中頻濾波器仿真過程

1、規(guī)格嚴(yán)格、功夫到家論中頻濾波器的仿真設(shè)計(jì)題目：中頻濾波器仿真 姓名： 學(xué)號：一設(shè)計(jì)原理分析1.濾波器相關(guān)背景1.1 濾波器電源濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。濾波器可以對電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻率的電源信號，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號。 信息需要傳播，靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€(gè)環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時(shí)，甚至是在相當(dāng)多的情況下，這種畸變還很嚴(yán)重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當(dāng)中了。濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。而濾波器就是允許某一部

2、分頻率的信號順利的通過，而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。在濾波器中，把信號能夠通過的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù)，在阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過渡帶。廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ溃劫|(zhì)）都可視為是一種濾波器。因?yàn)?，任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵(lì)頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特

3、性，對所通過的信號進(jìn)行變換與處理。1.2 中頻濾波器中頻濾波器相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，它選出需要的混頻分量，抵制掉其他不需要的信號。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實(shí)際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個(gè)被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就

4、變得不再平坦開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。帶通濾波器的應(yīng)用區(qū)域： 許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器，以選出各個(gè)不同頻段的信號，在顯示上利用發(fā)光二極管點(diǎn)亮的多少來指示出信號幅度的大小。這種有源帶通濾波器的中心頻率 ，在中心頻率fo處的電壓增益Ao=B3/2B1，品質(zhì)因數(shù) ，3dB帶寬B=1/（*R3*C）也可根據(jù)設(shè)計(jì)確定的Q、fo、Ao值，去求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。R1=Q/（2foAoC），R2=Q/（2Q2-Ao）*2foC），R3=2Q/（2foC）。上式中，當(dāng)fo=1KHz時(shí)，C取0.01Uf。此電路亦可用于一般的選頻放

5、大。 有源帶通濾波器電路，此電路亦可使用單電源。2.中頻濾波器結(jié)構(gòu)2.1 一般濾波器結(jié)構(gòu)濾波電路的一般結(jié)構(gòu)圖1所示，圖中的Vi(t)表示輸入信號，V0（t）為輸出信號。假設(shè)濾波器是一個(gè)線形時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)，則在復(fù)頻域內(nèi)其傳遞函數(shù)為：圖1 濾波一般結(jié)構(gòu)圖式中A（s）是濾波電路的電壓傳遞函數(shù)，對于頻率來說（s=j）則有：其中A（j）為傳遞函數(shù)的模，()為其相位角。在濾波電路中關(guān)心的另一個(gè)量是時(shí)延（），它定義為： 通常用幅頻響應(yīng)來表征一個(gè)濾波電路的特性，欲使信號通過濾波器的失真很小，則相位和時(shí)延響應(yīng)亦需考慮。當(dāng)相位響應(yīng)()作線性變化，即時(shí)延響應(yīng)（）為常數(shù)時(shí)，輸出信號才可能避免失真。2.2 主要參

6、數(shù)1) 中心頻率：濾波器通帶的頻率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點(diǎn)。2) 截止頻率：指低通濾波器的通帶右邊頻點(diǎn)及高通濾波器的通帶左邊頻點(diǎn)。通常以1dB或3dB相對損耗點(diǎn)來標(biāo)準(zhǔn)定義。3) 通帶帶寬（BWxdB）：指需要通過的頻譜寬度，B=（f2-f1）。分?jǐn)?shù)帶寬（fractional bandwidth）=BW3dB/f0×100%，也常用來表征濾波器通帶帶寬。4) 紋波（Ripple）：指1dB或3dB帶寬（截止頻率）范圍內(nèi)，隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動(dòng)的峰-峰值。5) 帶內(nèi)波動(dòng)（Passband Riplpe）：

7、通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動(dòng)是1dB。6) 阻帶抑制度：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標(biāo)。該指標(biāo)越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。通常有兩種提法：一種為要求對某一給定帶外頻率fs抑制多少dB，計(jì)算方法為fs處衰減量As-IL；另一種為提出表征濾波器幅頻響應(yīng)與理想矩形接近程度的指標(biāo)矩形系數(shù)（KxdB>1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可為40dB、30dB、20dB等）。濾波器階數(shù)越多，矩形度越高即K越接近理想值1。7) 延遲（Td）：指信號通過濾波器所需要的時(shí)間，數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對角頻率的導(dǎo)數(shù)，即Td=df/dv。2.3 中頻濾波器的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)低通濾

8、波器實(shí)現(xiàn)原理已被大家熟知。而一般的帶通濾波都是通過對低通濾波的轉(zhuǎn)換得到的.帶通濾波電路是低通與高通濾波電路相串聯(lián)構(gòu)成的，如圖2所示，需要滿足的條件是低通濾波電路的截止角頻率H大于高通濾波電路的截止角頻率L，兩者串聯(lián)所覆蓋的通帶就提供了一個(gè)帶通響應(yīng)。理想濾波電路在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線性的相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)具有無限大的幅度衰減（A（j）。這樣的系統(tǒng)是物理上不可實(shí)現(xiàn)的，理想與實(shí)際的頻域響應(yīng)是不太一樣的。如圖3所示，圖中L為低頻段截止角頻率，H 高頻段截止角頻率，0為中心角頻率，它有兩個(gè)阻帶：0L和H，因此帶寬BHL。（a）（b）圖2 帶通濾波器的電路構(gòu)成圖3 帶通濾波器幅頻響應(yīng)根據(jù)數(shù)

9、字信號處理教程(第三版),可以知道低通濾波器到帶通濾波器的轉(zhuǎn)換可以利用Z域-Z域圓圖的變換公式如下：3.實(shí)施方案1) 根據(jù)需求設(shè)計(jì)濾波器的各類指標(biāo)；2) 利用Ansoft Designer軟件自帶的一個(gè)濾波器設(shè)計(jì)工具，可以方便地設(shè)計(jì) 出滿足使用要求的射頻濾波器。選擇所需的濾波器模型、響應(yīng)類型以及各參數(shù)，查看生成的響應(yīng)曲線。若符合要求，可生成具體濾波器電路；3) 修改濾波器仿真設(shè)置參數(shù)，執(zhí)行仿真。驗(yàn)證其參數(shù)和指標(biāo)是否符合需求。4.測試方案軟件測試：利用ADS完成原理圖的繪制、電路參數(shù)的優(yōu)化仿真，版圖的仿真。1) 生成原理圖，設(shè)置電路的基本參數(shù)，進(jìn)行仿真電路設(shè)置；2) 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化?？梢詫?/p>

10、低頻段截止頻率、高頻段截止頻率、紋波和矩形系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，軟件仿真和實(shí)際情況會有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時(shí)可以適當(dāng)增加通帶的帶寬，對于其他的參數(shù)可根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整；二具體實(shí)現(xiàn)1.系統(tǒng)框圖通常帶通濾波器的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段，前一個(gè)階段是依據(jù)歸一化LPF設(shè)計(jì)出通帶寬度等于待設(shè)計(jì)BPF帶寬的LPF，后一個(gè)階段是把這個(gè)通帶寬度等于待設(shè)計(jì)BPF帶寬的LPF變換成BPF。設(shè)計(jì)步驟如圖4所示：圖4 根據(jù)歸一化LPF設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)BPF步驟 由于ADS軟件自帶的濾波器設(shè)計(jì)功能，因此省去了計(jì)算部分，可直接利用濾波器設(shè)計(jì)向?qū)瓿芍型V波器的設(shè)計(jì)。2.軟件實(shí)現(xiàn)ADS軟件是射頻電路設(shè)計(jì)中的常用軟件之一，參與射頻設(shè)計(jì)

11、工作經(jīng)常用到，是必須掌握的軟件之一。它有著強(qiáng)大的濾波器設(shè)計(jì)功能，可以方便的設(shè)計(jì)出符合要求的中通濾波器，操作具體過程如下：（1）新建“zhongtong_Prj”工程，建一名為“ztpass”原理圖，執(zhí)行菜單【Design Guide】【Filter】，選擇“Filter Control ”項(xiàng)，彈出對話框。（2）單擊圖標(biāo)，在“Filter DG-All”面板中選擇一個(gè)雙端口中通濾波器模型如下圖： 回到濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е?，打開“Filter Assistant”標(biāo)簽頁，濾波器類型選“Gaussian”,即高斯響應(yīng)。在設(shè)計(jì)向?qū)е休斎霝V波器參數(shù)如圖；并設(shè)置為8階；First Element選為“Series”，即第一個(gè)元器件是串聯(lián)元器件，然后單擊【Redraw】就可看到高斯響應(yīng)曲線，如圖所示。（3）返回原理圖，雙擊濾波器元器件查看參數(shù)，屬性選“Set All”單擊【Apply】，然后【OK】，此時(shí)濾波器所有參數(shù)都顯示出來。（4）選擇濾波器模型，單擊圖標(biāo)，得到濾波器的子電路，如圖所示。3.仿真分析（1）在濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е羞x擇“simulation Assistant”標(biāo)簽頁，“Start”為0，“Stop”為100mHz，“Step”為0.5MHz。（2）單擊【simulat