多相滤波器的原理及其实现

1、ISSN 10000054CN 11-2223/43/329-11清华大学学抿（自然科学版）2001年第41卷第I期 J TsinghuaUniv （Sci &Tcch） 2001, Vol 41, No I多相滤波器的原理及其实现陈伟宁.秦士（潘华大学电亍工穆系.北京100CS4）© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing Hou

2、se. All rights reserved.:作为直接变频式低中频接收机中的关犍技术之一. 多相滤波器起看抑制错像干扰和邻频道干扰的作用它的设 计直接屋响看整个系统的接收性能。以篦数滤波器为例.讨 论了多相滤波器的基本原理。在此基础上推导出其电路结 构形式并实现了一个三阶复数带通滤波器。将该滤波器应 用T 900MHZ频段低中频接收机中进行测试.得到它的幅 频特性实验结果中心频率为250 kHz.備像频率-250 kHz 处错像抑制达到了 33 JB.从而证明了它在低中频接收机中 的有效性。:多相滤波器：直接变频式接收机：零中频接收机： 低中频接收机:L 18: A:1000-0054 (

3、2001) 01 -0009-03Prhcq)le and mplmientation ofpoly-phase filterCHEN We ring. QN Shi(Dqiarlment of Electronic Engineering,Tsinghua U niversity. Beijing 100084, China)Abstract The poly-phase filter plays an important mlc as a m irror signal and for rejecti)n of neighbor channel interference as a criti

4、cal technobgy in the knvlF receiver This paper discusses lhe princples and introduces the circuit structure of a poly-phase filter using a complex filter as an example A third order complex filter is ni piemen ted and ils amplitude transfer functbn is presented The center frequency is 250 kHz and th

5、e m irror reject bn at 250 kHz is about 33 dB. This result was fmm a test in which the complex filter was put into a 900M Hz low-n; receiver to danonstrale the usability of the po ly-phase filter in a low IF receiverKey words polyphase filler: direcCconversbn receiver: k)wIE receiver; zero* IE recei

6、ver近年来，随着无线移动通信、数字卫星电视和 有线数据传输网络等应用的快速发展.射频接收机 电路的研究也成为一个非常活跃的领域。传统的超 外差式接收机采用一个或一个以上的频率校高的中 频，并利用矩形系数良好的带通滤波器来抑制镜像 和邻频道干扰提取出有用侑号。随着射频频率的升 高.例如12 GHz或更高中频也高达数十或数百 MHzo在这种情况下.这些带通滤波器需用声表面 波、陶瓷器件或高阶的分立电蘇电容滤波器等来实 现。再加上二次混频电路和第二本振信号生成电路 等，使得系统复杂化，难以满足集成度越来越高的 要求。直接变频式接收机则将身州页信号变换到基带 或一个几百kHz的低中频上前者称为零中频

7、接收 机.后者称为低中频接收根由于没有分立中频滤 波豁二次混频和第二本振信号生成等电路有利干 系统集成.因而直接变频式接收机的研究得到了越 来越多的重视3釘。多相滤波器是直接变频式低中频接收机中抑制 镜像和邻频道干扰的主要技术之一，它的设计直接 影响着接收机的整体性能因而值得研究。在分析其 原理的基础上推导出了一种适合于实现的电路结 构形式并给出了最终的的实验结果。1低中频接收机图1给出了低中频接收机的原理图"I。射频 信号经过正交下变频形成IX?两路，有用侑号和镜 像信号频率相同.但相位相反。在频谱图上等效于一 个在正频率上一个在负频率上。再利用一个对正负 频率分量幅频响应不同的滤

8、波器如多相滤波器放 大有用佰号并滤除镜像干扰。2多相滤波器的原理分析多相滤波器对于绝对值相同但正负相反的频率 分量的幅频响应不同.因此要求对正负频率加以区 分这在一维实数域中是做不到的。任何一维实数域:2（XM）-O3-2O:华为高校科校基金项目:床伟宁U975-）.男（汉）.江西.砺士研究生.© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing H

9、ouse. All rights reserved.陈伟宁.等：乡相滤波器的原理及其实现1110清华大学学报(自然科学版)2001.41(1)数字信号处理中的滤波器其幅频咄应对于正热频率分量是对称 的，不可能在放大正分量的同时抑制负分量。多相信 号的概念就是由“个互相独立的分量组成的一个 ”维矢量信号。对于二维而言用复数来表示。正是 多相概念的引入便得区分正负频率成为可能，也为 多相滤波器的设计提供了理论根据。下面就以二维 复数信号为例来加以讨论。对于复数信号，定义了各种运算。在这些运算的 基础上就可以设计出复数滤波器它的频率响应是 和分量系列有关的。例如对于a(/)=4oeAi，和= 人血纱

10、两个信号的幅频响应不同。它能让只有单一 正频率分量O)的信号“通过同时抑制只有单一 负频率分量的信号b(讥 图2是一个三阶实数 滤波器的$平面示意图和幅频响应图.其中“、 P3是传递函数的3个极点。任何一个实数域滤波器 的寒、极点要么出现在实轴上要么成对地共扼出 现.因此它的幅频响应总是正负对称的。为了获得 一个对正负分量响应特性不同的滤波器，例如中心 频率在正频率0)处，可以将所有的极点向上平移 0)。此时的5平面示意图和幅频响应如图3所示山。以一阶低通为例，在频域中加以分析。一阶低通 传递函数可以表示为"皿二 1 + jo/Ub'它的极点为$产。如果将它沿S平面虚轴向上平

11、 移后，新的极点为$产-W+ jo).新的带通传递 函数为HBP(j= 1+ j(J O)/Oh =1 (2) 1 - jo)/oh + jayiu*v 7其中：是中心频率.是截止频率o定义带通的 Q值为0)/2血,则式(2)成为力机妙二1j如+ jWuX这就是一阶带通复数滤浪器的传递函数。它有一个 复教极点，中心频率在正频率处对于负频率分 量则起抑制作用这正是直接变频式低中频接收机 中所需要的多相滤波黑3电路拓扑结构由于是复数滤浪器.可以将传递函数式(3)写 成为HBP(j=H(j + W i(j如(4)经过运算可以得到H(购和H如下:“心*1 +血畑H = 4q2 + (1 + ja/ab

12、)2= q- +(i+ jcQ/co,)2 = I + ja/ca*其中：_2(? ( + ja血)A= 4q2 + (1 + 了认厂/r 辺 1 + ja血/L 1 + 1Q 当输入一个复数倍号时x (jco)=Xr(ja) + jXi(je), 滤波器输出侑号为丫(购 =x (jet* z/ (jo) = *(j + jr.(ja>,(8)(7)由复数乘法可場人(购二令X W1 + %/gXg = + ¥加Xr(j + 令 x,(j 如(10) 将式代入进一步变换成(11)KiCjUl = 詁冠|Xi(jYi(j+辺人(购1(12)由此可见，输出佰号由3部分组成：一个输入

13、分量和两个反惯分量。根据电路拓扑理论.得到一阶 复数带通滤波器原理图如图4所示。接收机中进行测试得到它的中心频率为250 kHz,3 dB通带约为175 kHz,在镜像频率-25() kHz处 镜像抑制达到了约33 dBo9耳R/A匕X卜 R/A55结论运用多相滤波器进行镜像和邻频道干扰抑制, 可以实现直接变频式接收机中射频滤波器难以实现 的近载波区滤波功能。所用的多相滤波电路构造适 合于电路集成，因而能有效地提高系统的集成度。多 相滤波器要求各支路的参数平衡，才能达到理想的 抑制效果。实验中的多相滤波是用高性能运算放大 器和高精度器件构成的。测试结果验证了多相滤波 器在低中频接收机中的实用性

14、。但是模拟电路受器 件精度的限制不可能做到各支路参教完全平衡。实 际系统中可以考虑利用集成电路或DSP芯片来实 现这样能达到更好的效果。0 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing Kouse. All rights reserved, 陈伟宁.等：乡相滤波器的原理及其实现110 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing Kouse. All rights reserved, 陈伟宁.等：乡相滤波器的原理及其实现114实验结果由图4得到用有源RC滤波器实现一阶

15、复数带 通滤浪器的电路结构如图5所示叫 为了易于实 现这里采用了差分输入输出的方式，即将原来复数 的虚、实部分量都进行单端到差分的变换然后再进 行复数滤波。滤波器截止频率二lAc.中心频率 0)=辺01)增益为A 0将3级一阶复数滤波器串联起来，得到一个三 阶的复数带通滤波器o应用T 900MHZ频段低中频(References)| 1 | Crols J Steyaert M Lowtopologies for high-perfomiance anabg front ends of fully ii)teg rated receivers |J I IEEE Trans on Circuits and Systans. 199& 45(3): 269- 28212 | Crols J Steyaert M A single*chp 90()M Hz CMOS receiver froncend w ith a high perfoimance tow-IF lopobgy J IEEE Journal of Solid°State Circuits, 1995. 30(12): 1483 - 1492| 3 Razavi B. Design consideratbns for direcfconve