衰减和波纹幅度)，以便在低通滤波器600中获得最小的通带波纹和最大的阻带抑制。表2列出了滤波器602、604当中的每一个的特性表2滤波器特性
图8是图7A和7B的切比雪夫滤波器和椭圆滤波器以及图6的复合低通滤波器的通带波形的图形表示。切比雪夫滤波器602和椭圆滤波器604都具有1分贝的通带波纹。因此，这两个通带波纹的幅度是相等的(或接近相等)。然而这两个波形是相互异相的。因此，它们的累积结果是将复合低通滤波600的波形中的通带波纹减到最小。组合后的频率响应是相对平坦的，其在大约7.8MHz下具有少于0.10dB的峰值波纹。另外，从通带到阻带的过渡是相对陡峭的，因此提供了相对高程度的阻带抑制。
图9是依据本发明的3阶椭圆滤波器、4阶椭圆滤波器和复合带通滤波器的通带波形的图形表示。在依据本发明的实施例中，能产生波形904的带通滤波器包括两个级联滤波器，其中每个滤波器都首先被设计成低通滤波器。然后执行一个传统的低通向带通的转换。在图9中的实施例中，该带通滤波器所需要的中心频率是20MHz，而用于转换的中心频率是18MHz。表3列出了每个低通滤波器的特性表3滤波器特性
如图9所示，两个低通滤波器在它们的通带中都具有1分贝的波纹(见波形900、902)。然而这两个波形900、902是相互异相的。因此，它们的累积结果是将该复合带通滤波器(见波形904)中的通带波纹减到最小。组合后的频率响应是相对平坦的，并且从通带到阻带的过渡是相对陡峭的，因此提供了相对高程度的阻带抑制。
参考图10，其中描述了依据本发明的复合数字滤波器的方框图。复合数字滤波器1000包括两个级联的数字滤波器1002、1004。滤波器1002和滤波器1004可以被实现为无限脉冲响应(IIR)型数字滤波器或者有限脉冲响应(FIR)型数字滤波器。本领域的技术人员可以理解，与模拟滤波器相结合使用的滤波器阶数不是FIR型数字滤波器的设计考虑因素。
与模拟滤波器一样，为滤波器1002、1004设计和选择滤波器特性(比如带宽、阻带衰减、波纹幅度和阶数(用于IIR型滤波器))，以便在复合滤波器1000中获得最小的通带波纹和最大的阻带抑制。通过使得滤波器1002和滤波器1004中的通带波纹在幅度上相等(或接近相等)但彼此(部分地或完全地)异相来最小化或消除复合数字滤波器1000中的通带波纹。
图11是依据本发明的包括模拟滤波器和数字滤波器的复合混合滤波器的方框图。复合混合滤波器1100包括(但不局限于)一个模拟滤波器1102、一个模数(ADC)转换器1104和一个数字滤波器1106。滤波器1102、1106的位置可以颠倒，也就是将数字滤波器1106放在模拟滤波器1102之前，并且在这两个滤波器之间放置一个数模(DAC)转换器。
为滤波器1102、1104设计和选择滤波器特性(比如阶数、带宽、阻带衰减和波纹幅度)，以便在复合混合滤波器1100中获得最小的通带波纹和最大的阻带抑制。通过使得滤波器1102中的通带波纹与滤波器1104中的通带波纹在幅度上相等(或接近相等)但彼此(部分地或完全地)异相来最小化或消除复合混合滤波器1100中的通带波纹。
然而，依据本发明的实施例并不局限于仅有两个级联的滤波器的复合滤波器设计。复合模拟滤波器、复合数字滤波器和复合混合滤波器可以被设计或实现为具有任意所需数目的依据本发明的级联滤波器。
权利要求
1.一种复合滤波器(200)，包括至少两个级联滤波器(202，204)，所述滤波器(202，204)的通带波纹在幅度上近似相等但彼此异相，从而使该复合滤波器(200)中的通带波纹最小化。
2.如权利要求1中的复合滤波器(200)，其特征在于，所述至少两个级联滤波器(202，204)中的通带波纹的幅度是相等的。
3.如权利要求1中的复合滤波器(200)，其特征在于，所述至少两个级联滤波器(202，204)中的至少一个包括数字滤波器(1002)。
4.如权利要求1中的复合滤波器(200)，其特征在于，所述至少两个级联滤波器(202，204)中的至少一个包括模拟滤波器(302)。
5.如权利要求1中的复合滤波器(200)，其特征在于，选择所述至少两个级联滤波器(202，204)中的至少一个特性来将该复合滤波器(200)中的通带波纹最小化。
6.如权利要求5中的复合滤波器(200)，其特征在于，所述至少一个特性包括所述至少两个级联滤波器(202，204)的阶数。
7.如权利要求6中的复合滤波器(200)，其特征在于，至少一个滤波器是偶数阶滤波器(302)，并且至少一个滤波器是奇数阶滤波器(304)。
8.如权利要求7中的复合滤波器(200)，其特征在于，所述偶数阶和奇数阶的差值是1。
9.如权利要求5中的复合滤波器(200)，其特征在于，所述至少一个特性包括所述至少两个级联滤波器(202，204)的带宽。
10.如权利要求5中的复合滤波器(200)，其特征在于，所述至少一个特性包括所述至少两个级联滤波器(202，204)的阻带衰减。
11.一种用于在级联的滤波器中消除通带波纹以便使复合滤波器(200)中的通带波纹最小化的方法，包括以下步骤提供至少两个滤波器(202，204)，所述滤波器(202，204)的通带波纹在幅度上接近相等但彼此异相，从而使该复合滤波器(200)中的通带波纹最小化。
12.如权利要求11中的方法，其特征在于，所述至少两个级联滤波器(202，204)中的通带波纹的幅度是相等的。
13.如权利要求11中的方法，其特征在于，所述至少两个级联滤波器(202，204)中的至少一个包括数字滤波器(1002)。
14.如权利要求11中的方法，其特征在于，所述至少两个级联滤波器(202，204)中的至少一个包括模拟滤波器(302)。
15.如权利要求11中的方法，其特征在于，选择所述至少两个级联滤波器(202，204)的至少一个滤波器特性，以便使该复合滤波器(200)中的通带波纹最小化。
16.如权利要求15中的方法，其特征在于，所述至少一个滤波器特性包括所述至少两个级联滤波器(202，204)的带宽。
17.如权利要求15中的方法，其特征在于，所述至少一个滤波器特性包括所述至少两个级联滤波器(202，204)的阻带衰减。
18.如权利要求15中的方法，其特征在于，所述至少一个滤波器特性包括所述至少两个级联滤波器(202，204)的阶数。
19.如权利要求18中的方法，其特征在于，所述至少两个级联滤波器(202，204)中的至少一个具有偶数阶，并且所述至少两个级联滤波器(202，204)中的至少一个具有奇数阶。
20.如权利要求19中的方法，其特征在于，所述偶数阶和奇数阶的差值是1。
全文摘要
一种复合滤波器(200)包括至少两个级联滤波器(202，204)，所述级联滤波器(202，204)被设计成使该复合滤波器(200)中的通带波纹最小化。所述至少两个级联滤波器(202，204)还可以被设计成使该复合滤波器(200)中的阻带抑制最大化。为级联滤波器(202，204)选择滤波器特性(比如阶数、带宽、阻带衰减和波纹幅度)，以便在复合滤波器(200)中获得最小的通带波纹和最大的阻带抑制。通过使得级联滤波器(202，204)中的通带波纹在幅度上相等(或接近相等)但彼此异相来最小化或消除复合滤波器(200)中的通带波纹。
文档编号H03H11/12GK1842960SQ200480024443
公开日2006年10月4日 申请日期2004年8月28日 优先权日2003年8月28日
发明者Y·范 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司