《通信电路课程设计与实验报告》新

课程设计设计题目小信号调谐放大器电路设计、基于MATLAB的带通滤波器设计学生姓名秦阳学号20100229专业班级光信息101班指导老师张腾达吴晔杨蕾陈丽娟实验组员杨建（组长）额尔敦木吐袁飞张苗苗秦阳乐盼盼2013年7月6日设计题目小信号调谐放大器电路设计基于MATLAB的带通滤波器设计成绩课程设计主要内容1、设计一个小信号调谐放大器，中周频率465KHZ左右2、某系统接收端接收到的信号为YCOS265T12COS2150T2SIN2230T15SIN2320T，此信号夹杂了一个正弦噪声NOISECOS265T15SIN2320T，设计一个带通滤波器将此噪声滤除，恢复原信号。采用两种方法（1）凯瑟窗函数法设计FIR数字带通滤波器（2）频率采样法设计带通滤波器3、我参与的内容（1）切比雪夫型IIR数字带通滤波器（2）频率采样法设计带通滤波器（第二类线性相位特性）（3）硬件电路调试指导老师评语一、软件部分设计数字带通滤波器软件部分由乐盼盼和我负责，我们组选择的是题目1B，设计带通滤波器，要求使用两种方法。我们分别用了不同的方法实现数字带通滤波。1、切比雪夫型11切比雪夫滤波器介绍在巴特沃兹滤波器中，幅度响应在通带和阻带内都是单调的。因此，若滤波器的技术要求是用最大通带和阻带的逼近误差来给出的话，那么，在靠近通带低频端和阻带截止频率以上的部分都会超出技术指标。一种比较有效的途径是使逼近误差均匀地分布于通带或阻带内，或同时在通带和阻带内都均匀分布，这样往往可以降低所要求的滤波器阶次。通过选择一种具有等波纹特性而不是单调特性的逼近方法可以实现这一点。切比雪夫型滤波器就具有这种性质其频率响应的幅度既可以在通带中是等波纹的，而在阻带中是单调的（称为I型切比雪夫滤波器），也可以在通带中是单调的，而在阻带中是等波纹的（称为II型切比雪夫滤波器）。I型切比雪夫滤波器的幅度平方函数是|11220其中1。而是滤波器在截止频率的放大率注意常用的以幅度下降3分贝的频率点作为截止频率的定义不适用于切比雪夫滤波器12原理切比雪夫滤波器是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。在通带波动的为“I型切比雪夫滤波器”，在阻带波动的为“II型切比雪夫滤波器”。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。为小于1的正数，表示通带内幅度波动的程度，越大，波动幅度也越大。P称为通带截止频率。定义允许的通带内最大衰减P用下式表示P10LGMAXHAJ2/MINHAJ2P式中MAXHAJ21MINHAJ21/12因此P10LG1221001P1这样，可以根据通带内最大衰减P，可求出参数。阶数N影响过渡带的宽度，同时也影响通带内波动的疏密，因为N等于通带内的最大值和最小值的总个数。NIINPP1A2G去归一化的系统函数为NIIPP1SA2|GSHP233切比雪夫低通滤波器的设计步骤1确定低通滤波器的技术指标边带频率P，它们满足（2）求滤波器阶数N和参数2P|1LG10PJHA2SS|1LG10JHAPSS110K1PSS1ARCHKN先求出1/K1，再求出阶数N，取符合条件的N的最小整数。（3）求归一化系统函数GA（P）NIINP1A2G（4）将去归一化，得到实际的HA（S）PS|）（GHP（2）参数设置根据题目要求，需要滤除频率为013和064的噪声，通过频率为03和046。因此，我设置的阻带和通带截止频率分别为WSL014,WPL028,WPH048,WSH06,RP1DB，RS40DB,故过渡带宽为DBWPLWSL014,其估算的式子为0112（87）。由奈奎斯特抽样定理得，SFS2320640HZ，这里为了得到更好的抽样效果，选取FS1000HZ。（3）MATLAB程序CHEBY1型数字滤波器技术指标WPL03PI临界频率采用模拟角频率表示WPH046PI临界频率采用模拟角频率表示WP0WPLWPH/2WSL013PI临界频率采用模拟角频率表示WSH064PI临界频率采用模拟角频率表示AP1AS40T2带通到低通的频率变换WP12/TTANWPL/2WP22/TTANWPH/2WS12/TTANWSL/2WS22/TTANWSH/2WP2/TTANWP0/2BWWP2WP1带通滤波器的通带宽度W0WP1WP2WP1归一化处理WSWPW02WS12/WS1BW切比雪夫模拟低通原型滤波器设计N,WNCHEB1ORDWP,WS,AP,AS,SB1,A1CHEBY1N,AP,WN,S模拟低通原型滤波器幅频特性曲线DBH1,W1FREQSB1,A1,1000由模拟低通原型滤波器变换为模拟带通滤波器B2,A2LP2BPB1,A1,WP,BWH2,W2FREQSB2,A2,1000双线性变换由模拟滤波器向数字滤波器的变换B3,A3BILINEARB2,A2,05H,WFREQZB3,A3PHZUNWRAPANGLEH数字带通滤波器幅频响应曲线FIGUREPLOTW/PI,ABSHAXIS0,1,0,12GRIDONXLABELWRADYLABEL|HZ|TITLEFIGURE1数字带通滤波器幅频特性曲线数字带通滤波器幅频响应曲线DBFIGURESUBPLOT2,1,1PLOTW/PI,20LOG10ABSHAXIS1,2,250,50XLABELWRADYLABEL|HZ|DBTITLEFIGURE2数字带通滤波器幅频特性曲线数字带通滤波器相频特性曲线DBSUBPLOT2,1,2PLOTW/PI,PHZGRIDONXLABELWRADYLABELHZTITLEFIGURE3数字带通滤波器相频特性曲线（2）输入正弦波检验性能部分输入正弦波波验证滤波器特性T000011999设置T变量范围，和步长N2000抽样点数FS1000抽样频率YCOS2PI65T12COS2PI150T2SIN2PI230T15SIN2PI320T输入信号Y1FFTY输入信号的傅里叶变换Y2FFTSHIFTY1调整频谱图F01999FS/NFS/2计算频率FFIGURE3创建图像窗口（3）PLOTF,ABSY2GRIDON画出输入信号频谱图TITLEFIGURE4输入信号频谱图设置图像窗口标题输出的信号输入信号Y通过滤波器G1FFTG滤波后，输出信号傅里叶变换G2FFTSHIFTG1输出信号傅里叶变换重新排布，使数据与频率对应FIGURE4PLOTF,ABSG2GRID画出输出信号频谱图TITLEFIGURE5输出信号频谱图设置图像窗口标题（4）实验图像001020304050607080910020406081WRAD|HZ|FIGURE1位位位位位位位位位位位位位10500511522001000WRAD|HZ|DBFIGURE2位位位位位位位位位位位位位001020304050607080911510505WRADHZFIGURE3位位位位位位位位位位位位位50040030020010001002003004005000200400600800100012001400160018002000FIGURE4位位位位位位位50040030020010001002003004005000200400600800100012001400160018002000FIGURE5位位位位位位位2、频率采样法21频率采样设计法的基本概念211设计原理与窗函数设计方法相同，首先构造一个希望逼近的频率响应函数HWJEHEDDGJWD然后对在0,2上采样N点得到JWDE，K0,1,2，N1KNWJDEHK2，N0,1,2,N1KNNKWHIDFTN10H将HN作为设计的FIRDF的单位脉冲响应，其系统函数为10HNNZHHZZ212线性相位特性，频域采样H（K）的设置原则为了使得最终设计结果HN是实序列，且满足线性相位FIRDF的时域对称条件HNHN1N或HN1N,频率采样HK必须满足一定的设置原则。，K0,1,2，N12HKJKNWJDEAEK在这里选择第二类线性相位FIRDF，要求单位脉冲响应HNHN1N。要求，K0,1,2，N1KNKKNW1212（K）也是一个确知函数。可查得A（K）的设置原则N为奇数（情况3）A（K）A（NK）N为偶数（情况4）A（K）A（NK）这里选择N为奇数的情况。22参数设置根据题目要求，需要滤除频率为013和064的噪声，通过频率为03和046。为了方便计算，我们将阻带和通带的截止频率分别设置为WSL015,WPL025,WPH05,WSH06,RS50DB。表一过渡带采样点个数M与滤波器阻带最小衰减的经验数据SM123S4454DB6575DB8595DB所以，M1，根据公式可以得出N可以取41，从文献一中有B2NT101095，T2059417456由奈奎斯特抽样定理得，FS2320640HZ，这里为了得到更好的抽样效果，选取FS1000HZ。23MATLAB程序频率采样法3型FIR带通滤波器N41ALFAN1/2K0N1W12PI/NKT101095T2059417456HRSZEROS1,3,T1,T2,ONES1,6,T2,T1,ZEROS1,16,T1,T2,ONES1,5,T2,T1,ZEROS1,3HDR0,0,1,1,0,0WD10,015,025,05,06,1K10FLOORN1/2K2FLOORN1/21N1ANGHPI/2ALFA2PI/NK1,PI/2ALFA2PI/NNK2HHRSEXP1JANGHHIFFTH,N滤波器函数N01N1DB,MAG,PHA,GRD,WFREQZ_MH,1HR,WW,A,LHR_TYPE3HSUBPLOT2,2,1绘图部分PLOTW1/PI,HRS,O,WD1,HDRAXIS0,1,01,11TITLE带通N41，T10109021，T2059417456YLABELHRKSUBPLOT2,2,2STEMK,HAXIS1,N,04,04TITLE脉冲响应YLABELHNTEXTN1,04,NSUBPLOT2,2,3PLOTWW/PI,HR,W1/PI,HRS,OAXIS0,1,01,11TITLE振幅响应XLABEL频率（单位PI）YLABELHRWSUBPLOT2,2,4PLOTW/PI,DBAXIS0,1,100,10TITLE幅度响应XLABEL频率（单位PI）YLABEL分贝信号的处理T000011999设置T变量范围，和步长N2000抽样点数FS1000抽样频率YCOS2PI65T12COS2PI150T2SIN2PI230T15SIN2PI320T输入信号Y1FFTY输入信号的傅里叶变换Y2FFTSHIFTY1调整频谱图F01999FS/NFS/2计算频率FFIGURE3创建图像窗口（3）SUBPLOT121PLOTF,ABSY2GRID画出输入信号频谱图TITLE输入信号频谱图设置图像窗口标题输出的信号输入信号Y通过滤波器G1FFTG滤波后，输出信号傅里叶变换G2FFTSHIFTG1输出信号傅里叶变换重新排布，使数据与频率对应SUBPLOT122PLOTF,ABSG2GRID画出输出信号频谱图AXIS500,500,0,2000TITLE输出信号频谱图设置图像窗口标题24实验图像001020304050607080910020406081FIGURE6位位位N41位T10109021位T2059417456HRK051015202530354004030201001020304FIGURE7位位位位HNN001020304050607080910020406081FIGURE8位位位位位位位位位位PI位HRW00102030405060708091100908070605040302010010FIGURE9位位位位位位位位位位PI位位位50040030020010001002003004005000200400600800100012001400160018002000FIGURE10位位位位位位位50040030020010001002003004005000200400600800100012001400160018002000FIGURE11位位位位位位位二、硬件部分小信号调谐放大器1、原理分析11小信号调谐放大器的主要特点晶体管集电极负载通常是一个由LC组成的并联谐振电路。由于LC并联谐振回路的阻抗是随着频率变化而变化，理论上可以分析，并联谐振在谐振频率处呈现纯阻，并达到最大值。即放大器在回路谐振频率上将具有最大的电压增益。若偏离谐振频率，输出增益减小。总之，调谐放大器不仅具有对特定频率信号的放大作用，同时也起着滤波和选频的作用。12小信号调谐放大器的主要质量指标衡量小信号调谐放大器的主要质量主要包括以下几个方面121谐振频率放大器调谐回路谐振时所对应的频率称为放大器的谐振频率，理论上，对于LC组成的并联谐振电路，谐振频率的表达式为式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；C为调谐回路的总电容。122谐振增益（AV）放大器的谐振电压增益放大倍数指放大器处在在谐振频率F0下，输出电压与输入电压之比。AV的测量方法当谐振回路处于谐振状态时，用高频毫伏表测量输入信号VI和输出信号VO大小，利用下式计算123通频带由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数AVVO/VI下降到谐振电压放大倍数AVO的0707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带带宽BW，通常用2F07表示。有时也称2F01为3DB带宽。通频带带宽式中，Q为谐振回路的有载品质因数。当晶体管选定后，回路总电容为定值时，谐振电压放大倍数FO与通频带BW的乘积为一常数。FIGURE12放大器的通频带和谐振曲线124增益带宽积增益带宽积BWG也是通信电子电路的一个重要指标，通常，增益带宽积可以认为是一个常数。放大器的总通频带宽度随着放大级数的增加而变窄，BW越大，增益越小。二者是一对矛盾。不同电路中，放大器的通频带差异可能比较大。如在设计电视机和收音机的中频放大器时，对带宽的考虑是不同的，普通的调幅无线电广播所占带宽是9KHZ，而电视信号的带宽需要65MHZ，显然，要获得同样的增益，中频放大器的带宽设计是完全不同的。2设计与参数计算21主要技术指标预期值谐振频率465KHZ（理想）,OF谐振电压放大倍数，DBAVO20通频带，MHZBW870矩形系数。1RK要求放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路。22设计过程高频小信号调谐放大器一般用于放大微弱的高频信号,此类放大器应具备如下基本特性只允许所需的信号通过,即应具有较高的选择性。放大器的增益要足够大。放大器工作状态应稳定且产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度。除此之外,虽然还有许多其它必须考虑的特性,但在初级设计时,大致以此特性作考虑即可下面讨论其步骤。221确定部分条件回路电感L47H,，晶体管选用01Q1P2032N2222，50。负载电阻。电源供电。KRL10VC2222设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在CQI082MA之间选取为宜，设计电路中取，设。MAIC51KRE1因为而所以EQEVIREQCI5EQVV因为硅管的发射结电压为07VBBEQB所以15072因为所以ECEQCEQ8921因为而取BQBQBIVR105/2MAICQB035/1/BQI10则取标称电阻51KKIBB37/2/2因为21BBQCRVR则，考虑调整静态电流的/865BCQI方便，用10K电位器与50K滑动变阻器串联。1调整静态工作点的方法是不加输入信号，将C5的左端接地，将谐振回路的电容C3、C4开路，记下此时电路的静态工作点BQ，CEV，Q及EI。仿真结果表31下表静态工作点数据测量VC（V）VB（V）VE（V）VCE（V）120002178155210448如图仿真测量结果233谐振回路参数计算1）回路中的总电容C因为12OFLC给定的理想谐振频率F0465KHZ，则计算得LC的乘积满足11711013电感L47UH，可计算回路电容C约为2491PF。仿真电路中取2300PFFIGURE12小信号调谐电路原理图FIGURE13输出波形3谐振频率的调测与技术指标的测量31谐振频率和放大增益由图可知，输入UI40MV，输出为U01180MV，由示波器可知二者的输出波形反向。放大倍数为AVOUO/UI295，即AVO20LG2020,谐振频率FO338MHZ。32通频带频带BW07的测量方法根据概念，可以通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法主要采用扫频法，也可以是逐点法。扫频法即用扫频仪直接测试。测试时，扫频仪的输出接放大器的输入，放大器的输出接扫频仪检波头的输入，检波头的输出接扫频仪的输入。在扫频仪上观察并记录放大器的频率特性曲线，从曲线上读取并记录放大器的通频带。逐点法又叫逐点测量法，就是测试电路在不同频率点下对应