CN102404008B - 信号处理装置及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一信号处理装置及信号处理方法。信号处理装置包含三角积分调变模块及带阻滤波模块，该三角积分调变模块用以对信号输入进行三角积分调变，并据以产生信号输出，该带阻滤波模块系用以对该信号输出进行带阻滤波操作，并据以产生滤波信号输出。另一信号处理装置包含三角积分调变模块及带阻滤波模块，三角积分调变模块系用以对一信号输入进行三角积分调变，并据以产生信号输出，当该信号处理装置操作于第一操作模式时，启用该带阻滤波模块以进行带阻滤波操作，以及当该信号处理装置操作于第二操作模式时，停用该带阻滤波模块。本发明能够对一个频率接近一有用信号成份的频率的干扰信号成分进行衰减，从而降低芯片面积与电流消耗。

Description

信号处理装置及信号处理方法

技术领域

本发明关于噪声滤波处理，尤其关于具有三角积分调变模块结合带阻滤波模块的信号处理装置以及其相关信号处理方法。

背景技术

任何的干扰信号成分(unwanted signal component)往往被视为噪声(noise)，其可能限制了系统处理微弱的有用信号成分(weak wanted signal component)的能力。一般来说，噪声源可包含随机噪声(random noise)(例如，闪烁噪声(flickernoise)与热噪声(thermal noise)等)、混波器噪声(mixer noise)、不希望出现的交叉耦合噪声(cross-coupling noise)以及电源供应噪声(power supply noise)等。为了避免有用信号成分的劣化(degradation)，因此，噪声抑制(noisesuppression)的技术便会被采用。然而，用以得到良好噪声抑制而附加的电路组件(例如模拟域(analog domain)中实作的有源滤波器(active filter))通常会耗费大量的芯片面积与大量的电流。因此，需要一种具有可降低芯片面积与电流消耗的创新设计。

发明内容

有鉴于此，有必要提出一种具有三角积分调变模块结合带阻滤波模块的信号处理装置以及其相关信号处理方法，以解决上述问题。

依据本发明的第一层面，其揭示一种信号处理装置。该信号处理装置包含一三角积分调变模块以及一带阻滤波模块。该三角积分调变模块用以对一输入信号进行三角积分调变操作，并据以产生一输出信号。该带阻滤波模块用以对该输出信号进行带阻滤波操作，并据以产生一滤波输出信号。

依据本发明的第二层面，其揭示一种信号处理方法。该信号处理方法包含：对一输入信号进行三角积分调变操作，并据以产生一输出信号；以及对该输出信号进行一带阻滤波操作，并据以产生一滤波输出信号。

依据本发明的第三层面，其揭示一种信号处理装置。该信号处理装置包含一三角积分调变模块以及一带阻滤波模决。该三角积分调变模块用以对一输入信号进行三角积分调变操作，并据以产生一输出信号。当该信号处理装置操作于一第一操作模式时，启用该带阻滤波模块以对该输出信号进行带阻滤波操作并据以产生一滤波输出信号，以及当该信号处理装置操作于一第二操作模式时，停用该带阻滤波模块。

依据本发明的第四层面，其揭示一种信号处理方法。该信号处理方法包含：对一输入信号进行三角积分调变操作，并据以产生一输出信号；当一第一操作模式启动时，启用一带阻滤波操作以处理该输出信号并据以产生一滤波输出信号；以及当一第二操作模式启动时，停用该带阻滤波操作以中止处理该输出信号。

上述的信号处理装置及信号处理方法，能够利用三角积分调变与带阻滤波操作的组合，得以对一个频率接近一有用信号成份的频率的干扰信号成分进行衰减，从而降低芯片面积与电流消耗。

附图说明

图1为本发明信号处理装置的第一实施例的示意图；

图2为信号处理装置在Z转换定义域中的模型示意图；

图3为本发明信号处理装置的第二实施例的示意图；

图4为本发明信号处理装置的第三实施例的示意图；

图5为具有带阻滤波的三角积分调变的噪声转移函数的滤波抑制特性的示意图；

图6为未具有带阻滤波的三角积分调变的噪声转移函数的滤波抑制特性的示意图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接/电性连接」一词在此为包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置电性连接于一第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或透过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。

请参阅图1，图1为本发明信号处理装置的第一实施例的示意图。信号处理装置100包含(但不局限于)三角积分调变模块(sigma-delta modulating block)102以及带阻滤波模块(notch filtering block)104。三角积分调变模块102用以对一输入信号S_IN进行三角积分调变(sigma-delta modulation)，并据以产生一输出信号S_OUT。带阻滤波模块104耦接至三角积分调变模块102，用以对输出信号S_OUT进行带阻滤波操作(notch filtering operation)，并据以产生一滤波输出信号(filtered signal output)FS_OUT。三角积分调变模块102与带阻滤波模块104的组合得以对一个频率接近一有用信号成份的所需频率的干扰信号成分进行衰减。

关于具有带阻滤波的三角积分调变操作可由以下方式简单地实现。请参阅图2，图2为信号处理装置100在Z转换定义域(Z-transform domain)中的模型示意图。输入信号S_IN以X(Z)来表示，以及滤波输出信号FS_OUT以Y(Z)来表示。具体来说，量化器(quantizer)Q的输出会经由带阻滤波处理，接着会作为滤波输出信号Y(Z)。三角积分调变与带阻滤波操作的组合会具有下列所示的一信号转移函数(signal transfer function，STF)与一噪声转移函数(noise transferfunction，NTF)：

STF＝1(1)

NTF＝1+H(Z)＝(1-Z^-1)^k(1+Z^-n)^m    (2)

于上述的方程式(1)与方程式(2)中，k代表三角积分调变的阶数，n为控制多个陷波频率(notch frequency)之间的间距(spacing)的数值，以及m代表带阻滤波操作所提供的截止频带(stopband)的个数。举例来说，在三角积分调变模块102应用一个三阶(third-order)三角积分调变的情形下，参数k等于3。而关于带阻滤波操作，其是一种允许除了那些具有中央位于一中心频率(center frequency)的至少一截止频带的频率之外的其他所有频率通过的滤波操作，此外，在带阻滤波模块104应用两个陷波(notch)至其输入的情形下，参数m会等于2。如方程式(2)所示，(1-Z^-1)^k是由三角积分调变所主导，而(1+Z^-n)^m则是由带阻滤波操作所主导。关于所需的陷波频率(notch frequency)f(亦即带阻滤波操作中一特定截止频带的中心频率)，则可依据下列方程式来计算。

1+Z^-n＝0(3)

Z^-n＝-1(4)

$\cos 2\mathrm{\π}\left(\frac{\mathrm{nf}}{F_S}\right)+j\sin 2\mathrm{\π}\left(\frac{\mathrm{nf}}{F_S}\right)=-1---\left(5\right)$

因此，第i阶的截止频带的一中心频率与一取样时钟频率(sampling clockfrequency)Fs(例如，在三角积分调变所使用的量化器/比较器(comparator)的一时钟频率)会满足下列方程式：

$f=\frac{2i+1}{2n}\mathrm{Fs},i=\mathrm{0,1,2},...---\left(6\right)$

值得注意的是，参数k、m以及n须被正确地设计以满足运用图1所示的信号处理装置100的一特定应用的需求。进一步的说明详述如后。

由于具有带阻滤波的三角积分调变的实现可藉由图2所示的电路模型来加以简化，所以三角积分调变模块102与带阻滤波模块104的组合便可适用于高速(high-speed)的应用，举例来说(但本发明并不局限于此)，三角积分调变模块102与带阻滤波模块104皆分别操作在一数字域(digital domain)(而不是模拟域)的数字电路。请参阅图3，图3为本发明信号处理装置的第二实施例的示意图。信号处理装置300包含(但不局限于)图1所示的三角积分调变模块102与带阻滤波模块104、依据上述的取样时钟频率Fs来操作的数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)306，以及模拟滤波器(analog filter)308。请注意，三角积分调变模块102与带阻滤波模块104皆操作于数字域302，而模拟滤波器308则操作于模拟域304，因此，输入信号S_IN与滤波输出信号FS_OUT皆为数字信号(亦即离散时间信号(discrete-time signal))。如图3所示，数模转换器306耦接于带阻滤波模块104，并用以将滤波输出信号FS_OUT转换为模拟输出信号S_OUTA(其为连续时间信号(continuous-time signal))。数模转换器306可设计为依据一个高取样时钟频率Fs(例如500MHz)来操作。另外，关于操作在模拟域304的模拟滤波器308，其耦接于数模转换器306，用以对模拟输出信号S_OUTA进行模拟滤波操作(analog filtering operation)，并据以产生滤波模拟输出信号(filtered analog signal output)FS_OUTA。由于具有带阻滤波的三角积分调变得以衰弱一个频率接近有用信号成份的所需频率的干扰信号成分，故后续模拟滤波器308所进行的模拟滤波操作的需求可被降低。举例来说，模拟滤波器308可使用无源滤波器(pass filter)以取代有源滤波器来实现，因此，数字模拟转换器306与模拟滤波器308的芯片面积及电流消耗，可因为使用上述的三角积分调变模块102与带阻滤波模块104而降低。此外，模拟滤波器308可使用多个操作于低供应电压(loW supply voltage)的核心元件(core device)来加以实现，因此，图3所示的信号处理装置300可适用于运用了可提供低供应电压的新一代电池的特定应用。

请注意，图3所示的信号处理装置300可适用于需要模拟滤波器以抑制噪声的各种应用，举例来说，无线通讯元件(wireless communication device)(例如传送器(transmitter))可因使用信号处理装置300而受惠。请参阅图4，图4为本发明信号处理装置的第三实施例的示意图。信号处理装置400包含(但不局限于)数字基频模块410以及前述的多个元件(其包含三角积分调变模块102、带阻滤波模块104、数模转换器306以及模拟滤波器308)。数字基频模块410耦接于三角积分调变模块102，用以产生一数字基频输出信号以作为三角积分调变模块102的输入信号S_IN。

如上所述，参数k、m以及n可经由适当设定以满足一特定应用的需求。举例来说，图4中信号处理装置400可实现于一无线通讯传送器中，该无线通讯传送器支援频分双工(frequency division duplexing，FDD)与时分双工(timedivision duplexing，TDD)并且能够启用频分双工与时分双工其中任一以供信号传送。当用于频分双工的第三代(third generation，3G)无线通讯模式的频带2(band 2)被选取以供信号通讯时，有用信号成分的频率会落在80MHz至95MHz之间，因此，基于上述方程式(6)，如果数模转换器306/三角积分调变模块102所使用的取样时钟频率Fs为500MHz时，则参数n应被设为3，以及如果数模转换器306/三角积分调变模块102所使用的取样时钟频率Fs为250MHz时，则参数n应被设为1.5(亦即3/2)。当用于频分双工的第三代无线通讯模式的频带1(band 1)被选取以供信号通讯时，有用信号成分的所需频率为190MHz，因此，基于上述方程式(6)，如果数模转换器306/三角积分调变模块102所使用的取样时钟频率Fs为500MHz时，则参数n应被设为4，以及如果数模转换器306/三角积分调变模块102所使用的取样时钟频率Fs为250MHz时，则参数n应被设为2(亦即4/2)。当用于频分双工的第三代无线通讯模式的频带5/8(band 5/8)被选取以供信号通讯时，有用信号成分的频率为45MHz，因此，基于上述方程式(6)，如果数模转换器306/三角积分调变模块102所使用的取样时钟频率Fs为500MHz时，则参数n应被设为6，以及如果数模转换器306/三角积分调变模块102所使用的取样时钟频率Fs为250MHz时，则参数n应被设为3(亦即6/2)。此外，剩下的其他参数m与k也需要被适当地设定，举例来说，当用于频分双工的第三代无线通讯模式的频带1被选取以供信号通讯时，参数k可被设为3，以及参数m可被设为2。具有一特定参数设定(例如，k设为3、m设为2以及n设为4)的三角积分调变模块102与带阻滤波模块104的组合所具有的噪声转移函数的滤波抑制特性(filter rejection characteristic)示于第图5中，图5为具有带阻滤波的三角积分调变的噪声转移函数的滤波抑制特性的示意图。

依据上述的方程式(2)，系统函数(system function)H(Z)会具有下列多个多项式系数：[0，-3，3，-1，2，-6，6，-2，1，-3，3，-1，]，因此，三角积分调变模块102与带阻滤波模块104可轻易地实现。更具体地说，为了简化具有带阻滤波的三角积分调变的实现，所有的参数m、k与n以及多项式系数将会特别地设定为整数。然而，以上仅供说明之需，并非用来作为本发明的限制，也就是说，任何运用图2所示的具有方程式(1)所定义的信号转移函数与方程式(2)所定义的噪声转移函数的电路模型所实现出的任何电路，皆遵循本发明的发明精神而落入本发明的范畴内。

在此实施例中，数字基频模块410、三角积分调变模块102及带阻滤波模块104操作于数字域402，然而模拟滤波器308则操作于模拟域404。由于三角积分调变模块102与带阻滤波模块104的组合得以衰减一个频率接近有用信号成份的所需频率的干扰信号成分，模拟滤波器308可仅使用一无源滤波器来加以实现。如此一来，数模转换器306与模拟滤波器308的芯片面积及电流消耗可大为降低。既然于模拟域404中没有使用强大滤波处理(strong filtering)的需求，所以可省去反降落补偿(anti-drooping compensation)，并可获得良好的群组延迟控制(group delay contro1)。

简言之，在三角积分调变模块102与带阻滤波模块104以数字电路来加以实作的情形下，三角积分调变特性及/或带阻滤波特性为可数字编程(digitallyprogrammable)。举例来说(但本发明并不局限于此)，带阻滤波模块104可具有中央位于一可编程(programmable)的中心频率的至少一截止频带，其中该可编程中心频率应一目标信号频带(target signal band)的选取而设定；带阻滤波模块104可具有一个可编程的截止频带数目；及/或三角积分调变模块102可具有一个可编程的三角积分调变阶数。

除了上述的第三代无线通讯模式(例如，用于WiMAX/LTE技术的频分双工模式)，信号处理装置400还可支援第二代(second generation，2G)无线通讯模式。由于操作于第二代无线通讯模式的传送器并不需要带阻滤波操作来提供某一特定频率的信号衰减，故可将参数m设为0来停用(disable)带阻滤波模块104，换言之，三角积分调变模块102用以对输入信号S_IN(例如，数字基频信号)进行三角积分调变，并据以产生输出信号S_OUT，以及当该信号处理装置操作于一第一操作模式(例如第三代无线通讯模式)时，则启用(enable)带阻滤波模块104以对输出信号S_OUT进行带阻滤波操作，然而，当该信号处理装置操作于一第二操作模式(例如第二代无线通讯模式)时，则停用带阻滤波模块104。因此，由于带阻滤波模块104可编程，所以当该第一操作模式启动时，便启用一带阻滤波操作以处理信号输出S_OUT，而当该第二操作模式启动时，则停用该带阻滤波操作而不对信号输出S_OUT进行处理。当停用带阻滤波模块104时，三角积分调变模块102中噪声转移函数的滤波抑制特性则示于图6中，图6为未具有带阻滤波的三角积分调变的噪声转移函数的滤波抑制特性的示意图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明说明书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (25)

1.一种信号处理装置，包含有：

一三角积分调变模块，用以对一输入信号进行三角积分调变操作，并据以产生一输出信号；以及

一带阻滤波模块，用以对该输出信号进行带阻滤波操作，并据以产生一滤波输出信号，其中该带阻滤波模块的截止频带数目是可编程的。

2.如权利要求1所述的信号处理装置，其中该三角积分调变模块与该带阻滤波模块均为数字电路。

3.如权利要求1所述的信号处理装置，另包含：

一数模转换器，用以将该滤波输出信号转换至一模拟输出信号；以及

一模拟滤波器，用以对该模拟输出信号进行模拟滤波操作，并据以产生一滤波模拟输出信号。

4.如权利要求3所述的信号处理装置，另包含：

一数字基频模块，用以产生一数字基频输出信号以作为该三角积分调变模块的该输入信号。

5.如权利要求1所述的信号处理装置，其中该带阻滤波模块具有中央位于一可编程的中心频率的至少一截止频带，该可编程的中心频率为因响应一目标信号频带的选取而设定。

6.如权利要求1所述的信号处理装置，其中该三角积分调变模块的三角积分调变阶数是可编程的。

7.如权利要求1所述的信号处理装置，其中该三角积分调变模块与该带阻滤波模块的组合具有下列所示的信号转移函数STF与噪声转移函数NTF：

STF＝1；以及

NTF＝(1-Z^-1)^k(1+Z^-n)^m；

其中k代表三角积分调变的阶数，m代表该带阻滤波模块所提供的截止频带数目，n为用来控制多个陷波频率之间的间距的数值，以及第i阶的截止频带的一中心频率f与一取样时钟频率Fs满足下列方程式：

$f=\frac{2i+1}{2n}\mathrm{Fs},$

其中0≤i≤m，且i为一整数。

8.如权利要求1所述的信号处理装置，其操作于支持第三代无线通讯模式与第二代无线通讯模式的应用中，其中当该应用操作在该第三代无线通讯模式时，该带阻滤波模块被启用，以及当该应用操作在该第二代无线通讯模式时，该带阻滤波模块被停用。

9.一种信号处理方法，包含有：

对一输入信号进行三角积分调变操作，并据以产生一输出信号；以及

对该信号输出进行带阻滤波操作，并据以产生一滤波输出信号，其中该带阻滤波操作所提供的截止频带数目是可编程的。

10.如权利要求9所述的信号处理方法，其中该三角积分调变操作与该带阻滤波操作均执行于一数字域中。

11.如权利要求9所述的信号处理方法，另包含：

对该滤波输出信号进行数模转换，并据以产生一模拟输出信号；以及

对该模拟输出信号进行模拟滤波操作，并据以产生一滤波模拟输出信号。

12.如权利要求9所述的信号处理方法，另包含：

产生一数字基频输出信号以作为该输入信号。

13.如权利要求9所述的信号处理方法，其中该三角积分调变操作与该带阻滤波操作的组合具有下列所示的信号转移函数STF与噪声转移函数NTF：

STF＝1；以及

NTF＝(1-Z^-1)^k(1+Z^-n)^m；

其中k代表三角积分调变的阶数，m代表该带阻滤波操作所提供的截止频带数目，n为用以控制多个陷波频率之间的间距的数值，以及第i阶的截止频带的一中心频率f与一取样时钟频率Fs满足下列方程式：

$f=\frac{2i+1}{2n}\mathrm{Fs},$

其中0≤i≤m，且i为一整数。

14.如权利要求9所述的信号处理方法，其运用于支持第三代无线通讯模式与第二代无线通讯模式的应用中；

其中该信号处理方法另包含：

当该应用操作在该第三代无线通讯模式时，启用该带阻滤波操作；以及

当该应用操作在该第二代无线通讯模式时，停用该带阻滤波功能操作。

15.一种信号处理装置，包含有：

一三角积分调变模块，用以对一输入信号进行三角积分调变操作，并据以产生一输出信号；以及

一带阻滤波模块，其中当该信号处理装置操作于一第一操作模式时，该带阻滤波模块被启用以对该输出信号进行带阻滤波操作并据以产生一滤波输出信号，以及当该信号处理装置操作于一第二操作模式时，该带阻滤波模块被停用。

16.如权利要求15所述的信号处理装置，其中该三角积分调变模块与该带阻滤波模块均为数字电路。

17.如权利要求15所述的信号处理装置，另包含：

一数模转换器，用以将该滤波输出信号转换至一模拟输出信号；

一模拟滤波器，用以对该模拟输出信号进行模拟滤波操作，并据以产生一滤波模拟输出信号；以及

一数字基频模块，用以产生一数字基频输出信号以作为该三角积分调变模块的该输入信号。

18.如权利要求15所述的信号处理装置，其中该带阻滤波模块具有中央位于一可编程中心频率的至少一截止频带，该可编程中心频率因响应一目标信号频带的选取而设定。

19.如权利要求15所述的信号处理装置，其中该带阻滤波模块的截止频带数目是可编程的。

20.如权利要求15所述的信号处理装置，其中该三角积分调变模块的三角积分调变阶数是可编程的。

21.如权利要求15所述的信号处理装置，其中该三角积分调变模块与该带阻滤波模块的组合具有下列所示的信号转移函数STF与噪声转移函数NTF：

STF＝1；以及

NTF＝(1-Z^-1)^k(1+Z^-n)^m；

其中k代表三角积分调变的阶数，m代表该带阻滤波模块所提供的截止频带数目，n为用以控制多个陷波频率之间的间距的数值，以及第i阶的截止频带的一中心频率f与一取样时钟频率Fs满足下列方程式：

$f=\frac{2i+1}{2n}\mathrm{Fs},$

其中0≤i≤m，且i为一整数。

22.一种信号处理方法，包含有：

对一输入信号进行三角积分调变操作，并据以产生一输出信号；

当一第一操作模式启动时，启用带阻滤波操作以处理该输出信号并据以产生一滤波输出信号；以及

当一第二操作模式启动时，停用该带阻滤波操作而不对该输出信号进行处理。

23.如权利要求22所述的信号处理方法，其中该三角积分调变与该带阻滤波操作均执行于一数字域中。

24.如权利要求22所述的信号处理方法，另包含：

对该滤波输出信号进行数模转换，并据以产生一模拟输出信号；

对该模拟输出信号进行模拟滤波操作，并据以产生一滤波模拟输出信号；以及

产生一数字基频输出信号以作为该输入信号。

25.如权利要求22所述的信号处理方法，其中该三角积分调变与该带阻滤波操

作的组合具有下列所示的信号转移函数STF与噪声转移函数NTF：

STF＝1；以及

NTF＝(1-Z^-1)^k(1+Z^-n)^m；

其中k代表三角积分调变的阶数，m代表该带阻滤波处理所提供的截止频带数目，n为用以控制多个陷波频率之间的间距的数值，以及第i阶的截止频带的一中心频率f与一取样时钟频率Fs满足下列方程式：

$f=\frac{2i+1}{2n}\mathrm{Fs},$

其中0≤i≤m，且i为一整数。

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