CN102916677A - 无限脉冲响应滤波器以及滤波方法 - Google Patents

Abstract

一种无限脉冲响应滤波器。上述无限脉冲响应滤波器包括一放大器以及耦接于上述放大器之一反馈路径的一滤波器。上述放大器根据一输入信号产生一输出信号。上述滤波器根据一转换函数对上述输出信号进行滤波，并提供已滤波之上述输出信号至上述放大器之一输入端。上述无限脉冲响应滤波器以及上述滤波器具有大于1之相同阶数。

Description

无限脉冲响应滤波器以及滤波方法

技术领域

本发明有关于一种开关电容滤波器，且特别有关于仅具有一放大器之无限脉冲响应（infinite impulse response，IIR）滤波器以及滤波方法。

背景技术

滤波器通常用来允许想要的信号成分能通过，并衰减掉不要的信号成分。滤波器广泛使用在不同的应用，例如通讯、计算机、网络以及消费电子应用等。举例来说，在无线通信装置中，例如在移动电话中，滤波器能对所接收的信号进行滤波，以允许在特定频率信道内之想要的信号能通过，并衰减掉频带外之不想要的信号以及噪声。

开关电容滤波器（switched capacitor filter，SCF）作为离散时间之信号处理。开关电容滤波器的操作藉由当开关被开启与关闭时，将电荷移进至电容或是从电容移出。通常，可使用非重迭之信号来控制开关，使得全部的开关不会同时为不导通。开关电容滤波器之优点在于，只需要使用到电容、运算放大器以及开关，且容易在其中建立几乎理想之开关。尤其是，所有共振频率完全由电容的比例所决定。因此，开关电容滤波器在不同类型之电子处理系统中是非常有用的。

一般而言，基于开关电容或是基于主动电阻电容之传统滤波器系使用放大器（例如运算放大器）来实施一极点（pole）。然而，由于所需要之放大器的数量会增加，则将会使得高阶滤波器之静态耗电量非常高。此外，随着大量的放大器被使用，闪烁噪声（flicker noise）亦会增加。

因此，对许多应用而言，例如可携式通讯装置，具有低耗电量之滤波器是非常需要的。

发明内容

有鉴于此，需要提供一种无限脉冲响应滤波器以及滤波方法。

本发明提供一种无限脉冲响应滤波器。上述无限脉冲响应滤波器包括：一放大器，用以根据一输入信号产生一输出信号；以及一第一滤波器，耦接于上述放大器之一反馈路径，用以根据一第一转换函数对上述输出信号进行滤波，并提供已滤波之上述输出信号至上述放大器之一输入端。上述无限脉冲响应滤波器以及上述第一滤波器具有大于1之相同阶数。

再者，本发明提供另一种无限脉冲响应滤波器，用以根据一输入信号来提供一输出信号。上述无限脉冲响应滤波器包括：一第一滤波器，用以根据一第一转换函数，从上述输入信号滤除干扰，以产生一第一信号；一第二滤波器，用以根据一第二转换函数对上述输出信号进行滤波，以产生一第二信号；以及一积分器，用以根据上述第一信号以及上述第二信号而产生上述输出信号。上述第二滤波器以及上述积分器形成一负反馈回路。

再者，本发明提供另一种无限脉冲响应滤波器，用以根据一输入信号来提供一输出信号。上述无限脉冲响应滤波器包括：一第一有限脉冲响应滤波器，用以将上述输入信号转换成一第一信号；一第二有限脉冲响应滤波器，用以将上述输出信号转换成一第二信号；以及一放大器，用以接收上述第一信号以及上述第二信号，以产生上述输出信号。无放大器被实现于上述第一及第二有限脉冲响应滤波器内。

再者，本发明提供一种滤波方法，适用于根据一无限脉冲响应滤波器之一转换函数，将一输入信号转换为一输出信号。上述滤波方法包括：根据一第一有限脉冲响应滤波器之转换函数对上述输入信号进行转换，以产生一第一信号；根据一第二有限脉冲响应滤波器之转换函数对上述输出信号进行转换，以产生一第二信号；以及对上述第一与第二信号之总和进行积分，以得到上述输出信号。上述无限脉冲响应滤波器之转换函数为

其中A(z)为上述第二有限脉冲响应滤波器之转换函数以及B(z)为上述第一有限脉冲响应滤波器之转换函数。

上述无限脉冲响应滤波器为仅具有一放大器之开关电容滤波器。因此，可降低耗电量以及闪烁噪声（flicker noise）。

附图说明

图1显示根据本发明一实施例所述之射频接收器；

图2显示根据本发明一实施例所述之无限脉冲响应滤波器；

图3显示根据本发明一实施例所述之无限脉冲响应滤波器在Z领域之转换函数的方块图；

图4显示根据本发明一实施例所述之有限脉冲响应滤波器在Z领域之转换函数的方块图；

图5A显示根据本发明一实施例所述之K-路径结构之例子；

图5B显示图5A中K-路径结构之控制信号S1-SK的时序图；

图6A显示根据本发明另一实施例所述之K-路径结构之例子；

图6B显示图6A中K-路径结构之控制信号S1-SK的时序图；

图7A显示根据本发明另一实施例所述之K-路径结构之例子；

图7B显示图7A中K-路径结构之控制信号S1-SK、Di与Do的时序图；

图8A显示根据本发明另一实施例所述之二阶无限脉冲响应滤波器之例子；以及

图8B显示图8A中K-路径结构之控制信号S11、S12、S21、S22、S23、Di与Do的时序图。

具体实施方式

为使本发明之上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

实施例：

模拟与数字基频（analog and digital baseband，ADBB）接收器通常操作在占用射频接收器之全部操作带宽之子集合的信号上。这样的子集合称为信道。然而，当射频接收器以及射频传送器被设置在同一通讯装置上时，即使射频接收器与射频传送器的频谱为不重迭，在射频接收器工作期间，来自射频传送器的干扰仍会发生。通道外之干扰，尤其是邻近的干扰，会对模拟与数字基频接收器造成严重的损害，例如减敏（desensitization）、交互调变、互调变、饱和、同步误差、通道等化误差等。因此，需要抑制射频接收器之邻近（通道外）干扰。

图1显示根据本发明一实施例之射频接收器100。在此实施例中，射频接收器100可以是数字增强（digital-intensive）或是数字协助（digital-assisted）接收器，其包括预先处理单元(pre-processing unit)110、模数转换器（analog todigital converter，ADC）120以及数字信号处理器（digital signal processor，DSP）130。预先处理单元110包括天线150、低噪声放大器（low noise amplifier，LNA）160、混波器170以及滤波器180。射频接收器100被设计为操作在特定带宽资源。天线150会接收到由基地台所传送的射频调变信号，并提供所接收的射频信号至低噪声放大器160。低噪声放大器160会对所接收到的射频信号进行放大，并提供放大后之射频信号至混波器170。混波器170会对已放大之射频信号进行降频转换（down-convert），以得到信号Vin。滤波器180会对信号Vin进行滤波，以得到滤波后的信号Vout。滤波器180为无限脉冲响应（infiniteimpulse response，IIR）滤波器，其用来抑制邻近的干扰（例如相邻或是替用（alternative）通道的干扰）。模数转换器120会对信号Vout进行转换，以得到数字取样信号。数字信号处理器130会对数字取样信号进行处理，以便得到译码数据以及信号，以供后续处理。

图2显示根据本发明一实施例所述之无限脉冲响应滤波器200。无限脉冲响应滤波器200包括有限脉冲响应（finite impulse response，FIR）滤波器210合220、放大器230以及电容CC。有限脉冲响应滤波器210耦接于放大器230以及图1的混波器170之间，其中有限脉冲响应滤波器210会对输入信号Vin进行转换，以提供信号S1至放大器230。有限脉冲响应滤波器220耦接于放大器230的反馈路径上，其中有限脉冲响应滤波器220会对来自放大器230的输出信号Vout进行转换，以提供信号S2至放大器230的反相输入端。放大器230的非反相输入端耦接于接地端。放大器230会根据来自有限脉冲响应滤波器210的信号S1以及来自有限脉冲响应滤波器220的信号S2，来产生输出信号Vout。此外，电容CC并联于有限脉冲响应滤波器220，使得放大器230与电容CC可形成积分器240，用以对信号S1与信号S2进行积分，而得到输出信号Vout。该有限脉冲响应滤波器220以及该积分器240形成一负反馈回路。需注意，有限脉冲响应滤波器210与220各自为不具有任何放大器之开关电容滤波器（switched-capacitor filter，SCF），即无放大器被实现/设置于有限脉冲响应滤波器210、220内。再者，无限脉冲响应滤波器200以及有限脉冲响应滤波器220具有相同阶数且阶数大于1。有限脉冲响应滤波器210与220将详述于下文。于是，无限脉冲响应滤波器200成为仅具有一放大器（例如放大器230）之开关电容滤波器。因此，可降低耗电量以及闪烁噪声（flicker noise）。

图3显示根据本发明一实施例所述之无限脉冲响应滤波器200在Z领域(Z-domain)之转换函数(transfer function)的方块图。在图3中，有限脉冲响应滤波器210具有转换函数B(z)，而有限脉冲响应滤波器220具有转换函数A(z)，以及积分器240之转换函数为：

因此，根据转换函数B(z)，有限脉冲响应滤波器210可从输入信号Vin中滤除干扰，以产生信号S1。根据转换函数A(z)，有限脉冲响应滤波器220会对输出信号Vout进行滤波，以产生信号S2。积分器240会根据转换函数：

来对信号S1与信号S2之总和进行积分，而得到输出信号Vout。因此，可得到无限脉冲响应滤波器200之转换函数HIIR(z)：

$H_{\mathrm{IIR}}\left(z\right)=\frac{\mathrm{Vout}}{\mathrm{Vin}}$

$=\frac{\frac{z^{-1}}{1-z^{-1}}\×B\left(z\right)}{1-\frac{z^{-1}}{1-z^{-1}}\×A\left(z\right)}$

$=\frac{B\left(z\right)}{1-z^{-1}-z^{-1}\×A\left(z\right)}{z}^{-1}.$

因此，无限脉冲响应滤波器200的零点（zero）由有限脉冲响应滤波器210所决定，而无限脉冲响应滤波器200的极点（pole）由有限脉冲响应滤波器220所决定。在图3中，包含了干扰以及想要之信号成分的输入信号Vin会先传送至有限脉冲响应滤波器210，以抑制邻近的干扰。此外，积分器240以及有限脉冲响应滤波器220用来传递想要之信号成分，并去除掉通道外之干扰。

图4显示根据本发明一实施例所述之有限脉冲响应滤波器210或220在Z领域之转换函数的方块图。对有限脉冲响应滤波器而言，由于无反馈路径存在，因此脉冲响应为有限的。在图4中，可得到有限脉冲响应滤波器之转换函数H_FIR(z)： $H_{\mathrm{FIR}}\left(z\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{Z}^{-i}$

$=b_0+b_1{Z}^{-1}+b_2{Z}^{-2}+...+b_{M-1}{Z}^{-(M-1)},$

其中有限脉冲响应滤波器为M个分接点（tap）之滤波器。为了能实施转换函数H_FIR(z)的每个分接点的单位延迟（unit delay），可使用K-路径结构，其中k=1、2、…、M。举例来说，1-路径结构设置在对应于系数b₀之路径上、2-路径结构设置在对应于系数b₁之路径上、3-路径结构设置在对应于系数b₂之路径上等。

图5A显示根据本发明一实施例所述之K-路径结构500之例子，而图5B显示图5A中K-路径结构之控制信号S₁-S_K的时序图。K-路径结构500包括多个以并联方式连接之被动式开关电容单元510_1至510_K，其中每一被动式开关电容单元具有相同的结构。以被动式开关电容单元510_1当作例子来说明，被动式开关电容单元510_1包括开关SW1、开关SW2以及电容C。开关SW1耦接于被动式开关电容单元510_1之输入端以及节点N1之间，其中开关SW1由控制信号S1所控制。开关SW2耦接于被动式开关电容单元510_1之输出端以及节点N1之间，其中开关SW2由控制信号SK所控制。电容C耦接于节点N1以及接地端GND之间。对有限脉冲响应滤波器的每一分接点而言，其系数根据K-路径结构500之电容C所决定。在每一被动式开关电容单元510_1至510_K之中，一次只会有一个开关被导通，即控制信号S₁至控制信号S_K不会同时出现，如图5B所显示。

图6A显示根据本发明另一实施例所述之K-路径结构600之例子，而图6B显示图6A中K-路径结构之控制信号S₁-S_K的时序图。K-路径结构600包括多个以并联方式连接之被动式开关电容单元610_1至610_K，其中每一被动式开关电容单元具有相同的结构。以被动式开关电容单元610_1当作例子来说明，被动式开关电容单元610_1包括四个开关SW1、SW2、SW3与SW4以及电容C。开关SW1耦接于被动式开关电容单元610_1之输入端以及节点N1之间。开关SW2耦接于节点N₁以及接地端GND之间。开关SW3耦接于被动式开关电容单元610_1之输出端以及节点N₂之间。开关SW4耦接于节点N₂以及接地端GND之间。需注意，开关SW1与SW4由控制信号S₁所控制，而开关SW2与SW3由控制信号SK所控制。电容C耦接于节点N₁以及节点N₂之间。对有限脉冲响应滤波器的每一分接点而言，其系数根据K-路径结构600之电容C而决定。在每一被动式开关电容单元610_1至610_K之中，控制信号S₁至控制信号S_K不会同时出现。此外，在K-路径结构600中，一次只会有一个控制信号出现，如图6B所显示。

图7A显示根据本发明另一实施例所述之K-路径结构700之例子，而图7B显示图7A中K-路径结构之控制信号S₁-S_K、D_i与D_o的时序图。K-路径结构700包括两开关SWIN与SWOUT以及多个以并联方式连接之被动式开关电容单元710_1至710_K。开关SWIN耦接于K-路径结构700之输入端以及被动式开关电容单元710_1的输入端之间，而开关SWOUT耦接于K-路径结构700的输出端以及开关SWIN之间。开关SWIN由控制信号D_i所控制，而开关SWOUT由控制信号D_o所控制，其中控制信号D_o互补于控制信号D_i。每一被动式开关电容单元具有相同的结构。以被动式开关电容单元710_1当作例子来说明，被动式开关电容单元710_1包括开关SW以及电容C。开关SW耦接于被动式开关电容单元710_1的输入端以及电容C之间，其中开关SW由控制信号S₁所控制。电容C耦接于开关SW以及接地端GND之间。对有限脉冲响应滤波器的每一分接点而言，其系数根据K-路径结构700之电容C所决定。在每一被动式开关电容单元710_1至710_K之中，控制信号S₁至控制信号S_K不会同时出现。此外，在K-路径结构700中，一次只有一个控制信号会出现，如图7B所显示。

图8A显示根据本发明另一实施例所述之二阶无限脉冲响应滤波器800之例子，而图8B显示图8A中K-路径结构之控制信号S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂、S₂₃、D_i与D_o的时序图。在此实施例中，有限脉冲响应滤波器810与820根据图7A所描述之K-路径结构700所实施。有限脉冲响应滤波器810为具有3个分接点之有限脉冲响应滤波器，其包括两开关SW1与SW2、1-路径结构812、2-路径结构814以及3-路径结构816。有限脉冲响应滤波器820为具有2个分接点之有限脉冲响应滤波器，其包括两开关SW3与SW4、1-路径结构822以及2-路径结构824。开关SW1与SW4由控制信号D_i所控制，而开关SW2与SW3由控制信号D_o所控制，其中控制信号D_o与控制信号D_i互补。因此，相较于为反馈系统之传统开关电容二阶滤波器（Biquad filter），该二阶无限脉冲响应滤波器800是关于用以合成两极点以及两零点之两积分器，只有放大器830被设置于无限脉冲响应滤波器800中，因此可省电。再者，对有限脉冲响应滤波器810与820而言，不需要考虑到全部的电容值、电容值展开（spread）等等，更容易确定各电容的电容值。

虽然本发明已以较佳实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做一些改动，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的范围为准。

Claims (21)

1.一种无限脉冲响应滤波器，包括：

一放大器，用以根据一输入信号产生一输出信号；以及

一第一滤波器，耦接于上述放大器之一反馈路径，用以根据一第一转换函数对上述输出信号进行滤波，并提供已滤波之上述输出信号至上述放大器之一输入端，

其中上述无限脉冲响应滤波器以及上述第一滤波器具有大于1之相同阶数。

2.如权利要求1所述之无限脉冲响应滤波器，更包括：

一第二滤波器，耦接于上述放大器之上述输入端，用以根据一第二转换函数，从上述输入信号滤除干扰。

3.如权利要求2所述之无限脉冲响应滤波器，更包括：

一电容，耦接于上述输入端以及上述放大器之一输出端之间并与上述第一滤波器并联，使得上述放大器以及上述电容形成一积分器。

4.如权利要求3所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述无限脉冲响应滤波器之转换函数为

其中A(z)为上述第一转换函数、B(z)为上述第二转换函数以及

为上述积分器之转换函数。

5.如权利要求2所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述第一滤波器以及上述第二滤波器为有限脉冲响应滤波器，以及上述无限脉冲响应滤波器之极点以及零点系分别根据上述第一转换函数以及上述第二转换函数而决定。

6.如权利要求2所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述无限脉冲响应滤波器之转换函数为

其中A(z)为上述第一转换函数、B(z)为上述第二转换函数。

7.如权利要求2所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述第一滤波器以及上述第二滤波器为有限脉冲响应滤波器，以及每一上述第一滤波器以及上述第二滤波器由包括被动式开关电容之多分接点所实施。

8.一种无限脉冲响应滤波器，用以根据一输入信号来提供一输出信号，包括：

一第一滤波器，用以根据一第一转换函数，从上述输入信号滤除干扰，以产生一第一信号；

一第二滤波器，用以根据一第二转换函数对上述输出信号进行滤波，以产生一第二信号；以及

一积分器，用以根据上述第一信号以及上述第二信号而产生上述输出信号，

其中上述第二滤波器以及上述积分器形成一负反馈回路。

9.如权利要求8所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述无限脉冲响应滤波器以及上述第二滤波器具有大于1之相同阶数，以及上述无限脉冲响应滤波器之极点以及零点系分别根据上述第二转换函数以及上述第一转换函数而决定。

10.如权利要求8所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述积分器包括：

一放大器，具有用以接收上述第一及第二信号之一反相输入端、耦接于一接地端之一非反相输入端以及用以输出上述输出信号之一输出端；以及

一电容，耦接于上述放大器之上述反相输入端以及上述输出端之间。

11.如权利要求8所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述无限脉冲响应滤波器之转换函数为其中A(z)为上述第二转换函数、B(z)为上述第一转换函数以及

为上述积分器之转换函数。

12.如权利要求8所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述第一滤波器以及上述第二滤波器为有限脉冲响应滤波器，以及每一上述第一滤波器以及上述第二滤波器由包括被动式开关电容之多分接点所实施。

13.一种无限脉冲响应滤波器，用以根据一输入信号来提供一输出信号，包括：

一第一有限脉冲响应滤波器，用以将上述输入信号转换成一第一信号；

一第二有限脉冲响应滤波器，用以将上述输出信号转换成一第二信号；以及

一放大器，用以接收上述第一信号以及上述第二信号，以产生上述输出信号，

其中，无放大器被设置于上述第一及第二有限脉冲响应滤波器内。

14.如权利要求13所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述无限脉冲响应滤波器之零点由上述第一有限脉冲响应滤波器所决定，而上述无限脉冲响应滤波器之极点由上述第二有限脉冲响应滤波器所决定。

15.如权利要求14所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述无限脉冲响应滤波器之转换函数为

其中A(z)为上述第二有限脉冲响应滤波器之转换函数以及B(z)为上述第一有限脉冲响应滤波器之转换函数。

16.如权利要求14所述之无限脉冲响应滤波器，更包括：

一电容，耦接于上述放大器之一输入端以及一输出端之间并与上述第二有限脉冲响应滤波器并联，使得上述放大器以及上述电容形成一积分器。

17.如权利要求16所述之无限脉冲响应滤波器，其中上述无限脉冲响应滤波器之转换函数为

其中A(z)为上述第二有限脉冲响应滤波器之转换函数、B(z)为上述第一有限脉冲响应滤波器之转换函数以及

为上述积分器之转换函数。

18.如权利要求14所述之无限脉冲响应滤波器，其中每一上述第一上述被动式开关电容单元包括：

一第一开关，耦接于上述被动式开关电容单元之一输入端以及一节点之间；

一第二开关，耦接于上述被动式开关电容单元之一输出端以及上述节点之间；以及

一电容，耦接于上述节点以及一接地端之间，

其中当上述第一开关以及上述第二开关之一者为导通时，上述第一开关以及上述第二开关之另一者为不导通。

19.如权利要求14所述之无限脉冲响应滤波器，其中每一上述第一以及第二有限脉冲响应滤波器包括多被动式开关电容单元，以及每一上述被动式开关电容单元包括：

一第一开关，耦接于上述被动式开关电容单元之一输入端以及一第一节点之间；

一第二开关，耦接于上述第一节点以及一接地端之间；

一第三开关，耦接于上述被动式开关电容单元之一输出端以及一第二节点之间；

一第四开关，耦接于上述第二节点以及上述接地端之间；以及

一电容，耦接于上述第一节点以及上述第二节点之间，

其中上述第一开关与上述第四开关由一第一控制信号所控制，而上述第二开关与上述第三开关由一第二控制信号所控制，其中上述第一控制信号以及上述第二控制信号不会同时出现。

20.如权利要求14所述之无限脉冲响应滤波器，其中每一上述第一以及第二有限脉冲响应滤波器包括多被动式开关电容单元，以及每一上述被动式开关电容单元包括：

一电容耦接于一接地端；以及

一开关，以串联方式耦接于上述电容。

21.一种滤波方法，适用于根据一无限脉冲响应滤波器之一转换函数，将一输入信号转换为一输出信号，包括：

根据一第一有限脉冲响应滤波器之转换函数对上述输入信号进行转换，以产生一第一信号；

根据一第二有限脉冲响应滤波器之转换函数对上述输出信号进行转换，以产生一第二信号；以及

对上述第一与第二信号之总和进行积分，以得到上述输出信号，其中上述无限脉冲响应滤波器之转换函数为

其中A(z)为上述第二有限脉冲响应滤波器之转换函数以及B(z)为上述第一有限脉冲响应滤波器之转换函数。

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