CN104579242B - 一种带宽可配、频点可配选频滤波器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带宽可配、频点可配选频滤波器，包括信号放大转换前端的跨导运算放大器OTA，实现跨导可调并使得滤波器可以级联在任意电路之后而无需考虑阻抗匹配；可调输入电阻R_in和可调输出电阻R_out，用于满足滤波器内部对于阻抗匹配的需求；可调跨导运算放大器阵列，实现滤波器频点可配置；可调电容阵列，实现滤波器带宽可配置；控制电压输出模块，用于提供跨导运算放大器所需的控制电压；其中，可调跨导运算放大器阵列、开关阵列和电容阵列一一匹配。本发明可以使无线通信系统的选频不再仅仅依赖于混频器，克服了特定的芯片只能用于特定的系统的缺陷，整合了滤波和选频功能，覆盖了无线通信专网应用的多数频点和带宽。

Description

一种带宽可配、频点可配选频滤波器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种通用无线宽带通讯选频滤波器，尤其涉及一种带宽可配、频点可配选频电路，用于在无线宽带射频通信领域中对信号进行选频。

背景技术

现代无线通信接收系统从基站接收无线信号，经过放大，混频，滤波，模数转换等一系列步骤，完成数据的接收和处理。其中无线信号选频多数通过混频器完成。其将本地振荡器产生的信号和接收信号进行下变频，产生零中频信号，后通过低通滤波器滤除杂讯，运算放大器(Op-Amp)放大信号，模数转换器(A/D转换器)转换信号、数字基带模块处理信号，实现信号的复现和处理。

然而，目前我国无线通信行业专网所用频点和带宽种类繁多，其频率主要集中在100MHz～1.2GHz，且各专网使用不同的频点、射频带宽和信号带宽(5kHz～2MHz)，标准不统一。由于特定的混频器无法覆盖所有的频点和信号带宽，导致各行业专网设备所用的射频芯片不同，同时对射频前端芯片的需求难以形成规模效应，且成本高、配套困难。

发明内容

针对现有技术，本发明提供了一种应用于选频电路中的带宽可配、频点可配选频滤波器，使其兼具选频和滤波功能，通过和混频器合理的协调工作，以覆盖无线通信专网应用的多数频点和带宽，降低成本，降低配套难度。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种带宽可配、频点可配选频滤波器，包括：信号放大转换前端的跨导运算放大器OTA，所述跨导运算放大器OTA用于将输入电压信号转换为电流信号，实现跨导可调，同时将前级电路和主滤波器模块隔离，使得滤波器可以级联在任意电路之后而无需考虑阻抗匹配；可调输入电阻R_in和可调输出电阻R_out，分别由一跨导运算放大器实现，用于满足滤波器内部对于阻抗匹配的需求；可调跨导运算放大器阵列，通过调整控制电压改变跨导运算放大器的电导，实现滤波器频点可配置；可调电容阵列，通过SWITCH阵列控制电容阵列的选通和关断，实现滤波器带宽可配置；所述可调电容阵列包括电容阵列、SWITCH阵列和SWITCH数字控制模块，通过SWITCH数字控制模块控制开关的切换，进而控制电容阵列的选通；控制电压输出模块，用于提供跨导运算放大器所需的控制电压，所述控制电压输出模块包括数字单元和电压输出模块，由所述数字单元提供控制信号，并由所述电压输出模块根据前端提供的控制信号输出需求的电压；上述可调跨导运算放大器阵列、可调电容阵列和控制电压输出模块构成了该滤波器的主电路；电源连接模块，用于将由电源提供的驱动电压供给整体电路；所述可调跨导运算放大器阵列、开关阵列和电容阵列一一匹配。

上述一种带宽可配、频点可配选频滤波器的实现方法，电压信号从电压输入端Vin进入信号放大转换前端的跨导运算放大器OTA，将电压信号转换成为电流信号，同时，通过数字单元控制电压输出模块输出的直流电压施加于可调跨导运算放大器阵列，通过调节直流电压以调节可调跨导运算放大器阵列的跨导增益，从而调整滤波器电路的增益，实现电路增益可调。

进一步讲，一种带宽可配、频点可配选频滤波器的实现方法，具体包括以下步骤：

由信号放大转换前端的跨导运算放大器OTA转化得到的电流信号进入可调输入电阻R_in，所述可调输入电阻R_in由一跨导运算放大器等效得到，通过调整控制电压输出模块的输出电压调整该跨导运算放大器的跨导值，从而得到可调输入电阻R_in的输入阻抗；

信号经由可调输入电阻R_in进入滤波器的主电路部分，该主电路由上述可调跨导运算放大器阵列、可调电容阵列和控制电压输出模块构成，该主电路通过有源替代无源的方式实现，其中有源电路通过OTA-C的方式实现，无源电路通过一经典滤波器设计实现，最终通过有源替换无源实现OTA-C有源滤波电路；

通过SWITCH数字控制模块控制SWITCH阵列的通断控制接入可调跨导运算放大器阵列电容的数量，实现了带宽可配置；

根据频点的需求，通过数字单元提供控制信号给电压输出模块，电压输出模块按照频点的需求输出控制电压给可调跨导运算放大器阵列，调节可调跨导运算放大器阵列的跨导值，从而实现频点可配置；

最后信号通过可调输出电阻R_out输出，所述可调输出电阻R_out由一跨导运算放大器等效得到，从而起到实现电路输出阻抗匹配以及隔离电路的作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明带宽可配、频点可配选频滤波器的实现，使得无线通信系统的选频不再仅仅依赖于混频器，克服了特定的芯片只能用于特定的系统的缺陷，整合了滤波和选频功能，覆盖了无线通信专网应用的多数频点和带宽，如图4(a)和图4(b)所示，其中，图4(a)所示为中心频点可配置，图4(b)所示为带宽可配置，从而降低了研发成本和配套难度。在无需重新设计专用芯片的情况下，本发明使得只需要简单的加入数字控制就可以使得单一芯片满足不同系统的需求，例如GSM系统、WCDMA系统、无线广播等。

附图说明

图1是本发明带宽可配、频点可配选频滤波器的无线通讯架构框图；

图2是本发明带宽可配、频点可配滤波器架构图；

图3(a)是本发明中无源归一化低通转换带通滤波器的实施例1；

图3(b)是本发明中无源归一化低通转换带通滤波器的实施例2；

图4(a)是中心频点可配置4-channel的变化图；

图4(b)是带宽可配置5k、100k、200、400k的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

本发明一种带宽可配、频点可配选频滤波器，如图2所示，该滤波器包括：跨导运算放大器OTA、可调输入电阻R_in和可调输出电阻R_out、可调跨导运算放大器阵列、可调电容阵列、控制电压输出模块、电源连接模块；上述的可调跨导运算放大器阵列、可调电容阵列和控制电压输出模块构成了该滤波器的主电路。

所述跨导运算放大器OTA设置在信号放大转换前端，所述跨导运算放大器OTA用于将输入电压信号转换为电流信号，实现跨导可(电流电压比)调，实现系统对增益的要求，同时将前级电路和主滤波器模块隔离，起到将前级电路和主滤波器模块隔离的作用，使得滤波器可以级联在任意电路之后而无需考虑阻抗匹配。

所述可调输入电阻R_in和可调输出电阻R_out，分别由一跨导运算放大器实现，用于满足滤波器内部对于阻抗匹配的需求。

所述可调跨导运算放大器阵列通过调整控制电压改变跨导运算放大器的电导，使得跨导按照一定的规律变化实现滤波器频点可配置。

所述可调电容阵列通过SWITCH阵列控制电容阵列的选通和关断从而实现滤波器带宽可配置；所述可调电容阵列包括电容阵列、SWITCH阵列和SWITCH数字控制模块，通过开关阵列控制端(SWITCH数字控制模块)控制开关的切换，进而控制电容阵列的选通。

所述控制电压输出模块用于提供跨导运算放大器所需的控制电压，所述控制电压输出模块包括数字单元和电压输出模块，根据系统处理信号需求，由所述数字单元提供控制信号，并由所述电压输出模块根据前端提供的控制信号输出需求的电压。

所述电源连接模块用于将由电源提供的驱动电压供给整体电路。

上述的可调跨导运算放大器阵列、开关阵列和电容阵列一一匹配。

本发明中一种带宽可配、频点可配选频滤波器的实现方法是：电压信号从电压输入端Vin进入信号放大转换前端的独立的跨导运算放大器OTA，将电压信号转换成为电流信号，同时，通过数字单元控制电压输出模块输出的直流电压施加于可调跨导运算放大器阵列，通过调节直流电压以调节可调跨导运算放大器阵列的跨导增益，从而调整滤波器电路的增益，实现电路增益可调，从而达到简化整体系统电路的目的。具体步骤如下：

由信号放大转换前端的跨导运算放大器OTA转化得到的电流信号进入可调输入电阻R_in(滤波器输入匹配阻抗电阻简称输入电阻)，所述可调输入电阻R_in由一跨导运算放大器等效得到，通过调整控制电压输出模块的输出电压调整该跨导运算放大器的跨导值，从而得到合适的输入阻抗；

信号经由可调输入电阻R_in进入滤波器的主电路部分，该主电路由上述可调跨导运算放大器阵列、可调电容阵列和控制电压输出模块构成，该主电路通过有源替代无源的方式实现，其中有源电路通过OTA-C的方式实现，无源电路通过一经典滤波器设计实现，以3阶滤波器为例举例说明其原理。首先根据系统整体要求选取适当的无源归一化低通滤波器原型，如图3(a)所示，其电感、电容、电阻值可以查表得到，然后通过变换得到系统所需的无源带通滤波器原理图，如图3(b)所示。其变换公式如下：

R_i＝K×r_i

其中,K＝Ri/ri；M＝2πf0；f0为几何中心频率，ωL为低频截止频率；ωH为高频截止频率；即低通原型网络中电感变为电感和电容的串联，而电容变成电容和电感的并联，电阻扩大K倍。

最终通过有源替换无源实现OTA-C有源滤波电路；

其变换公式如下：

R＝1/Gm

其中C，L为图3(b)中无源元件，C′和C_L为有源电路器件。

通过以上两组公式(1)和(2)的联立，可以得到电容-Gm(跨导值)和带宽-频率的关系，即若需要改变滤波电路的中心频率只需要按照一定的规律变化Gm值，若需要改变滤波电路的带宽只需要相应的改变电容值。

本发明中，根据具体的使用环境，通过SWITCH数字控制模块控制SWITCH阵列的通断控制接入可调跨导运算放大器阵列电容的数量，实现了带宽可配置；

根据频点的需求，通过数字单元提供控制信号给电压输出模块，电压输出模块按照一定的规律输出控制电压给可调跨导运算放大器阵列，调节可调跨导运算放大器阵列的跨导值，从而实现频点可配置；

最后信号通过可调输出电阻R_out输出，所述可调输出电阻R_out由一跨导运算放大器等效得到，从而起到实现电路输出阻抗匹配以及隔离电路的作用。

图1示出了本发明带宽可配、频点可配滤波器所应用的无线通讯架构框图，如图1所示频率在100MHz～1.2GHz、信号带宽在5kHz～2MHz的无线信号通过高频带通滤波器滤波，利用LNA对信号进行放大，通过混频器将信号频率降到0Hz～2MHz之间进行预选频，然后利用有源带通滤波器频点可配、带宽可配的特性将需要的信道选出，并经过放大和模数转换进入基带进行信号处理。

如上所述，在无需从新设计专用芯片的情况下，本发明利用滤波器频点可配、带宽可配的特性，通过简单的数字编程，就可以使得单一芯片满足不同系统的需求，例如GSM系统、WCDMA系统、无线广播等。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种带宽可配、频点可配选频滤波器，其特征在于，包括：

信号放大转换前端的跨导运算放大器OTA，所述跨导运算放大器OTA用于将输入电压信号转换为电流信号，实现跨导可调，同时将前级电路和跨导运算放大器OTA阵列隔离，使得滤波器可以级联在任意电路之后而无需考虑阻抗匹配；

可调输入电阻R_in和可调输出电阻R_out，分别由一跨导运算放大器实现，用于满足滤波器内部对于阻抗匹配的需求；

可调跨导运算放大器阵列，通过调整控制电压改变跨导运算放大器的电导，实现滤波器频点可配置；

可调电容阵列，通过SWITCH阵列控制电容阵列的选通和关断，实现滤波器带宽可配置；所述可调电容阵列包括电容阵列、SWITCH阵列和SWITCH数字控制模块，通过SWITCH数字控制模块控制开关的切换，进而控制电容阵列的选通；

控制电压输出模块，用于提供跨导运算放大器所需的控制电压，所述控制电压输出模块包括数字单元和电压输出模块，由所述数字单元提供控制信号，并由所述电压输出模块根据前端提供的控制信号输出需求的电压；

上述可调跨导运算放大器阵列、可调电容阵列和控制电压输出模块构成了该滤波器的主电路；

电源连接模块，用于将由电源提供的驱动电压供给整体电路；

所述可调跨导运算放大器阵列、SWITCH阵列和电容阵列一一匹配；

电压信号从电压输入端Vin进入信号放大转换前端的跨导运算放大器OTA，将电压信号转换成为电流信号，同时，通过数字单元控制电压输出模块输出的直流电压施加于可调跨导运算放大器阵列，通过调节直流电压以调节可调跨导运算放大器阵列的跨导增益，从而调整滤波器电路的增益，实现电路增益可调。

2.根据权利要求1所述一种带宽可配、频点可配选频滤波器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

由信号放大转换前端的跨导运算放大器OTA转化得到的电流信号进入可调输入电阻R_in，所述可调输入电阻R_in由一跨导运算放大器等效得到，通过调整控制电压输出模块的输出电压调整该跨导运算放大器的跨导值，从而得到可调输入电阻R_in的输入阻抗；

信号经由可调输入电阻R_in进入滤波器的主电路部分，该主电路由上述可调跨导运算放大器阵列、可调电容阵列和控制电压输出模块构成，该主电路通过有源的方式实现，其中有源电路通过OTA-C的方式实现；

通过SWITCH数字控制模块控制SWITCH阵列的通断控制接入可调跨导运算放大器阵列电容的数量，实现了带宽可配置；

根据频点的需求，通过数字单元提供控制信号给电压输出模块，电压输出模块按照频点的需求输出控制电压给可调跨导运算放大器阵列，调节可调跨导运算放大器阵列的跨导值，从而实现频点可配置；

最后信号通过可调输出电阻R_out输出，所述可调输出电阻R_out由一跨导运算放大器等效得到，从而起到实现电路输出阻抗匹配以及隔离电路的作用。