通信系统用带通滤波器设计及其PSPICE仿真分析VIP

东海科学技术学院毕 业 论 文（设计）题 目：通信系统用带通滤波器设计及其 PSPICE仿真分析 系 ： 机电系 学生姓名： 专 业： 班 级： 指导教师： 起止日期： 浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文I通信系统用带通滤波器设计及其 PSPICE仿真分析摘 要带通滤波器在通信系统中的应用极为广泛，由于计算机技术及各类技术的发展，致使滤波器的技术发展也因此上了一个崭新的台阶，并且朝高精度、低功耗、小体积方向发展。滤波器的单片集成在 70年代后期被研制出来并得到应用，往后的时间学者们都致力于提高各类新型滤波器性能的研究。时至今日主要致力于把各类滤波器应用到产品的开发和研制。在各类通信系统中，滤波器的应用极为广泛，其优劣直接决定产品质量。因此设计出满足条件且又性能优良的带通滤波器显得尤为迫切。本论文的主要工作在于研究和设计性能优良的带通滤波器。本论文验证以中心频率为120MHz的带通滤波器为例，介绍了基于贝塞尔函数来进行带通滤波器的设计，在满足要求的同时也在经济性和制造程度上达到优良。论文使用 OrCAD公司的 PSPICE软件对所设计的带通滤波器进行仿真研究，结果显示该带通滤波器通带起伏小，阻带衰减大，在群延迟特性图中可看出，在通带内延迟基本比较稳定，且表现出最稳定的群延迟特性。文中还分别介绍了滤波器综合设计法的基本知识，包括工作参数、归一化数值等。关键词：带通滤波器；仿真；频率；PSPICE浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文IIAbstractBand-pass filter in the communications system is very extensive, computer technology and the development of various techniques, filter technology development so that a new step and high-precision, low-power, small-footprint direction. Filter monolithic in the late 1970s were developed and widely over the time scholars are working to improve the various properties of the new filter. Today primarily devoted to the various types of filters applied to the products development and research. Among the various types of communication systems, the filter application is very extensive, its merits directly determines the quality of products. Therefore designed to satisfy the condition and performance of the band-pass filter it is urgent. This major work is to study and design of band-pass filter. This thesis validation to center frequency to 120MHz of band-pass filter, for example, describes based on Bessel functions for band-pass filter design, meet the requirements, but also in economic and manufacturing extent achieve excellence. Thesis using PSPICE OrCAD companys software on the design of band-pass filter for simulation, results show the bandpass filter passband litlle, stopband decay, in the Group delay characteristics can be seen in the figure, the band delay basic relatively stable, and showed the most stable group delay characteristics. The article also describes the filter integrated design of basic knowledge, including working parameters and normalized value, etc.Key Words： band pass filter； simulation ； frequency ； PSPICE浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文III目 录前言 .1第 1章 滤波器设计基础原理 .31.1工作参数 .31.2归一化频率和归一化阻抗 .71.3梯形对偶网络 .91.4四类滤波器简介及其简单比较 .10第 2章 带通滤波器的查表设计法 .122.1低通滤波器的查表设计法 .122.2带通滤波器的查表设计法 .162.3带通滤波器的参数计算 .20第 3章 基于贝塞尔函数带通滤波器设计 .233.1滤波器的设计思想 .233.2滤波器的设计步骤 .23第 4章 仿真结果及其分析 .264.1 PSPICE仿真软件及应用 .264.1.1 PSPICE仿真软件概述 .264.1.2 PSpice A/D软件的功能特点 .274.2仿真结果分析 .274.2.1幅频特性曲线 .274.2.2波特图曲线 .284.2.3群延迟特性 .28结论 .30致谢 .31参考文献 .32浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文1前言我国广泛使用滤波器开始于 50年代，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的研究发展，我国滤波器在研制、生产、应用等方面已有了长足的进步。在实际情况中不同滤波器的应用情形各不相同，根据实际的工作频率和带宽以及其它具体要求，可以选择使用各自合适的滤波器种类。当有几种滤波器能够同时满足需要时，可以根据实际需要和可能进行选择，因此滤波器的设计就变得相当重要，因为滤波器对所在系统的性能的影响是非常大的，由此滤波器的设计工作也就成为一项很有意义又相当具有挑战性的工作。可以说，滤波器的设计已经发展成为电子技术中的一个独立的分支学科。滤波器的设计与硬件实现是相互关联的。简单地说，用分立器件实现和用集成器件实现的设计方法、难易程度肯定是不相同的。分立器件的设计方法主要有手算和软件辅助两种方法。早期的滤波器主要采用 R,L,C等无源元件，缺点是在低频工作时电感体积大，Q 值小且滤波效果不明显。后来，滤波器由 R,C和运放组成，在体积和重量方面得到显著改善，但有源滤波器在音频范围内要求较大的电容和精确的 RC时间常数，造成集成电路制造困难，甚至不可能制造。MOs 集成电路的发展，出现了由 MOs开关电容(SC)和 MOs运放组成的开关电容滤波器(SCF)，开关电容滤波器的基本组件由开关电容网络组成的电阻反相积分器或同相积分器。这种滤波器的通带增益和通带截止频率都与电路中的电容之比有关。随着现代集成工艺的进展，PF 级电容的相对精度可以做到 0.1%,而且这些电容都制作在同一个芯片上可以有比较良好的温度补偿作用，因此通带增益和截止频率都可以做到十分精确、稳定。滤波器作为抑制或消除无用信号成分而通过有用信号成分的电子装置，已经大量应用于各类电路系统中，传统的分立元件组成的无源滤波器或是用运放构成的有源滤波器总是存在诸如带内不够平坦、频带范围窄且固定不变、结构复杂等缺点。随着软件无线电技术在电路系统设计中的广泛应用，寻找一种高精度可编程控制的通用滤波器已变得越来越重要。集总参数无源 LC滤波器的设计是滤波器设计中最经常最广泛涉及的一个方面。这是因为这种滤波器在通信技术中应用的范围最广，使用的数量最多，而且即使在微波波段，各种分布参数滤波器也是以无源 LC滤波器的理论为基础。设计微波滤波器的关键在于设计各种微波器件来完成这些集总电抗元-3 件的等效作用。关于 LC滤波器的设计方法，早期主要是采用“镜像参数法” ，这种方法的优点是数字计算简单，但设计往往不够准确。此外，按这种方法设计的滤波器，其效率也较低。滤波器在通信系统中的应用可以说无所不在，广泛应用于信号处理、数据传送和抑制干扰等，是现代任何一个通信系统中所必不可少的部分。其功能是在指定的频带内，让有用信号通过，同时抑制(衰减)无用信号，其特性对系统性能有着很大的影响。根据滤波方式不同，又可以分为低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波、全通滤波(移相)等，根据使用元件的不同，滤波器又可以分成集总参数元件滤波器和分布参数元件滤波器;根据有源无源又可分成有源滤波器和无源滤波器，并且随着滤波器技术的迅猛发展，种类也在不断地增多。自 60年代起，由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器的发展上了一个浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文2新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为 70年代以后的主攻方向，导致 RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到 70年代后期，上述几种滤波器的单片集成被研制出来并得到应用。80 年代致力于提高各类新型滤波器性能的研究，并逐渐扩大应用范围。90 年代至今主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制上，当然对滤波器本身的研究仍在不断进行之中。浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文3第 1章 滤波器设计基础原理滤波的概念是根据富立叶分析和变换而提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个在满足了一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成的。换一句话说，就是工程信号是由不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或者叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，但阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做滤波电路。滤波器的功能就是允许某一部分的频率信号顺利的通过，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。滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或者通带；反之，信号受到很大衰减或者完全被抑制的频率范围就称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想的滤波器在通带内的电压增益为一个常数，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得频率范围过渡带。实际上，任何一个电子系统它都具有自己的频带宽度，频率特性反映出了电子系统的这个特点。而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响从而设计出来的工程应用电路。对于滤波器，增益幅度不为零的频率范围叫做频带，简称为通带，增益幅度为零的频率范围叫做阻带。例如对于 LP，从-W1 到 W1之间，叫做 LP的通带，通带所表示的是能够通过滤波器但不会产生衰减的信号频率成分，阻带所表示的是被滤波器衰减掉的信号频率成分。通带内信号所获得的增益，叫做通带增益，阻带中信号所得到的衰减，叫做阻带衰减。在工程实际中，一般使用 dB作为滤波器的幅度增益单位。1.1工作参数本文中所涉及的个工作参数如下定义：图 1-1图 1-1表示的是一个无耗 LC滤波器，这个激励电动势的象函数（拉氏变换）为 U(s)0,负载电压的象函数为 U(s)2，这里的 S是广义复频率，此信号源的内阻和负载都是纯电阻，分别为 R1和 R2，那么传输函数 T（s）的定义就为：L CU1 U2I1 I2+ +- -R1U0 -浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文4（1-)(*4)(201SSTUR1）在正弦稳态激励下时，s=j , T(j)的模平方就为/ （1-2）jT12024)(Pm2其中 Pm是信号源可能供给的最大功率，P2 是负载实际所得到的功率,他们分别为：（1-3）RUm1204(1-4)2显然： 或 （1-5）)(jT1)(j当 时， ，这时就能实现最大的功率输出， 越大表示传输Pm21)(j )(jT过程中的损失最大。 可以用指数形式表示：= （1-6）)(jej)(其中， (以奈贝 NB为单位)称为滤波器的“工作衰减”或“有效衰ln)()jT减”特性，当用分贝 dB为单位时，我们以 A()就表示此工作衰减特性。A（ ）=10lg =10lg （1-7）Pm2 )(lg20)(jTjT（ ）称为滤波器的相位特性（或称相移特性） 。（1-8）)()(j同时，我们可以定义滤波器的相位时延如下:( )= （1-9）t以及滤波器的包络时延(或称群时延):t= （1-10）d)包络时延所指的是相位特性曲线在某频率点处的切线斜率，而相位时延则是相位特性曲线在频率点处与原点连线的斜率，图 1-2就揭示了这两种时延的区别，这条表示的是典型的低通滤波器的相位特性，在角频率 处。相位时延为：浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文511)(tgt则包络时延就为： 21tdt图 1-2相位时延则与包络时延包络时延比起相位时延具有更加广泛的意义，而且包络时延与相位时延以及相位特性都有确定的对应关系，只要知道其中的一个(例如包络时延)就能推算出其余的两个参数，由此包络时延的概念得到了更广泛的应用，在相位均衡技术中主要也就是为了进行包络时延的均衡。在 Chebyshev和 Cauer滤波器中经常遇到的另外两个参数为反射系数 和驻波比V(常以 VSWR-一一 Voltage Standing Wave Ratio的缩写来表示)，将这两个参数的定义为:（1-11）RZs11()(VSWR= （1-12）时（当（ 时（当 jj1111)j式中 Z(s)是滤波器在终端接以电阻 R时，由 1-1端向滤波器方向输入阻抗，如图 1-1所示。VSWR 与 之间的相互关系可以确定为:（1-13）（ ）（ j1VSW这样就不难证明0121A浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文6（1-14）22m2j1j ）（）（ TP这里 表示得是最大可能传输功率和实际传输功