中頻濾波器仿真過程

1、規(guī)格嚴格、功夫到家論中頻濾波器的仿真設計題目：中頻濾波器仿真 姓名： 學號：一設計原理分析1.濾波器相關背景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或該頻點以外的頻率進行有效濾除，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個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、轉換、傳輸?shù)拿恳粋€環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了。濾波，本質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，它實質上是一個選頻電路。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的電壓增益為常數(shù)，在阻帶內的電壓增益為零；實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|）都可視為是一種濾波器。因為，任何裝置的響應特性都是激勵頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構成測試系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)，諸如機械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡、儀器儀表甚至連接導線等等，都將在一定頻率范圍內，按其頻域特

3、性，對所通過的信號進行變換與處理。1.2 中頻濾波器中頻濾波器相當于一個帶通濾波器，它選出需要的混頻分量，抵制掉其他不需要的信號。一個理想的濾波器應該有一個完全平坦的通帶，例如在通帶內沒有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉換在極小的頻率范圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠將期望頻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，濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設計更加接近。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，這種效應稱為吉布斯現(xiàn)象。帶通濾波器的應用區(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，以選出各個不同頻段的信號，在顯示上利用發(fā)光二極管點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，品質因數(shù) ，3dB帶寬B=1/（*R3*C）也可根據(jù)設計確定的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fo=1KHz時，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.中頻濾波器結構2.1 一般濾波器結構濾波電路的一般結構圖1所示，圖中的Vi(t)表示輸入信號，V0（t）為輸出信號。假設濾波器是一個線形時不變網(wǎng)絡，則在復頻域內其傳遞函數(shù)為：圖1 濾波一般結構圖式中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。在濾波電路中關心的另一個量是時延（），它定義為： 通常用幅頻響應來表征一個濾波電路的特性，欲使信號通過濾波器的失真很小，則相位和時延響應亦需考慮。當相位響應()作線性變化，即時延響應（）為常數(shù)時，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。2) 截止頻率：指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標準定義。3) 通帶帶寬（BWxdB）：指需要通過的頻譜寬度，B=（f2-f1）。分數(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，隨頻率在損耗均值曲線基礎上波動的峰-峰值。5) 帶內波動（Passband Riplpe）：

7、通帶內插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內的帶內波動是1dB。6) 阻帶抑制度：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標。該指標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與理想矩形接近程度的指標矩形系數(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間，數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對角頻率的導數(shù)，即Td=df/dv。2.3 中頻濾波器的結構及實現(xiàn)低通濾

8、波器實現(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帶通響應。理想濾波電路在通帶內應具有零衰減的幅頻響應和線性的相位響應，而在阻帶內應具有無限大的幅度衰減（A（j）。這樣的系統(tǒng)是物理上不可實現(xiàn)的，理想與實際的頻域響應是不太一樣的。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，它有兩個阻帶：0L和H，因此帶寬BHL。（a）（b）圖2 帶通濾波器的電路構成圖3 帶通濾波器幅頻響應根據(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換可以利用Z域-Z域圓圖的變換公式如下：3.實施方案1) 根據(jù)需求設計濾波器的各類指標；2) 利用Ansoft Designer軟件自帶的一個濾波器設計工具，可以方便地設計 出滿足使用要求的射頻濾波器。選擇所需的濾波器模型、響應類型以及各參數(shù)，查看生成的響應曲線。若符合要求，可生成具體濾波器電路；3) 修改濾波器仿真設置參數(shù)，執(zhí)行仿真。驗證其參數(shù)和指標是否符合需求。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，設置電路的基本參數(shù)，進行仿真電路設置；2) 進行優(yōu)化設置進行優(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)進行優(yōu)化，軟件仿真和實際情況會有一定的偏差，在設定優(yōu)化參數(shù)時可以適當增加通帶的帶寬，對于其他的參數(shù)可根據(jù)優(yōu)化的結果進行調整；二具體實現(xiàn)1.系統(tǒng)框圖通常帶通濾波器的設計分為兩個階段，前一個階段是依據(jù)歸一化LPF設計出通帶寬度等于待設計BPF帶寬的LPF，后一個階段是把這個通帶寬度等于待設計BPF帶寬的LPF變換成BPF。設計步驟如圖4所示：圖4 根據(jù)歸一化LPF設計數(shù)據(jù)設計BPF步驟 由于ADS軟件自帶的濾波器設計功能，因此省去了計算部分，可直接利用濾波器設計向導完成中通濾波器的設計。2.軟件實現(xiàn)ADS軟件是射頻電路設計中的常用軟件之一，參與射頻設計

11、工作經(jīng)常用到，是必須掌握的軟件之一。它有著強大的濾波器設計功能，可以方便的設計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，彈出對話框。（2）單擊圖標，在“Filter DG-All”面板中選擇一個雙端口中通濾波器模型如下圖： 回到濾波器設計向導中，打開“Filter Assistant”標簽頁，濾波器類型選“Gaussian”,即高斯響應。在設計向導中輸入濾波器參數(shù)如圖；并設置為8階；First Element選為“Series”，即第一個元器件是串聯(lián)元器件，然后單擊【Redraw】就可看到高斯響應曲線，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，得到濾波器的子電路，如圖所示。3.仿真分析（1）在濾波器設計向導中選擇“simulation Assistant”標簽頁，“Start”為0，“Stop”為100mHz，“Step”為0.5MHz。（2）單擊【simulat