基于Youla無耗均衡器的精確設(shè)計與仿真

1、基于Youla無耗均衡器的精確設(shè)計與仿真             王少夫，于雙和 （大連海事大學(xué) 信息工程學(xué)院遼寧 大連116026） 摘要：以低通Butterworth 20 MHz無耗均衡器的設(shè)計為例，為了解快通信系統(tǒng)的耦合網(wǎng)絡(luò)問題，使用寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)均衡電阻性信號源和頻變負(fù)載，以獲得預(yù)先規(guī)定的變換器功率增益特性。用Matlab和PSpice軟件進(jìn)行科學(xué)計算和電路仿真，設(shè)計出最佳寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)代通信系統(tǒng)具有重要意義。關(guān)鍵詞：Youla定理；無損均衡器；寬帶匹配；Matl

2、ab；PSpice仿真 Accurate Design and Simulation Based on Youla Lossless EqulizerWANG Shaofu,YU Shuanghe(School of Electronics and Information Engineering, Dalian Mar itime University,Dalian， 116026, China) Abstract：To solve the coupled network problem of the communication system, this paper takes an exam

3、ple of designing the lossless equlizer which bases on l owpass Butterworth 20 MHz filter, and use broadband matching to equlize the resi stance signal source and frequency dependent load , to get the transducer power gain charac ter which was fixed in advance. To calculate and simulate circuit with

4、Matlab a n d PSpice software. To design the best broadband matching network ,which has the most significant to the modern communicationsKeywords：Youla theorem；lossless equlizer；broadband mat ching；Matlab；PSpice simulations隨著現(xiàn)代通訊、雷達(dá)和其他電子系統(tǒng)的發(fā)展，遇到最多的問題就是功率傳輸問題，也是網(wǎng)絡(luò)理論中應(yīng)注意的問題。在通信設(shè)備和各類系統(tǒng)中，無耗均衡器的應(yīng)用極為廣泛，他的優(yōu)

5、劣直接決定產(chǎn)品的好壞，所以對無耗均衡器的研究和生產(chǎn)歷來被各國重視。由于計算機(jī)技術(shù)、固體電路技術(shù)、材料工業(yè)的發(fā)展，均衡器的發(fā)展也上了一個新臺階，并且向高精度、低功耗、小體積方向發(fā)展1。本文主要以低通Butterworth 20MHz無耗均衡器的設(shè)計為例，介紹如何采用Youla定理2進(jìn)行無耗均衡器的設(shè)計，使用Matlab軟件3進(jìn)行編程運(yùn)算，同時借助PSpice軟件4強(qiáng)大的電路仿真功能對所設(shè)計的無耗均衡器的波特圖和群延遲進(jìn)行仿真，以觀測其效果。 1設(shè)計方案無耗均衡器技術(shù)指標(biāo)要求：帶寬3 dB為20 MHz，電阻RL為75，電容CL為300pF，實(shí)現(xiàn)最大可能直流增益的5階巴特沃思轉(zhuǎn)換功率特性。過去最常

6、用的均衡器設(shè)計方法是文獻(xiàn)1中所講的均衡器設(shè)計步驟，其在設(shè)計最佳寬帶網(wǎng)絡(luò)時，采用8個步驟，公式繁瑣，工作量大，易出錯，為了解決這個問題，本設(shè)計主要是基于Youla的寬帶匹配理論，對所要實(shí)現(xiàn)最大可能直流增益的巴特沃思轉(zhuǎn)換功率特性進(jìn)行公式推導(dǎo)，得出顯公式，然后利用Matlab軟件進(jìn)行編程，得出所要設(shè)計的均衡器中每個元件的參數(shù)值，然后利用PSpice繪制電路圖，進(jìn)行波特圖和群延遲的仿真，以觀其效果。 2設(shè)計計算 Youla定理給出了負(fù)載ZL（s）對有界反射系數(shù)(s)的基本約條。要實(shí)現(xiàn)ZL（s）和電阻性信號源的匹配，并獲得所要求的轉(zhuǎn)換功率增益特性，原則上都可以按所要設(shè)計均衡器的8個步驟，不過這樣的設(shè)計過

7、程過于冗長，對于寬帶網(wǎng)絡(luò)，由公式X(m)=m/10,Z=R CWc , 直流增益Y在進(jìn)的科學(xué)軟件Matlab進(jìn)行編程，其程序如下： 由以上元件值畫出的電路圖為圖1。圖1為低通Butterworth 20 MHz無耗均衡器的理論電路圖，但在實(shí)際使用中，為了使帶寬增益增大到1，可加只取一階全通節(jié)時求出。通過電路耦合(變壓耦合系數(shù)為1.351)，全通節(jié)帶抽頭電感感應(yīng)系數(shù)（K=1）可得如圖2所示的實(shí)用電路。圖2中，其增益接近于1，完全滿足工程上的要求。 3電路仿真PSpice是一種面向電路的高級應(yīng)用軟件，是國際公認(rèn)的最優(yōu)秀的電路處理軟件，他集中了電路圖的繪制，電路的仿真等各種功能。在該環(huán)境下，用戶可以

8、集成地進(jìn)行電子線路的模擬、圖形的繪制、輸入輸出、節(jié)點(diǎn)的分析與測試等2。利用他可以節(jié)省很多時間，并對所設(shè)計的均衡器波特圖和群延遲進(jìn)行仿真。3.1幅頻特性使用軟件中的探針對電路圖2進(jìn)行仿真，其幅頻特性如圖3所示，從幅頻圖中可以看出，曲線的低通特性良好，通帶內(nèi)起伏小。3.2波特圖利用軟件中的DB仿真功能，可以得出如圖4所示的波特圖，其帶寬3 dB為20 MHz，低通通帶內(nèi)響應(yīng)很好，非常平坦。3.3群延遲特性最后對群延遲特性進(jìn)行仿真，利用其仿真功能，可得到其群延遲特性如圖5所示，在低通通帶內(nèi)延遲平坦，其延遲為15 ns，比國家標(biāo)準(zhǔn)18 ns精確3 ns。用PSpice軟件來仿真模擬無耗均衡器，從以上對

9、設(shè)計電路的仿真和分析中可看出，其各種性能與指標(biāo)均滿足要求。 4工程應(yīng)用該無耗均衡器己成功用于某通訊系統(tǒng)的匹配網(wǎng)絡(luò)中，由低通濾波器輸出的信號經(jīng)過此均衡器，輸出結(jié)果良好。使用結(jié)果表明該器件可以改善系統(tǒng)的傳輸特性，提高通信質(zhì)量，與文獻(xiàn)5中所實(shí)際應(yīng)用中的無損均衡器相比，其功率增益好，群延遲較小。從而對通信領(lǐng)域中頻濾波器應(yīng)用增加了新的實(shí)用內(nèi)容。 5結(jié)語 使用上述方法設(shè)計出的無耗均衡器的實(shí)際性能基本符合理論，因?yàn)閅oula定理是寬帶匹配 理論 ，對定理中的顯公式用最先進(jìn)的Matlab軟件進(jìn)行編程，只需輸入幾個變量，就使非常繁瑣的 問題得以解決，同時用PSpice軟件仿真可以校驗(yàn)設(shè)計結(jié)果，為了避免硬件電路反復(fù)調(diào)整的麻 煩，在均衡器設(shè)計好后，用最優(yōu)化理論對所設(shè)計出的均衡器進(jìn)行調(diào)整，使均衡器性能達(dá)到的 最小誤差不超過2。這種無損均衡器在實(shí)際生活中用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無 線廣播中能夠防止干擾，改善系統(tǒng)傳輸性能，對提高通信質(zhì)量具有重要的意義。 參考文獻(xiàn)1丁加欣Fast Implementation of MSSNR TEQ for DMT SystemsJ 中國郵電高校學(xué)報（英文版），2003，10(4)：65-702吳寧.電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合M.北京：科學(xué)工業(yè)出版