专利名称：控制环路滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制环路滤波器。
背景技术：
一个或多个控制环路被提供在许多技术设备中，尤其是被提供在信号接收机中。
图1示出根据现有技术的控制环路。控制环路的装置从存在于输入E处的输入信号中减去反馈信号，该反馈信号由内部环路滤波器输出。例如在载波频率控制的环路中，该装置由减少受控系统的输入信号的载波频率偏差的混频器形成。
由混频器或减法器所产生的控制差或控制偏差经由受控系统到达控制环路的输出A。该受控系统的输出信号(或受控变量)由环路滤波器进行滤波并且作为反馈信号输出到减法器。环路滤波器或控制器将控制环路的输出信号反馈回输入。以取决于要被控制的受控系统的方式来选择环路滤波器或控制器进行选择。如在图1中所描述的根据现有技术的控制环路包括由比例(P)控制器、积分(I)控制器和微分(D)控制器所构成的PID控制器。
由PID控制器或环路滤波器输出的反馈信号从输出信号中如下得出xR(t)=KPxa(t)+KI∫xa(t)dt+KDdxa(t)dt---(1)]]>其中KP、KI、KD表示控制器的传递值(transfer value)或控制参数。
环路滤波器的传递函数如下所示HR(s)=KP+KIs+KDs=KD·s2+KPS+KIs---(2)]]>图1示出了具有PID控制器的控制环路，其中比例控制器、积分控制器和微分控制器并联连接在环路滤波器中。这种类型的环路滤波器可以通过并联连接更多的信号支路来扩展，举例来说，其中串联多个积分器或微分器。环路滤波器或控制器的选择取决于要被控制的受控系统。具有延迟传递响应(delaying transfer response)的受控系统需要I或PI控制器。尽管利用P控制器管理具有积分作用的受控系统，但是利用PI控制器也可能获得某些附加的改善。在许多控制任务中，考虑到实现复杂性、处理和可获得的效果，PID控制器是有利的。
如图1中所描述的根据现有技术的控制环路可以数字或模拟形式来构成。控制环路尤其是被用于信号接收机中。根据不同的需求必须对这些控制环路进行不同的设置。在对输入信号进行调节的情况下，首先以所谓的捕获模式(acquisition mode)来设置控制环路，以这样的一种方式会尽可能地快，换句话说，以这样的一种方式，尽可能地快得使控制偏差最小化。然后，控制环路的控制器以粘滞的或缓慢的这样一种方式来设置，以便对控制偏差的干扰实现好的抑制。该控制器或环路滤波器是借助控制参数KP、KI、KD来设置的。
在许多应用中，积分电路包括多种多样的控制环路。举例来说，通常在数字接收机上提供用于模拟增益设置的控制环路、用于数字增益设置的另外的控制环路、用于载波频率设置的控制环路、用于载波相位设置的控制环路、以及最后用于时钟相位设置的另一控制环路。此外，更多的控制环路被提供用于接收机内的信道评估。
因此，在许多应用电路中，尤其是在接收机中，必需设置多于六个的控制环路，而且这些控制环路彼此之间相互影响。如果该多于六个控制环路中的每一个控制环路有PI控制器或PI环路滤波器，那么多于12个控制参数必须被设置。如果给每个控制环路都装备PID控制器，那么用户必须设置多于18个控制参数。就PID平方控制器(PID squared controller)而论，甚至必需设置多于24个控制参数。控制参数的设置引起控制环路的截止频率的变化并且也引起控制环路的滤波器的频响特性或滤波器特性的变化，这个变化对于用户来说是很难预见的。
发明内容
本发明的目标是提供一种控制环路，用户能够以相对简单的方式调节该控制环路的滤波器的频响特性和该控制环路的截止频率。
依照本发明借助控制环路可以实现这个目标，该控制环路具有用于滤波输入信号的可调节的滤波器的频响特性和可调节的截止频率，该控制环路包括装置，该装置从要被滤波的输入信号中减去反馈信号，以产生控制差信号，该控制差信号被施加到受控系统，该受控系统的输出信号形成控制环路的已滤波的输出信号，并且该输出信号由环路滤波器进行滤波，以产生反馈信号，环路滤波器可借助滤波系数组来设置，该滤波系数组在所有情况下都具有至少一个滤波系数，每个滤波系数都取决于设置参数，针对该控制环路的滤波器的频响特性的设置可能选择滤波系数组，并且以取决于设置参数的方式在外部设置该控制环路的截止频率。
控制环路可以有附加的存储器，针对该控制环路的每个可调节的滤波器的频响特性或针对该控制环路的每个可调节的滤波器类型，一组系数方程被存储在该存储器中。
在这种情况下，针对环路滤波器的每个滤波系数，在所有情况下针对每种滤波器类型可在存储器中存储系数方程。
在这种情况下，每个所存储的系数方程规定了所述环路滤波器的所述滤波系数与所述外部设置参数的相关性。
在本发明的控制环路的所限制的方案中，以取决于用于选择滤波器的频响特性或选择滤波器类型的外部选择信号的方式从存储器中能够读出滤波器类型的滤波系数方程。
该环路滤波器的滤波系数借助于所选择的滤波器类型的滤波系数方程来设置，该滤波系数方程以取决于在外部施加的设置参数的方式从存储器中被读出。
该环路滤波器可以有至少一个乘法器，该乘法器在所有情况下以取决于所述设置参数的方式将滤波系数组乘以受控系统的输出信号。
在这种情况下，该乘法器可以仅通过比例控制器、积分控制器或微分控制器被连接到所述环路滤波器的加法器。
该环路滤波器可以是PID环路滤波器。
在本发明的控制环路的进一步所限制的方案中，该控制环路(环路滤波器)有至少一个多路复用器，该多路复用器在输出侧通过比例元件、积分器或微分器被连接到环路滤波器的加法器，并且该多路复用器在输入侧被连接到多个并联的计算电路，以取决于外部选择信号的方式，一个计算电路被直通连接到环路滤波器的输入。
优选地，并联的计算电路的数目与控制环路的可设置的滤波器类型的数目相一致。
优选地，所有情况下的每个计算电路以取决于设置参数的方式计算环路滤波器的滤波系数。
该环路滤波器可以有乘法器，该乘法器将设置参数与受控系统的输出信号相乘，并且将该所乘积的信号输出给环路滤波器的所有计算电路。
该控制环路可以有IIR滤波器的频响特性。
本发明的控制环路可以是模拟设计或数字设计的控制环路。
所存在的存储器可通过接口来编程。
本发明的控制环路的受控系统可以由信号延迟路径形成。
在本发明的控制环路的一个优选实施例中，该可调节滤波器的频响特性其中可优选地被设置为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器或椭圆形滤波器。
本发明的控制环路可被集成在芯片上。
图1如所讨论的是关于根据现有技术的控制环路；图2是本发明的控制环路的第一实施例；图3是本发明的控制环路发明的可替换的实施例；图4是根据如图3中所描述的第一实施例的控制环路的传递响应；图5是本发明的控制环路的另一示例性实施例；图6是具有切比雪夫滤波器的频响特性的本发明的控制环路的另一个示例性实施例；图7A、7B是如图6中所描述的本发明的控制环路的两个可变换的滤波特性。
具体实施例方式
图2示出根据本发明的控制环路1的第一实施例。该控制环路1用于对施加到控制环路的信号输入2的输入信号进行滤波。要被滤波的输入信号被馈送给根据本发明的控制环路1的内部受控环路3。在该情况下，输入信号可以是复值。受控环路3可以通过诸如图1中所描述的根据现有技术的控制环路来形成。该受控环路3包括装置4，该装置4从存在于信号输入2处的且要被滤波的输入信号中减去反馈信号xR，以产生控制差信号xd。该控制差值信号通过减法器4被施加到受控系统5。装置4优选的是减法器。在可替换的实施例(未示出)中，该装置4由混频器形成，在这个实施例中，载波相位检测器或载波频率检测器也可以另外被提供在环路滤波器7的反馈路径上游中。作为替换方案，装置4由再抽样滤波器或协调旋转数字计算机(Cordic)电路形成。受控系统5优选的是信号延迟路径。受控系统5的输出信号经由线路被输出到控制环路1的信号输出6。此外，由受控系统5输出的控制信号经由线路被施加到受控环路3的环路滤波器7，该环路滤波器7对受控系统5的输出信号进行滤波，以产生反馈信号。该环路滤波器7优选的是PID环路滤波器。该环路滤波器7借助于滤波系数或借助于控制参数经由设置线路8来设置。除了受控环路3之外，根据图2中所描述的第一实施例的本发明的控制环路1还包括存储器9。
在存储器9中存储N个系数方程，每个方程都定义滤波器特性或滤波器类型。举例来说，第一滤波器特性展示了巴特沃斯滤波器的频响特性，并且第二滤波器特性描述了切比雪夫滤波器的频响特性。滤波器特性或系数方程也可以规定相应滤波器类型的变型，例如规定具有高度超调的切比雪夫滤波器或具有低超调特性的切比雪夫滤波器。存储在存储器9中的每个摅波器特性包括相关的针对要被设置的环路滤波器7的每个滤波系数的系数方程。如果在环路滤波器7中要设置M个滤波系数Ki，那么存储在存储器9中的每个滤波器特性包括M个系数方程。每个系数或参数方程依次规定环路滤波器7的滤波系数与外部设置参数(Kin)的相关性。
根据本发明的控制环路1有设置输入10，经由该设置输入10用户或控制环路1被结合到其中的装置能设置或改变该设置参数Kin。
存储在存储器9中的滤波器特性之一由用户经由选择或地址线11来选择。存储器9的各种滤波器特性预先优选地经由接口12被编程到存储器9中。用户选择所期望的滤波器特性并且通过变更单个外部设置参数(Kin)来设置多种多样的环路参数或滤波系数。因此，在根据本发明的控制环路1的情况下，不同于现在，用户不再分别设置环路滤波器7的多种多样的环路参数或滤波系数，而是选择滤波器类型，然后根据本发明，仅仅改变单个设置参数Kin。用户或应用软件将选择信号和设置参数(Kin)传递给根据本发明的控制环路1，该选择信号用于选择滤波器类型，而该设置参数(Kin)用于设置根据本发明的控制环路1的频率带宽。该控制环路有高通滤波器传递响应，高通滤波器传递响应的截止频率fg通过可在外部设置的设置参数Kin来改变。由于用户必须仅改变单个控制参数或设置参数Kin的事实，根据本发明的控制环路1的设置相比如图1中所描述的传统受控环路被大大简化。特别是在包含多种多样的控制环路的接收机的情况下，用户或应用软件需要每个控制环路仅仅一个设置参数，因此显著地易于或加速接收机的设置。
图3示出根据图2中所描述的第一实施例的本发明的控制环路的实施方案。环路滤波器7由PID控制器形成，如图3所示。环路滤波器7对受控系统5的输出信号进行滤波，以产生反馈信号。在这种情况下，环路滤波器7包含第一乘法器7-1、第二乘法器7-2和第三乘法器7-3。在输出侧，第一乘法器7-1被连接到比例元件7-4。在第二乘法器7-2的情况下，积分器7-5被连接到下游。微分器7-6被连接到第三乘法器7-3的下游。比例元件7-4的输出信号、积分器7-5的输出信号和微分器7-6的输出信号经由线路被馈送到加法器7-7，该加法器7-7将这些信号相加，以形成反馈信号。在环路滤波器7中所提供的乘法器7-1、7-2、7-3分别将受控系统5的输出信号Xa乘以滤波系数或控制参数KP、KI、KD。滤波系数KP、KI、KD通过设置线路8-1、8-2、8-3来施加。用户经由地址线11选择一组被存储在存储器9中的系数方程，并且经由设置输入10来设置外部设置参数Kin。借助于从存储器9中读出的系数方程，以取决于已被设置的外部参数Kin的方式来计算环路滤波器7的滤波系数KP、KI、KD。每组系数方程与所期望的具有预定的滤波器的频响特性的滤波器类型相一致。所期望的截止频率fg通过设置参数Kin的设置来设置。
其中受控系统5是延迟的巴特沃斯滤波器的特征函数如下被给出H(S)H(-s)＝(64s2-32s4+4s6)(-64Ki2+64s2-64ki s2-128kd ki s2+48ki2s2+128kp s2+64ki kp s2+64kp2s2-32s4-192kd s4-64kd2s4+32ki s4-12Ki2s4-64kd kp s4-32ki kp s4-32kp2s4+4s6-16kd s6+16kd2s6-4ki s6+8kd ki s6+ki2s6-8kp s6+16kd kp s6+4ki kp s6+4kp2s6)(3)如果幂s6、s4和s2相同，则方程(2)中表示的函数表示巴特沃斯高通滤波器。对方程系统和随后的关于Ki＝Kin＝0的泰勒级数展开进行求解而得到kp=-Kin2(72+Kin)64(8+Kin),]]>
ki＝KinKD=Kin264]]>这个特性作为一组系数方程被存储在存储器9中。
通过用户经由选择线11从存储器9中读出相应的系数方程组或相应的滤波器特性，用户或应用软件根据巴特沃斯滤波器的频响特性来设置控制环路l的滤波器的频响特性。巴特沃斯高通滤波器的截止频率fg随后通过外部设置参数Kin的设置来改变。
图4示出，在改变设置参数Kin的情况下，具有已被选择的巴特沃斯高通滤波器的频响特性的本发明的控制环路1的传递响应。当设置参数上升时，控制环路1的传递函数H(f)的3分贝截止频率fg增加。因此对于用户来说，通过选择所期望的滤波器的频响特性和通过随后对外部设置参数Kin的设置来设置截止频率fg或带宽是非常简单的。
通过对存储器9进行编程，可能使得多种多样不同的滤波器特性或滤波器类型可用于广泛的各种应用。因此，对于不同应用领域来说，能够特别灵活地使用根据图3的本发明的控制环路l。
而且，根据第一实施例的本发明的控制环路1的进一步优点在于以下事实，即能够使用任意的受控环路3来创建具有可以特别简单的方式设置的任意的滤波器的频响特性的信号滤波器。因此，根据第一实施例的本发明的控制环路1能够将通常的受控环路3变成广泛使用的、容易设置的信号滤波器。
图5示出根据本发明的控制环路1的可替换的实施例。
在图5中所描述的第二实施例的情况下，并未提供如在图2中所述的第一实施例中的存储器9，而滤波系数借助硬件计算电路来计算。这些计算电路被装备在环路滤波器7内。由受控系统5输出的输出信号xa借助环路滤波器7的乘法器7-8乘以在外部可设置的设置参数Kin。与图3中所描述的第一实施例的环路滤波器7相比，图5中所描述的第二实施例的环路滤波器7仅仅有一个乘法器。这就减少了硬件费用。根据第二实施例的环路滤波器7有多个多路复用器7-9、7-10、7-11，第一多路复用器7-9经由比例元件7-4被连接到环路滤波器7的加法器7-7，第二多路复用器7-10经由积分器7-5被连接到环路滤波器7的加法器7-7而第三多路复用器7-11经由微分器7-6被连接到环路滤波器7的加法器7-7。每个多路复用器有为了选择多路复用器输入而将选择信号SEL施加给其的控制输入。每个多路复用器具有在所有情况下被连接到计算电路的输出的数目为N的多路复用器输入。并联且被连接到多路复用器的计算电路的数目与根据第二实施例的本发明的控制环路1的可设置的滤波器类型的数目相一致。每个计算电路以取决于外部设置参数Kin的方式来计算环路滤波器7的滤波系数。在图5中所描述的第二实施例的情况下，分别被连接到多路复用器7-9、7-10、7-11的第一输入的计算电路具有如下的计算函数x1(7-9)=∫p1(Kin)KIN=1kIN(-1)kIN272+Kin)64(8+Kin)---(4)]]>x2(7-18)=∫p2(Kin)Kin=KinKin=1---(5)]]>x3(7-27)=∫p3(Kin)Kin=1KinKin264=Kin64---(64)]]>图6示出如图5中所描述的根据本发明的控制环路1的第二实施例的特殊实施方案。在图6中所描述的实施方案的情况下，根据本发明的控制环路1有切比雪夫滤波器的频响特性。控制环路1的环路滤波器7是具有反相器形式的比例元件7-4、积分电路7-5和微分器7-6的PID控制器。借助于环路滤波器7的乘法器7-8，受控系统5的输出信号乘以外部设置参数Kin并且被施加到移位寄存器7-12的信号输入。移位寄存器7-12是根据选择信号SEL将所施加的信号向右移动一位或两位的移位寄存器。因此，根据选择信号SEL，移位寄存器7-12执行除以值二的除法或除以值四的除法。移位寄存器7-12的输出信号一方面被馈送到反相器7-4，而另一方面被馈送到第二移位寄存器7-13。移位寄存器7-13将所施加的信号向右移动一位，以致总是实现除以值二的除法。与移位寄存器7-12相比，移位寄存器7-13不能以可变的形式来设置，而是总是执行将位向右移动一位。
如果选择信号SEL是逻辑低，则利用以下方程设置滤波器特性Bxp=-Kin2xa---(7)]]>
Xint＝KinXa(8)xDIFF=Kin4xa---(9)]]>如果选择信号SEL变成逻辑高，则移位寄存器7-12由于实现将位向右移动2位来执行除以四的除法。这得到滤波器特性A，其中xp=-Kin4---(10)]]>Xint＝Kin(11)xDIFF=Kin8---(12)]]>图7A、7B示出了如图6中所示的作为切比雪夫滤波器的根据第二实施例的本发明的控制环路1的实施方案的传递响应。如果选择控制信号SEL是逻辑高，则滤波器特性A被设置，而在逻辑低的选择信号SEL的情况下，滤波器特性B被设置。在通带频率范围中，滤波器特性A有小的传递函数的波动(纹波)。相反，在通带频率范围中，滤波器特性B有相对大的传递函数波动。取决于需求，用户能够通过设置选择信号SEL在切比雪夫高通滤波器的滤波器特性A或滤波器特性B之间进行选择。通过改变设置参数Kin，用户能以简单的方式附加地设置高通滤波器的截止频率fg。通过增加设置参数Lin，控制环路1的截止频率fg或带宽被增加。用户不会直接通过设置滤波系数来设置控制环路1的滤波器性质，而是，以取决于能够在外部设置的设置参数Kin的方式，通过选择所期望的滤波器特性，并随后通过设置这个滤波器特性的所期望的截止频率fg来设置控制环路1的滤波器性质。图6中所描述的实施例示出数字结构的控制环路1。在可替换的实施例中，根据本发明的控制环路1也可以是模拟结构。借助本发明的控制环路1，任何期望的滤波器特性都能被实施。环路滤波器7可以是任意结构的控制器。如由图6中所描述的示例性实施例可以证明的那样，在具有本发明的控制环路1的电路上，可能以低费用实现滤波器特性。
尽管本领域的技术人员可以提出修改和改变，但本发明者的意图是在据此被授权的专利内包含如合理地并且适当地落入他对现有技术的贡献的范围内的所有改变和修改。
权利要求
1.一种具有滤波器的频响特性和截止频率的反馈控制环路，其包括控制下的系统，用于响应于控制差信号产生作为所述反馈控制环路的输出信号的输出信号；环路滤波器，用于响应于所述输出信号产生反馈信号；以及减法装置，用于通过从被馈送到所述反馈控制环路的输入信号中减去所述反馈信号来产生所述控制差信号；所述环路滤波器可借助滤波系数组进行调节，该滤波系数组在所有情况中都具有至少一个滤波系数，每个滤波系数都取决于设置参数，以致滤波系数组可以被选择，该滤波系数组用于调节所述反馈控制环路的所述滤波器的频响特性，并且以取决于所述设置参数的方式能够在外部调节所述反馈控制环路的所述截止频率。
2.如权利要求1所述的反馈控制环路，包括存储器，该存储器存储针对所述可调节的滤波器的频响特性中的每个滤波器的频响特性的系数方程。
3.如权利要求2所述的反馈控制环路，其中，针对所述环路滤波器的所述滤波系数中的每个滤波系数，在所有情况下，针对所述滤波器的频响特性每个滤波器的频响特性在所述存储器中存储相关的系数方程。
4.如权利要求3所述的反馈控制环路，其中所述所存储的系数方程中的每个系数方程均规定了所述环路滤波器的所述滤波系数之一与所述外部设置参数的相关性。
5.如权利要求4所述的反馈控制环路，其中以取决于用于选择所述滤波器的频响特性的外部选择信号的方式能够从所述存储器中读出针对所述反馈控制环路的所述滤波器的频响特性的所述滤波系数方程。
6.如权利要求5所述的反馈控制环路，其中所述环路滤波器的所述滤波系数以取决于所述所施加的设置参数的方式借助从所述存储器中读出的所述所选择的滤波器的频响特性的所述滤波系数方程来设置。
7.如权利要求1所述的反馈控制环路，其中所述环路滤波器包括至少一个乘法器，用于在所有情况下将以取决于所述设置参数的方式设置的所述滤波系数乘以所述控制下的系统的所述输出信号。
8.如权利要求7所述的反馈控制环路，其中所述至少一个乘法器经由比例元件、积分器或微分器被连接到所述环路滤波器的加法器。
9.如权利要求1所述的反馈控制环路，其中所述环路滤波器是PID环路滤波器。
10.如权利要求1所述的反馈控制环路，其中所述环路滤波器有至少一个多路复用器，该多路复用器在其输出侧经由比例元件、积分器或微分器被连接到所述环路滤波器的加法器，而该多路复用器在其输入侧被连接到多个并联的计算电路，以取决于外部选择信号的方式，所述计算电路中的每个计算电路被直通连接到所述多路复用器的所述输入。
11.如权利要求10所述的反馈控制环路，其中所述并联的计算电路的所述数目与所述反馈控制环路的可调节的滤波器类型的数目相一致。
12.如权利要求10所述的反馈控制环路，其中所有情况下的所述计算电路中的每个计算电路以取决于所述设置参数的方式计算所述环路滤波器的滤波系数。
13.如权利要求10所述的反馈控制环路，包括乘法器，用于通过将所述设置参数乘以所述输出信号来产生乘法器输出信号；所述乘法器将所述乘法器输出信号输出到所述环路滤波器的所述计算电路的每个计算电路。
14.如权利要求1所述的反馈控制环路，有IIR滤波器的频响特性。
15.如权利要求1所述的反馈控制环路，模拟设计或数字设计该反馈控制环路。
16.如权利要求2所述的反馈控制环路，其中所述存储器通过接口可编程。
17.如权利要求1所述的反馈控制环路，其中所述控制下的系统是信号延迟路径。
18.如权利要求1所述的反馈控制环路，其中所述反馈控制环路的所述可调节的滤波器的频响特性与巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器或椭圆形滤波器相一致。
19.如权利要求1所述的反馈控制环路，其被集成在芯片上。
20.如权利要求1所述的反馈控制环路，其中所述减法装置是减法器、混频器、再采样滤波器或协调旋转数字计算机电路。
全文摘要
具有滤波器的频响特性和截止频率的反馈控制环路包括控制下的系统，用于响应于控制差信号产生作为反馈控制环路的输出信号的输出信号；环路滤波器，用于响应于输出信号产生反馈信号；以及减法装置，用于通过从被馈送到反馈控制环路的输入信号中减去反馈信号来产生控制差信号。所述环路滤波器可借助滤波系数组来调节，该滤波系数组在所有情况下都具有至少一个滤波系数，每个滤波系数都取决于设置参数，以致用于调节反馈控制环路的滤波器的频响特性的滤波系数组可以被选择，并且以取决于设置参数的方式可在外部调节反馈控制环路的截止频率。
文档编号H04B1/16GK1797242SQ200510129130
公开日2006年7月5日 申请日期2005年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者A·门克霍夫 申请人:因芬尼昂技术股份公司