CN103151996B - 一种可重构滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构滤波器，包括滤波模块、频谱搬移阵列网络、模式切换模块，其中，频谱搬移阵列网络对滤波模块输出信号进行线性频率移动，模式切换模块用于调整滤波模块与频谱搬移阵列网络的连接方式，实现低通滤波器与复数带通滤波器间的切换，滤波模块通过模式切换模块与频谱搬移阵列网络连接。本发明不仅满足低功耗射频系统的对功耗的要求，同时有效的减小了芯片面积从而节约电路成本；并且能适应低电压低功耗的设计要求；能够根据系统要求随时调节增益与中心频率。

Description

一种可重构滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，特别涉及一种增益与中心频率可调的可重构滤波器

背景技术

在现有的无线射频系统中，接收发机主要采用低中频的结构，这种结构中射频信号被正交下变频到低中频，有效的避免了直流失调，同时减小了1/f噪声。采用正交变频，在理想情况下，可以有效的抑制镜像信号的干扰，因而低中频结构的接收发机成为当前的主流结构。在低中频的接收发机中，接收前端需要对信号进行复数滤波以降低镜像干扰，同时在发射端需要对信号进行低通滤波。

现有接收发机中的滤波器，主要存在下列问题：如果在接收端设置一个实现复数滤波的滤波器，在发射端要设置一个实现低通滤波的滤波器，两个滤波器功耗比较大，使整个射频系统不能满足低功耗的要求；如果通过级联一阶滤波器实现复数滤波的功能，级联的级数有限，同时消耗功耗也大，而且采用级联一阶滤波结构的滤波器不产生共轭复数极点，不能实现巴特沃斯、切比雪夫型滤波特性。由于工艺的限制，电容以及跨导电流会产生极大的误差，严峻的考验着滤波器电路的灵敏性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种能够根据系统要求实时重构、同时可以调节中心频率与增益、并且功耗低、电路稳定的滤波器。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案一种可重构滤波器，包括滤波模块、频谱搬移阵列网络、模式切换模块，其中，频谱搬移阵列网络对滤波模块输出信号进行线性频率移动，模式切换模块用于调整滤波模块与频谱搬移阵列网络的连接方式，滤波模块通过模式切换模块与频谱搬移阵列网络连接。

电路中两路正交的信号通过反馈实现具有复数系数的传输函数，得到复数滤波器。整个可重构滤波器是基于低通滤波器设计的，通过对频谱搬移阵列网络的调整完成电路重构，实现复数滤波功能和低通滤波功能；通过对跨导放大器的选择使用实现对可重构滤波器的中心频率与增益的调节。

其中，滤波模块采用双二次Gm-C开环结构，主要由跨到放大器和电容组成，第一跨导放大器Gm1的正输入端与负输入端分别与一路信号的正输入端与负输入端连接，第一跨导放大器Gm1的负输出端分别与第一电容C1的一端、第五跨导放大器Gm5的正输出端和第二跨导放大器Gm2的正输入端连接，其正输出端分别与第一电容C1的另一端、第五跨导放大器Gm5的负输出端和第二跨导放大器Gm2的负输入端连接，第二跨导放大器Gm2的负输出端分别与第二电容C2的一端、第五跨导放大器Gm5的负输入端和第六跨导放大器Gm6的负输入端连接，第二跨导放大器Gm2的正输出端分别与第二电容C2的另一端、第五跨导放大器Gm5正输入端和第六跨导放大器Gm6的正输入端连接，第六跨导放大器Gm6的正输出端与第五跨导放大器Gm5的负输入端连接，第六跨导放大器Gm6的负输出端与第五跨导放大器Gm5的正输入端连接，第二跨导放大器Gm2的负输出端为一路信号的正输出端，第二跨导放大器Gm2的正输出端为一路信号的负输出端；

第三跨导放大器Gm3的正输入端与负输入端分别与另一路信号的正输入端与负输入端连接，第三跨导放大器Gm3的负输出端分别与第三电容C3的一端、第七跨导放大器Gm7的正输出端和第四跨导放大器Gm4的正输入端连接，第三跨导放大器Gm3正输出端分别与第三电容C3的另一端、第七跨导放大器Gm7的负输出端和第四跨导放大器Gm4的负输入端连接，第四跨导放大器Gm4的负输出端分别与第四电容C4的一端、第七跨导放大器Gm7的负输入端和第八跨导放大器Gm8的负输入端连接，第四跨导放大器Gm4的正输出端分别与第四电容C4的另一端、第七跨导放大器Gm7正输入端和第八跨导放大器Gm8的正输入端连接，第八跨导放大器Gm8的正输出端与第七跨导放大器Gm7的负输入端连接，第八跨导放大器Gm8的负输出端与第七跨导放大器Gm7的正输入端连接，第四跨导放大器Gm4的负输出端为另一路信号的正输出端，第四跨导放大器Gm4的正输出端为另一路信号的负输出端；

频谱搬移阵列网络主要包括4个频谱搬移阵列；

模式切换模块主要包括8个低通开关和8个带通开关；

其中，第一低通开关SL1的一端与第三跨导放大器Gm3的正输入端连接,第一低通开关SL1另一端分别与第一带通开关SP1的一端、第五低通开关SL5和第一频谱搬移阵列TRS1的正输入端连接，第一带通开关SP1的另一端分别与第二跨导放大器Gm2的负输入端和第二频谱搬移阵列TRS2的正输出端连接，第五低通开关SL5另一端分别与第五带通开关SP5和第三频谱搬移阵列TRS3的正输入端连接，第五带通开关SP5的另一端分别与第二跨导放大器Gm2的正输出端和第四频谱搬移阵列TRS4的正输出端连接；第二低通开关SL2的一端与第三跨导放大器Gm3的负输入端连接，第二低通开关SL2的另一端分别与第二带通开关SP2的一端、第六低通开关SL6的一端和第一频谱搬移阵列TRS1的负输入端连接，第二带通开关SP2的另一端分别与第二跨导放大器Gm2的正输入端和第二频谱搬移阵列TRS2的负输出端连接，第六低通开关SL6的另一端分别与第六带通开关SP6的一端和第三频谱搬移阵列TRS3负输入端连接，第六带通开关SP6的另一端分别与第六跨导放大器Gm6的负输入端和第四频谱搬移阵列TRS4的负输出端连接；第三低通开关SL3的一端与第一跨导放大器Gm1的负输入端连接，第三低通开关SL3的另一端分别与第三带通开关SP3的一端、第七低通开关SL7的一端和第二频谱搬移阵列TRS2的负输入端连接，第三带通开关SP3的另一端分别与第四跨导放大器Gm4的正输入端和第一频谱搬移阵列TRS1的正输出端连接，第七低通开关SL7的另一端分别与第四频谱搬移阵列TRS4的负输入端和第七带通开关SP7的一端连接，第七带通开关SP7的另一端分别与第三频谱搬移阵列TRS3的正输出端和第四跨导放大器负输出端连接，第四低通开关SL4的一端与第一跨导放大器Gm1的正输入端连接，第四低通开关SL4的另一端分别与第四带通开关SP4的一端、第八低通开关SL8的一端和第二频谱搬移阵列TRS2的正输入端连接，第四带通开关SP4的另一端分别与第四跨导放大器Gm4负输入端和第一频谱搬移阵列TRS1的负输出端连接，第八低通开关SL8的另一端分别与第八带通开关SP8的一端和第四频谱搬移阵列TRS4正输入端连接，第八带通开关SP8的另一端分别与第三频谱搬移阵列TRS3的负输出端和第八跨导放大器Gm8的正输入端连接。

其中，频谱搬移阵列由第一转换跨导放大器GmT1、第二转换跨导放大器GmT2、第三转换跨导放大器GmT3并联而成。

进一步，第一频谱搬移阵列TRS1与第二频谱搬移阵列TRS2的采用相同的控制信号b，它是由b0、b1、b2三位数字码组成。

进一步，第三频谱搬移阵列TRS3与第四频谱搬移阵列TRS4的采用相同的控制信号b’,它是由b’0、b’1、b’2三位数字码组成。

进一步，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4的容值相等。

有益效果：本发明与现有技术相比，不仅可以根据系统要求实时的重构电路以实现系统要求的复数滤波功能和低通滤波功能，更好地满足低功耗射频系统的对功耗的要求，同时有效的减小了芯片面积从而节约电路成本；而且采用双二次Gm-C开环结构，实现一对共轭复数极点，从而可以获得巴特沃斯或切比雪夫型滤波特性，并且能适应低电压低功耗的设计要求；同时在数字信号的控制下可以实现中心频率和增益的调节，从而能够根据系统要求随时调节增益与中心频率；再者，不论是复数滤波模式还是低通滤波模式，电路中的主要器件在切换前后都处于导通状态，可以大大减小建立时间。

附图说明

图1为本发明的电路示意图；

图2为本发明中频谱搬移阵列的具体电路结构图；

图3为本发明在带通滤波模式下多种中心频率调谐的幅频特性波形图；

图4为本发明在低通滤波模式下多种增益调谐的幅频特性波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步解释。

如图1所示，本发明主要由滤波模块1、频谱搬移阵列网络2和模式切换模块3组成，滤波模块1通过模式切换模块3与频谱搬移阵列网络2连接。

其中，第一跨导放大器Gm1的正输入端分别与I路的正输入端Iin+和第四低通开关SL4的一端连接，第四低通开关SL4的另一端分别与第二频谱搬移阵列TRS2的正输入端、第八低通开关SL8的一端和第四带通开关SP4的一端连接，第八低通开关SL8的另一端分别与第四频谱搬移阵列TRS4的正输入端和第八带通开关SP8的一端相连，第八带通开关SP8的另一端分别与第四跨导放大器Gm4的正输出端和第三频谱搬移阵列TRS3的负输出端连接，第四带通开关SP4的另一端分别与第四跨导放大器Gm4负输入端和第一频谱搬移阵列TRS1的负输出端连接；第一跨导放大器Gm1的负输入端分别与I路的负输入端Iin-和第三低通开关SL3的一端连接，第三低通开关SL3的另一端分别与第七低通开关SL7的一端、第三带通开关SP3的一端和第二频谱搬移阵列TRS2连接，第七低通开关SL7的另一端分别与第四频谱搬移阵列TRS4的负输入端和第七带通开关SP7的一端相连，第七带通开关SP7的另一端分别与第四跨导放大器Gm4的负输出端和第三频谱搬移阵列TRS3的正输出端连接，第三带通开关SP3的另一端分别与第四跨导放大器Gm4的正输入端和第一频谱搬移阵列TRS1的正输出端连接；第一跨导放大器Gm1的负输出端分别与第一电容C1的一端、第二跨导放大器Gm2的正输入端、第五跨导放大器Gm5的正输出端、第二频谱搬移阵列TRS2的负输出端和第二带通开关SP2的一端连接，第二带通开关SP2的另一端分别和第一频谱搬移阵列TRS1的负输入端连接，第一跨导放大器Gm1的正输出端分别与第一电容C1的另一端、第二跨导放大器Gm2的负输入端、第五跨导放大器Gm5的负输出端、第二频谱搬移阵列TRS2的正输出端和第一带通开关SP1的一端连接，第一带通开关SP1的另一端和第一频谱搬移阵列TRS1的正输入端连接；第二跨导放大器Gm2的负输出端分别与第二电容C2的一端、第五跨导放大器Gm5的负输入端、第六跨导放大器Gm6的负输入端和I路的正输出端Iout+连接，第二跨导放大器Gm2的正输出端分别与第二电容C2的另一端、第五跨导放大器Gm5的正输入端、第六跨导放大器Gm6的正输入端和I路的负输出端Iout-连接，第五跨导放大器Gm5的正输入端与第六跨导放大器Gm6的负输出端连接，第五跨导放大器Gm5的负输入端与第六跨导放大器Gm6的正输出端连接；

第三跨导放大器Gm3的正输入端分别与Q路的正输入端Qin+和第一低通开关SL1的一端连接，第一低通开关SL1的另一端分别与第一频谱搬移阵列TRS1的正输入端和第五低通开关SL5的一端连接，第五低通开关SL5的另一端分别与第五带通开关SP5的一端和第三频谱搬移阵列TRS3的正输入端连接，第五带通开关SP5的另一端分别与第四频谱搬移阵列TRS4的正输出端和I路负输出端连接；第三跨导放大器Gm3的负输入端分别与Q路的负输入端Qin-和第二低通开关SL2的一端连接，第二低通开关SL2的另一端分别与第六低通开关SL6的一端、和第一频谱搬移阵列TRS1的负输入端连接，第六低通开关SL6的另一端分别与第三频谱搬移阵列TRS3的负输入端和第六带通开关SP6的一端相连，第六带通开关SP6的另一端分别与第二跨导放大器Gm2的负输出端和第四频谱搬移阵列TRS4的负输出端连接，第三跨导放大器Gm3的负输出端分别与第三电容C3的一端、第四跨导放大器Gm4的正输入端、第七跨导放大器Gm7的正输出端、第一频谱搬移阵列TRS1的正输出端连接，第三跨导放大器Gm3的正输出端分别与第三电容C3的另一端、第四跨导放大器Gm4的负输入端、第七跨导放大器Gm7的负输出端和第一频谱搬移阵列TRS1的负输出端连接，第四跨导放大器Gm4的负输出端分别与第四电容C4的一端、第七跨导放大器Gm7的负输入端、第八跨导放大器Gm8的正输出端和第八跨导放大器Gm8的负输入端连接，第四跨导放大器Gm4的正输出端分别与第四电容C4的另一端、第七跨导放大器Gm7的正输入端、第八跨导放大器Gm8的负输出端和第八跨导放大器Gm8的正输入端连接，第七跨导放大器Gm7的正输入端与第八跨导放大器Gm8的负输出端连接，第七跨导放大器Gm7的负输入端与第八跨导放大器Gm8的正输出端连接；

如图2所示，频谱搬移阵列TRS都由第一转换跨导放大器GmT1、第二转换跨导放大器GmT2、第三转换跨导放大器GmT3并联而成，其中控制信号b是由分别控制第一转换跨导放大器GmT1的b0数字码、第二转换跨导放大器GmT2的b1数字码、第三转换跨导放大器GmT3的b2数字码组成。

在重构滤波器中第一跨导放大器Gm1、第二跨导放大器Gm2、第三跨导放大器Gm3、第四跨导放大器Gm4取值相等，第五跨导放大器Gm5、第六跨导放大器Gm6、第七跨导放大器Gm7、第八跨导放大器Gm8取值相等，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4取值相等，第一频谱搬移阵列TRS1、第二频谱搬移阵列TRS2、第三频谱搬移阵列TRS3、第四频谱搬移阵列TRS4组成相同，第一频谱搬移阵列TRS1与第二频谱搬移阵列TRS2有相同的数字控制字，此处的数字控制字来源于数字校准模块的输出信号，第三频谱搬移阵列TRS3与第四频谱搬移阵列TRS4有相同的数字控制字。在计算电路的跨导和电容值时，首先通过查表得到相应滤波函数对应的复数极点值并将中心频率对带宽归一化，给每个二阶复数滤波器单元分配一对复数极点和相应的增益，再推导出电路的传输函数，通过待定系数法可得一组有关跨导和电容的方程，从而得到相应的跨导和电容值。该跨导和电容值是对带宽归一化后的值，再通过所要实现的带宽值及合适的量级得到具体的跨导电容值。以上计算跨导电容值的方法同样适用于可重构滤波器要实现的低通情况。电路由复数带通与低通滤波相互重构的过程中，电阻值会发生改变，可以通过接入或断开相应的电阻来完成，具体过程由于与所要实现的滤波器相关，电路中没有给出。运算放大器为双端输入双端输出，其带宽和增益由滤波性能决定。

当可重构滤波器工作在复数带通滤波模式下时，即第一低通开关SL1、第二低通开关SL2、第三低通开关SL3、第四低通开关SL4、第五低通开关SL5、第六低通开关SL6、第七低通开关SL7、第八低通开关SL8全部断开，第一带通开关SP1、第二带通开关SP2、第三带通开关SP3、第四带通开关SP4、第五带通开关SP5、第六带通开关SP6、第七带通开关SP7、第八带通开关SP8全部闭合。I、Q两路信号通过二阶Gm-C结构滤波的同时，经过频谱搬移阵列的反馈，实现在复数域上整体信号的线性频谱搬移，从而达到镜像信号抑制和谐波抑制的目的。此时可通过数字控制字调节该复数滤波器的中心频率。如图3所示，为所实现的中心频率可调的复数带通滤波器工作在多种中心频率调谐下的频率曲线，横坐标表示输入信号的频率，单位MHz，纵坐标表示增益，单位dB。所实现的滤波类型为巴特沃斯型，中心频率可以在2M到6M之间切换。

当可重构滤波器工作在低通滤波模式下时，即第一低通开关SL1、第二低通开关SL2、第三低通开关SL3、第四低通开关SL4、第五低通开关SL5、第六低通开关SL6、第七低通开关SL7、第八低通开关SL8全部闭合，第一带通开关SP1、第二带通开关SP2、第三带通开关SP3、第四带通开关SP4、第五带通开关SP5、第六带通开关SP6、第七带通开关SP7、第八带通开关SP8全部断开。I、Q两路信号分别经过各自的跨导放大器与电容的组合，实现低中频情况下的两路双二次低通滤波。此时可通过数字控制字调节该低通滤波器的增益。如图4所示，所实现的增益可调的低通滤波器工作在所有多种增益调谐的下的频率曲线，横坐标表示输入信号的频率，单位MHz，纵坐标表示增益，单位dB。所选滤波类型为巴特沃斯型，增益可以在0dB到14dB之间切换。

通过仿真结果，可以说明，采用本发明所提出的可重构滤波器电路可以很好地完成复数滤波功能和低通滤波功能。

Claims (5)

1.一种可重构滤波器：包括滤波模块、频谱搬移阵列网络、模式切换模块，其中，所述频谱搬移阵列网络对滤波模块输出信号进行线性频率移动，模式切换模块用于调整滤波模块与频谱搬移阵列网络的连接方式，实现低通与复数带通间的切换，滤波模块通过模式切换模块与频谱搬移阵列网络连接；其特征在于：

所述滤波模块包括8个跨导放大器和4个电容，

其中，第一跨导放大器Gm1的正输入端与负输入端分别与一路信号的正输入端与负输入端连接，第一跨导放大器Gm1的负输出端分别与第一电容C1的一端、第五跨导放大器Gm5的正输出端和第二跨导放大器Gm2的正输入端连接，其正输出端分别与第一电容C1的另一端、第五跨导放大器Gm5的负输出端和第二跨导放大器Gm2的负输入端连接，第二跨导放大器Gm2的负输出端分别与第二电容C2的一端、第五跨导放大器Gm5的负输入端和第六跨导放大器Gm6的负输入端连接，第二跨导放大器Gm2的正输出端分别与第二电容C2的另一端、第五跨导放大器Gm5正输入端和第六跨导放大器Gm6的正输入端连接，第六跨导放大器Gm6的正输出端与第五跨导放大器Gm5的负输入端连接，第六跨导放大器Gm6的负输出端与第五跨导放大器Gm5的正输入端连接，第二跨导放大器Gm2的负输出端为一路信号的正输出端，第二跨导放大器Gm2的正输出端为一路信号的负输出端；

第三跨导放大器Gm3的正输入端与负输入端分别与另一路信号的正输入端与负输入端连接，第三跨导放大器Gm3的负输出端分别与第三电容C3的一端、第七跨导放大器Gm7的正输出端和第四跨导放大器Gm4的正输入端连接，第三跨导放大器Gm3正输出端分别与第三电容C3的另一端、第七跨导放大器Gm7的负输出端和第四跨导放大器Gm4的负输入端连接，第四跨导放大器Gm4的负输出端分别与第四电容C4的一端、第七跨导放大器Gm7的负输入端和第八跨导放大器Gm8的负输入端连接，第四跨导放大器Gm4的正输出端分别与第四电容C4的另一端、第七跨导放大器Gm7正输入端和第八跨导放大器Gm8的正输入端连接，第八跨导放大器Gm8的正输出端与第七跨导放大器Gm7的负输入端连接，第八跨导放大器Gm8的负输出端与第七跨导放大器Gm7的正输入端连接，第四跨导放大器Gm4的负输出端为另一路信号的正输出端，第四跨导放大器Gm4的正输出端为另一路信号的负输出端；

所述频谱搬移阵列网络包括4个频谱搬移阵列；

所述模式切换模块包括8个低通开关和8个带通开关；

其中，第一低通开关SL1的一端与第三跨导放大器Gm3的正输入端连接,第一低通开关SL1另一端分别与第一带通开关SP1的一端、第五低通开关SL5和第一频谱搬移阵列TRS1的正输入端连接，第一带通开关SP1的另一端分别与第二跨导放大器Gm2的负输入端和第二频谱搬移阵列TRS2的正输出端连接，第五低通开关SL5另一端分别与第五带通开关SP5和第三频谱搬移阵列TRS3的正输入端连接，第五带通开关SP5的另一端分别与第二跨导放大器Gm2的正输出端和第四频谱搬移阵列TRS4的正输出端连接；第二低通开关SL2的一端与第三跨导放大器Gm3的负输入端连接，第二低通开关SL2的另一端分别与第二带通开关SP2的一端、第六低通开关SL6的一端和第一频谱搬移阵列TRS1的负输入端连接，第二带通开关SP2的另一端分别与第二跨导放大器Gm2的正输入端和第二频谱搬移阵列TRS2的负输出端连接，第六低通开关SL6的另一端分别与第六带通开关SP6的一端和第三频谱搬移阵列TRS3负输入端连接，第六带通开关SP6的另一端分别与第六跨导放大器Gm6的负输入端和第四频谱搬移阵列TRS4的负输出端连接；第三低通开关SL3的一端与第一跨导放大器Gm1的负输入端连接，第三低通开关SL3的另一端分别与第三带通开关SP3的一端、第七低通开关SL7的一端和第二频谱搬移阵列TRS2的负输入端连接，第三带通开关SP3的另一端分别与第四跨导放大器Gm4的正输入端和第一频谱搬移阵列TRS1的正输出端连接，第七低通开关SL7的另一端分别与第四频谱搬移阵列TRS4的负输入端和第七带通开关SP7的一端连接，第七带通开关SP7的另一端分别与第三频谱搬移阵列TRS3的正输出端和第四跨导放大器负输出端连接，第四低通开关SL4的一端与第一跨导放大器Gm1的正输入端连接，第四低通开关SL4的另一端分别与第四带通开关SP4的一端、第八低通开关SL8的一端和第二频谱搬移阵列TRS2的正输入端连接，第四带通开关SP4的另一端分别与第四跨导放大器Gm4负输入端和第一频谱搬移阵列TRS1的负输出端连接，第八低通开关SL8的另一端分别与第八带通开关SP8的一端和第四频谱搬移阵列TRS4正输入端连接，第八带通开关SP8的另一端分别与第三频谱搬移阵列TRS3的负输出端和第八跨导放大器Gm8的正输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种可重构滤波器，其特征在于：所述频谱搬移阵列由第一转换跨导放大器GmT1、第二转换跨导放大器GmT2、第三转换跨导放大器GmT3并联而成。

3.根据权利要求1所述的一种可重构滤波器，其特征在于：所述第一频谱搬移阵列TRS1与第二频谱搬移阵列TRS2的控制信号相同。

4.根据权利要求1所述的一种可重构滤波器，其特征在于：所述第三频谱搬移阵列TRS3与第四频谱搬移阵列TRS4的控制信号相同。

5.根据权利要求1所述的一种可重构滤波器，其特征在于：所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4的容值相等。