通信系統(tǒng)中濾波器的應(yīng)用及分析

1、摘 要 隨著數(shù)字革命的出現(xiàn)，使得萬(wàn)維網(wǎng)、衛(wèi)星廣播、移動(dòng)和長(zhǎng)途電話等服務(wù)成為可能，但對(duì)于現(xiàn)代衛(wèi)星通信和陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有限的頻譜已滿足不了人們的需求。而濾波器就作為了現(xiàn)代通信系統(tǒng)必不可少的選頻器件,其作用日益突出,濾波器性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。當(dāng)今無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)微波電路的性能要求越來(lái)越高、種類越來(lái)越多，新的工藝和設(shè)計(jì)方法也相應(yīng)層出不窮。而帶通濾波器作為其中的一個(gè)重要器件其相關(guān)技術(shù)也得到了廣泛而深入的研究和長(zhǎng)，足的發(fā)展。傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)計(jì)算繁瑣，尤其是設(shè)計(jì)高階濾波器時(shí)工作量大，利用Matlab可以快速有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真。本文介紹了有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)FIR

2、數(shù)字濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和步驟，同時(shí)也介紹了利用MATLAB對(duì)FIR數(shù)字濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法、設(shè)計(jì)的操作步驟以及對(duì)設(shè)計(jì)的濾波器的仿真。關(guān)鍵詞 ：現(xiàn)代通信；濾波器；MATLAB；仿真；目錄摘要1引言3第一章 現(xiàn)代通信系統(tǒng)與濾波器41.1通信領(lǐng)域?yàn)V波器的發(fā)展歷史41.2現(xiàn)代通信對(duì)濾波器的要求41.3微波濾波器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)41.4 數(shù)字濾波器在通信中的應(yīng)用4第二章 Matlab及其組件介紹52.1 Matlab簡(jiǎn)介52.2 simulink簡(jiǎn)介52.3 FDATool簡(jiǎn)介6第三章 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的Matlab設(shè)計(jì)83.1 窗函數(shù)法83.2 頻率采樣法83.3 仿真函數(shù)93.4 FIR數(shù)字濾

3、波器仿真103.5 利用simulink進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真113.5.1 利用FDATool進(jìn)行設(shè)計(jì)113.5.2 FIR濾波器仿真123.5.3 改變參數(shù)123.5.4 結(jié)果分析13第四章 IIR帶通濾波器144.1 設(shè)計(jì)任務(wù)144.2 IIR設(shè)計(jì)方法144.3利用simulink進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真164.3.1 利用FDATool進(jìn)行設(shè)計(jì)164.3.2 IIR濾波器仿真174.3.3 改變參數(shù)174.3.4 結(jié)果分析18第五章 總結(jié)與心得195.1設(shè)計(jì)總結(jié)195.2自我總結(jié)19致 謝20參考文獻(xiàn)21引言隨著人類無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)如今相距遙遠(yuǎn)的人們隨時(shí)隨地保持聯(lián)絡(luò)已經(jīng)不再是不可能。無(wú)線電

4、信號(hào)的自由飛翔帶來(lái)了無(wú)限的便利與溫暖，同時(shí)也帶來(lái)了有限頻譜資源的緊缺與不足。微波頻帶出現(xiàn)了相對(duì)擁擠的狀況，為了合理利用頻帶資源，相關(guān)部門對(duì)頻帶作了更細(xì)的劃分。所以，作為選頻器件的微波濾波器在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的地位和作用顯而易見(jiàn)，其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電子對(duì)抗、無(wú)限遙測(cè)等領(lǐng)域。而隨著電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜和頻率擁擠越來(lái)越嚴(yán)重，這對(duì)無(wú)源微波濾波器的性能指標(biāo)提出更高的要求，如何設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的濾波器，以降低系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的衰減，更好的選擇所需信號(hào)，抑制各種干擾信號(hào)，已成為了一個(gè)當(dāng)今的熱點(diǎn)話題?，F(xiàn)如今，微波濾波器的高阻帶抑制、寬頻帶、帶內(nèi)平坦度、群時(shí)延和窄過(guò)度帶等技術(shù)指標(biāo)已成為了人

5、們主要關(guān)心的問(wèn)題。為了提高通信容量和避免相鄰信道間的干擾，要求濾波器有陡峭的帶外抑制；為了減小信號(hào)的失真度，要求通帶內(nèi)有平坦的幅頻特性和群時(shí)延；為了提高信噪比，要求濾波器有較低的插入損耗；而為了滿足現(xiàn)代通信終端的小型化趨勢(shì)，要求濾波器要有更小的體積和重量。因此，為了滿足設(shè)計(jì)需要，新結(jié)構(gòu)、新材料和新的設(shè)計(jì)方法需要引入到濾波器的設(shè)計(jì)中來(lái)，以求設(shè)計(jì)出滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求的濾波器。 隨著我國(guó)數(shù)字通信技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是第三代移動(dòng)通信與衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)高性能的微波濾波器的需求也越來(lái)越迫切。近些年來(lái)國(guó)際上對(duì)微波濾波器的研究也越來(lái)越廣泛和深入，而國(guó)內(nèi)的研究卻并不是很多，國(guó)內(nèi)更多關(guān)注于應(yīng)用。國(guó)內(nèi)濾

6、波器開(kāi)發(fā)成本高，效率低，調(diào)試周期長(zhǎng)，也影響到了通信系統(tǒng)的快速發(fā)展。隨著無(wú)線通信的迅猛發(fā)展,通訊設(shè)備逐漸向著便攜化、多功能化、高集成化和低成本的方向發(fā)展,促使電子元器件也要朝著高集成度、小型化與高可靠性的方向發(fā)展而如何高效、快速的設(shè)計(jì)出滿足要求的濾波器，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，也推動(dòng)了濾波器綜合理論研究和實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究的開(kāi)展。隨著科技不斷進(jìn)步，無(wú)線通信前所未有地融入到生活中，尤其以貼近日常應(yīng)用的短距離無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更是迅速發(fā)展。例如 GPS、WLAN、WiFi、UWB、Bluetooth等短距離無(wú)線通信等廣泛應(yīng)用，極大地推動(dòng)了濾波器技術(shù)的快速發(fā)展。第一章 現(xiàn)代通信系統(tǒng)與濾波器1.1通信領(lǐng)域?yàn)V波器的發(fā)展歷史

7、從電信發(fā)展的早期，濾波器在電路中就扮演著重要的角色，并隨著通信技術(shù)的發(fā)展而取得不斷進(jìn)展。新的通信系統(tǒng)要求發(fā)展一種能在特定的頻帶內(nèi)提取和檢出信號(hào)的新技術(shù)，而這種新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步加速了濾波器技術(shù)的研究和發(fā)展。在濾波器發(fā)展的早期，濾波器的設(shè)計(jì)主要集中在以電感電容組合為主的無(wú)源電路上，這是一種線性諧振腔系統(tǒng)。然而許多早期的研究人員認(rèn)為基于分布元件電路物理原理的諧振器系統(tǒng)也能達(dá)到濾波性能。1.2現(xiàn)代通信對(duì)濾波器的要求 現(xiàn)代通信系統(tǒng)所能提供的各種服務(wù)給人們的生活帶來(lái)了極大便利，人們都渴望能夠隨時(shí)隨地的收發(fā)所需信息，而這些信息所包含的數(shù)據(jù)量正迅猛增長(zhǎng)，這勢(shì)必要求移動(dòng)通信系統(tǒng)能提供更寬的帶寬。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?/p>

8、微波濾波器有著不同的要求，移動(dòng)通信基站設(shè)備需要小型化、低損耗、低生產(chǎn)成本、高功率容量的微波濾波器，于是同軸濾波器、介質(zhì)濾波器、超導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。1.3微波濾波器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)在微波技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展中，微波濾波器是一個(gè)極其重要的分支，近年來(lái)也取得了一些主要進(jìn)展，如：從個(gè)別應(yīng)用到一般應(yīng)用；形式多樣化和元件化、標(biāo)準(zhǔn)化；設(shè)計(jì)方法從繁到簡(jiǎn)，從粗超到精確；調(diào)諧的高速和自動(dòng)化；以及與其他有源或無(wú)源微波元件和器件的結(jié)合日益密切等等。如今微波濾波器的主要是朝著低功耗，高精度，高可靠性和穩(wěn)定性，小體積，多功能以及低成本、高效等方向努力發(fā)展，以滿足現(xiàn)代通信領(lǐng)域在各種情況下的要求。1.4 數(shù)字濾波

9、器在通信中的應(yīng)用在現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，幾乎沒(méi)有一個(gè)分支不受到數(shù)字濾波技術(shù)的影響。信源編碼、信道編碼、調(diào)制、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)壓縮以及自適應(yīng)信道均衡等，都廣泛地采用數(shù)字濾波器，特別是在數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像通信、多媒體通信等應(yīng)用中，離開(kāi)了數(shù)字濾波器,幾乎是寸步難行。電視數(shù)字電視取代模擬電視已是必然趨勢(shì)，雷達(dá)雷達(dá)信號(hào)占有的頻帶非常寬，數(shù)據(jù)傳輸速率也非常高，因而壓縮數(shù)據(jù)量和降低數(shù)據(jù)傳輸速率是雷達(dá)信號(hào)數(shù)字處理面臨的首要問(wèn)題。第二章 Matlab及其組件介紹2.1 Matlab簡(jiǎn)介Matlab是 MATHWORK公司推出的一套面向科學(xué)和數(shù)值計(jì)算的可視化語(yǔ)言，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體

10、，是一個(gè)高度集成系統(tǒng)具有友好的用戶界面和良好的幫助功能。 Matlab自帶的信號(hào)處理工具箱（Signal Processing Toolbox）具有強(qiáng)大的信號(hào)處理和分析功能，利用Matlab軟件優(yōu)越的數(shù)字分析及仿真功能，對(duì)理解數(shù)字濾波器及數(shù)字濾波具有一定參考價(jià)值。圖2-1 Matlab主界面2.2 simulink簡(jiǎn)介Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)

11、點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 圖2-2 Simulink Library Browser界面仿真界面，新建立一個(gè)model ，就可以進(jìn)入仿真界面?？梢园裇imulink Library Browser里面的功能模塊拖動(dòng)到model中，也可以在FDATool濾波器設(shè)計(jì)界面把設(shè)計(jì)好的濾波器導(dǎo)入到model中，然后對(duì)仿真框圖進(jìn)行編輯，仿真。FIR濾波器仿真步驟：打開(kāi)Simulink Library Browser；新建一個(gè)model；在Simulink Library Browser中找到

12、DSP離散正弦信號(hào)源、加法器以及示波器并拖到model中；再在FDATool界面把設(shè)計(jì)好的FIR濾波器導(dǎo)入到model中；在model中編輯仿真框圖；在DSP離散信號(hào)模塊中設(shè)定相關(guān)參數(shù)；最后進(jìn)行仿真。2.3 FDATool簡(jiǎn)介FDATool是Matlab信號(hào)處理工具箱里專用的濾波器設(shè)計(jì)分析工具，其界面為濾波器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)交互式的設(shè)計(jì)環(huán)境，用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，可以設(shè)計(jì)幾乎所有的基本常規(guī)濾波器，包括IIR和FIR 的各種設(shè)計(jì)方法，操作簡(jiǎn)單，方便靈活。FDATool界面總共分兩大部分，一部分是Design Filter，在界面的下半部，用來(lái)設(shè)置濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)；另一部分則是特性區(qū)，在界面的上半部

13、分，用來(lái)顯示濾波器的各種特性。圖2-3 FDATool界面Design Filter部分主要分為：A、 Response Type(濾波器類型)選項(xiàng)，包括Lowpass(低通)、Highpass(高通)、Bandpass(帶通)、Bandstop(帶阻)和特殊的FIR濾波器。B、Design Method(設(shè)計(jì)方法)選項(xiàng)，包括IIR濾波器的Butterwotth(巴特沃思)法、Chebyshev  Type I(切比雪夫I型)法、Chebyshev Type II(切比雪夫II型)法、Elliptic(橢圓濾波器)法和FIR濾波器的Equiripple法、Least-Squares(

14、最小乘方)法、Window(窗函數(shù))法。C、Filter Order(濾波器階數(shù))選項(xiàng)，定義濾波器的階數(shù)，包括Specify Order(指定階數(shù))和Minimum Order(最小階數(shù))。在Specify Order中填入所要設(shè)計(jì)的濾波器的階數(shù)(N階濾波器，Specify Order=N-1)。如果選擇Minimum Order，則MATLAB根據(jù)所選擇的濾波器類型自動(dòng)使用最小階數(shù)；D、Frequency Specifications選項(xiàng)，可以詳細(xì)定義頻帶的各參數(shù)，包括采樣頻率和頻帶的截止頻率。它的具體選項(xiàng)由Filter Type選項(xiàng)和Design Method選項(xiàng)決定。例如Bandpass

15、(帶通)濾波器需要定義Fstop1(下阻帶截止頻率)、Fpass1(通帶下限截止頻率)、Fpass2(通帶上限截止頻率)、Fstop2(上阻帶截止頻率)，而Lowpass(低通)濾波器只需要定義Fstop1、Fpass1。采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，由于過(guò)渡帶是由窗函數(shù)的類型和階數(shù)所決定，所以只需定義通帶截止頻率，而不必定義阻帶參數(shù)。第三章 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的Matlab設(shè)計(jì)FIR濾波器設(shè)計(jì)的任務(wù)是選擇有限長(zhǎng)度的，使傳輸函數(shù)滿足一定的幅度特性和線性相位要求。由于FIR 濾波器很容易實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位，所以FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的核心思想是求出有限的脈沖響應(yīng)來(lái)逼近給定的頻率響應(yīng)。設(shè)計(jì)過(guò)程一般包括

16、以下三個(gè)基本問(wèn)題： （1） 根據(jù)實(shí)際要求確定數(shù)字濾波器性能指標(biāo)。（2） 用一個(gè)因果穩(wěn)定的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這個(gè)理想性能指標(biāo)。（3） 用一個(gè)有限精度的運(yùn)算去實(shí)現(xiàn)這個(gè)傳輸函數(shù)。 3.1 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的最簡(jiǎn)單的方法是窗函數(shù)法，通常也稱之為傅立葉級(jí)數(shù)法。FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)首先給出要求的理想濾波器的頻率響應(yīng),設(shè)計(jì)一個(gè)FIR數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)，去逼近理想的濾波響應(yīng)。FIR數(shù)字濾波器的單位取樣響應(yīng)去逼近的設(shè)計(jì)過(guò)程如下： 窗函數(shù)主要用來(lái)減少序列因截?cái)喽a(chǎn)生的Gibbs效應(yīng)。但當(dāng)這個(gè)窗函數(shù)為矩形時(shí)，得到的FIR濾波器幅頻響應(yīng)會(huì)有明顯的Gibbs效應(yīng)，并且任意增加窗函數(shù)的長(zhǎng)度Gibbs效應(yīng)也不能得

17、到改善。為了克服這種現(xiàn)象,應(yīng)該使設(shè)計(jì)的濾波器：（1） 頻率特性的主瓣寬度應(yīng)盡量窄,且盡可能將能量集中在主瓣內(nèi)。（2） 窗函數(shù)頻率特性的旁瓣趨于 的過(guò)程中，其能量迅速減小為零。3.2 頻率采樣法頻率采樣法是從頻域出發(fā),根據(jù)頻域采樣定理，對(duì)給定的理想濾波器的頻率響應(yīng)加以等間隔的抽樣 ，得到： k=0,1,N-1 再利用可求得FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)及頻率響應(yīng)。選取w0,2內(nèi)N個(gè)采樣點(diǎn)的約束條件為： （1）增大阻帶衰減三種方法：1）加寬過(guò)渡帶寬，以犧牲過(guò)渡帶換取阻帶衰減的增加。2）過(guò)渡帶的優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用線性最優(yōu)化的方法確定過(guò)渡帶采樣點(diǎn)的值，得到要求的濾波器的最佳逼近（而不是盲目地設(shè)定一個(gè)過(guò)渡帶值）。3

18、）增大N。如果要進(jìn)一步增加阻帶衰減，但又不增加過(guò)渡帶寬，可增加采樣點(diǎn)數(shù)N。代價(jià)是濾波器階數(shù)增加，運(yùn)算量增加。典型應(yīng)用：用一串窄帶濾波器組成多卜勒雷達(dá)接收機(jī)，覆蓋不同的頻段，多卜勒頻偏可反映被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。3.3 仿真函數(shù) 利用數(shù)字信號(hào)處理工具箱中的 remezord 和 remez函數(shù)可以實(shí)現(xiàn) FIRDF的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此先介紹這兩個(gè)函數(shù):(1)n ,fo ,ao ,weights =remezordf ,a ,dev功能:利用 remezord 函數(shù)可以通過(guò)估算得到濾波器的近似階數(shù) n ,歸一化頻率帶邊界fo ,頻帶內(nèi)幅值ao 及各個(gè)頻帶內(nèi)的加權(quán)系數(shù)weights。輸入?yún)?shù)f為頻帶邊緣頻

19、率 ,a 為各個(gè)頻帶所期望的幅度值 ,dev是各個(gè)頻帶允許的最大波動(dòng)。(2)h =remez(n ,fo ,ao ,weights, ftype)功能:利用 remez 函數(shù)可以得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)的FIR DF的系數(shù) ,輸入?yún)?shù) n 是濾波器的階數(shù) ,fo ,ao ,weights參數(shù)含義說(shuō)明同 (1)。實(shí)等波紋切比雪夫逼近法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的步驟是： 給出所需的頻率響應(yīng)，加權(quán)函數(shù)和濾波器的單位取樣響應(yīng)的長(zhǎng)度N。 由中給定的參數(shù)來(lái)形成所需的、和的表達(dá)式。 根據(jù)Remez算法,求解逼近問(wèn)題。 利用傅立葉逆變換計(jì)算出單位取樣響應(yīng) 。3.4 FIR數(shù)字濾波器仿真窗函數(shù)法仿真結(jié)果：圖3-1 窗函數(shù)設(shè)計(jì)

20、的FIR低通濾波器頻率響應(yīng)頻率采樣法： 圖 3-2 FIR的單位取樣響應(yīng) 圖3-3 FIR的低通衰減幅頻特性3.5 利用simulink進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真FIR濾波器仿真步驟：打開(kāi)Simulink Library Browser；新建一個(gè)model；在Simulink Library Browser中找到DSP離散正弦信號(hào)源、加法器以及示波器并拖到model中；再在FDATool界面把設(shè)計(jì)好的FIR濾波器導(dǎo)入到model中；在model中編輯仿真框圖；在DSP離散信號(hào)模塊中設(shè)定相關(guān)參數(shù)；最后進(jìn)行仿真。3.5.1 利用FDATool進(jìn)行設(shè)計(jì)打開(kāi)FDATool面板在Matlab主界面：點(diǎn)擊左下角“S

21、tart”選項(xiàng)點(diǎn)擊彈出界面的“Toolboxes”選項(xiàng)點(diǎn)擊彈出界面“DSP System”選項(xiàng)點(diǎn)擊彈出界面“Filter Design&Analysis Tool(fdatool)”選項(xiàng)。通過(guò)以上步驟，便打開(kāi)了FDATool界面。圖3-4 FDATool設(shè)計(jì)界面 在FDATool界面中設(shè)計(jì)并保存FIR濾波器,在ResponseType中選擇Lowpass,在Design Method中選擇FIR中的Equiripple，在Fliter order中選擇Specify order并賦值10，在option中的Density Factor賦值20,在Frequency Specificat

22、ion的Unit選項(xiàng)選擇MHZ，F(xiàn)s（采樣頻率）為40，F(xiàn)pass（通帶截止頻率）為5,Fstop（阻帶起始頻率）為8。在Magnitude Specifications的Wpass（通帶衰減）賦值為1，Wstop（阻帶衰減）賦值為60,。點(diǎn)擊Design Filter即可得到所設(shè)計(jì)的FIR濾波器。通過(guò)菜單選項(xiàng)Analysis可以在特性區(qū)看到所設(shè)計(jì)的幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)和沖擊響應(yīng)等特性。完成以上步驟，點(diǎn)擊保存濾波器,保存名字為FIR.fda。3.5.2 FIR濾波器仿真 通過(guò)設(shè)定相關(guān)參數(shù)，觀察仿真中的示波器的波形等，就可以分析出設(shè)計(jì)的FIR濾波器是否達(dá)到要求。圖3-5 FIR數(shù)字濾波器仿真框圖3

23、.5.3 改變參數(shù)分別改變SineWave、SineWave1的參數(shù)，以用不同的信號(hào)測(cè)試所設(shè)計(jì)的濾波器的濾波效果。 a.修改仿真配置參數(shù)Configuration Parameter點(diǎn)擊菜單中的Simulation 并打開(kāi)Configuration Parameter，在彈出界面中更改仿真時(shí)間Simulation time為0.0到1000，并將slover選項(xiàng)改為discrete（XXXX）；b.器件SineWave雙擊SineWave，在彈出界面中，修改參數(shù)sine type為time based，修改frequency為0.2 *pi，sample time改為1；c.器件SineWav

24、e雙擊SineWave1，在彈出界面中，修改參數(shù)sine type為time based，修改frequency為0.6*pi，sample time改為1；仿真 改變參數(shù)繼續(xù)仿真 所有環(huán)節(jié)都布置完成后，點(diǎn)擊model中工具start simulation的圖標(biāo)進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真，查看scope示波器中的波形，分析仿真結(jié)果，并再次改變輸入信號(hào)，改變SineWave、SineWave1的參數(shù)，再次進(jìn)行仿真，分析直到了解了設(shè)計(jì)的FIR濾波器的濾波效果為止。3.5.4 結(jié)果分析 圖3-6 上半部分為仿真前的信號(hào)s1和s2波形 下半部分為仿真后濾波的信號(hào)波形以及混疊后的波形由上圖可以看出信號(hào)S經(jīng)過(guò)濾波

25、后，濾波后的信號(hào)與S1大致相同。 第四章 IIR帶通濾波器帶通濾波器(BPF)是濾波器中使用最多、最重要也是最難設(shè)計(jì)的一種濾波器。作為一種體積小、重量輕和可靠性高的微波集成電路(MIC)電路單元，微帶帶通濾波器在電子系統(tǒng)尤其是通信領(lǐng)域被廣泛使用。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微帶濾波器的種類日益增多。它們性能各異，設(shè)計(jì)方法也有所不同，本文的主要研究?jī)?nèi)容就是幾種類型的微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)際需要提出了幾種新穎的結(jié)構(gòu)。帶通濾波器是現(xiàn)在微波技術(shù)中許多設(shè)計(jì)問(wèn)題的中心，利用它們可以分離或組合各種不同頻率的信號(hào)。采用低損耗的低溫共燒陶瓷(LTCC>材料與多層結(jié)構(gòu)制程，可以將濾波器的布局由平面轉(zhuǎn)為立

26、體進(jìn)而制作出微小的疊層式濾波，不僅降低了成本，而且大大提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。4.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一數(shù)字帶通濾波器，用IIR來(lái)實(shí)現(xiàn)，其主要技術(shù)指標(biāo)：通帶邊緣頻率：wp1=0.4，wp2=0.6通帶最大衰減：Ap=3dB阻帶邊緣頻率：ws1=0.3，ws2=0.7阻帶最小衰減：As=15dB設(shè)計(jì)總體要求：用MATLAB語(yǔ)言編程進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出IIR數(shù)字濾波器的參數(shù)，給出幅度和相位響應(yīng)曲線，對(duì)IIR實(shí)現(xiàn)形式和特點(diǎn)等方面進(jìn)行討論。4.2 IIR設(shè)計(jì)方法IIR數(shù)字濾波器具有無(wú)限寬的沖激響應(yīng)，與模擬濾波器相匹配，所以IIR濾波器的設(shè)計(jì)可以采取在模擬濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步變換的方法。比較常用的原型濾波

27、器有巴特沃什濾波器（Butterworth）、切比雪夫?yàn)V波器（Chebyshev）、橢圓濾波器（Ellipse）和貝塞爾濾波器（Bessel）等。他們有各自的特點(diǎn)，巴特沃什濾波器具有單調(diào)下降的幅頻特性；切比雪夫?yàn)V波器的幅頻特性在通帶和阻帶里有波動(dòng)，可以提高選擇性；貝塞爾濾波器通帶內(nèi)有較好的線性相位特性；橢圓濾波器的選擇性最好。本設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器采用巴特沃什濾波器3。設(shè)計(jì)巴特沃什數(shù)字濾波器時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)參數(shù)要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的模擬濾波器，其步驟如下：（1）由模擬濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)wp，ws，Ap，As和式（3-4）確定濾波器階數(shù)N。 （3-4）（2）由式（3-5）確定wc。 （3-5）（3）若N是

28、奇數(shù)，則有式（3-6）和式（3-7）確定濾波器的系統(tǒng)函數(shù)；若N是偶數(shù)，則式（3-6）和式（3-8）確定濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。然后把設(shè)計(jì)好的模擬utterworth濾波器變換成數(shù)字濾波器，常采用的方法有脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法4。 （3-6） （3-7） （3-8）巴特沃什濾波器是根據(jù)幅頻特性在通頻內(nèi)具有最平坦特性而定義的濾波器。一維巴特沃什濾波器的平方幅頻特性函數(shù)為 （3-9）可以看出，濾波器的幅頻特性隨著濾波器階次N的增加而變得越來(lái)越好。在截止頻率c處的函數(shù)值始終為的情況下，在通帶內(nèi)更多的頻帶區(qū)的值接近1；在阻帶內(nèi)函數(shù)更迅速的趨近0。巴特沃什濾波器的主要特征：（1）對(duì)于所有N，（2）對(duì)于所有

29、N，（3）是的單調(diào)下降函數(shù)。（4）隨著階次N的增大而更加接近于理想濾波器。最常用于設(shè)計(jì)IIR數(shù)字帶通濾波器的方法基于原型模擬傳輸函數(shù)的雙線性變換。模擬傳輸函數(shù)通常是：巴特沃什、切比雪夫1型、切比雪夫2型和橢圓傳輸函數(shù)。巴特沃什低通傳輸函數(shù)在dc處有一個(gè)最大平坦的幅度響應(yīng)，且隨著頻率增加幅度響應(yīng)單調(diào)地減少。本設(shè)計(jì)IIR數(shù)字帶通濾波器就采用巴特沃什型。巴特沃什型數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計(jì)，MATLAB調(diào)用形式如下：N,wn=buttord(wp,ws,Ap,As)num,den=butter(N,wn)4.3利用simulink進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真IIR濾波器仿真步驟：打開(kāi)Simulink Library

30、Browser；新建一個(gè)model；在Simulink Library Browser中找到DSP離散正弦信號(hào)源、加法器以及示波器并拖到model中；再在FDATool界面把設(shè)計(jì)好的FIR濾波器導(dǎo)入到model中；在model中編輯仿真框圖；在DSP離散信號(hào)模塊中設(shè)定相關(guān)參數(shù)；最后進(jìn)行仿真。4.3.1 利用FDATool進(jìn)行設(shè)計(jì)打開(kāi)FDATool面板并在Matlab主界面：點(diǎn)擊左下角“Start”選項(xiàng)點(diǎn)擊彈出界面的“Toolboxes”選項(xiàng)點(diǎn)擊彈出界面“DSP System”選項(xiàng)點(diǎn)擊彈出界面“Filter Design&Analysis Tool(fdatool)”選項(xiàng)。通過(guò)以上步驟，

31、便打開(kāi)了FDATool界面。圖4-1 FDATool設(shè)計(jì)界面在FDATool界面中設(shè)計(jì)并保存IIR濾波器：在Filter Type中選擇Bandpass（帶通濾波器）；在Design Method選項(xiàng)中選擇IIR，在相鄰的右則選項(xiàng)中選擇Chebyshev I（切比雪夫I型）；指定Filter Order項(xiàng)中的Specify Order=10；在Frequency Specifications中選擇Unit為Hz，采樣頻率Fs=1000，通帶Fpass1=100和Fpass2=200；在Magnitude Specificat

32、ions中選擇Unit為db，Apass=0.5。點(diǎn)擊Design Filter即可得到所設(shè)計(jì)的IIR濾波器。通過(guò)菜單選項(xiàng)Analysis可以在特性區(qū)看到所設(shè)計(jì)的幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)和沖擊響應(yīng)等特性。 完成以上步驟，點(diǎn)擊保存濾波器,保存名字為IIR.fda。4.3.2 IIR濾波器仿真 通過(guò)設(shè)定相關(guān)參數(shù)，觀察仿真中的示波器的波形等，就可以分析出設(shè)計(jì)的FIR濾波器是否達(dá)到要求。圖4-2 IIR數(shù)字濾波器仿真框圖4.3.3 改變參數(shù)分別改變SineWave、SineWave1的參數(shù)，以用不同的信號(hào)測(cè)試所設(shè)計(jì)的濾波器的濾波效果。 假定，信號(hào)s1=sin(pi*0.1*n)

33、;s2=sin(pi*0.2*n);s=s1+s3;即s為含有2個(gè)頻率成分的信號(hào)（歸一化頻率（w/2p）分別為0.05、0.1）?？捎么诵盘?hào)來(lái)用所設(shè)計(jì)的濾波器濾除歸一化頻率為0.05的成分，以此檢測(cè)濾波器的濾波效果。則需要改變參數(shù)如下： a、修改仿真配置參數(shù)Configuration Parameter 點(diǎn)擊菜單中的Simulation 并打開(kāi)Configuration Parameter，在彈出界面中更改仿真時(shí)間Simulation time為0.0到1000.0； b、器件SineWave 雙擊SineWave

34、，在彈出界面中，修改參數(shù)sine type為time based，修改frequency為0.2*pi，sample time改為1； c、器件SineWave  雙擊SineWave1，在彈出界面中，修改參數(shù)sine type為time based，修改frequency為0.6*pi，sample time改為1； 仿真 改變參數(shù)繼續(xù)仿真      所有環(huán)節(jié)都布置完成后，點(diǎn)擊model中工具start simulation

35、的圖標(biāo)進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真，查看scope示波器中的波形，分析仿真結(jié)果，并再次改變輸入信號(hào)，改變SineWave、SineWave1的參數(shù)，再次進(jìn)行仿真，分析直到了解了設(shè)計(jì)的IIR濾波器的濾波效果為止。4.3.4 結(jié)果分析圖4-3 IIR濾波器性能分析圖由上圖可以看出信號(hào)S經(jīng)過(guò)濾波后，即濾波后的信號(hào)與S2大致相同。第五章 總結(jié)與心得5.1設(shè)計(jì)總結(jié)在通信技術(shù)迅速發(fā)展的今天，濾波器越來(lái)越受到人們的重視。濾波器的主要功能是頻率選擇和分離，因此濾波器性能的好壞，直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的性能的優(yōu)劣。本文著重介紹了微波濾波器的基本理論，主要是交叉耦合及廣義切比雪夫?yàn)V波器的綜合理論，并對(duì)超寬帶濾波器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和研究，最后給出了各種濾波器在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。由于濾波器種類多，范圍廣，還存在許多有待于研究和解決的問(wèn)題。3G 和 4G 已經(jīng)走進(jìn)我們的生活，隨著通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)濾波器的要求也越來(lái)越高，需求量也越來(lái)越大，因此微波濾波器的研究還將繼續(xù)發(fā)展下去。 如何能夠較快的實(shí)現(xiàn)微波濾波器的整體結(jié)構(gòu)的調(diào)試，如何較好的實(shí)現(xiàn)機(jī)械調(diào)諧也成為各大生產(chǎn)商面臨的一大難題。就目前而言由于經(jīng)濟(jì)等各方面的原因 3G 和4G 的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)尚不完善,這