一种可重构的复数滤波器的制作方法

本发明涉及一种应用于gnss接收机射频前端芯片的低功耗、高精度、可重构有源复数滤波器，属于射频集成电路和卫星导航终端领域。

背景技术：

随着中国的北斗、欧洲的伽利略和俄罗斯的格洛纳斯相继投入使用，卫星导航正由传统的单gps时代向gnss时代过度，形成gps+伽利略系统+其它系统(如格洛纳斯、北斗)的多系统并存的局面。这种发展趋势要求接收机射频前端支持多模、多频接收，采用可重构的射频前端在满足多模gnss接收需求的同时能够简化电路结构，从而降低成本和功耗。同时随着民用市场对卫星导航服务的需求进一步扩大，gnss接收机在手机、智能手表、车载导航等移动终端中的应用越来越广泛，通常移动式设备对功耗、体积等指标有较高的要求，体现在射频前端中即为低功耗、小芯片面积。

gnss接收机的射频前端，通常是指从接收机的天线端，经由预滤波器、低噪声放大器、混频器、滤波器、自动增益控制器、直至模数转换器之间的电路模块。射频前端主要分为超外差结构、零中频结构和低中频结构三种。超外差结构接收灵敏度高，但电路复杂、难以集成且功耗大；零中频结构集成度高、功耗低，但结构复杂，闪烁噪声大；低中频结构具有集成度高、不易受直流偏差和闪烁噪声影响的优点，成为目前gnss接收机的主流架构。

各种结构的接收机都必须解决镜像干扰的问题。所谓的镜像信号，是指与有用射频信号关于本振频率对称的信号。镜像信号也被混频器下变频到中频，从而对有用信号造成干扰，甚至完全淹没有用信号。为了实现镜像抑制和信道选择，需要采用具有不对称滤波效果的滤波器，目前主要实现有两种：一是通过多相复数滤波器与低通滤波器的级联来实现镜像抑制和带外抑制；二是通过有源复数滤波器实现镜。其中有源复数滤波器可以分为基于运算跨导放大器(ota)的gm-c型和基于运算放大器(opa)的active-rc型，本发明采用的是在稳定性、动态范围及灵敏度等方面有一定优势的active-rc型。

随着卫星导航接收机从传统的单gps模式朝多系统联合定位方向发展，gnss接收芯片的滤波器需要具有可重构的特点，以适应不同卫星导航系统信号的特点。由于复数滤波器的带宽与中心频率主要与电阻和电容值有关，而它们的绝对值会随着工艺、温度和电压的变化而变化，从而导致有用信号衰减和镜像信号放大。因此必须加入高精度的频率自动校准电路，通过调整电阻阵列调节增益和带宽，通过电容阵列调节频率，从而对通带带宽和中心频率同时进行校准。

技术实现要素：

本发明的目的是为适应多模多频gnss接收机需求，设计出一种多模多频可重构active-rc复数滤波。该复数滤波器能通过程序将中心频率配置成+/-4.092mhz，带宽能配置为4mhz模式或2mhz模式，以适应多模、多系统gnss接收机的需求。

本发明主要采用如下技术方案：

一种可重构的复数滤波器，其特征在于，包括结构相同的i、q两路通滤波器，i、q两路低通滤波器通过交叉连接的电阻阵列耦合实现中心频率的搬移，通过修改控制字改变耦合电阻阵列接入的电阻大小可以调整复数滤波器的中心频率值；i路与q路的电路结构相同，每一路包括一个三阶低通切比雪夫i型滤波器以及与三阶低通切比雪夫i型滤波器输出连接的频率自调谐电路；三阶低通切比雪夫i型滤波器包括一个1阶active-rc低通滤波器和一个tow-thomas2型active-rc低通滤波器级联而成，通过调整接入的电阻值改变截止频率以及增益。

在上述的一种可重构的复数滤波器，i路三阶低通切比雪夫i型滤波器中，1阶active-rc低通滤波器包括一个全差分运算放大器a1，电阻阵列rarray1、rarray1’、rarray2、rarray2’和电容阵列carray1、carray1’构成，其中rarray1与rarray1’、rarray2与rarray2’、carray1与carray1’完全一样；通过调整电阻阵列rarray2与rarray2’接入的阻值以调节1阶低通滤波器的截止频率，调整电阻阵列rarray1与rarray1’接入的阻值以调节1阶低通滤波器的增益；rarray1一端与所述复数滤波器i支路的低通切比雪夫滤波器同相输入端(viip)相连，一端与运算放大器a1的同相输入端、rarray2、carray1相连；rarray2一端与运算放大器a1的同相输入端、carray1、rarray1相连，另一端与a1的反相输出端、电容c’、tow-thomas2型滤波器的rarray3’相连；carray1一端与a1同相输入端、rarray1、rarray2相连，另一端与a1反相输出端、电容c、tow-thomas2型滤波器的rarray3’相连；rarray1’一端与所述复数滤波器i支路的低通切比雪夫滤波器反相输入端(viin)相连，一端与运算放大器a1的反相输入端、rarray2’、carray1’相连；rarray2’一端与运算放大器a1的反相输入端、carray1’、rarray1’相连，另一端与a1的同相输出端、电容c、tow-thomas2型滤波器的rarray3相连；carray1’一端与a1反相输入端、rarray1、rarray2相连，另一端与a1同相输出端、电容c、tow-thomas2型滤波器的rarray3相连；电容c一端接地，另一端与a1同相输出端、carray1’、rarray2’、tow-thomas2型滤波器的rarray3相连；电容c’一端接地，另一端与a1反相输出端、carray1、rarray2、tow-thomas2型滤波器的rarray3’相连；c和c’是两个相同的、容值很小的电容，用于滤除高频杂波。

在上述的一种可重构的复数滤波器，i路三阶低通切比雪夫i型滤波器中，tow-thomas2型active-rc滤波器由两个全差分运算放大器a2、a3，电阻阵列rarray3、rarray3’、rarray4、rarray4’、rarray5、rarray5’、rarray6、rarray6’和电容阵列carray2、carray2’、carray3、carray3’构成，其中rarray3与rarray3’、rarray4与rarray4’、rarray5与rarray5’、rarray6与rarray6’完全一样，电容阵列carray2、carray2’、carray3、carray3’与权利要求2中的carray1、carray1’完全一样；可以通过调整电阻阵列rarray4与rarray4’接入的阻值以调节tow-thomas2型低通滤波器的截止频率，调整电阻阵列rarray3与rarray3’接入的阻值以调节tow-thomas2型低通波器的增益；rarray3一端接a1同相输出端、carray1’、rarray2’、c，一端接a2同相输入端、carray2、rarray4’；rarray3’一端接a1反相输出端、carray1、rarray2、c’，一端接a2反相输入端、carray2’、rarray4；carray2一端接a2正相输入端、rarray3、rarray4’，一端接a2反相输出端、rarray5；carray2’一端接a2反相输入端、rarray3’、rarray4，一端接a2正相输出端、rarray5’；rarray4一端接a2反相输入端、rarray3’、carray2’，另一端接carray3、rarray6、a3反相输出端；rarray4’一端接a2同相输入端、rarray3、carray2，另一端接carray3’、rarray6’、a3同相输出端；rarray5一端接a2反相输出端、carray2，另一端接a3同相输入端、carray3、rarray6；rarray5’一端接a2同相输出端、carray2’，另一端接a3反相输入端、carray3’、rarray6’；rarray6一端接a3同相输入端、carray3、rarray5,另一端接a3反相输出端、rarray4、carray3；rarray6’一端接a3反相输入端、carray3’、rarray5’,另一端接a3同相输出端、rarray4’、carray3’；carray3一端接a3同相输入端、rarray5、rarray6，另一端接a3反相输入端、rarray4、rarray6；carray3’一端接a3反相输入端、rarray5’、rarray6’，另一端接a3同相输入端、rarray4’、rarray6’；运算放大器a2正相输入端接carray2、rarray3、rarray4’，反向输入端接carray2’、rarray3’、rarray4，正相输出端接carray2’、rarray5’，反相输出端接carray2、rarray5；运算放大器a3正相输入端接carray3、rarray5、rarray6，反向输入端接carray3’、rarray5’、rarray6’，正相输出端接carray3’、rarray6’，反相输出端接carray3、rarray6。

在上述的一种可重构的复数滤波器，q路与i路结构相同，通过改变开关阵列控制的电阻耦合方式实现中心频率的搬移；当1_ii+通过电阻耦合到1_qo+,2_ii+通过电阻耦合到2_qo+,3_ii+通过电阻耦合到3_qo+,1_ii-通过电阻耦合到1_qo-,2_ii-通过电阻耦合到2_qo-,3_ii-通过电阻耦合到3_qo-,1_qi+通过电阻耦合到1_io+,2_qi+通过电阻耦合到2_io+,3_qi+通过电阻耦合到3_io+,1_qi-通过电阻耦合到1_io-,2_qi-通过电阻耦合到2_io-,3_qi-通过电阻耦合到3_io-,滤波器中心频率配置在4.092mhz；当1_ii+通过电阻耦合到1_qo-,2_ii+通过电阻耦合到2_qo-,3_ii+通过电阻耦合到3_qo-,1_ii-通过电阻耦合到1_qo+,2_ii-通过电阻耦合到2_qo+,3_ii-通过电阻耦合到3_qo+,1_qi+通过电阻耦合到1_io-,2_qi+通过电阻耦合到2_io-,3_qi+通过电阻耦合到3_io-,1_qi-通过电阻耦合到1_io+,2_qi-通过电阻耦合到2_io+,3_qi-通过电阻耦合到3_io+,滤波器中心频率配置在-4.092mhz。

在上述的一种可重构的复数滤波器，频率自调谐电路包括

时钟产生电路(tuning_clk)：用来生成其他电路模块所需要的各种不同频率的时钟信号

积分单元(integrator)：是主滤波器相应元件的复制，具有和主滤波器完全相同的时间常数

电压比较器(voltagecomparator)：用来比较积分器的输出信号和两个基准电压大小，产生相应的使能信号en和选择信号sel；

数字控制单元(counter)：由使能信号en和选择信号sel控制，用来产生控制信号b<4:0>，并将其同时反馈给积分其和需频率校正的滤波器。

在上述的一种可重构的复数滤波器，时钟产生电路tuning_clk用来生成其他电路模块所需要的各种不同频率的时钟信号,它的两个输入端由resetin和clkin与外部电路相连，从所述复数滤波器外部输入时钟信号clk和复位信号reset，它的输出端clko(包括clk1o，clk1’o,clk2o，clk2’o)分别与积分器integrator输入端clki(包括clk1i，clk1’i,clk2i，clk2’i)相连，输出端clk3o与数字控制单元counter的输入端clk3i相连；积分器integrator的结构是主滤波器中滤波单元的复制，具有和主滤波器完全一致的时间常数，它的时钟信号输入端clk1i，clk1’i,clk2i，clk2’i分别与时钟产生电路tuning_clk的clk1o，clk1’o,clk2o，clk2’o端相连，输入端ctlin<4:0>端与数字控制单元counter的输出端ctlout<4:0>相连，resetin_i端跟与或门(or2)输出端相连，vout端与电压比较器voltagecomparator的输入端vin相连；电压比较器voltagecomparator用来比较积分器integrator的输出信号和基准信号，并在eno端和selo端产生相应的使能信号en和选择信号sel到数字控制单元的eni、seli端，输入端vin与积分电路的vout端相连，参考电压输入端vrefn和vrefp端与所述滤波器外部的电压源连接，本电路中vrefn和vrefp电压分别被置为0.6v和1.2v；数字控制单元counter由使能信号en和选择信号sel控制，用来产生控制信号b<4:0>，并将其同时反馈给integrator积分器和需频率校正的滤波器以修改其接入的电容值大小；输入端resetin_c，输入复位信号reset，输入端clk3i与时钟产生电路clk3o端相连，eni、seli端分别于电压比较器的eno端和selo端相连，clear端与或门or2的输入端相连，控制字输出端ctlout<4:0>与积分器的ctlin<4:0>端相连，同时也与所述复数滤波器中的控制字输入端相连；或门or2输出端与积分器resetin_i端相连，两输入端分别于外部电路(输入reset)和数字控制单元的clear端相连；当vout端的输出电压vo>1.2v时，sel＝0，en＝0，数字控制单元做加计数，b<4:0>增加1bit；当vo<0.6v时，sel＝1，en＝0，数值控制单元做减计数，b<4：0>减小1bit；当0.6v<vo<1.2v时，sel＝0，en＝1，b<4:0>保持不变。

因此：本发明具有如下优点：滤波器的增益、带宽及中心频率可通过修改电阻或电容值灵活配置，电路的结构简单能有效降低芯片面积和功耗，且高精度频率自调谐电路能有效抑制因为工艺、电压、温度以及老化造成的滤波器频率参数漂移。

附图说明

附图1为本发明的复数滤波器电路原理图。

附图2为附图1中电容整列原理图。

附图3为本发明的自动频率调谐电路框图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明涉及的复数滤波器分为i、q两路，i、q两路通过电阻耦合，通过开关控制电阻耦合方式的大小可以调整复数滤波器的中心频率。i路与q路的电路结构完全相同，本发明仅以其中一路为例进行说明，每一路主要包括一个三阶低通切比雪夫i型滤波器及其频率自调谐电路构成。该三阶低通切比雪夫滤波器是由一个1阶active-rc低通滤波器和一个双二阶active-rc滤波器级联而成，可以通过调整接入的电阻值改变截止频率。所述滤波器的频率自调谐电路主要包括：频率自调谐电路主要包括四部分:时钟产生电路，积分单元，电压比较器和数字控制单元。其中，时钟产生电路用来生成其他电路模块所需要的各种不同频率的时钟信号；积分单元是主滤波器相应元件的复制，具有和主滤波器完全相同的时间常数；电压比较器用来比较积分器的输出信号和两个基准电压大小，产生相应的使能信号en和选择信号sel；数字单元由使能信号en和选择信号sel控制，用来产生控制信号b<4:0>，并将其同时反馈给积分其和需频率校正的滤波器。该频率自调谐电路采用主从调节方式，以离散的开关作为可调元件，使调整电路和滤波电路相互独立，不会在信号通路中引入额外的噪声，且构成部件较少，有利于实现低功耗的小芯片面积。

本发明主要有如下特点：

1、功能特点在于可重构：能通过外部程序将中心频率配置成+/-4.092mhz，带宽配置为4mhz模式或2mhz模式，以适应多模、多系统gnss接收机的需求。

2、电路结构简单，由i、q两路交叉耦合的3阶切比雪夫i型低通滤波器和频率自调谐电路构成。i、q两路通过电阻耦合，通过调节耦合电阻值的大小，可以修改所述滤波器的中心频率。

3、低功耗、芯片面积小。由于卫星导航信号频段没有强干扰，器件的热噪声为主要镜像信号，因此不需要很强的镜像抑制比，采用3阶切比雪夫低通滤波器能够达到所需的镜像抑制效果，在满足接收机要求的情况下使功耗和芯片面积尽可能小。

4、权3切比雪夫阶切比雪夫i型滤波器的性能在于频率精度高。所述低通滤波器中的电容采用电容整列的形式，通过固定电容加5bit开关控制的可变电容相结合的形式，能克服由于电压、温度、工艺和器件老化等原因造成的频率偏移，能使调谐精度控制在4％以内。

5、5bit电容由电容阵列控制字b<4：0>控制，该控制字由片上频率自调谐电路产生。所述频率自调谐电路的主要构成部分包括:时钟产生电路，积分单元，电压比较器和数字控制单元，构成模块较少，有利于实现低功耗和小面积。时钟产生电路用来生成其他电路模块所需要的各种不同频率的时钟信号；积分单元是主滤波器相应元件的复制，具有和主滤波器完全相同的时间常数；电压比较器用来比较积分器的输出信号和两个基准电压大小，产生相应的使能信号en和选择信号sel；数字单元由使能信号en和选择信号sel控制，用来产生控制信号b<4:0>，并将其同时反馈给积分其和需频率校正的滤波器。

下面结合附图进行具体说明。

附图1为所述复数滤波器电路i支路的原理图，它是一个三阶低通切比雪夫i型滤波器，由一个1阶active-rc低通滤波器(1^storderlpf)和一个双二阶active-rc滤波器(biquad)级联而成。1阶active-rc低通滤波器由一个全差分运算放大器a1，电阻阵列rarray1、rarray1’、rarray2、rarray2’和电容阵列carray1、carray1’构成，其中rarray1与rarray1’、rarray2与rarray2’、carray1与carray1’完全一样。rarray1一端与所述复数滤波器i支路的低通切比雪夫滤波器正输入端(vip)相连，一端与运算放大器a1的正向输入端相连。rarray2一端与运算放大器a1的正向输入端相连，另一端与a1的反向输出端相连。carray1一端与a1正向输入端相连，另一端与a1反向输出端相连。rarray1一端与所述辅助滤波器i支路的正输入端相连，一端与运算放大器a1的正向输入端相连。rarray2一端与运算放大器a1的正向输入端相连，另一端与a1的反向输出端相连。carray1一端与a1正向输入端相连，另一端与a1反向输出端相连。rarray1’一端与所述辅助滤波器i支路的低通切比雪夫滤波器负输入端(vin)相连，一端与运算放大器a1的反向输入端相连。rarray2’一端与运算放大器a1的反向输入端相连，另一端与a1的正向输出端相连。carray1’一端与a1反向输入端相连，另一端与a1正向输出端相连。运算放大器a1正向输入端接rarray1、rarray2、carray1，反向输入端接rarray1’、rarray2’、carray1’，a1反向输出接rarray2、carray1、c’、rarray3’，a1正向输出接rarray2’、carray1’、c、rarray3。c一端接a1正向输出端，一端接地；c’一端接a1反向输出端，一端接地；c＝c’，是两个很小的电容用于滤掉高频杂波。双二阶active-rc滤波器由两个全差分运算放大器a2、a3，电阻阵列rarray3、rarray3’、rarray4、rarray4’、rarray5、rarray5’、rarray6、rarray6’和电容阵列carray2、carray2’、carray3、carray3’构成，其中rarray3与rarray3、rarray4与rarray4’、rarray5与rarray5’、rarray6与rarray6’完全一样，carray2、carray2’、carray3、carray3’还有前文提到的carray1、carray1’完全一样。rarray3一端接a1正向输出，一端接a2正向输入。rarray3’一端接a1反向输出，一端接a2反向输入。carray2一端接a2正向输入，一端接a2反向输出。carray2’一端接a2反向输入，一端接a2正向输出。a2正向输入端接rarray3、carray2、rarray4’，a2反向输入端接rarray3’、carray2’、rarray4，a2正向输出端接carray2’、rarray5’，a2反向输出端接carray2、rarray5。rarray5一端接a2反向输出端，一端接a3正向输入端。rarray5’一端接a2正向输出端，一端接a3反向输入端。carray3一端与a3正向输入端相连，另一端与a3反向输出端相连。rarray6一端与a3正向输入端相连，另一端与a3反向输出端相连。carray3’一端与a3反向输入端相连，另一端与a3正向输出端相连。rarray6’一端与a3反向输入端相连，另一端与a3正向输出端相连。a3正向输入端接rarray5、rarray6、carray3，a3反向输入端接rarray5’、rarray6’、carray3’、低通切比雪夫滤波器的正向输出端(vop),a3反向输出端接rarray4、rarray6、carray3、低通切比雪夫滤波器的反向输出端(von)，a3正向输出端接rarray4’、rarray6’、carray3’。rarray4一端接a2反向输入端，一端接a3反向输出端。rarray4’一端接a2正向输入端，一端接a3正向输出端。通过配置接入电阻整列的阻值，能够调节所述切比雪夫低通滤波器的带宽。

附图2为附图1中提到的电容整列原理图，包括6个电容(c0、δc、2δc、4δc、8δc、16δc)和5个开关(s1-s5)。所述开关由附图3所述电路的输出b<4：0>控制，s1-s5分别受b<0>-b<4>控制，当输入为高电平时开关导通，与之串联的电容接入滤波器。

附图3为所述频率自调谐电路auto_tuning的框图，其主要构成部分包括:时钟产生电路(tuning_clk)，积分单元(integrator)，电压比较器(voltagecomparator)和数字控制单元(counter)。时钟产生电路用来生成其他电路模块所需要的各种不同频率的时钟信号,它的两个输入端由resetin和clkin与外部电路相连，从外部输入时钟信号clk和复位信号reset，它的输出端clko(包括clk1o，clk1’o,clk2o，clk2’o)分别于积分器输入端clki(包括clk1i，clk1’i,clk2i，clk2’i)相连，输出端clk3o与数字控制单元的输入端clk3i相连。积分单元是主滤波器相应元件的复制，具有和主滤波器完全一致的时间常数，它的时钟信号输入端clk1i，clk1’i,clk2i，clk2’i分别与时钟产生电路的clk1o，clk1’o,clk2o，clk2’o端相连，输入端ctlin<4:0>端与数字控制单元的输出端ctlout<4:0>相连，resetin_i端与与或门(or2)输出端相连，vout端与电压比较器的输入端vin相连。电压比较器用来比较积分器的输出信号和基准信号，并在eno端和selo端产生相应的使能信号en和选择信号sel到数字控制单元的eni、seli端，输入端vin与积分电路的vout端相连，参考电压输入端vrefn和vrefp端与外部相连，本电路中电压分别被置为0.6v和1.2v。数字控制单元由使能信号en和选择信号sel控制，用来产生控制信号b<4:0>，并将其同时反馈给积分器和需频率校正的滤波器。输入端resetin_c，输入复位信号reset，输入端clk3i与时钟产生电路clk3o端相连，eni、seli端分别于电压比较器的eno端和selo端相连，clear端与或门or2的输入端相连，控制字输出端ctlout<4:0>与积分器的ctlin<4:0>端相连，同时也与所述复数滤波器中的控制字输入端相连。或门or2输出端与积分器resetin_i端相连，两输入端分别于外部电路(输入reset)和数字控制单元的clear端相连。当vout端的输出电压vo>1.2v时，sel＝0，en＝0，数字控制单元做加计数，b<4:0>增加1bit；当vo<0.6v时，sel＝1，en＝0，数值控制单元做减计数，b<4：0>减小1bit；当0.6v<vo<1.2v时，sel＝0，en＝1，b<4:0>保持不变。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。