專利名稱:自適應(yīng)阻-陷濾波器的制作方法
本發(fā)明涉及一種阻-陷(stop-notch)濾波的功能，特別涉及在時(shí)變或集變(ensemble varing)的一些頻率上自適應(yīng)地抑制能量。
典型的通信系統(tǒng)為了在選定的一些頻率上抑制能量，均包括有無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器。這類濾波器包括一個(gè)或多個(gè)單節(jié)濾波器，每節(jié)濾波器具有一對(duì)與一個(gè)加法器并聯(lián)的乘法器。任何給定的一節(jié)濾波器的特性是由乘法器的值來(lái)確定的。例如，乘法器的值可以這樣選擇用來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻段的帶阻功能或低頻段的帶阻功能。
單節(jié)濾波器中的乘法器的比值的選取，在先有技術(shù)中已有大量的固定濾波功能提供了證明。由于這些乘法器是處于反饋通路中，所以必須慎重地選取它們的值。如果不注意選取這些乘法器的值，其結(jié)果將造成濾波器的工作不穩(wěn)定。關(guān)于在一個(gè)反饋系統(tǒng)中與相乘有關(guān)的潛在不穩(wěn)定性，在先有技術(shù)中也是熟知的。請(qǐng)參閱范例，反饋控制系統(tǒng)的分析與綜合，D′AZZO & Houpis，MCGraw-Hill，N.Y，1960。
在一些當(dāng)用場(chǎng)合，需要在時(shí)變或集變頻率上抑制能量。這類應(yīng)用的例子包括電話線上呼叫進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè);調(diào)制解調(diào)器中載頻的檢波;調(diào)制解調(diào)器中的鑒別;預(yù)加重信號(hào)的自動(dòng)均衡;和在電話系統(tǒng)中的雙音多頻音調(diào)(DTMF)的檢波。對(duì)于這些時(shí)變或集變頻率，固定濾波可能是不適用的。
美國(guó)專利4，223，272公開(kāi)了一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)，該四端網(wǎng)絡(luò)可以有選擇地變換為一個(gè)低通，高通，帶通，全通，或帶阻濾波器。這個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)實(shí)質(zhì)上能滿足一個(gè)二次方程，該二次方程的系數(shù)可以改變，用來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)的功能。通過(guò)變換網(wǎng)絡(luò)中的電阻值即可改變?cè)摱畏匠痰南禂?shù)。這些電阻可用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，但只能使四端網(wǎng)絡(luò)從濾波器的一種形式轉(zhuǎn)到另一種形式。在時(shí)變或集變頻率的動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)上，這些電阻不能用開(kāi)關(guān)作動(dòng)態(tài)地轉(zhuǎn)換來(lái)改變?yōu)V波器的特性。
美國(guó)專利4，182，997描述一個(gè)為長(zhǎng)途通信系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的濾波器，該濾波器抑制第1個(gè)信號(hào)頻率和沒(méi)有顯著衰減地發(fā)送鄰近的第2頻率。在其上完成通、阻功能的頻率取決于第1和第2電容器以及第1、第2電感器的值。與此相類，美國(guó)專利3，531，652公開(kāi)了一個(gè)有源濾波器電路，該濾波器功能適合于在衰減其它頻率的同時(shí)，能以很少的衰減來(lái)通過(guò)一個(gè)源頻率。此外，美國(guó)專利3，628，057公開(kāi)了一個(gè)有源窄陷波器用來(lái)濾去噪聲信號(hào)。然而，這些先有技術(shù)的參考文獻(xiàn)中沒(méi)有一個(gè)公布出一個(gè)能夠動(dòng)態(tài)可變地在時(shí)變或集變頻率上抑制能量的濾波器。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)了的濾波器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)濾波器，用來(lái)在時(shí)變或集變頻率上抑制能量。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一個(gè)在工作時(shí)動(dòng)態(tài)可變的自適應(yīng)阻-陷濾波器。
按照本發(fā)明的這些和其它目的，在這里公開(kāi)一個(gè)阻-陷濾波器，其中對(duì)組成濾波器的乘法器的一些值，在工作時(shí)可以動(dòng)態(tài)地改變，以便在時(shí)變或集變頻率上抑制能量。選出第1組的乘法器和選出第2組乘法器，而使這兩組都產(chǎn)生穩(wěn)定的濾波器節(jié)。只要兩組極點(diǎn)間的Z-平面的軌跡各點(diǎn)都在單位圓內(nèi)，使用的乘法器組可以任何速度反轉(zhuǎn)而沒(méi)有不穩(wěn)定性。在這里公開(kāi)的最佳的實(shí)施方案中，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)濾波器是作為帶阻濾波器用在雙音調(diào)多頻(DTMF)接收機(jī)中。這些帶阻濾波器中的一個(gè)是低帶阻濾波器，它使每個(gè)低頻DTMF音調(diào)衰減40db。一個(gè)高帶阻濾波器同樣地使高頻DTMF音調(diào)衰減40db。
圖1是用在本發(fā)明中的一個(gè)無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)的濾波器。
圖2是一個(gè)采用圖1的濾波器的雙音調(diào)多頻接收機(jī)的方框圖。
圖3是一個(gè)描述圖1中的濾波器工作的流程圖。
圖4是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)的方框圖，其中當(dāng)系統(tǒng)增益提高時(shí)，系統(tǒng)的極點(diǎn)移動(dòng)。
圖5是一個(gè)根據(jù)圖1為雙四線濾波器選擇乘法器值的流程圖。
圖1示出一個(gè)典型的無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器節(jié)10。這個(gè)濾波器節(jié)包括四個(gè)乘法器15，16，18和19以及加法器11和12。已給出如圖1所示的濾波器節(jié)10，濾波器的幾個(gè)功能中的任何一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)取決于乘法器15，16，18，和19的給定值。如圖所示，乘法器15和18被連接在反饋通路內(nèi)，而乘法器16和19被連接在正向的通路中，這樣，加法器11的兩個(gè)輸入是濾波器輸入51和線路52，線路52就是乘法器15和18的輸出。延遲塊14被連結(jié)在接點(diǎn)13和乘法器15和16的輸入之間，延遲塊17被接在乘法器15、16的輸入和乘法器18、19的輸入之間。
濾波器節(jié)10的瞬時(shí)值輸入是線路51。于是加法器11的輸出就成為濾波器輸入51加上乘法器18與延遲塊17的乘積再加上乘法器15與延遲塊14的乘積。這樣，加法器12的輸出就等于加法器11的輸出13加上乘法器16與延遲塊14的乘積再加上乘法器19與延遲塊17的乘積。乘法器15，16，18和19的一些數(shù)值的選擇在先有技術(shù)中對(duì)大多數(shù)的固定濾波的功能是熟知的。對(duì)乘法器15和18的一些數(shù)值的選擇必須審慎以避免這些濾波器的工作不穩(wěn)定，這是因?yàn)槌朔ㄆ?5和18是處于加法器11的反饋通路中。濾波器節(jié)10可以和其它這類濾波器節(jié)級(jí)聯(lián)起來(lái)以便提供更復(fù)雜的濾波器功能，圖3詳細(xì)地列出濾波器節(jié)10的上述工作。
乘法器15，16，18，和19的一些數(shù)值可在工作時(shí)動(dòng)態(tài)地改變(即當(dāng)輸入信號(hào)提供給濾波器輸入51時(shí))也不引起不穩(wěn)定性。假定為乘法器15，16，18和19選定了第1組數(shù)值，并且為這些乘法器選定了第2組數(shù)值，則濾波器節(jié)10的工作可以在這些乘法器的兩組數(shù)值之間翻轉(zhuǎn)。只要在兩組數(shù)據(jù)的極點(diǎn)之間的Z-平面的軌跡在各點(diǎn)上處于單位圓之內(nèi)，則乘法器15，16，18和19使用的數(shù)值組可以在選定的數(shù)值組之間以任何速度反轉(zhuǎn)或作動(dòng)態(tài)地改變而不出現(xiàn)不穩(wěn)定。這將聯(lián)系圖4進(jìn)行更詳細(xì)的表示。圖5中的流程圖表示出乘法器節(jié)選取數(shù)值組的工作情況。
對(duì)函數(shù)f(t)，一個(gè)復(fù)變量S可定義為，F(xiàn)(S)＝∫∞of(t)exp(-st)dt 公式1函數(shù)F(s)是一個(gè)復(fù)變函數(shù)，通常稱為f(t)的拉普拉斯變換，由于S＝δ+jω，可以證明任何能夠?qū)崿F(xiàn)的電子網(wǎng)絡(luò)都可以用F(S)來(lái)表示，如果給該網(wǎng)絡(luò)加上一個(gè)輸入信號(hào)i(t)，將產(chǎn)生一個(gè)輸出O(t)。O(t)的特征的確定可通過(guò)計(jì)算i(t)和f(t)的拉普拉斯變換求出I(S)和F(S);把后二者相乘;然后對(duì)乘積進(jìn)行拉氏反變換而得出O(t)。
這些拉普拉斯變換的特性在先有技術(shù)中有過(guò)很好的證明，如奈奎斯特的穩(wěn)定性判據(jù)說(shuō)明當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)，F(xiàn)(S)＝ (N(S))/(D(S)) 公式2的分母，即D(S)，D(S)必須僅對(duì)S值具有零點(diǎn)，以致于δ小于零，式中的D(a)是一個(gè)S的多項(xiàng)式其形式如下，D(S)＝dlS+d2S2+d3S3+d4S4……如果一個(gè)系統(tǒng)40(如圖4所示的)使用具有增益K(42)的反饋，正向傳遞函數(shù)為F(S)(41)，那么傳遞函數(shù)由O(S)＝e(S)F(S) 公式 3 給出。
式中，O(S)是輸出，46，e(S)是誤差函數(shù)，43，該誤差函數(shù)是出現(xiàn)在加法器45的輸出和正向傳遞函數(shù)41的輸入上的。
誤差函數(shù)由下式給出，e(S)＝O(S)K+I(S) 公式4
式中I(S)是系統(tǒng)40的輸入44。
O(S)等于〔I(S)-KO(S)〕F(S)，所以O(shè)(S)+KO(S)F(S)＝I(S)F(S)，和O(S)〔1+KF(S)〕＝I(S)F(S)，并且O(S)/I(S)＝F(S)/〔1+KF(S)〕 公式5這就是圖4所示的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。
把公式2代入公式5，得出傳遞函數(shù)為O(S)/I(S)＝ (N(S)/D(S))/(1+KN(S)/D(S))由此，傳遞函數(shù)可由下式給出，O(S)/I(S)＝N(S)/D(S)+KN(S) 公式6由公式6可以看出，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)(即K等于零)就是F(S)，還可以看出當(dāng)增益K，42，的值增加時(shí)，傳遞函數(shù)的諸零點(diǎn)保持固定，但傳遞函數(shù)的諸極點(diǎn)卻在變，在增益K，42，的極大值時(shí)，公式6的分母變得非常小，于是傳遞函數(shù)趨向于1，當(dāng)增益K，42，的值增大時(shí)，公式6的諸極點(diǎn)趨向于零，只要諸極點(diǎn)保持在左邊的平面內(nèi)，即δ小于零，圖4所示的系統(tǒng)即可保持穩(wěn)定。
在拉普拉斯域中，固定延遲T的一個(gè)單元有一個(gè)傳遞函數(shù)F(S)＝eXp(ST)，這個(gè)函數(shù)的Z變換，可定義為，
Z＝eXp(ST) 即，Z＝eXp(δ+jω)T當(dāng)δ和ω都等于0，則Z等于eXp(O)或1。當(dāng)δ等于零，ω等于2π/T，則Z等于eXp(j2π)，而當(dāng)δ等于一個(gè)大于零的K值時(shí)，并且ω等于零，則Z等于eXp(K)，當(dāng)δ等于K并且ω等于任何值X時(shí)，則Z＝eXp(K+jX)eXp(jX)。最后，當(dāng)δ等于-K并且ω等于任何小于2π/T的值X，則Z＝eXp(jX-K)＝eXp(jX)/eXp(K)從以上可以看出，Z等于1，這是沒(méi)有虛數(shù)項(xiàng)的一個(gè)正單元，當(dāng)δ等于零并且ω等于2π/T，則Z等于沒(méi)有虛數(shù)項(xiàng)的-1，當(dāng)δ等于K并且ω等O，則Z是一個(gè)大于零的實(shí)正數(shù)，當(dāng)δ等于K并且ω等于X，則Z是一個(gè)任意角的復(fù)變數(shù)其值大于1。最后，當(dāng)δ等于負(fù)K并且ω等于X，則Z是一個(gè)任意角的復(fù)變數(shù)其值小于1。
當(dāng)δ等于K(大于零)并且ω等于任意X，則δ和ω的值定義S平面的右半部分，當(dāng)δ等于負(fù)K并且ω等于X，則這些值定義S平面的左半部分，在其中ω被限于2π/T，于是，當(dāng)頻率小于l/T，則在平面左半部的一些S極點(diǎn)被變換到Z平面上的一個(gè)單位圓內(nèi)，如以上公式2和公式6所示在該圓內(nèi)所有的極點(diǎn)是穩(wěn)定的。用反變換，在單位圓內(nèi)的Z平面的極點(diǎn)將被變換為ω軸左面的S平面極點(diǎn)并且其頻率小于l/T。由于等價(jià)于公式2和公式6，因此在單位圓內(nèi)沿任何軌跡移動(dòng)的極點(diǎn)都是穩(wěn)定的。
圖2表示一個(gè)圖1的動(dòng)態(tài)可變?yōu)V波器的一個(gè)應(yīng)用。它是一個(gè)DTMF接收機(jī)，圖2中的DTMF接收機(jī)包括一個(gè)帶阻低帶濾波器21和一個(gè)帶阻高帶濾波器22，該濾波器采用圖1和圖4的濾波器的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變換。單元23對(duì)DTMF接收機(jī)20提供自動(dòng)增益控制(AGC)，而單元25，26和27是高帶諧振器，單元31到34其功能為低帶諧振器，而單元29和35是判定裝置，最后，單元36是一個(gè)狀態(tài)裝置。
如前所述，在DTMF接收機(jī)20中是低帶阻濾波器21和高帶阻濾波器22，低帶阻濾波器21是用來(lái)對(duì)低頻音調(diào)衰減40db，而高帶阻濾波器22必須把高頻音調(diào)衰減40db，在DTMF接收機(jī)20的每個(gè)信號(hào)通道中都有一個(gè)限幅器(未示出)。該限幅器緊跟在該頻帶的帶阻濾波器之后，換言之，在濾波器21之后有一個(gè)低帶限幅器和在濾波器22之后有一個(gè)高帶限幅器，每個(gè)限幅器的目的是分散在輸入30通話時(shí)接收到的能量。這個(gè)分散過(guò)程把語(yǔ)言能量均等地分散到諧振器25到27和31到34之間，以使沒(méi)有任何一個(gè)諧振器可能被輸入的語(yǔ)言能量充分地激勵(lì)，而使任何一個(gè)判定機(jī)29或35報(bào)告已檢測(cè)出一個(gè)DTMF的音調(diào)。
在傳送DTMF音調(diào)信號(hào)時(shí)，帶阻濾波器21和22除掉兩個(gè)接收音調(diào)中的一個(gè)(高的或低的)，于是只有一個(gè)頻率音調(diào)送給限幅器，當(dāng)給出一個(gè)單頻音調(diào)時(shí)，由限幅產(chǎn)生的邊帶噪聲包括了輸入音調(diào)頻率的全部奇次諧波。因?yàn)橹C振器25到27和31到34是被選出來(lái)避開(kāi)這些奇次諧波的，所以沒(méi)有任何這些諧振器對(duì)任何DTMF音調(diào)的奇次諧波是敏感的。其結(jié)果是，這些限幅器在DTMF信號(hào)傳輸時(shí)的影響最小。如果帶阻濾波器21和22在給限幅器輸入話音能量之前不能充分地減少那些不需要的音調(diào)，則限幅器的輸出將包括所有的兩個(gè)音調(diào)的交叉調(diào)制的產(chǎn)物。結(jié)果，多于一個(gè)的諧振器可能充分地諧振，因此，該音調(diào)將不能被判定裝置29或35所辯認(rèn)。
已被公認(rèn)，即使帶阻濾波器21和22不存在，一個(gè)諧振器也能變得相當(dāng)主動(dòng)，也就是時(shí)。對(duì)所有的有效的DTMF音調(diào)它將產(chǎn)生一個(gè)比其它諧振器高的輸出，其結(jié)果是，這樣諧振器的輸出不能作為音調(diào)檢測(cè)的可靠指示。為了克服這一點(diǎn)，判定裝置29和35完成雙重功能。第一個(gè)功能是當(dāng)諧振器25到27或31到34的這些輸出中的一個(gè)是充分地占主導(dǎo)起位時(shí)報(bào)告，所以一個(gè)音調(diào)可視為已被檢測(cè)到。判定裝置29和35的第二個(gè)功能是給帶阻濾波器21和22提供一個(gè)指示諧振器25到27或31到34中的已給定的一個(gè)諧調(diào)器在個(gè)別的頻帶上即使復(fù)蓋一個(gè)小邊也比其它諧振更是占主導(dǎo)的。這個(gè)信號(hào)發(fā)送通道是交叉偶合的，即，主導(dǎo)低音調(diào)被送到帶阻濾波器，這個(gè)濾波器是在高帶通路中，反之亦然。這就是，主導(dǎo)的低音調(diào)由判定裝置29通過(guò)線路38被報(bào)告給濾波器21，而主導(dǎo)的高音調(diào)由判定機(jī)35通過(guò)線路37被報(bào)告給濾波器22。
現(xiàn)將DTMF接收機(jī)20和圖1中的IIR濾波器一起相對(duì)于770HZ的音調(diào)諧振器32作更詳細(xì)的描述。當(dāng)判定機(jī)35報(bào)告，諧振器32是在低帶中最主動(dòng)的一個(gè)，則包含濾波器21的圖1中的乘法器15，16，18和19的值要這樣選取，以使770HZ的音調(diào)被嚴(yán)重地衰減，由于圖1中的濾波器的工作，770HZ的音調(diào)實(shí)質(zhì)上被阻擋而達(dá)不到高帶限幅器和高帶諧振器，在輸入30上接收一個(gè)真實(shí)的DTMF音調(diào)的頭幾個(gè)毫秒中，由于噪聲和AGC23的恢復(fù)工作可能造成不能肯定諧振器25到27和31到34中哪一個(gè)是主導(dǎo)的。由于判定機(jī)29和35可能報(bào)告，對(duì)每一采樣輸入時(shí)間，有一個(gè)不同的諧振器是主導(dǎo)的，濾波器21和22可能改變它們的特性，即，在每個(gè)采樣輸入時(shí)間，乘法器15，16，18和19具有不同的值。由于乘法器15，16，18和19的每組值的選取是要能提供每個(gè)選出組的一些極點(diǎn)之間的Z-平面軌跡各點(diǎn)落在單位圓之內(nèi)，因此，其結(jié)果沒(méi)有不穩(wěn)定的工作。
雖然在最佳實(shí)施例方面對(duì)本發(fā)明作了特別的說(shuō)明和敘述，但應(yīng)該了解，在不離開(kāi)本發(fā)明的精神和范圍，那些精通技術(shù)的人將對(duì)它在形式上和內(nèi)容細(xì)節(jié)上進(jìn)行前述的和其它一些改變。
權(quán)利要求
1.一種在時(shí)變頻率上抑制能量的濾波器包括至少兩個(gè)乘法器節(jié)，其中每個(gè)都和一個(gè)反饋通路并聯(lián)，其特征為一種用來(lái)在至少兩個(gè)時(shí)變頻率之間動(dòng)態(tài)地改變至少兩個(gè)上述乘法器節(jié)的操作的裝置，該乘法器節(jié)用來(lái)工作，借此，該濾波器在上述的至少兩個(gè)時(shí)變頻率上動(dòng)態(tài)地抑制能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的濾波器，其中上述的至少兩個(gè)乘法器節(jié)中的每一個(gè)均包括一個(gè)跨接在一個(gè)第1加法器輸入和輸出端的乘法器。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的濾波器，其中上述至少兩個(gè)乘法器節(jié)中的每一個(gè)還包括一個(gè)延遲塊，第1個(gè)延遲塊連接在該第1個(gè)加法的輸出和第1個(gè)乘法器的輸入之間，第2個(gè)延遲塊器連接在該第1個(gè)乘法器的輸入和第2個(gè)乘法器的輸入之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2的濾波器，該濾波器還包括至少兩個(gè)附加的并聯(lián)的乘法器節(jié)，和連接在該至少兩個(gè)附加的乘法器的輸出上的一個(gè)第2加法器，該至少兩個(gè)附加的乘法器節(jié)和該第2加法器以及聯(lián)方式連接到該至少兩個(gè)乘法器節(jié)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4的濾波器，其中每個(gè)該至少兩個(gè)附加的乘法器節(jié)包括一個(gè)乘法器，該乘法器的輸出接到該第2加法器的輸入。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1的濾波器，其中，為了動(dòng)態(tài)地改變?cè)撝辽賰蓚€(gè)乘法器節(jié)的該裝置包括一個(gè)為了選取該至少兩個(gè)乘法器節(jié)的至少一個(gè)第1和一個(gè)第2組的值的裝置，該至少的兩組值具有位于Z-平面軌跡的單位圓內(nèi)的一些極點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
4的濾波器，該濾波器還包括為了動(dòng)態(tài)地改變?cè)撝辽賰蓚€(gè)附加的乘法器節(jié)的裝置，該乘法器用來(lái)工作在至少該兩個(gè)時(shí)變頻率之間，借此，該濾波器在該至少兩個(gè)時(shí)變頻率上動(dòng)態(tài)地抑制能量。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7的濾波器，其中，為了動(dòng)態(tài)地改變?cè)撝辽賰蓚€(gè)附加的乘法器節(jié)的該裝置包括為了選取該至少兩個(gè)附加的乘法器的至少一個(gè)第1和一個(gè)第2組值的裝置，該至少兩組值具有位于Z-平面軌跡的單位圓內(nèi)的一些極點(diǎn)。
專利摘要
一種濾波器在時(shí)變或集變頻率上抑制能量。這種濾波器包括一些乘法器節(jié)，這些乘法器節(jié)具有一些數(shù)值組，在接收時(shí)變或集變能量時(shí)，這些數(shù)值組可動(dòng)態(tài)地改變。乘法器節(jié)的這些數(shù)值的改變提供在時(shí)變或集變頻率上的能量的抑制。乘法器節(jié)的數(shù)值組是這樣選取的，就是使這些數(shù)值的極點(diǎn)位于Z-平面軌跡的單位圓內(nèi)，在單位圓內(nèi)的這些極點(diǎn)的位置保證即使乘法器被放在反饋通路上，濾波也能保持穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H04Q1/457GK86106494SQ86106494
公開(kāi)日1987年5月20日 申請(qǐng)日期1986年9月29日
發(fā)明者林恩·帕克·維斯特 申請(qǐng)人:國(guó)際商用機(jī)器公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan