CN1810002B - 组合式数模转换器和信号滤波器 - Google Patents

Abstract

一种用于处理数字信号的电子电路，可以包括：多个数字延时电路，各被配置为产生所述数字信号的延时副本；多个数模转换器，各被配置为将所述数字信号或来自所述数字延时电路之一的延时副本转换成模拟信号；多个模拟增益电路，各被配置为用一个增益系数对来自所述数模转换器之一的所述模拟信号进行调整，并且各有一个输出；以及一个模拟加法器，被配置为对所述模拟增益电路的输出求和。可以选择延时电路的数量以及延时和增益的大小，从而使该电路工作为带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器或其他类型的滤波器。该电路可用于包括收发机(如用户站)的多种应用和超宽带应用。

Description

组合式数模转换器和信号滤波器

相关申请的交叉引用

本申请要求2003年4月24日提交的、题目为“CombinedDigital-Analog Converter and Signal Filtering”的美国临时申请60/465710的优先权，该临时申请的全部内容以引用的方式并入此处。

发明领域

本申请涉及包括低通滤波器的电子滤波器和数模转换器。本申请还涉及超宽带通信系统。

技术背景

电子滤波器是一种让具有特定频率的信号通过并阻断具有其他频率的信号的电路。只让低于特定频率的信号通过的滤波器通常被称为低通滤波器；只让高于特定频率的信号通过的滤波器通常被称为高通滤波器；只让某频率范围内的信号通过的滤波器通常被称为带通滤波器；只让某频率范围之外的信号通过的滤波器通常被称为带阻滤波器。

滤波器通常被设计为针对模拟或数字信号进行操作。

模拟滤波器通常处理连续变化的信号。模拟滤波器通常包括电阻、电容，在有些情况下，还包括电感。模拟滤波器提供的功能通常取决于所选择的部件的数量和值及其互联方式。

数字滤波器通常处理在多个离散值之间交替变化的信号，如在两个或三个电平之间交替变化的信号。数字滤波器通常包括串联的数字延时电路、数字加权电路(乘法器)和数字加法器。数字滤波器提供的功能通常取决于数字延时电路的数量、每个延时的大小和每个加权电路的加权。

数字滤波器和模拟滤波器用于多种应用。例如，低通滤波器常用于发射机中，以确保该发射机不发射超过FCC(联邦通信委员会)批准的通信频率的信号。

有些发射机接收以数字格式传输的信息。在这些系统中，数模转换器常将数字信息信号转换成模拟信号，然后再进行发射。

在这些数字信息系统中，所需的低通滤波器可以放置在数模转换器之前或之后。如果低通滤波器放置在数模转换器之前，如图1(a)所示，则该低通滤波器通常是数字滤波器。如果低通滤波器放置在数模转换器之后，如图1(b)所示，则该低通滤波器通常是模拟滤波器。

新的超宽带技术可以使无线通信设备在数GHz的极宽带内以极低的功率电平(如10nW/MHz)、以1MBps至1GBps的速度，同时进行无线通信。

但是，所允许的带宽不是无限的，因此仍需要对此进行控制。为实现这一点，可以采用低通滤波器。低通滤波器需要极宽的带宽才能正确处理极低功率电平的信号，但阻断该截止频率(cutoff)之上的信号。

一种办法是将数字信息信号转换成模拟信号，然后通过模拟低通滤波器传递模拟信号，如图1(b)所示。但是，该模拟滤波器可能无法正确地让超宽带宽内的信号通过并同时切断该截止频率以上的信号。相反，如果某一模拟低通滤波器具有所需的带宽，并切断该截止频率之上的信号，则可能导致通过的信号幅度和相位失真，相位偏移量是频率的函数。达到所需标准的模拟低通滤波器设计还可能对其部件的值非常敏感，从而可能需要昂贵的部件，这些部件的容差可以进行精密调整，而不受变化环境所导致的重大改变。所需的低通标准可能还需要复杂、昂贵和难以用模拟电路实现的设计。

如上所述和如图1(a)所示，也可以将发射机中的低通滤波器插在数模转换器之前。在这种情况下，该低通滤波器需要是数字滤波器。但是，如果在超宽带发射机中使用该配置，则所需的数模转换器需要工作在极高频率并同时处理大量的比特，以获得所需的滤波精度。这会增加数模转换器的体积、功率和速度以及成本要求。确实，现在可能还没有实际的数模转换器能够满足新的超宽带无线通信设备的必需要求。

发明内容

一种用于处理数字信号的电子电路，可以包括：多个数字延时电路，各被配置为产生所述数字信号的延时副本；多个数模转换器，各被配置为将所述数字信号或来自所述数字延时电路之一的延时副本转换成模拟信号；多个模拟增益电路，各被配置为用一个增益系数对来自所述数模转换器之一的所述模拟信号进行调整，并且各有一个输出；以及一个模拟加法器，被配置为对所述模拟增益电路的输出求和。

一种电子滤波器，可以包括：一个模拟加法器，具有多个输入端；多个模拟增益电路，各有一个连接到所述模拟加法器的输入端之一的输出端和一个输入端；多个数模转换器，各有一个连接到所述模拟增益电路之一的输入端的输出端和一个输入端；以及多个串联的数字延时电路，各有一个连接到所述多个数模转换器之一的输入端的输出端。

一种方法，可以包括：创建一个数字信号的一组数字副本，所述数字副本中的每一个都与所述数字信号基本上相同，但相对于所述数字信号的延时量不同于其他数字副本的延时量；将所述数字信号和所述数字信号的延时数字副本中的每一个转换成模拟信号；对所述模拟信号中的每一个应用一个增益系数；以及，对加权后的模拟信号求和。

一种电子电路，可以包括：创建模块，用于创建一个数字信号的一组数字副本，所述数字副本中的每一个都与所述数字信号基本上相同，但相对于所述数字信号的延时量不同于其他数字副本的延时量；转换模块，用于将所述数字信号和所述数字信号的延时数字副本中的每一个转换成模拟信号；应用模块，用于对所述模拟信号中的每一个应用一个增益系数；以及求和模块，用于对加权后的模拟信号求和。

在下面的详细描述中，只描述了实施例，对于本领域技术人员来讲，其他实施例也是显而易见的。在不脱离公开内容的精神和保护范围的前提下，可以对这些细节的各个其他方面进行修改。应将附图和详细的说明书本质上视为说明性的，而非限制性的。

附图简述

下面结合附图，示例性、而非限制性地描述本申请的各方面，其中：

图1(a)和(b)是包括低通滤波器的现有技术数模转换器的框图；

图2是组合式数模转换器和信号滤波器的框图；

图3是组合式数模转换器和信号滤波器的流程图；

图4是使用低通数模转换器的发射机的框图；

图5是例如用于无线通信设备中的使用低通数模转换器的收发机的框图；

图6是一个电子电路的框图。

具体实施方式

下面结合附图给出的详细描述是示例性的，并不表示能够实施的唯一实施例。“示例性的”一词意味着“用作例子、例证或说明”，不应被解释为比其他实施例优选或有优势。详细的说明书包括为充分理解公开内容所提供的具体细节。在有些情况下，为了更清楚地说明概念，以框图的形式给出了公知的结构和设备。但是，对于本领域技术人员来讲，这些具体细节可以不用这些概念实施。

图2是组合式数模转换器和信号滤波器的框图。

如图2所示，可将数字信号201传递到一系列数字延时电路，如数字延时电路203、205和207。

图2中所示的数字延时电路是串联的，但它们也可通过并联、串并混合或其他配置的形式，连接到数字信号201。

每个数字延时电路可被配置为创建数字信号201的一个以预定时间量进行延时的副本(replica)。每个延时电路可以只包括单个延时单元或一系列的串联延时单元。

可将数字信号201的原物和各延时副本传递到数模转换器的输入端，如传递到图2中数模转换器211、213、215和217的输入端。众所周知，数模转换器一种是将数字信号转换成其模拟等价物的电路。

可将每个数模转换器的模拟输出传递到一个模拟增益电路的输入端，如传递到模拟增益电路221、223、225和227的输入端。众所周知，模拟增益电路是一种产生与其输入基本相同、但却乘以一预定增益系数的输出的电子电路。

可将每个模拟增益电路的输出传递到一个模拟加法器的输入端，如图2所示的模拟加法器231的输入端。众所周知，模拟加法器是一种产生基本上等于其模拟输入之和的输出的电子电路。该输出可选地乘以模拟加法器内的一个增益系数。

图3是组合式数模转换器和信号滤波器的流程图。其示出了由图2所述电路执行的处理。

具体而言，使数字信号通过一组延时电路，可以开始该处理，如“使数字信号通过延时电路”步骤301所示。

然后，可以将数字信号的原物和各延时的数字信号转换成模拟信号，如“将各数字信号转换成模拟信号”步骤303所示。

可以对每个模拟信号应用一个增益系数，如“对各模拟信号应用增益系数”步骤305所示。然后，可以将加权后的模拟信号相加，如“将加权后的模拟信号相加”步骤307所示。

所使用的数字延时电路的数量以及各延时的大小和各模拟增益电路的增益系数可能变化很大。可以选择这些标准，使得图2的电路实现滤波功能。所实现的确切滤波功能同样取决于做出的具体选择。

对于本领域技术人员显而易见的是，图2所示的电路配置类似于传统数字滤波器的配置。但是，传统的数字滤波器通常用数字增益电路取代图2所示的数模转换器和模拟增益电路(即数模转换器211和模拟增益电路221)。

尽管存在该差异，对选择数字延时电路的数量和各延时的大小以及数字滤波器的增益系数的考虑同样适用于图2所示的相应部件。

利用数字滤波器设计领域的该知识，可以选择图2中的数字延时电路的数量和各延时的大小和增益系数，从而实现几乎任何滤波器设计，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。此外，通过利用结合数字滤波器设计产生的知识，同样可以控制滤波器的确切规格(包括零的数量和位置)。

数字信号201的每个字中的比特数量变化也可能很大。在一个例子中，数字信号201只包括一个单比特数字字。在这种情况下，诸如数字延时电路203、205和207之类的数字延时电路和诸如数模转换器211、213、215和217之类的数模转换器可被配置为只处理单比特字。

数字延时电路的数量与数模转换器(及其相关联的模拟增益电路)的数量的比值也可以变化。在图2所示的例子中，数模转换器(及其关联的模拟增益电路)的数量等于数字延时电路的数量加1。

上述的组合式数模转换器和信号滤波器可用于多种应用。

图4是使用低通数模转换器的发射机的框图。如图4所示，数字信号源401可用于传递欲以数字格式发射的信息信号。该信息信号可以表示声音、音乐、视频、数据或任何其他类型的信息或这些类型的组合。

为了确保数字信号源401提供的数字信号不超过必需的截止频率，可将数字信号传递到一个低通数模转换器。该低通数模转换器可以是组合式数模转换器和信号滤波器，如图2所示的电路，并执行图3所示的过程，上面已经对此做出了详细描述。在该例子中，根据标准滤波器设计技术，可以选择数字延时电路的数量和各延时的大小及其相关增益系数，以实现低通数模转换器403，来满足所需的低通规格。

可将低通数模转换器403的输出传递到调制器405，调制器405将低通数模转换器403的输出与本地振荡器407产生的载波信号进行混合。可将调制器405的输出传递到放大器409，以增加调制载波的强度。可将放大器409的输出传递到天线411，以辐射放大和调制的信号。在非常低功率的配置中，可以没有放大器409，或者，如果有的话，也可以不使用。

图5是可用于无线通信设备中的、使用低通数模转换器的收发机的框图。如图5所示，该收发机包括具有低通数模转换器的发射机501。它可以是图4中所描述的类型。它也可以包括接收机503和天线505，通过开关507在收发机501和接收机503之间进行切换。开关507可以是机械式操作的、声音驱动的或通过其他方式操作的。

上面针对发射机(图4)和收发机(图5)进行了讨论，但图2所示的组合式数模转换器和信号滤波器和图3所示的相关处理可用于多种应用。例如，该组合式数模转换器和信号滤波器可用于需要有限冲激响应(FIR)数字滤波器和无限冲激响应(IIR)数字滤波器的应用。对于IIR滤波器的情况，需要将电路增加到反馈路径中，以使组合式数模转换器和信号滤波器的模拟输出匹配数字输入。

该组合式数模转换器和信号滤波器可以支持天线的预校正功能和其他模拟或数字感应的幅度和/或相位失真。

该组合式数模转换器和信号滤波器中使用的电路可集成到单个混合模式的集成电路芯片中。

图6示出了一个电子电路，其包括：创建模块610，用于创建数字信号的一组数字副本，所述数字副本中的每一个都与所述数字信号基本上相同，但相对于所述数字信号的延时量不同于其他数字副本的延时量；转换模块620，用于将所述数字信号和所述数字信号的延时数字副本中的每一个转换成模拟信号；应用模块630，用于对所述模拟信号中的每一个应用增益系数；求和模块640，用于对加权后的模拟信号求和。

本领域技术人员应当理解，可以使用多种不同技术和方法表示信息和信号。例如，在贯穿上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或者上述的任意组合来表示。

本领域技术人员还会明白，这里结合所公开的实施例描述的各种示例性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以电子硬件、计算机软件或二者的结合来实现。为了清楚地示出硬件和软件之间的可交换性，以上对各种示例性的组件、方框、模块、电路和步骤均以其功能性的形式进行总体上的描述。这种功能性是以硬件实现还是以软件实现取决于特定的应用和整个系统所施加的设计约束。熟练的技术人员能够针对每个特定的应用以多种方式来实现所描述的功能性，但是这种实现的结果不应解释为导致背离本发明的范围。

利用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程的逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑、分立硬件组件或者它们之中的任意组合，可以实现或执行结合这里公开的实施例描述的各种示例性的逻辑框图、模块和电路。通用处理器可能是微处理器，但是在另一种情况中，该处理器可能是任何常规的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可能被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或者更多结合DSP核心的微处理器或者任何其他此种结构。

结合这里公开的实施例所描述的方法或者算法可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或者这二者的组合。软件模块可能存在于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其他形式的存储媒质中。一种典型存储媒质与处理器耦合，从而使得处理器能够从该存储媒质中读信息，且可向该存储媒质写信息。在替换实例中，存储媒质是处理器的组成部分。处理器和存储媒质可能存在于一个ASIC中。在一个替换实例中，处理器和存储媒质可以作为用户站中的分立组件存在。

提供所述公开的实施例的上述描述可使得本领域的技术人员能够实现或者使用本发明。对于本领域技术人员来说，这些实施例的各种修改是显而易见的，并且这里定义的总体原理也可以在不脱离本发明的范围和主旨的基础上应用于其他实施例。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而是与符合这里公开的原理和新颖特征的最广范围相一致。

Claims (13)

1.一种用于将数字信号转换成模拟信号的电子电路，包括：

串联连接的多个数字延时电路，所述多个数字延时电路中的第一个数字延时电路接收所述数字信号，所述多个数字延时电路各被配置为产生所述数字信号的延时副本；

多个数模转换器，所述多个数模转换器中的第一个数模转换器被配置为转换所述数字信号，其他的每个数模转换器被配置为将来自所述数字延时电路之一的所述延时副本转换成模拟信号；

多个模拟增益电路，各被配置为利用增益系数对来自所述数模转换器之一的所述模拟信号进行调整，并且各有一个输出；以及

一个模拟加法器，被配置为对所述模拟增益电路的所述输出求和，

其中，按照使得所述电路执行低通滤波功能的方式来配置和互联所述数字延时电路、数模转换器、模拟增益电路和模拟加法器，其中，每个数字延时电路的延时和每个模拟增益电路的增益的大小使得所述电路执行所述低通滤波功能。

2.如权利要求1所述的电子电路，其中：

所述数字延时电路各有一个输出端；

所述数模转换器各有一个输入端；以及

每个数字延时电路的输出端连接到所述数模转换器之一的输入端。

3.如权利要求1所述的电子电路，其中：

所述数模转换器各有一个输出端；

所述模拟增益电路各有一个输入端；以及

每个数模转换器的输出端连接到所述模拟增益电路之一的输入端。

4.如权利要求1所述的电子电路，其中：

所述模拟增益电路各有一个输出端；

所述模拟加法器有多个输入端；以及

每个模拟增益电路的输出端连接到所述模拟加法器的所述输入端之一。

5.如权利要求1所述的电子电路，其中，所述数字延时电路各被配置为对只有一个比特的数字字进行延时。

6.如权利要求1所述的电子电路，其中，所述数模转换器各被配置为对只有一个比特的数字字进行转换。

7.如权利要求1所述的电子电路，其中：

所述延时电路各连接到所述数模转换器之一；

所述模拟增益电路各连接到所述数模转换器之一；以及

所述模拟加法器连接到所述模拟增益电路。

8.如权利要求1所述的电子电路，其中，所述延时电路的数量比所述数模转换器的数量少1。

9.如权利要求1所述的电子电路，还包括一个天线，该天线被配置为发射由所述模拟加法器提供的总和。

10.如权利要求9所述的电子电路，还包括一个接收机，该接收机被配置为接收所接收的信号。

11.一种电子滤波器，包括：

一个模拟加法器，具有多个输入端；

多个模拟增益电路，各有一个连接到所述模拟加法器的输入端之一的输出端和一个输入端；

多个数模转换器，各有一个连接到所述模拟增益电路之一的输入端的输出端和一个输入端，所述多个数模转换器中的第一个数模转换器被配置为接收数字信号；以及

多个串联的数字延时电路，各有一个连接到所述多个数模转换器之一的输入端的输出端，所述多个串联的数字延时电路中的第一个数字延时电路具有被配置为接收所述数字信号的输入端，

其中，按照使得所述电子滤波器执行低通滤波功能的方式来配置和互联所述数字延时电路、数模转换器、模拟增益电路和模拟加法器，其中，每个数字延时电路的延时和每个模拟增益电路的增益的大小使得所述电子滤波器执行所述低通滤波功能。

12.一种方法，包括：

创建数字信号的一组数字副本，所述数字副本中的每一个都与所述数字信号基本上相同，但相对于所述数字信号的延时量不同于其他数字副本的延时量；

将所述数字信号和所述数字信号的所述延时数字副本中的每一个转换成模拟信号；

对所述模拟信号中的每一个应用增益系数；以及

对加权后的模拟信号求和，

其中，所述创建一组数字副本包括：使所述信号通过一系列数字延时电路，其中，每个数字延时电路的延时和对每个模拟信号应用的增益系数使得所述方法执行低通滤波功能。

13.一种电子电路，包括：

创建模块，用于创建数字信号的一组数字副本，所述数字副本中的每一个都与所述数字信号基本上相同，但相对于所述数字信号的延时量不同于其他数字副本的延时量；

转换模块，用于将所述数字信号和所述数字信号的延时数字副本中的每一个转换成模拟信号；

应用模块，用于对所述模拟信号中的每一个应用增益系数；以及

求和模块，用于对加权后的模拟信号求和，

其中，所述创建模块包括用于使所述信号通过一系列数字延时电路来创建数字信号的一组数字副本的模块，其中，每个数字延时电路的延时和对每个模拟信号应用的增益系数使得所述电子电路执行低通滤波功能。

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