中频滤波器仿真过程

规格严格、功夫到家论中频滤波器的仿真设计题目：中频滤波器仿真姓名：学号：一．设计原理分析1.滤波器相关背景1.1滤波器电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。而滤波器就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。在滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。1.2中频滤波器中频滤波器相当于一个带通滤波器，它选出需要的混频分量，抵制掉其他不需要的信号。一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦—开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。带通滤波器的应用区域：许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。这种有源带通滤波器的中心频率，在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/2B1，品质因数，3dB带宽B=1/（п*R3*C）也可根据设计确定的Q、fo、Ao值，去求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/（2пfoAoC），R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC），R3=2Q/（2пfoC）。上式中，当fo=1KHz时，C取0.01Uf。此电路亦可用于一般的选频放大。有源带通滤波器电路，此电路亦可使用单电源。2.中频滤波器结构2.1一般滤波器结构滤波电路的一般结构图1所示，图中的Vi(t)表示输入信号，V0（t）为输出信号。假设滤波器是一个线形时不变网络，则在复频域内其传递函数为：图1滤波一般结构图式中A（s）是滤波电路的电压传递函数，对于频率来说（s=jω）则有：其中│A（jω）│为传递函数的模，φ(ω)为其相位角。在滤波电路中关心的另一个量是时延τ（ω），它定义为：通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性，欲使信号通过滤波器的失真很小，则相位和时延响应亦需考虑。当相位响应φ(ω)作线性变化，即时延响应τ（ω）为常数时，输出信号才可能避免失真。2.2主要参数1)中心频率：滤波器通带的频率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。2)截止频率：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。3)通带带宽（BWxdB）：指需要通过的频谱宽度，B=（f2-f1）。分数带宽（fractionalbandwidth）=BW3dB/f0×100[%]，也常用来表征滤波器通带带宽。4)纹波（Ripple）：指1dB或3dB带宽（截止频率）范围内，随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。5)带内波动（PassbandRiplpe）：通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。6)阻带抑制度：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法：一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB，计算方法为fs处衰减量As-IL；另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标——矩形系数（KxdB1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可为40dB、30dB、20dB等）。滤波器阶数越多，矩形度越高——即K越接近理想值1。7)延迟（Td）：指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即Td=df/dv。2.3中频滤波器的结构及实现低通滤波器实现原理已被大家熟知。而一般的带通滤波都是通过对低通滤波的转换得到的.带通滤波电路是低通与高通滤波电路相串联构成的，如图2所示，需要满足的条件是低通滤波电路的截止角频率ωH大于高通滤波电路的截止角频率ωL，两者串联所覆盖的通带就提供了一个带通响应。理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减（│A（jω）│＝０）。这样的系统是物理上不可实现的，理想与实际的频域响应是不太一样的。如图3所示，图中ωL为低频段截止角频率，ωH高频段截止角频率，ω0为中心角频率，它有两个阻带：0＜ω＜ωL和ω＞ωH，因此带宽B＝ωH－ωL。（a）（b）图2带通滤波器的电路构成图3带通滤波器幅频响应根据数字信号处理教程(第三版),可以知道低通滤波器到带通滤波器的转换可以利用Z域-Z域圆图的变换公式如下：3.实施方案1)根据需求设计滤波器的各类指标；2)利用AnsoftDesigner软件自带的一个滤波器设计工具，可以方便地设计出满足使用要求的射频滤波器。选择所需的滤波器模型、响应类型以及各参数，查看生成的响应曲线。若符合要求，可生成具体滤波器电路；3)修改滤波器仿真设置参数，执行仿真。验证其参数和指标是否符合需求。4.测试方案软件测试：利用ADS完成原理图的绘制、电路参数的优化仿真，版图的仿真。1)生成原理图，设置电路的基本参数，进行仿真电路设置；2)进行优化设置进行优化。可以对低频段截止频率、高频段截止频率、纹波和矩形系数进行优化，软件仿真和实际情况会有一定的偏差，在设定优化参数时可以适当增加通带的带宽，对于其他的参数可根据优化的结果进行调整；二．具体实现1.系统框图通常带通滤波器的设计分为两个阶段，前一个阶段是依据归一化LPF设计出通带宽度等于待设计BPF带宽的LPF，后一个阶段是把这个通带宽度等于待设计BPF带宽的LPF变换成BPF。设计步骤如图4所示：图4根据归一化LPF设计数据设计BPF步骤由于ADS软件自带的滤波器设计功能，因此省去了计算部分，可直接利用滤波器设计向导完成中通滤波器的设计。2.软件实现ADS软件是射频电路设计中的常用软件之一，参与射频设计工作经常用到，是必须掌握的软件之一。它有着强大的滤波器设计功能，可以方便的设计出符合要求的中通滤波器，操作具体过程如下：（1）新建“zhongtong_Prj”工程，建一名为“ztpass”原理图，执行菜单【DesignGuide】→【Filter】，选择“FilterControl…”项，弹出对话框。（2）单击图标，在“FilterDG-All”面板中选择一个双端口中通滤波器模型如下图：回到滤波器设计向导中，打开“FilterAssistant”标签页，滤波器类型选“Gaussian”,即高斯响应。在设计向导中输入滤波器参数如图；并设置为8阶；FirstElement选为“Series”，即第一个元器件是串联元器件，然后单击【Redraw】就可看到高斯响应曲线，如图所示。（3）返回原理图，双击滤波器元器件查看参数，属性选“SetAll”单击【Apply】，然后【OK】，此时滤波器所有参数都显示出来。（4）选择滤波器模型，单击图标，得到滤波器的子电路，如图所示。3.仿真分析（1）在滤波器设计向导中选择“simulationAssistant”标签页，“Start”为0，“Stop”为100mHz，“Step”为0.5MHz。（2）单击【simulate】，开始仿真，仿真结果如图所示。（3）也可以使用S_Param仿真，在原理图设计窗口中选择“simulation-S_Param”元器件面板列表，添加两个终端负载及S参量仿真控制器到原理图中，完成设置的原理图如图所示。ADS仿真出的70M中频滤波器的幅频曲线从仿真波形可以看出在70M时衰减大于零可以完成带通的要求。具体实际效果的实现还需要进行版图仿真，并进行硬件实现。