调谐带通滤波器的设备和方法 本发明涉及电子电路及其操作的方法，更具体说，涉及滤波电路及其操作方法。
传统的超外差式无线电接收机的设计一般都用无源的中频(IF)滤波器。在许多先进的接收机电路的设计中，使用了专用集成电路(ASIC)来完成接收机的设计，无源滤波器被有源滤波器所取代，后者一般而言要更容易在一片ASIC中实现。在以ASIC为基础的IF电路中通常采用的有源滤波器结构是所谓的“Gm-C”滤波器，它利用跨导放大器和电容回旋器来模拟电感器。
集成电路Gm-C IF滤波器的跨导和电容是能够随制造过程的条件而变的。温度和电源电压的变化也会引起滤波器的传输特性的变化，这可能要求定期进行再调谐以保持通频带的形状和中心频率。调谐Gm-C滤波器的传统方法包括主从调谐技术，如Schauman(舒曼)等人在IEEE Proceedings of ISCAS，1989，106-109页中所发表的“The Problem of On-chip Automatic Tuning in Continuous-Time Integrated Filters”(连续时间集成滤波器的片上自动调谐中的问题)一文所说明的那样。按照这种类型的方法，在同一芯片上要和IF滤波器一起形成一个复制的(主)滤波器。在复制滤波器上加一个参考信号以确定它的传输特性，而IF(从)滤波器则根据主和从滤波器的特性是紧密匹配的这样的假设而作相应的调整。
传统的主／从调谐技术由于一系列的原因而可能是不利的。为了得到精确的调谐，主和从滤波器的部件通常必须是非常紧密地匹配的。此外，外加的主滤波器通常耗用芯片面积而这本来是可以为其它电路所利用的。因此，为了调谐接收机的滤波电路就需要有改进的调谐方法和设备。
根据前面所述，本发明的一个目的是为诸如用在无线电通信电路中的IF滤波器调谐其带通滤波器而提供改进的方法和设备。
本发明的另一个目的是为调谐带通滤波器提供改进的方法和设备，它可以比传统的技术使用更少的部件来实现。
本发明的还有一个目的是为调谐无线电接收机中的IF滤波器提供改进的方法和设备，它能够用无线电接收机电路的现成的部件来实现。
这些和其它目的、特点和优点是按照本发明由下述方法和设备所提供的，其中的带通滤波器，例如无线电接收机电路的IF滤波器，通过以下步骤被调谐：向滤波器的输入提供一个具有其频谱分布基本上均匀的信号，对由跟在滤波器后面的限频(幅)器所产生的受限的信号确定其平均频率，并根据所确定的平均频率调整滤波器。根据滤波器所需要的中心频率和所需要的可信度间隔可以确定一个采样间隔，而在所需要的采样间隔内所采样的受限的信号要完成多个采样以便用它们能够确定一个平均频率。通过利用包括在接收机电路中的检测器来处理受限的信号可以得到这些采样。滤波器可以是Gm-C滤波器，它具有可根据加到滤波器上的控制信号而被调节的跨导。控制信号可以根据所确定的平均频率而产生。滤波器可以根据所确定的平均频率来调节，且到中心频率相对于所需要的中心频率达到了预先确定的范围以内。
本发明来自于这样一个现实，即在向带通滤波器的输入端施加一个频谱上均匀的信号时，就可以期望由限频器产生的受限信号将会有这样一个频谱，它在带通滤波器的中心频率周围有大致的高斯分布。因此，通过对受限信号的采样和确定其平均频率，就可以在所需的分辨率和可信度水平下得到带通滤波器的中心频率的一个估计。由于限频器和检测器在无线电接收机电路中一般都是已有的部件，所以就不再需要外加的电路，例如和带通滤波器相匹配的主参考滤波器。由于带通滤波器可以用另外的方法设计以使带通的形状可以抵抗由于温度和电源波动所引起的变化，带通滤波器的中心频率的调谐可以在接收机电路加电时进行。
尤其是，按照本发明，具有基本上均匀的频谱分布的信号加到带通滤波器的输入端以便由此在带通滤波器的输出端产生输出信号。输出信号在限频器中加以处理以产生受限信号。确定受限信号的平均频率，然后根据所确定的平均频率来调节带通滤波器。
按照本发明的一种实施例，带通滤波器由具有跨导的Gm-C滤波器组成，并根据所确定的平均频率来调节Gm-C滤波器的跨导从而调节该滤波器。
按照本发明的另一方面，要认定带通滤波器的一个所希望的中心频率。同时还要认定一个分辨率和所希望的可信度间隔。为达到被认定的所需分辨率和可信度间隔所需要的受限信号的采样数量是根据被识别的所需中心频率而确定的。平均频率是通过对受限信号进行采样以得到多个采样而确定的，多个采样的数量则至少要和为了达到认定的所需分辨率和可信度水平而确定的受限信号的采样数量一样多，然后从多个采样来确定平均频率。带通滤波器是根据所确定的平均频率来调节的以便让带通滤波器达到一个中心频率，该频率相对于所需的中心频率是在一预定的范围之内。采样、确定和调节等步骤可以反复进行直到平均频率相对于所需中心频率是在预定范围之内。
根据本发明的另一方面，要对无线电接收机电路的IF滤波器进行调谐。无线电接收机电路包括一个连接到IF滤波器输出的限频器。具有基本上均匀的频谱分布的信号加到IF滤波器的输入端以便由此而在IF滤波器的输出端产生一个输出信号。输出信号在限频器中被处理以产生一个受限信号。确定受限信号的平均频率，并根据确定的平均频率来调节IF滤波器。IF滤波器可能包括一个具有跨导的Gm-C滤波器，而滤波器的调节可以根据确定的平均频率来调节Gm-C滤波器的跨导。
根据本发明的另一方面，IF滤波器具有在一些频率范围内的通频带。在这些频率范围内具有基本上是均匀频谱分布的噪声信号加到IF滤波器的输入端。例如，IF滤波器可以在一个具有信号地的电路中实现，且无线电接收机电路可以设计成把IF滤波器的输入端接到无线信号途径中的一个或信号地上。噪声信号可以通过把信号地接到IF滤波器的输入端而被提供。按照另一个相关的方面，信号地的联接是在响应给无线电接收机电路加上电源时发生的。在调节IF滤波器后，IF滤波器的输入端可以与信号地断开而把IF滤波器接到无线电信号途径上。
按照本发明的实施例的一种设备包括具有输入和输出端的带通滤波器。信号发生器在带通滤波器的输入端提供一个具有基本上均匀频谱分布的信号以便由此而在带通滤波器的输出端产生一个输出信号。限频器响应带通滤波器并处理带通滤波器的输出信号而产生一个受限的信号，提供这样的装置，它响应限频器而确定受限信号的平均频率，用来根据确定的平均频率去调节带通滤波器。
在另外一个根据本发明的实施例中，无线电接收机电路包括一个具有输入和输出端的IF滤波器。提供这样的装置以便在IF滤波器的输入端提供一个具有基本上均匀的频谱分布的信号并由此而在IF滤波器的输出端产生一个输出信号。在IF滤波器的输出端连接一个限频器，并限制输出信号以产生一个受限信号。响应于限频器装置确定受限信号的平均频率。确定平均频率的该装置可以包括检测器、数字信号处理器(DSP)和微控制器，这可以是例如在蜂窝无线电话接收机电路中通常都能找到的那种。还提供另外的装置，它响应于确定平均频率的装置以便根据确定的平均频率来调节IF滤波器。例如，IF滤波器可以包括一个Gm-C(跨导)滤波器，它能响应加在其上的控制信号，而调节IF滤波器用的装置可以包括产生控制信号的装置。这样就提供了一种利用通常所用的接收机部件而又可调谐的接收机电路。
图1是表明按照本发明的一个实施例的无线电接收机电路的原理图；
图2是按照本发明的一个方面的对带通滤波器进行调谐操作的流程示意图；
图3是按照本发明的一个方面的对无线电接收机电路中的中频(IF)滤波器进行调谐操作的流程示意图。
现在将参考所附插图在下面更加充分地描述本发明，本发明的实施例将示于图中。那些熟悉本技术的人将了解，本发明可以用许多不同的方式来实施，而不应认为只限于这里所提出的实施例，相反，这些实施例只是为了使本说明能更加透彻和完整而提供的，并且将把本发明的范围更加充分地传达给熟悉本技术的人们。在图中，相同的标号完全对应于相同的元件。
为了在这里进行讨论，提供了利用Gm-C(跨导)带通滤波器的优选实施例的说明。但熟悉本技术的人将会理解，本发明并不需要限定于Gm-C滤波器。应该理解，一般说来，具有可调节的传输特性的带通滤波器都可以用在本发明中。
Gm-C滤波器一般都有一个可以通过改变滤波器的跨导而可调节的传输特性。这可以用多种方法来实现，因为跨导放大器可以有很广阔的设计方案。例如，在一个典型的跨导滤波器中，滤波器通频带的中心频率取决于滤波器的跨导和电容之比。调节这样一种跨导滤波器的跨导的熟知的技术是改变一个外部施加的控制信号来控制一个偏置点，如在C．Plett(普来特)等人的论文“Continuous Time FiltersUsing Open Loop Tuneable Transconductance Amplifiers”(利用开环可调谐跨导放大器的连续时间滤波器)中所述的，见LEEE Proc．ISCAS，1173-1176页(1986)。
本发明来自于这样一种认识，即通常例如在无线电接收机电路中使用的限频器和检测器的信号处理能力可以用来确定像IF滤波器这样的带通滤波器的传输特性而不需要许多外加的电路。一个具有基本上均匀频谱分布的信号，例如，在带通滤波器的标称通频带内具有基本上平坦的频谱分布的噪声信号被加到一个带通滤波器上。按照本发明的一些方面，由滤波器产生的输出信号由限频器加以处理，并给受限的信号估计一个平均频率。然后，这个估计的平均频率可以用来调节滤波器的传输特性，例如，去调节滤波器的中心频率。
按照一种理论解释，这种解释决不会限制本发明的范围，如果向带通滤波器提供一个频谱上均匀的信号，则由滤波器产生的噪声频谱应该约略等于滤波器的增益响应，也就是说，最大的幅度分量应该发生在对应于滤波器的通频带的频率范围中。由限频器产生的噪声频谱应该是相似的，也就是说，频率信息应该得以保留。频率的采样能够方便地从受限的信号获得，并在一预定的时间段内积分以得到滤波器的平均频率的一个量度，也就是对它的中心频率的一个估计。
积分时间可以用统计学方法来找到以便得到一个确定的可信度，即计算出来的中心频率是在滤波器的实际中心频率的所需允差之内。假定受限信号具有高斯分布，就可以确定用来估计带通滤波器的中心频率用的可信度间隔。例如，对于5σ的可信度间隔，则由受限信号所确定的平均频率就是带通滤波器的中心频率的概率为0．9999994：
5σ=fd2,]]>因此
σ=fd52,]]>这里fd是所希望的频率分辨率。受限信号的平均频率Fc可由下式计算：
Fc=1NΣn=1NFn,]]>这里N表示频率采样Fn的数量。为了达到给定的σ，采样的数量N由下式给出：
N=(BWrms2σ)2,]]>这里BWrms是系统的均方根带宽。为了产生能达到所希望的可信度水平的采样数量所需要的最小采样间隔Ts则由下式给出：
Ts=Nfmin,]]>这里fmin是带通滤波器能够驻留的最低中心频率。
例如，对于一个带宽为30千赫(BWrms=21．213千赫)的系统，所需的频率分辨率为500赫，最低中心频率fmin为70千赫，且有5σ的可信度水平：
因此，对于这一例子，如果在0．3125秒的采样间隔下可得到22507个采样，假定在限频器的输出端为高斯噪声。那么从采样算出的平均频率是在带通滤波器的实际中心频率的±500赫以内的概率约为99．99994％。应该理解，如果需要较低的分辨率，则采样数量和采样间隔可以降低。
图1表明按照本发明的一个实施例来接收和处理无线电信号的无线电接收机电路100。接收机电路100含有无线电信号途径110，它包括天线112和无线电频率(RF)电路114。RF电路114经过开关120连接到IF电路130的一个中间频率(IF)带通滤波器132的输入端。开关120提供一个装置以便把无线电信号途径110中的一个或一个信号地GND(或其它具有基本上均匀频谱分布的信号)连接到IF滤波器132的输入端。IF电路130还包括一个限频器134，它处理由IF滤波器132产生的信号以产生一个受限信号135。受限信号135传送给基带电路140的检测器142。基带电路140还包括一个数字信号处理器(DSP)的一个微控制器146以便去处理，例如由检测器142产生的频率或相位的采样。检测器142可以，例如，产生频率采样143，这要经过检测受限信号135的过零点，确定相继的过零点之间的时间间隔，以及根据所确定的时间间隔计算频率采样。
熟悉本技术的人会认识到在图1中所表示的无线电接收机电路100和一般用于例如蜂窝电话中的无线电接收机电路相似。按照本发明的有关方面，IF电路130的IF滤波器132可以响应于数模(D／A)转换器138所产生的控制信号139而被调节。控制信号139是由D／A转换器响应于从微控制器146经过串行口136而收到的数字输出147产生的。数字输出147是对于受限信号135从一个平均频率145推导而得的，它由DSP144根据检测器142所产生的频率采样143来确定。因此，标准的无线电接收机电路的硬件可以用来实现按照本发明的设备和方法。
图2和3的流程图说明分别解释了按照本发明的第一实施例的对带通滤波器进行调谐的基本操作和按照本发明的第二实施例的对在无线电接收机电路中的IF带通滤波器进行调谐的详细操作。应该理解，在流程图说明中的各个方块或在流程图说明中的各方块的组合，可以由装载到计算机或其它可编程数据处理设备中的计算机程序指令来实施，从而产生一种机器使得在计算机或其它数据处理设备中所执行的指令会建立能实现在流程图方块中所规定的各种功能的装置。计算机程序指令也可以装载到计算机或其它可编程数据处理设备以使要在计算机或其它可编程设备上执行的一系列操作步骤去产生一个由计算机实施的过程从而使得在计算机或其它可编程设备上执行的各指令能提供用于实施在流程图方块中所规定的各项功能的各个步骤。因此，流程图说明中的各个块支持各装置的组合去执行规定的功能，也支持步骤的组合以执行规定的功能。还应该理解，流程图说明中的每一块或者流程图说明中各方块的组合可以用能执行规定功能或步骤的专用硬件来实现，或者用专用硬件的组合来实现，例如微处理器、数字信号处理器(DSP)芯片、专用集成电路(ASIC)或能执行计算机指令的类似器件(例如在图1中的DSP144和微控制器146)。
参考图2，调谐一个带通滤波器的操作(方块200及其后续)包括向带通滤波器的输入端提供一个具有基本上均匀的频谱分布的信号，例如平坦的(白)噪声信号(白噪声信号)(块210)。然后带通滤波器的输出在限频(幅)器内进行处理以产生一个受限信号(块220)。要给受限信号确定其平均频率(块230)。然后调节带通滤波器，例如，根据所确定的平均频率调节带通滤波器的中心频率(块240)。例如，如果带通滤波器是个跨导滤波器，则可以根据确定的平均频率来调节滤波器的跨导以调节其中心频率。
现在参阅图3，调谐在无线电接收机电路中的IF滤波器的操作(块300及其后续)包括给无线电接收机电路加电(块310)。随着对加电的响应，在IF滤波器的输入端连接到信号地(块320)以便给它提供基本上是平坦的(白)噪声。然后把IF滤波器所得的输出在限频器中进行处理(块330)。受限信号在采样间隔内进行采样以产生频率采样(块340)，并从这些采样确定一个平均频率(块350)。如果确定的平均频率不在IF滤波器所预期的中心频率的一个预定的范围之内，则要调节IF滤波器的中心频率，例如，通过调节Gm-C滤波器的跨导，然后确定新的平均频率(块360、365、340、350)。如果确定的平均频率是在预定范围之内，则就把信号地从IF滤波器的输入端断开，并把IF滤波器的输入端连接到无线电信号途径，例如连到接收机的前端(块360、370、380)。
参考图1，为了调节滤波器，计算装置，例如图1中的微控制器146可以根据已确定的平均频率产生一个数字输出去调节带通滤波器的中心频率。这个数字又转换成偏置控制信号并用它去调节滤波器的中心频率，例如去调节滤波器的跨导。相应的数字输出可以根据滤波器的中心频率和加在上面的偏置控制信号之间的已知关系而确定。在偏置信号和跨导滤波器的跨导之间的典型关系在前面提到的Plett(普莱特)等人的文章中有说明。
应该理解，在本发明的范围之内可以实施上述操作的许多变化方案。例如，除了响应加电时实施IF滤波器的调节外，上述的调节过程可以响应接收机电路中的模式变换或类似的变动而定期地实施。与此相似，在不用Gm-C滤波器而用其它结构以实现带通(例如IF)滤波器的情况下，滤波器的调节也可以用除了改变跨导以外的其它装置来实现。
在图和说明中，已经公开了本发明的典型实施例，虽然使用了特定的术语，但它们只是在一般的和说明的意义上使用的而且并非用于限制的目的，发明的范围应由下面的权利要求所限定。