专利名称：可编程滤波器电路和方法
技术领域：
本发明涉及滤波器电路，且特定来说涉及可编程滤波器电路和方法。
背景技术：
滤波器是传递处于某些频率的电子信号分量并抑制(例如，衰减或阻断)处于其它频率的分量的电子电路。图1A说明现有技术滤波器。滤波器101可接收电子信号x(t)，并输出另一信号y(t)。如果输入信号x(t)包含多个频率分量，那么滤波器可能仅传递这些分量中的一些而不是全部分量。因此，输出信号y(t)可能仅包含滤波器传递的频率。图1进一步说明理想滤波器的频率响应F"co)。输入信号可包含两个频率分量110和120。如曲线图所示，零频率(即，DC)处的频率响应为单位一 (即，|F|=1)。频率响应在一个频率范围内保持为单位一，且接着在较高频率处下跌。当滤波器的频率响应在给定频率处为单位一时，处于此频率的信号将被传递通过而到达输出。然而，当频率响应小于单位一时，信号将被衰减。图1说明滤波器输入x(t)的两个频率分量110和120。分量110处于滤波器具有单位一频率响应的频率。因此，输入信号x(t)的频率分量110将传递通过滤波器。然而，频率分量120处于滤波器具有小于单位一的频率响应的频率。因此，输入信号的频率分量120在被传递通过滤波器101时将被衰减。滤波器传递的频率范围有时被称为滤波器的"通频带"，且滤波器衰减或阻断的频率范围有时被称为"抑止频带"。通频带的范围在频率上通常被称为滤波器的"带宽"。图1中曲线图中所说明的频率响应是低通滤波器("LPF")的实例，因为从零至多达所述带宽的低频率被传递，且高于所述带宽的较高频率被逐渐衰减。实际上，滤波器通频带可衰减或放大一个信号。通频带通过每个频带中响应的相对衰减(或增益)而与抑止频带区分开来。
可编程滤波器具有可改变的滤波器特性。举例来说，滤波器101可接收改变滤波器频率响应的编程信号。所述编程信号可以是改变(例如)滤波器的通频带和/或抑止频带的特性的模拟或数字信号。如图l中的曲线图中所示，可使用可编程滤波器来在第一频率响应FKco)与第二频率响应F2((0)之间改变频率响应。在此实例中，第二频率响应只不过具有比第一频率响应宽的带宽。因此，在一种配置中，滤波器可仅传递分量IIO且衰减或阻断分量120，且在另一配置中，滤波器可传递分量110与120两者。在电子系统在不同时间实施不同处理功能的应用中，可编程滤波器是有用的。提供单个可编程滤波器并对其进行重新编程，以用于不同使用，而不是包含多个不同的滤波器。
图IB进一步说明两种常见的滤波器实施方案。第一示范性滤波器实施方案包含电阻器与电容器网络。在电阻器130的第一端子处提供输入信号x(t)。电阻器130的第二端子连接到电容器131的第一端子。电容器131的第二端子接地。在电阻器130与电容器131之间的节点处取得输出y(t)。这种简单的RC配置实施了低通滤波器，其将传递至多达约如下频率的频率-
f = 1/(2丌RC)。
高于此频率的频率将随着频率响应下跌(或"下降")而逐渐衰减。第二示范性滤波器实施方案包含电感器与电容器网络。两个电感器141和143串联耦合在输入与输出之间。第一电容器142从中间节点耦合在两个电感器与接地之间，且第二电容器144耦合在输出与接地之间。此滤波器也是带通滤波器，但因为两(2)个电感器-电容器网络耦合在一起，所以与RC网络相比，频率响应的下跌速度将较快，从而导致恰高于截止频率的频率处的较大衰减。
对滤波器进行编程的常见方法已经包含改变滤波器中所使用的电阻器、电容器或电感器的值。然而，在需要滤波器特性的实质改变的情况下，此方法可能并不总是实际的。举例来说，在一些应用中，使用此方法将滤波器从100kHz带宽改变到20MHz带宽可能是不实际的。
图2说明与滤波器可编程性有关的另一问题。在许多系统中，需要在信号已经被滤波之后对其进行数字化。举例来说，信号x(t)可由滤波器201接收，并接着直接地或通过其它组件耦合到模拟到数字转换器("A/D") 202。 A/D 202将经滤波的信号转换成(例如)可以数字方式处理的N个数字位。然而，当通过以取样频率fs对连续时间信号进行取样来对信号进行数字化时，信号频率的混叠可能导致较高频率转变成较低频率。举例来说，如果经取样的输入信号x(t)具有处于取样频率的整数倍的频率分量，那么混叠将导致这些分量移动到零频率。如图2中的图所示，输入信号x(t)的频率分量210、 211和212可能在取样之后下移到零频率。因此，所关注的信号分量213 (在此实例中是DC信号)可能在较高频率分量移到同一频率时完全丢失。因此，在一些应用中(例如上文的对位于或接近于DC的所关注信号进行取样的实例)，需要具有这样一种滤波器，其将在取样频率的整数倍处提供强衰减，使得取样频率的倍数处的频率分量的影响被减小或消除。
5图2还包含可能需要的滤波器规范，其包含低频率通频带221; 223A、 223B和223C(例如，干扰信号混叠在所关注信号上的位置)处的强衰减抑止频带；以及针对222A、222B和222C处的其它频带外信号的适度衰减。用此滤波器规范设计可编程滤波器可能是非常具有挑战性的。在一些应用中，可编程滤波器可能需要适应变化的带宽("BW")、不同的取样频率，或不同的通频带和/或抑止频带频率、增益或衰减等级。在许多应用中，使用传统方法实施这种滤波器并不有效或实际。
图3A是理论上的开窗积分取样器(windowed integration sampler)。开窗积分取样器包含乘法器301、电容器302和取样器303 (例如，开关)。在乘法器310的一个输入处接收输入信号x(t)，且乘法器的另一输入接收窗函数(window function) w(t)。乘法器301的输出耦合到电容器302。电容器302首先通过开关304放电，且接着求乘法器输出的积分，且结果被取样。输出y(t。)表示输入信号与窗函数的经求积分的乘积的一个样本。输出y(t。)可表示如下
(等式i) f r x(7r>i<r —^)dr
■r0 -
其中Tw是窗函数的长度。图3B展示x(t)为输入、y(t)为输出且h(t)为滤波器脉冲响应的连续时间滤波器。输出(y(t。))可由如下积分巻积公式(integral convolution formula)
描述
(等式2) = f^X("Afe 一 0&
对于因果有限脉冲响应(FIR)滤波器，h(t)=0，其中tO且t〉TnR。因此等式2可改写成
(等式3) >^。)=f°T
比较等式1与等式3，明显可见开窗积分取样器针对具有脉冲响应h(t"w(-t)的滤波器采取巻积积分的形式。因此，可将开窗积分取样器表示为具有连续时间输入和离散时间输出的滤波器。图3B展示开窗积分取样器的功能性。连续时间输入信号受滤波器支配，嵌入开窗积分取样器中，且接着经取样以产生离散的时间输出样本。
图3C是使用"n"个并联级的理论上的开窗积分取样器，其使用"n"个移位的有限长度窗函数w(t)、 w(t-Ts)、…和w(t-nTs)来产生样本输出。每个级针对窗函数中的某一位置提供一个样本。举例来说，乘法器311接收输入信号x(t)和第一窗函数w(t)。通过电容器312在窗函数的长度Tw上求窗函数与输入信号的乘积的积分。在350处对结果进行取样，以产生第一经取样输出y(nTs)，其中Ts是取样周期。从输入信号与移位了取样周期的第二版本的窗函数(即，w(t-Ts))的乘积获得下一样本。通过电容器322在
窗函数的长度lw上求输入信号与经移位的窗函数的乘积的积分，并进行取样以提供第
二经取样输出y(nTs)。通过使用多个移位了取样周期Ts的窗函数，可获得表示经滤波的输入信号的离散时间信号，其中通过窗函数来设置滤波器脉冲响应。
用于滤波器应用的开窗积分取样器的实际实施方案可能难以实现。举例来说，使用滤波开窗积分取样器，对于一些应用来说可能难以实现足够高的衰减等级和足够宽的带宽。另外，需要有效地实施窗函数和乘法器两者。
因此，需要改进的可编程滤波器。本发明提供改进的可编程滤波器电路和方法。
发明内容
本发明的实施例包含可编程滤波器电路和方法。在一个实施例中，本发朋包含一种用于对输入信号进行滤波的可编程滤波器，其包括用于存储表示离散时间窗函数的多个
数字值的存储元件，以及多个滤波器通道，每个通道包括相乘数字到模拟转换器
(multiplying digital-to-analog converter),其具有耦合到所述存储元件的多个数字输入，以及用于接收所述待滤波的输入信号的模拟输入；至少一个电容器，其具有耦合到所述相乘数字到模拟转换器的输出的至少一个端子；以及取样装置，其耦合在所述至少一个电容器的所述至少一个端子与所述滤波器的输出之间。
在另一实施例中，本发明包含软件定义的无线电结构、电路和方法。
以下具体实施方式
和附图提供对本发明特征和优点的更好理解。
图1A说明现有技术滤波器。
图1B说明两个常见滤波器实施方案。
图2说明取样应用中的滤波。
图3A是理论上的开窗积分取样器。分取样器的功能性。
图3C是使用"n"个并联级的理论上的开窗积分取样器，其使用"n"个移位的有限长度窗函数来产生样本输出。
图4说明根据本发明一个实施例的可编程滤波器。图5说明示范性离散时间窗函数的时域和频域表示。
图6说明根据本发明一个实施例的取样与保持系统和图像抑制滤波器对示范性离散时间窗函数的时域和频域影响。
图7说明根据本发明另一实施例的可编程滤波器。
图8说明根据本发明实施例的可编程滤波器。
图9A说明使用简单离散时间窗函数的开窗积分取样。
图9B说明使用具有不均匀取样的简单离散时间窗函数的开窗积分取样。
图IO说明根据本发明另一实施例的可编程滤波器。
图11说明根据本发明另一实施例的可编程滤波器通道。
图12说明根据本发明另一实施例的可编程滤波器。
图13是可在根据本发明实施例的可编程滤波器中使用的电压到电流转换器的实例。图14是可在根据本发明实施例的可编程滤波器中使用的MDAC的实例。图15是可在根据本发明实施例的可编程滤波器中使用的积分电路的实例。图16说明可在根据本发明其它实施例的可编程滤波器中使用的一类窗函数。图17是根据本发明实施例的可编程滤波器的示范性实施方案。图18是控制开关阵列的离散时间窗函数的实例。图19A-C说明根据本发明另一实施例的过取样的可编程滤波器。图20是根据本发明实施例的可编程滤波器的示范性应用。
具体实施例方式
本文描述可编程滤波器电路和方法。在以下描述内容中，出于阐释的目的，陈述大量实例和具体细节，以便提供对本发明的详尽理解。然而，所属领域的技术人员将明了，本发明的实施例可包含下文所示实例的其它等效实施例或修改。举例来说，尽管下文使用三角形窗函数来呈现实施例和实例，但也可使用其它窗函数。因此，如权利要求书所界定的本发明可仅包含这些实例中的特征的一些或全部，或与下文连同等效物描述的其它特征组合。
图4说明根据本发明一个实施例的可编程滤波器组件。电路包含存储在存储元件中
8的离散时间窗函数401、相乘数字到模拟转换器("MDAC") 402、电容器403以及取样 装置404。 MDAC 402包含耦合到所述存储元件的数字输入以及用于接收输入信号x(t) 的连续时间(即，模拟)输入。MDAC 402接收表示来自存储元件的离散时间窗函数401 的多个数字值(即，数字位)以及输入信号。MDAC402在输出处产生经相乘的信号， 其表示离散时间窗函数与输入信号x(t)的乘积。通过电容器403求MDAC 402的输出处 的经相乘信号的积分。通过取样装置404以(例如)频率"fs"对结果进行取样。
离散时间窗函数有时也被称为加权函数。本发明的实施例包含以数字方式将任一离 散时间窗函数存储在存储元件(例如，存储器、寄存器或其它类型的数字存储装置)中。 将窗函数作为N个数字值提供到MDAC。 MDAC实施输入信号x(t)与窗函数的相乘。在 一个实施例中，输出是表示经相乘信号的电流。将电流提供到电容器，且通过电容器求 经相乘的信号的积分。可以等于窗函数的长度Tw的时间周期对结果(通常是电压)进 行取样。应了解，可使用多种窗函数。可通过(例如)改变窗函数来对使用此技术的滤 波器进行编程。可以包含差分或单端电路技术的多种方式来实施MDAC、存储元件、电 容器和取样装置。举例来说，存储元件可包含存储器、移位寄存器配置、锁存器、易失 性或非易失性存储装置、触发器阵列或等效物。MDAC204是这样一种电路，其接收数 字输入和一个或一个以上模拟输入，并提供模拟输出，所述模拟输出是模拟输入的整数 倍乘以单位值(例如，最低有效位"LSB")。针对积分可使用一个或一个以上电容性元 件。取样装置可包含(例如)使用MOS晶体管实施的开关，其(例如)以包含多路复 用器配置的多种方式来配置。
图5说明示范性离散时间窗函数w(nTsDAc)的时域和频域表示。此实例展示具有窗 长度(即，窗周期)Tw的有限长度三角形窗函数501。此波形的离散时间表示包含七(7)
个样本。每个样本可作为数字值而存储。以频率fsDAC提供所述样本，所述频率fsDAC代
表MDAC取样频率或MDAC改变数字输入值的频率。三角形窗函数501的频率域表示 是"sinc2，，(即，sinc的平方)函数。因此，三角形窗函数501可用作如下文更详细陈述 的滤波器。"sinc^"函数502在最终取样频率fs的整数倍处包含空值(即，陷波)。与"sinc" 相比，"sine2"函数502提供强衰减和较宽的带宽。然而，因为所述窗是离散时间波形， 所以频率响应的图像将在离散时间波形被取样的频率的整数倍处重复。此处，在频率 fsDAC处对离散时间三角形波形进行取样。因此，"sine2"函数502的图像将如图所示在 510A和510B处重复。图5进一步说明当使用离散时间窗函数时可能发生的另一现象。 如图所示在520处，由于将任意连续窗函数w(t)表示为离散时间窗函数w(nTsDAC)，所以
可能出现量化噪声。 一般来说，可通过增加位的数目或增加取样频率来减少量化噪声。
9可总是以结果不含量化噪声的方式对三角形窗进行取样和量化。
图6说明根据本发明一个实施例的取样与保持系统和图像抑制滤波器对示范性离散 时间窗函数的时域和频域影响。在此实例中，数字值在窗取样周期fsDAC期间保持在恒
定值，如图在601处所示。因此，不是将窗表示为脉冲，而是通过图6中所说明的连续 矩形且通过Wd(t)来表示窗函数。这具有将"sine"函数602叠加在图5所示的频谱上的 效应，其中叠加的"sine"函数的陷波位于f;DAc;的整数倍处。结果是通过使窗取样值保 持恒定持续周期fsDAc而抑制了窗函数频谱611的混叠图像610A和610B。此图说明了 本发明的另一方面。如果使用离散时间窗函数对滤波器进行编程，那么在一些应用中(例 如，通过使用三角形窗)可获得强衰减，且可通过在系统中提供第二辅助滤波器603来 减少或消除fsDAC附近的带外分量。在此实例中，使用具有如603处所示的响应的辅助 滤波器(例如，2阶RC滤波器(2nd order RC filter))来减少或消除窗函数的图像附近 的频率分量。此辅助滤波器具有放松的要求(例如，较宽过渡带宽)，且因此其可以简 单结构来建置。因此，可容易用较少的开关可选择的组件来重新配置辅助滤波器。
图7说明根据本发明另一实施例的辅助滤波器。基于以上论述，可将辅助滤波器750 添加到系统。可首先通过辅助滤波器750处理连续时间输入信号x(t)。接着在MDAC 702 中将来自滤波器的连续时间输出信号乘以离散时间窗函数701。在MDAC 702的输出处 提供的经相乘的信号在电容器703中求积分，并由取样装置704以频率fs进行取样。
图8说明根据本发明实施例的可编程滤波器。在一个实施例中，多个滤波器通道每 一者均包含一个MDAC，所述MDAC具有用于接收待滤波的所述输入信号的模拟输入， 以及耦合到存储元件以用于存储表示离散时间窗函数的多个数字值的多个数字输入。每 个滤波器通道进一步包含至少一个电容器，其具有耦合到相乘数字到模拟转换器的输 出的至少一个端子；以及取样装置，其耦合在所述至少一个电容器的端子与滤波器的输 出之间。举例来说，第一滤波器通道可包含MDAC 802，其经耦合以接收输入信号x(t)， 且进一步耦合到存储表示离散时间窗函数w(nTsDAc)的数字位的存储元件801。存储元件 801通过每一者均能够承载一个数据位的N条数据线(即，导线)耦合到MDAC 802。 数据位随着时间而改变，以表示随着时间改变的离散时间窗函数。MDAC 802产生作为 输入信号与数字值的乘积的输出信号。输出信号(例如，电流)在(例如)电容器803 中求积分。如果在窗函数的最后的值已经与输入信号相乘且结果经求积分之后，对电容 器进行取样，那么输出如下
10其中Tw是窗函数的长度(或周期)，Wd现在是离散时间窗函数的经取样和保持的结 果，且x(t)是对MDAC的输入。因此，每个通道针对所述窗上的特定时间点产生巻积的
一个样本。所述窗上其它时间点处的巻积的数据值可从其它通道获得。如果窗函数Wd(t)
的时间上的长度是Tw，最终取样频率是fs，且Ts是最终取样周期(其中Tw〉Ts)，那 么产生所有输出样本所需的通道数目如下
在一些实施例中，可调节滤波器的增益。举例来说，在一个实施例中，可增加离散 时间窗函数的幅值。增加窗函数的幅值增加了滤波器的增益，且减小窗函数的幅值减小 了滤波器的增益。因此，可对表示离散时间窗函数的数字值重新进行编程，以改变滤波 器的增益。在另一实施例中，可改变电容器值以改变增益。增加电容器值将减小滤波器 增益，且减小电容器值将增加滤波器增益。举例来说，多个电容器可通过开关耦合在一 起。可打开或闭合开关以改变电容，且进而改变滤波器增益。因此，可用不同电容器值 来对滤波器重新进行编程，以改变滤波器的增益。
图9A是使用简单离散时间窗函数的开窗积分取样的实例。在此简化实例中，离散
三角形窗函数包含针对三个通道901到903上的三角形窗的三(3)个数据点。通道卯l
上的第一三角形首先被相乘并求积分。通道902上的第二三角形被移位Ts， Ts等于窗周
期Tw的一半。通道903上的第三三角形类似地从第二三角形移位Ts。基于以上等式可
见，需要三(3)个通道(即，N = Tw/Ts+l =Tw/(Tw/2)+l =2(Tw/Tw) +1 =3)。在将离
散时间窗函数901中的最后的点提供给MDAC、与输入信号相乘并求积分之后，从第一
通道获得第一输出样本。在输出电容器已对窗中的最后的点求积分之后，可对电容器进
行取样。在对输出电容器进行取样之后，可使其复位以用于下一积分循环。从第二通道
获得第二输出样本。在将离散时间窗函数902中的最后的点提供给MDAC、与输入信号
相乘并求积分之后，获得第二样本。在此实例中，在离散窗函数的最后的值已经积分之
后从第三通道903获得第三输出样本。从第一通道获得第四样本。举例来说，当将第二
通道902中的窗函数的最后的值施加于第二通道MDAC时，将第一通道901中的窗函数的第一值施加于第一通道MDAC。因此，在从第三通道获得第三样本之后，第一通道 901将具有在下一取样间隔上可用的下一后续输出样本。应了解，以上实例仅仅是展示 TS、 TW、 fsDAC和通道数目N的关系的简化实例。举例来说，可针对具有不同离散时间 点数目和不同窗周期Tw的不同窗函数、不同的输出取样频率fs、不同的MDAC频率fk)Ac 来改变所有这些值。
尽管图9A展示简化的离散时间窗函数，但可使用任何所需的离散时间窗函数。对 于一些离散时间窗，例如三角形窗，在任一取样时刻(nTsDAC)产生的数字(或量化) 值可精确等于同一时刻连续窗的模拟值。然而，对于许多离散时间窗，产生的数字值将 不与每个对应的模拟值一致。因此， 一些实施例可能使用不均匀的时间间隔，而不是以
速率fsDAC产生新的离散时间窗值。举例来说， 一些连续时间波形可精确地与窗循环期 间某些时间的可用数字值(或量化等级) 一致。因此，在数字值对应于窗的连续时间值 (可能不是Tsdac的整数倍)的时间时，提供离散时间窗函数值。因此，使提供数字值 的速率不均匀，以使得表示离散窗的数字值与对应的连续时间窗值相匹配。通过在与对 应的连续时间波形相匹配的不均匀时间时提供离散时间窗函数的数字值，有利地减少了 量化误差。
图9B说明使用具有不均匀取样的简单离散时间窗函数的开窗积分取样。在此实例 中，提供多个延迟元件910A到910E，以用于产生例如时钟或其它控制信号的触发信号 的经延迟版本，以用于改变从存储装置920提供到MDAC 930的离散时间窗值。在此实 例中，延迟元件的输出耦合到多路复用器的输入。多路复用器的输出耦合到存储装置 920，存储装置920保存离散时间窗的数字值。控制信号确定哪个经延迟信号通过多路 复用器耦合。当在存储装置920处接收到经延迟的触发信号时，将下一数字值提供给 MDAC 930。仅作为一个实例，可将触发信号耦合到移位存储器的"移位"输入。多路 复用器的控制信号可耦合到例如处理器的数字电路，以用于监视存储在存储装置920中 的特定离散时间窗，且用于指定使用哪些经延迟信号来触发改变数字值。图9B中展示 示范性连续时间窗函数w(t)以及离散时间窗函数w(n,m)， w(n,m)使用不均匀的取样，使 得表示离散窗的数字值与对应的连续时间窗值相匹配。"n"为序号，且"m"表示样本 的时间常数。
图10说明根据本发明另一实施例的可编程滤波器。在此实例中，离散窗函数值存
储在存储器1060中。举例来说，对应于第一离散时间窗函数值wl的第一数字值存储在
存储器位置1061中。窗函数的其它值类似地存储在可连续寻址的存储器位置中。对应
于最后的离散时间窗函数值wn的最后的数字值存储在存储器位置1062中。多个开窗积
12分滤波器通道每一者可接收模拟输入x(t)，并接收来自存储器1060的数字输入。在一个 示范性实施例中，来自存储器位置1061的第一窗值wl耦合到MDAC 1002。可通过使 存储器值移位来将窗函数值施加到MDAC 1002。举例来说，在某一时间周期TsDAC (MDAC取样频率的周期)之后，存储器值可向下移位。在移位之后，窗值w2移动到 存储器位置1061，窗值w3移位到先前存储w2的位置，且窗值wl移位到存储器1060 的最后的存储元件。在移位之后，MDAC 1002接收离散时间窗函数的第二值。可通过 以频率fsDAC移位存储器来将窗函数的每个连续值施加到MDAC 1002。因此，使每个离 散时间窗函数值与输入信号x(t)相乘，通过输出电容器(例如，电容器1003)求积分， 且使用多路复用器("MUX") 1050以频率fs对结果进行取样。在取样之后，可(例如) 使用由SW2 1005说明的开关来使电容器1003复位。
在此实例中，其它滤波器通道接收来自同一存储器1060的窗函数值。举例来说， 在时间周期Ts之后，窗函数的第一值wl移位到存储器位置1063 ("wl(Ts)")。存储器 位置1063耦合到第二滤波器通道中的MDAC 1012，使得MDAC 1012接收在时间上移 位了Ts的窗函数。使经移位的窗函数的连续离散时间样本值乘以输入信号x(t)，在电容 器1013中求积分，且由MUX 1050对结果进行取样。在取样之后，可例如使用由SW4 1015说明的开关使电容器1013复位。类似地，在时间周期2Ts之后，窗函数的第一值 wl移位到存储器位置1064 ("wl(2Ts)")。存储器位置1064耦合到第三滤波器通道中的 MDAC 1022，使得MDAC 1022接收在时间上移位了 2Ts的窗函数。使经移位的窗函数 的连续离散时间样本值乘以输入信号x(t)，在电容器1023中求积分，且由MUX 1050 对结果进行取样。在取样之后，可(例如)使用由SW6 1025说明的开关使电容器1023 复位。对于额外的通道，例如位置1065的其它存储器位置可耦合到每个通道中的额外 MDAC。举例来说，第N通道MDAC 1032耦合到存储器位置1065，其在时间NTs之后
接收窗函数的第一值W1。窗函数的后续值以频率fsDAC移位到位置1065中。因此，在
MDAC 1032中，使离散时间窗函数乘以输入信号x(t)，在电容器1033中求所述输出的
积分，且使用MUX 1050以频率fs对结果进行取样。提供组合的样本作为输出y(nt)，
其表示由具有脉冲响应w(-t)的滤波器处理的输入信号x(t)的离散时间值，其中可通过改
变窗函数或取样参数来对滤波器进行编程。
图11说明根据本发明另一实施例的可编程滤波器通道。此实例说明MDAC的示范
性实施方案。离散时间窗函数可存储在存储元件1101中。可提供数字输出作为数字到
模拟转换器("DAC") 1102的输入。转换器的全标度(full-scale, "F.S.")可由电路1103
控制，电路1103接收输入信号x(t)，作为控制输入以设置DAC的全标度。因此，对于任何数字输入，输出是通过数字输入设置的DAC的全标度的分数值，其中全标度由输 入信号控制。
图12说明根据本发明另一实施例的可编程滤波器。在此实例中，在每一者均包含 电压到电流转换器1201A到1201C的多个滤波器通道的输入处接收待滤波的输入信号。 将输入信号转换成每个通道中的电流，并使其耦合到相应MDAC 1202A到1202C的输 入。每个MDAC 1202A到1202C耦合到例如存储器1251的存储装置，其可存储如上所 述经移位的离散时间窗函数。存储位置具有耦合到MDAC的数字值。数字值连续地与 输入信号x(t)相乘，且输出耦合到相应的积分与取样电路1203A到1203C。每个积分与 取样电路的输出连续地如所说明在开关1250处以频率fs进行取样，以提供以取样周期 Ts分隔的经取样的输出。
图13是可在根据本发明实施例的可编程滤波器中使用的电压到电流转换器的实例。 电压到电流转换器可包含至少一个晶体管，其在栅极端子上接收电压并产生电流。电压 到电流转换器的一个输出端子可耦合到电流镜，以产生供系统中使用的其它电流。此实 例说明差分电压到电流转换器，其在晶体管1301和1302的栅极端子上接收输入信号。 此实例仅仅是用于转换电压到电流的电压到电流转换构件的一个实例。晶体管1301和 1302与电流源1304和1305偏置。在电阻器1303上产生差分电压，其导致产生电流。 差分电流镜像通过晶体管1306-1311到达任一数目的电流源单元，例如1320和1330。 镜像到每个单元的电流包含DC电流Ilsb和AC电流Gmx(t)。从存储元件耦合的数字位 [DO...DN]用于控制每个电流源单元。举例来说，离散时间窗函数的不同值可具有对应的 数字位值，所述值使不同的电流单元接通或断开，以修改电流并产生所需的输出。在电 流单元1320中，当DO为高且D(^ (即，NOT(DO))为低时，来自电压到电流转换器的 差分电流镜像通过晶体管1321、 1322、 1323和1326，且输入如下
OUTA = ILSB - Gmx(t),
OUTB = ILSB + Gmx(t),
OUT—DIFF = OUTA - OUTB = - 2Gmx(t)。
类似地，当DO为低且D0^为高时，电流通过晶体管1321、 1322、 1324和1325耦 合到输出，且差分输出为+2GmX(t)。因此，每个电流单元可产生正或负输出电流，其表 示单位电流乘以输入信号x(t)。可将单位电流设置为任何所需的电平。数字位DN和DN*
14可用于以相同方式控制任一数目的电流单元(例如，单元1330)的差分输出。
图14是可在根据本发明实施例的可编程滤波器中使用的MDAC 1400的实例。此实 例仅仅是可用于使模拟输入信号与数字值相乘的相乘数字到模拟转换构件的一个可能 实例。对于存储为N个数字位的离散时间窗函数值，MDAC 1400可包含2n个可如上所 述接通或断开的电流单元。在一个实施例中，存储元件通过解码器1401耦合，以将n 个位转变成2"个控制信号，以用于接通或断开不同的单元。对于简单的说明性实例，如 果存储元件将离散窗函数值表示为两(2)个位，那么可使用四(4)个电流单元，且下 表说明针对不同的位组合可获得的可能的电流输出值-
DODlOUT一DIFF
004x(t)
012x(t)
100
11-2x(t)
在以上实例中，Gm = X和[1,0]表示其中两个电流单元正产生OUT—DIFF = x(t)且另 外两个电流单元正产生OUT—DIFF = -x(t)的状态。应了解，以上仅仅是说明MDAC数字 控制方案的简单实例，所述方案导致作为模拟输入信号x(t)与存储的数字值的乘积的输 出。可使用离散窗值、位、单元、电流和Gm值的任何组合。
图15是可在根据本发明实施例的可编程滤波器中使用的积分电路1500的实例。积 分电路1500提供用于求(例如)来自MDAC的电流的积分的一种可能构件。首先，使 用开关1551使电容器1550复位。接着，闭合开关1552和1553，并打开开关1551，因 此电容器准备好求传入电流的积分。积分电路1500包含差分电流输入1560和1561。输 入电流通过晶体管1501到1504镜像到包含晶体管1505到1512的差分共源共栅级 (differential cascode stage)中。所述共源共栅级包含DC偏置电流。求电容器1550上 的电流差的积分，且在窗循环的结尾处对结果进行取样(例如，通过未图示的开关)。
图16说明可在根据本发明其它实施例的可编程滤波器中使用的一类窗函数。任意 有限长度窗函数1601可与矩形窗1602巻积，以产生新的窗函数1603。在一个实施例中， 所得的长度为nTs的有限长度窗函数可分解为长度为Ts的矩形窗与长度为(n-l)Ts的窗 函数的巻积。窗函数1603具有如下特性
15m一:w(卜则。杨=C
其中C是常数。图16中在910到913处说明此现象，其展示任一给定时间点处的 经移位窗函数1603的和为常数值。在如上所述具有多个滤波器通道的可编程滤波器的 上下文中，具有以上特性的一类离散时间窗函数可存储有有利的结果。举例来说，对于 具有函数1603的特性的离散时间窗函数，在任一给定时间点，输入信号与每个滤波器 通道中的离散窗函数值的相乘结果的和将为常数。
图17是根据本发明实施例的可编程滤波器的示范性实施方案。由于图16中描述的 特性，可实现可编程滤波器的有效实施方案。可编程滤波器1700包含多个跨导电路 1701A到1701C，其具有经耦合以接收待滤波的输入信号x(t)的输入。跨导电路的输出 耦合到多个开关1702。所述多个开关可经配置以将任一跨导电路的输出耦合到多个电容 器1703A到1703C (即，交叉点开关配置)。根据存储在存储器1751中的离散时间窗函 数来控制所述开关。在此实例中，表示存储器1751中的离散时间窗函数的数字值用于 控制开关阵列1702中的开关。此处，解码器1752耦合到存储器1751，以接收离散时间 窗值，并产生控制信号以将跨导电路1701A到1701C耦合到电容器1703A到1703C。 如果使用具有图16中所述的特性的离散时间窗函数，那么在任一给定时间，每个跨导
电路耦合到一个输出电容器，且耦合到特定电容器的特定跨导电路输出以频率fsDAC改
变。因此，由离散时间窗函数值设置的开关控制将电流提供到每个电容器中的跨导电路 的数目。因此，跨导电路和开关将经加权的电流值提供到每个电容器中，其中进入每个 电容器中的经加权电流根据正使用的特定离散时间窗函数而随着时间改变。电容器又求 结果的积分，所述结果接着连续地由开关1750以频率fs进行取样。当使用一类窗函数 以使得窗函数值的和为常数(即，图16)时，所有跨导电路可在整个积分间隔上耦合到 特定电容器，这导致较少的功率损失和较高的效率。
图18是控制开关阵列的离散时间窗函数的实例。在此说明性实例中，使用三角形 窗作为离散时间窗函数。可通过对两个矩形波形进行巻积来获得三角形波形。因此，三 角形窗具有图16所描述的特性。当然，可使用如上所述与矩形窗巻积的其它窗函数。 在此实例中，窗函数周期Tw与取样周期Ts有关，如下
Tw/Ts = 2。因此，可编程滤波器可使用三(3)个输出电容器来处理输入信号X(t)。以频率fsDAC
提供对应于离散时间窗函数值的数字值，且因此每个样本之间的时间为TsDAC。在时间 周期Tl期间，第一输出电容器("C1")开始新的积分循环，其中Cl接收电流，并根 据窗函数1801 w(nt)求电流的积分。类似地，在时间周期Tl期间，第二输出电容器("C2") 完成积分循环的一半，其中C2接收电流，并根据窗函数1802 w(nt-Ts)求电流的积分。 在时间周期T1期间，可对此实例中的第三输出电容器("C3")进行取样，并接着使其
复位，且因此不接收电流。起初，在fsDAC的第一循环中，1801的窗函数值为零(0)。 因此，在fsDAC的此循环期间，没有电流提供到C1。在fsDAC的同一循环中，1802的窗
函数值为四(4)。因此，来自四(4)个跨导电路的电流可耦合到C2。在&dac的下一循 环中，窗函数1801具有值一 (1)，且窗函数1802具有值三(3)。因此，一 (1)个跨 导电路电流耦合到C1，且三(3)个跨导电路电流耦合到C2。然而明显可见，系统所使
用的总跨导电路仍是四(4)个，且不需要额外的跨导电路。在fsDAC的下一循环中，窗
函数1801具有值二 (2)，且窗函数1802具有值二 (2)。因此，两(2)个跨导电路电 流耦合到C1，且两(2)个跨导电路电流耦合到C2。而且明显可见，系统所使用的总跨 导电路仍是四(4)个。类似地，在fsDAc的下一循环中，窗函数1801具有值三(3)， 且窗函数1802具有值一 (1)。因此，三(3)个跨导电路电流耦合到Cl，且一 (1)个 跨导电路电流耦合到C2，其总电流仍是四(4)个。在T1中fsDAc的最后循环中，窗函 数1801具有值四(4)，且窗函数1802具有值零(0)。因此，所有跨导电路电流均转到 Cl。在稳定时间之后，现可对C2进行取样并使其复位。因此，在窗1801继续在C1上 求积分时，窗1802现可用于在C3上开始新的循环。因此，在fsDAc的此循环开始时， 可用窗1802的初始值(在此情况下为零)对C3进行编程。以类似方式，窗函数控制所 述开关以将来自4、 3、 2、 1和接着0个跨导电路的电流耦合到C1，同时在时间周期T2 期间，将0、 1、 2、 3和接着4个跨导电路耦合到C3。在时间周期T2结束时，可对Cl 进行取样并使其复位。在时间周期T3期间，电容器C3根据窗1802完成积分循环，且 窗1801表示进入电容器C2中的电流。
以上实例说明本发明的实施例可通过使用对应于离散时间窗函数的数字值以控制 将跨导电路的输出耦合到多个电容器的开关，来实施可编程滤波器。再次参看图17，离 散时间窗函数可存储在移位存储器中，其中提供特定存储器位置作为对解码器的输入。 每个解码器输入可表示将针对对应电容器而施加的N位离散时间窗值。举例来说，在解 码器输入处接收到的具有值四(4)的8位数可指示四个跨导电路电流将耦合到特定电 容器，其中进入电容器中的电流为
17Iin = x(t)*[NGm], N = 4。
解码器1752可接收N位值，并产生控制信号以使开关闭合以便将四个跨导电路电 流耦合到指定电容器。其它解码器输入可控制所述开关以将指定电流耦合到其它电容 器。在fsDAC的每个循环中，存储器可移位，且解码器输入处所提供的值改变。如果存 储在存储器1751中的窗函数具有针对图16而描述的特性，那么跨导电流将简单地在电 容器之间重新路由。应了解，可使用不同数目的跨导体、离散时间窗函数、位表示、输
出电容器或开关控制机构。在一个实施例中，可以不均匀时间间隔而不是以fsDAC来重
新配置开关，以减少上述量化误差。
图19A说明根据本发明另一实施例的可编程滤波器。在一个实施例中，可使用过取 样技术。过取样量化器以较高速率产生窗样本。这些样本不是窗函数的直接量化的结果， 而是以如下方式经进一步处理窗的量化噪声经成形并从所关注的频带移动到可能随后 由早先所述的辅助滤波器移除的其它频率。举例来说，通过利用过取样方法，过取样的 MDAC 1901可用来使待滤波的输入信号与存储的离散时间窗函数1901相乘，且在电容 器1903中求输出的积分，且由取样器1904以速率fs对其进行取样。在过取样的系统中， MDAC中位的数目(例如，电流单元数目或跨导电路数目)减少且频率fsDAc增加。在 MDAC实施方案中，位的数目可以是N4或2或某个较低值。当使用较高分辨率实施 方案时(例如，使用N-6获得的14位有效分辨率)，此技术可进一步有利。
图19B说明用于修改供过取样的系统中使用的窗函数的2-A结构。对于过取样的 实施方案，可对离散时间窗函数进行修改，以用于在具有噪声整形(noise shaping)的 2-A过取样系统中实施。举例来说，可在2-A的输入处提供窗函数w(t)的连续时间等 效物，以产生经修改的窗函数w，(nlVa取样)，其可包含较少的位、较大数目的样本以及噪 声整形。图19B是可用来产生经修改的窗函数w，(t)的二阶2-A的实例。求和电路1910、 1911、 1916、 1914、积分器1912和1913以及量化器1915是具有系数al、 a2、 bl和b2 的二阶无限脉冲响应("IIR")滤波器。输出是n位经噪声整形的流，其可被截断并存储 在存储器中，以用于驱动MDAC。图19C说明经修改的窗的频率响应。MDAC取样频 率现比可编程滤波器的取样频率fs大得多。可以取样速率fs且以整数谐波来放置2-A 零点，以(例如)通过使用较高阶2:-A结构来提供较深空值。噪声传递函数("NTF") 如下NTF = (1 -Z，
从图19C可见，已通过对窗函数使用S-A滤波器来使量化噪声重新分布到较高频 率。在低频率处，原始窗函数w(t)和经修改的窗函数w'(t)两者具有相同的响应。然而在 fsDAC附近的较高频率处，量化噪声增加。量化噪声从滤波器空值的区域移动到较高频率，
进而改进滤波器在空值处的特性。因此，可使用如先前提到的弱辅助低通滤波器1930 来消除量化噪声。
图20是根据本发明实施例的可编程滤波器的示范性软件定义的无线电("SDR") 应用。SDR是这样一种无线电，其可调谐到任何无线电频带，选择具有任何带宽的任何 通道，且解调或调制任何种类的经调制信号以供在任何时间接收或传输。这种无线电有 时被称为可再配置的无线电。在此实例中，可使用可编程滤波器来在较宽频率范围上针 对多种无线格式而处理在天线2010上接收到的RF信号。可编程滤波器实现了较宽频率 范围上的信号处理，其中具有多种无线格式的任何RF信号可由天线2010接收、由宽带 低噪声放大器2011放大、并通过使用宽带混频器2012和2022 (即，同相和正交分量) 以及宽调谐范围频率合成器2030进行降频转换。宽调谐范围合成器2030可经编程以对 包含(例如)蜂窝式标准、802.11、 802.15的多种传入RF信号标准中的任一种标准进 行降频转换。可使用的宽带低噪声放大器的实例在发明人为Rahim Bagheri、 Masoud Djafari和Mahnaz Atri的2004年8月20日申请的题为"High Frequency Wireless Receiver Circuits and Methods"的第10/929,206号共同所有美国专利申请案中得以描述，所述专 利申请案全文以引用的方式并入本文中。可使用的宽带混频器的实例在发明人为Rahim Bagheri和Masoud Djafari的2005年4月14日申请的题为"Mixer Circuits and Methods with Improved Spectral Purity"的第11/106,902号共同所有美国专利申请案中得以描述， 所述专利申请案全文以引用的方式并入本文中。可使用的宽调谐范围合成器的实例在发 明人为Mohammad E. Heidari、 Ahmad Mizaei、Masoud Djafari、Mike Choi、Filipp A. Baron、 Alireza Mehrnia禾B Rahim Bagheri的2005年6月1日申请的题为"High Frequency Synthesizer Circuits and Methods"的第11/142,6卯号共同所有美国专利申请案中得以描 述，所述专利申请案全文以引用的方式并入本文中。 一旦信号经降频转换，就可通过上 述辅助滤波器2013和2023对基带模拟信号进行预先滤波。接下来，可对可编程滤波器 2014和2024进行编程以根据多种无线标准中的任一种进行滤波。可通过将如上所述的 不同离散时间窗函数存储在(例如)存储装置2016和2026中，来对滤波器2014和2024 进行编程。可编程滤波器2014和2024的输出是可由模拟到数字转换器("A/D") 2015和2025数字化的样本。A/D的N位数字输出接着可耦合到处理器2020。举例来说，处 理器2020可包含用于以数字方式处理多种不同无线标准的基带处理器。因为可通过对 滤波器进行编程并以数字方式处理信息来处理处于不同频率且具有不同带宽的多种RF 输入信号，所以此类系统被称为"软件定义的无线电"。
以上描述内容说明本发明的各种实施例以及可如何实施本发明的各方面的实例。以 上实例和实施例不应被视为仅有的实施例，且应呈现为说明如所附权利要求书所界定的
本发明的灵活性和优点。举例来说，尽管可使用存储元件来存储离散时间窗函数，但应 了解，可使用其它实施方案，例如使用以与存储在存储器中的离散时间窗函数等效的方 式重新配置MDAC输入或开关的可编程状态机。基于以上揭示内容和所附权利要求书， 所属领域的技术人员将明了其它布置、实施例、实施方案和等效物，且可在不脱离如权 利要求书所界定的本发明的精神与范围的情况下，使用这些布置、实施例、实施方案和 等效物。
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权利要求
1. 一种用于对输入信号进行滤波的可编程滤波器，其包括存储元件，其用于存储表示离散时间窗函数的多个数字值；以及多个滤波器通道，每个通道包括相乘数字到模拟转换器，其具有耦合到所述存储元件的多个数字输入，以及用于接收所述待滤波的输入信号的模拟输入；至少一个电容器，其具有耦合到所述相乘数字到模拟转换器的输出的至少一个端子；以及取样装置，其耦合在所述至少一个电容器的所述至少一个端子与所述滤波器的输出之间。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其进一步包括用于对所述模拟输入进行预先滤波的 辅助滤波器。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述相乘数字到模拟转换器被过取样。
4.根据权利要求3所述的滤波器，其中用2 A滤波器来处理表示离散时间窗函数的所 述多个数字值。
5.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述相乘数字到模拟转换器以不均匀时间间隔 接收数字值。
6.根据权利要求l所述的滤波器，其进一步包括多个跨导电路，所述跨导电路用于接 收作为电压信号的所述模拟输入，且将所述模拟输入转换成电流信号。
7.根据权利要求1所述的滤波器，其进一步包括耦合在所述存储元件与所述相乘数字 到模拟转换器之间的解码器。
8.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述存储元件是存储器。
9.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述存储元件是移位存储器。
10. 根据权利要求1所述的滤波器，其中所述取样装置包括一个或一个以上MOS晶体.管。
11. 根据权利要求1所述的滤波器，其中所述可编程滤波器用在软件定义的无线电中。
12. —种可编程滤波器，其包括-存储元件，其用于存储表示离散时间窗函数的多个数字值；多个电压到电流转换器，其每一者均具有用于接收待滤波的电压输入信号的输 入，并根据所述电压输入信号产生电流；多个开关装置，其耦合到所述存储元件；多个电容器，其每一者均具有通过所述开关装置的一部分耦合到所述多个电压到 电流转换器中的一者或一者以上的至少一个端子； 多个复位开关，其耦合到所述多个电容器；以及取样装置，其耦合在每个电容器的所述至少一个端子与所述滤波器的输出之间， 其中所述多个电容器在所述数字值的控制下耦合到所述电压到电流转换器的输 出。
13. 根据权利要求12所述的滤波器，其中以取样时间周期对所述电容器进行连续取样， 且电压到电流转换器的数目等于由所述取样时间周期分隔的所述窗函数上的所述 数字值的和。
14. 根据权利要求12所述的滤波器，其中对所述电容器中的至少一者进行取样并使其 复位，而其它电容器正在接收电流。
15. —种对信号进行滤波的方法，其包括-存储离散时间窗函数；在相乘数字到模拟转换器中使所述信号乘以所述离散时间窗函数，并据此产生经 相乘信号；在第一电容器中求所述经相乘信号的积分；以及对所述第一电容器上的电压进行取样。
16. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包括在使所述信号相乘之前，用具有连续 时间输入和输出的滤波器对所述信号进行滤波。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中所述相乘数字到模拟转换器被过取样，且其中 用S A滤波器来处理表示离散时间窗函数的所述多个数字值。
18. 根据权利要求15所述的方法，其中所述相乘数字到模拟转换器以不均匀的时间间 隔接收数字值。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中所述信号是电压信号，所述方法进一步包括将 所述电压信号转换成多个电流信号。
20. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包括使所述离散时间窗函数移位以连续向 所述相乘数字到模拟转换器提供离散时间窗函数值。
21. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包括对所述离散时间窗函数进行解码。
全文摘要
本发明的实施例包含可编程滤波器电路和方法。在一个实施例中，本发明包含一种用于对输入信号进行滤波的可编程滤波器，其包括用于存储表示离散时间窗函数的多个数字值的存储元件，以及多个滤波器通道，每个通道包括相乘数字到模拟转换器，其具有耦合到所述存储元件的多个数字输入，以及用于接收待滤波的所述输入信号的模拟输入；至少一个电容器，其具有耦合到所述相乘数字到模拟转换器的输出的至少一个端子；以及取样装置，其耦合在所述至少一个电容器的所述至少一个端子与所述滤波器的输出之间。在另一实施例中，本发明包含软件定义的无线电。
文档编号H03H17/02GK101499786SQ20081000712
公开日2009年8月5日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月31日
发明者拉希姆·巴盖里, 艾哈迈德·米尔扎尼 申请人:维林克斯公司