彭永棒,孫奉婁,藍(lán)加平,陳 錕
(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)
跟蹤濾波器[1]指濾波器的中心頻率能自動地跟隨信號頻率變化,從而達(dá)到在強噪聲干擾中提取有用信號的帶通濾波器。它主要應(yīng)用于振動監(jiān)測和控制、掃頻或跳頻雷達(dá)接收機、數(shù)字電視接收機、水聲信號處理等領(lǐng)域[2-4]。
目前,跟蹤濾波器的設(shè)計主要有開關(guān)電容跟蹤濾波器[5-6]、自適應(yīng)跟蹤濾波器[7]和變?nèi)荻O管電調(diào)諧 LC諧振跟蹤濾波器[8]等。開關(guān)電容濾波器主要工作于音頻范圍內(nèi),從幾赫茲到數(shù)百千赫茲。自適應(yīng)跟蹤濾波算法復(fù)雜,多用數(shù)字信號處理算法,不適合于模擬信號的跟蹤濾波,且信號處理速度慢,不能滿足實時性要求。變?nèi)荻O管電調(diào)諧LC諧振跟蹤濾波器工作頻率高,速度快,電路由純硬件搭建,主要缺點是受溫度影響很大,中心頻率可能出現(xiàn)漂移,因此不宜作窄帶濾波,可用于對環(huán)境溫度要求不高的寬帶濾波。還有一些特殊用途的跟蹤濾波器,如應(yīng)用于數(shù)字電視等接收機的高頻頭或調(diào)諧器[9]等,這類跟蹤濾波器面向?qū)iT的應(yīng)用,不具備短波、窄帶和通用的特性。
現(xiàn)在應(yīng)用于高頻信號的窄帶跟蹤濾波器鮮有好的解決方案,特別是像快速跳頻通信[10]對保密性的要求很高,要求跟蹤濾波器能夠快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)頻率跟蹤,這都不是上述幾種濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)的。目前適合短波頻段的專用跟蹤濾波器很少,針對這種情況,本文將設(shè)計并實現(xiàn)了工作于1 MHz~30 MHz頻段的基于開關(guān)式電容組的跟蹤濾波器。
考慮到開關(guān)電容組跟蹤濾波器的特性和器件選擇,本文采用開關(guān)式電容組濾波器與變?nèi)荻O管電調(diào)諧串聯(lián)組合的設(shè)計方案,系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
本開關(guān)式電容組濾波器原理[11]如圖2所示。這種濾波器一般工作于低頻范圍,其溫度穩(wěn)定性好,中心頻率和帶寬便于調(diào)節(jié),很適于跟蹤濾波。圖2中,單刀N擲開關(guān)周期性地接通N個RC積分器。每個電容被周期地接入,接入時間為 1/(N×fc),其中 N為電容個數(shù),即開關(guān)的擲數(shù),fc為開關(guān)頻率。當(dāng)輸入信號頻率和開關(guān)頻率為整數(shù)倍關(guān)系時,每個周期接入各電容正好處于輸入波形的同一位置,通過RC積分器對電容充電,于是電容被充電到對應(yīng)輸入電壓值,從而在每個信號周期保持相同電壓值,輸出波形為近似于輸入波形的階梯波。這就相當(dāng)于是對輸入信號的N倍采樣,輸出的采樣信號仍能保持原始信號波形,如果輸入頻率不等于開關(guān)頻率或開關(guān)頻率的倍頻,則電容選入時處于輸入信號波形的不定位置,電容上的電壓不能保持充電到同樣的電壓值,此時,電容上的平均電壓非常低,從而達(dá)到濾波效果。圖2所示濾波器的幅頻特性示意圖如圖3所示。其為一個以fc為基頻的梳狀濾波器,fc的倍頻點同樣能通過信號。
圖2 開關(guān)式電容組濾波器原理圖
圖3 開關(guān)式電容組濾波器幅頻特性示意圖
為了實現(xiàn)短波雷達(dá)接收機模擬前端的濾波,本文設(shè)計了一個可以工作于短波范圍的帶通濾波器,利用CPLD OD輸出的高阻特性和CPLD的高速開關(guān)能力,用CPLD作為單刀N擲開關(guān)來控制電容組,周期性地接通N個RC積分器來實現(xiàn)高頻濾波器的設(shè)計。
該濾波器中電容和電阻的溫度穩(wěn)定性極強,因此其帶通特性基本不受溫度影響,且參數(shù)設(shè)計簡單。
跟蹤濾波器僅在某一個特定時刻通過對應(yīng)中心頻率的信號,而由圖3可以看到開關(guān)電容組的梳狀濾波特性,因此必須要濾除其余倍頻信號,即抑制其諧波。為此,設(shè)計了一個基于變?nèi)荻O管電調(diào)諧LC諧振跟蹤濾波器的寬帶諧振放大電路,將此電容組濾波器置于兩個諧振放大電路之間,將諧振放大電路的帶寬調(diào)節(jié)到合適位置,以濾除輸入信號中的倍頻信號成分。本諧振放大電路不僅具有抑制倍頻信號的功能,還能對輸入輸出信號進(jìn)行放大。由于電容組濾波器插入損耗較大,且受系統(tǒng)同步開關(guān)噪聲(SSN)的影響,因此通過前級諧振放大電路對弱信號進(jìn)行放大,可以提高系統(tǒng)的信噪比。該諧振放大電路的通頻帶也是可跟蹤的,隨中心頻率同步調(diào)節(jié)。變?nèi)荻O管的溫度穩(wěn)定性差,因此不宜設(shè)計成窄帶跟蹤濾波器,這里設(shè)計為一個寬帶選頻跟蹤濾波器,用于濾除電容組濾波器的倍頻干擾。
要實現(xiàn)30 MHz的中心頻率濾波器,如果采用10個電容就必須滿足至少300 MHz的開關(guān)頻率要求??紤]到普通模擬開關(guān)的開關(guān)速度不高,本文采用CPLD,利用其引腳的三態(tài)特性,通過軟件設(shè)置引腳為低電平(開通)和高阻(關(guān)斷)狀態(tài)來作為電容選擇開關(guān)。由于CPLD漏極開路引腳存在鉗位,因此輸入信號的電壓峰峰值應(yīng)在0~3.3 V范圍內(nèi),需給信號一個合適的靜態(tài)工作點。本濾波器插入損耗較大,電容組濾波器輸出阻抗受負(fù)載影響較大,因此增加一級跟隨器作為阻抗匹配,提高其帶負(fù)載能力。圖4為電容組濾波器原理圖。
圖4 電容組濾波器原理圖
本電路中的鎖相環(huán)通過I2C總線配置工作參數(shù),可直接通過CPLD進(jìn)行配置,提供參考頻率的N倍頻信號作為開關(guān)時鐘。
通過設(shè)計諧振放大電路來濾除電容組濾波器中心頻率的倍頻干擾。通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管反向電壓來調(diào)節(jié)諧振選頻電路的中心頻率和選頻特性。將此選頻網(wǎng)絡(luò)帶寬調(diào)節(jié)到中心頻率二倍頻以下的合適位置,以起到倍頻抑制的作用。諧振放大的另一個作用是對輸入信號進(jìn)行放大以提高信噪比,以適合電容組濾波器的要求。諧振放大電路原理圖如圖5所示。
跟蹤濾波的中心頻率設(shè)計為從 1 MHz~30 MHz變化,低頻段的中心頻率倍頻也在此范圍以內(nèi),因此,選頻網(wǎng)絡(luò)也必須是可跟蹤的。這就要求變?nèi)荻O管容值可調(diào),可通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管反向電壓來實現(xiàn)。采用D/A轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié),原理圖如圖6所示,通過CPLD切換變?nèi)荻O管反向電壓值來調(diào)節(jié)諧振頻率。
通過掃頻儀對本濾波器的帶通特性及其參數(shù)進(jìn)行了分析。圖7分別給出了帶寬BW與中心頻率fc、電容個數(shù)N、電阻R、電容C的關(guān)系曲線??梢钥闯觯瑸V波器通頻帶與中心頻率成正比,而與電容個數(shù)N、電阻值R、電容值 C 成反比,即 BW∝fc/(N×R×C)。
通過掃頻儀對本濾波器的幅度特性及其參數(shù)進(jìn)行了分析。輸入信號為10 mV時,輸出幅值Vp與中心頻率fc、電容個數(shù) N、電阻 R、電容 C的關(guān)系曲線如圖 8所示。可以看出,濾波器幅度與中心頻率成反比,與阻值R成負(fù)指數(shù)關(guān)系,而與電容個數(shù)N、電容容值C成正比的變化趨勢,即 Vp∝(N×C)/R×fc。
可以看出,電阻越小,濾波器增益增大得越快。但是通過時域分析可知,隨著R的減小,信號波形失真也越來越大。因此要綜合考慮帶通濾波器的各方面性能來選擇R值。
由于CPLD高速開關(guān)引入了開關(guān)噪聲,且噪聲存在于帶內(nèi),與所需的信號處在同一頻點,無法去除。因此本濾波器只適于100 μV級以上的信號。圖9為輸入端接地時頻譜儀觀測到的系統(tǒng)開關(guān)噪聲測量結(jié)果,其噪聲信號大約在 100 μV。
表1為所設(shè)計的跟蹤濾波器輸入電平10 mV時,10 MHz~20 MHz頻段內(nèi)3 dB和 6 dB帶寬的幅頻特性測試數(shù)據(jù)。
表1 部分頻點3 dB和6 dB帶寬的幅頻特性實測結(jié)果
品質(zhì)因數(shù)Q=fp/BW3dB,Q值隨頻率增大而減小。從10 MHz~20 MHz,Q值由 25減小到 11.8。通帶增益 KP=Af,隨著頻率增高由 4.5降低到 2.5。
由于 BW∝fc/(N×R×C),而 Q=fp/BW3dB,因此有 Q∝1/N×R×C??梢?,只要選取合適的參數(shù),就能夠得到滿足需要的濾波器。由圖10可以看到其輸入輸出波形的對比,通道1為輸入信號,通道2為輸出信號。
本文提出并實現(xiàn)了基于CPLD的開關(guān)電容組式跟蹤濾波器與變?nèi)荻O管電調(diào)諧濾波器串聯(lián)方案的設(shè)計,通過分析實驗數(shù)據(jù),得出了帶寬BW、幅值A(chǔ)和Q值分別與中心頻率 fc、電容個數(shù)N、電阻 R、電容C等參數(shù)的關(guān)系:BW∝fc/(N×R×C),A∝(N×C)/R×fc,Q∝1/N×R×C。實測的濾波器3 dB帶寬為300 kHz~700 kHz,Q值為11.8 dB~25 dB,通帶增益為2.5~4.5。測試結(jié)果表明本設(shè)計能很好滿足接收機的設(shè)計指標(biāo)。
本濾波器的設(shè)計方法既可用于低頻,也可用于高頻。電路設(shè)計簡單,性能穩(wěn)定,不受環(huán)境溫度等因素的影響,能應(yīng)用于高頻模擬前端,處理100 μV級以上信號。但是由于系統(tǒng)開關(guān)噪聲的影響,對于微小信號濾波效果不是很好,有待于進(jìn)一步針對開關(guān)噪聲作深入研究。
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