（电路与系统专业论文）生命探测雷达信号处理硬件设计(1).pdf

捅要 生命探测雷达是利用多普勒效应对运动物体进行探测的一种雷达系统，可用 于灾难后的人员搜救、侦查隐蔽的犯罪分子、病人监护等场合。 论文针对生命体回波信号的特征设计了信号处理的硬件电路。1 、信号处理板 与微波前端和计算机接口电路，保证了信号处理板与两者之问良好的通信与隔离， 互相之间不影响工作性能；2 、低频性能稳定的模拟滤波放大电路，不但有效的抑 制了频带外的杂波干扰，而且保证了输出信号幅度满足a d c 的输入动态范围：3 、 可靠的将模拟信号转换为1 6 位数字信号，并由a t m e g a l 2 8 作为核心控制单元，完 整的将数据保存并发送，同时简化了控制电路的设计：4 、数据通信包括向上位机 传送数据和接收上位机的控制命令两部分，制定了上位机与电路板之间的传输协 议，实现了信息在两者之间完整连续的传输；5 、根据系统对电压功率的要求，设 计了良好的电源管理电路，使电压的波纹系数满足系统要求，保证了系统可靠的 工作。6 、电池状态的监测保证了系统不会因电池电量不足导致信息的意外丢失； 此外，本文还对模拟信号处理的过程中采用的抗干扰技术进行了总结。 实验结果表明，生命探测雷达信号处理硬件设计达到了预期设计的要求，具 有滤波效果好、自噪声低、功耗低、电源管理方便等特点。 关键词：生命探测雷达信号处理滤波器设计a d c 电源管理 a b s t r a c t l i f ed e t e c t i o nr a d a ri sad o p p l e rr a d a r , w h i c hc a l lb eu s e dt os e a r c hs u r v i v a l s ，s p y c o n c e a l e dc r i m i n a l s ，o b s e r v ep a t i e n t sa n do t h e rc o n d i t i o n s t h es i g n a lp r o c e s s i n gb o a r dw a sd e v i s e di nt h ep a p e r ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h e r e f l e c t e dm i c r o w a v ef r o mh u m a nb o d y 1t h ei n t e r f a c ec i r c u i t sb e t w e e nt h e b o a r d ，m i c r o w a v ep a r t sa n dc o m p u t e rw e r ed e s i g n e d ，i no r d e rt ot r a n s m i ts i g n a l s s e c u r e l ya n dn o tt oi n f l u e n c ee a c ho t h e r 2 a n a l o gf i l t e ra m p l i f i e rc i r c u i t sw i t hs t e a d y l o w f r e q u e n c yp e r f o r m a n c ew e r e s c h e m e do u t ，w h i c hn o t o n l y r e s t r a i n e dt h e d i s t u r b a n c eo u t s i d et h ef i l t e rp a s s b a n d ，b a ta l s oa m p l i f i e dt h em e s s a g es i g n a l st os o m e e x t e n tt h a tm e tt h er e q u i r e so fa d c 3 t h e16 一b i td i g i t a ls i g n a l sw e r ec o n v e r t e di n t ob y a d 7 6 7 5 ，t h e ns a v e da n ds e n tb yt h ek e r n e lc o n t r o lu n i t ，a t m e g a l2 8 ，w h i c hp r e d i g e s t e d t h ec o n t r o lc i r c u i t 4 t h ec o m m u n i c a t i o nh a st w op r o c e s s e s ，s e n d i n gt h ed i g i t a ld a t at o c o m p u t e ra n dr e c e i v i n gt h ei n s t r u c t i o n sf r o mp c t h ew i r e l e s st r a n s p o r tp r o t o c o l su s e d b e t w e e nt h eb o a r da n dt h ec o m p u t e rw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hg u a r a n t e e dt h ew h o l e m e s s a g e sc o m m u n i c a t e dw i t 1c o m p u t e rc r e d i b l ya n ds e q u e n t i a l l y5 f o rt h en e e d so f t h ev o l t a g ea n dp o w e r ，t h ep o w e rc o n t r o lc i r c u i tm a d et h eo u t p u tv o l t a g ew i t hl i t t l e r i p p l ea n dm a d et h es y s t e mw o r kc r e d i b l y 6 t h es y s t e mw a sp r o v i d e dw i t hab a t t e r y , i n s p e c t i o nd e v i c e ，w h i c hp r e v e n t e dt h ed a t ad r o p p i n gs u d d e n l y f u r t h e r m o r e ，m a n y a n t i i n t e r f e r e n c et e c h n i q u e si n t r o d u c e di na n a l o g u ep r e p r o c e s s o rt od e a lw i t ht h e a n a l o g u es i g n a lw e r es u m m a r i z e d t h ee x p e r i m e n ts h o w st h em o s tp a r a m e t e r so fh a r d w a r ed e s i g nf o rl i f ed e t e c t i o n r a d a rc a nm e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c sa sf o l l o w s ：g o o df i l t e r e f f e c t ，l o wn o i s ea n dc o s tp o w e r , s u i t a b l ep o w e rc o n t r o lc i r c u i t ，a n ds oo n k e y w o r d s ：l i f ed e t e c t i o nr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gf i l t e r a d cp o w e rc o n t r o l 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 盘i 塞 日期秒g f 口 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：盘壅 导师签名：逆丛 日期柳乡，1 f i 期墨生，z ：垒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 穿墙生命探测( t h o u g h - t h e - w a l ls u r v e i l l a n c e ，简称t w s ) 技术i “2 j 是研究障碍 物后有无生命现象的一种探测技术它主要根据人区别于动物或环境的某些特征， 来判断障碍物后有无活着的人员。 研究t w s 可采用无源探测和有源探测两种方法。无源探测主要是根据人体辐射 能量与背景能量的差异，进行被动式探测；本课题研制的生命探测雷达是有源探 测即主动发射电磁波，穿过墙壁等遮挡物，利用人体心脏跳动和呼吸时胸腔运动 所产生的多普勒效应，采用雷达探测原理，来实现对人体的探测、定位和识别。 利用多普勒效应探测运动物体是雷达系统中常用的技术，将这一技术应用于 遮挡条件下生命信号的探测具有很大的实际意义。主要可应用于以下四种情况： 一是警用雷达。该技术可让警员侦测到隐蔽于黑暗中或一定障碍物后的活动物体， 能透过门窗和墙壁来探测室内是否有潜伏的人员，呵帮助警员们打击犯罪分子。 二是生命探测。雷达发射的电磁波穿透一定介质后反射回来被接收器接收，再通 过对回波信号的处理分析从中发现幸存人员的活动、呼吸和心脏跳动的信号。可 据此研制用于搜寻地震等灾难中幸存者的生命探测雷达，迅速探测出幸存者在废 墟中的位置。三是危重病人的监护。临床中常常遇到一些情形对病人不宜接触监 护，需隔衣服、纱布等或远距离进行监测。四是心理活动评估。一般情况下，不 同的心理状态引起的心跳、呼吸特点是有差别的。检测到呼吸、心跳的变化对于 分析人的心理状态有很大帮助。本课题源于武警总部“十五”重点科研项目，主 要用于武警人员侦察藏匿的敌人或罪犯。针对不同的应用场合，生命探测雷达应 选用不同的发射频率波段和发射功率。 信号处理机是生命探测雷达系统的一个重要的环节，能否快速准确的处理接 收的模拟信号，再将信号发送到上位机，直接决定着整个系统的有效性。本文的 研究为后续的低速目标信号识别技术在实际中应用打下了良好的基础。 1 2 国内外研究状况 国外主要在一些发达国家，例如美国的一些研究所，他们和军方合作研究该技 术，已经有了一些实验室产品和商品化的产品。美匡i g e o r g i a 技术研究所从8 0 年代 开始着手这项研究，研制了手电筒式和抛物面天线结构的非接触生命参数检测系 统。其中。抛物面天线结构的检测系统在1 9 9 6 年亚特兰大奥运会被用于研究步枪 2 生命探测雷达信号处理硬件设计 和射箭运动员的呼吸与心跳对射击准确度的影响。手电筒式雷达可以探测出隐蔽 在水泥墙、木墙和钢门后面的人手电筒式雷达系统将多普勒雷达技术与高速信 号处理技术相结合，使用快速傅立叶变换和频率响应曲线很陡的滤波功能，从杂 乱的回波信号中提取出人体所特有的信号。该系统使用一种市场上可买到的天线 作为微波透镜，将输出波束聚集在1 5 2 0 度的扇形区内。手电筒式雷达用来探测 由于心跳或呼吸而产生的人胸部的微小运动，该系统的信号处理器主要起低通滤 波器的作用，它使比预置最高心跳频率以上的频率不能通过，因此，人体很微弱 的运动都能被探测到。美国t i m ed o m a i n 公司利用透墙监视雷达技术研制出供执法 部门使用的”雷达视力2 0 0 0 ”雷达和供军事部门使用的”士兵视力“雷达。 密歇根州立大学与国家海军医学中心进行合作，在k m c h e n 教授领导下，主 要从事x 波段1 0 g h z ，l 波段2 g h z 和1 1 5 g h z ，u h f 波段4 5 0 m h z 生命探测系 统的研究，得到了一些有价值的实验结果和研究成果【3 一】：通过穿透模拟废墟实验 发现，提高微波的发射功率，可有效地提高检测生命信号的最大作用距离，也可 以提高穿透障碍物的厚度；微波波长越长，其穿透力越强；不同属性的介质对微 波的反射特性不同。金属对微波的反射强，而非金属对微波的反射相对较弱。l 波 段的微波具有较好的穿透能力，x 波段的微波具有较强的检测灵敏度。同时指出 该系统的缺陷是：环境以及操作者所带来的背景噪声对检测效果具有较强的影响。 目前在国内，第四军医大学也在进行这方面的研究工作。2 0 0 3 年第四军医大 学该课题组研制了$ 2 0 0 0 i 型伤员探测装备样机1 5 l ，并借助毫米波与分米波雷达系 统两套实验平台，利用基于f f t 频域积累的检测方法，设计了一套伤员探测生命 体识别系统。但其识别准确率随着信噪比的降低而下降。这需要通过先进的信号 处理技术来提高整个系统的性能。 1 3 论文的主要工作 本文的主要工作是研究生命探测雷达信号处理的硬件电路设计，针对人体生 命信号特征寻求更加简便实用的信号处理方法。实际探测接收到的回波信号中， 墙等固定物体的杂波频谱分布在零频率附近，与微弱的超低频生命信号十分接近， 而且它的信号强度远大于生命信号，为生命体的检测识别带来很大的困难。 本文主要进行了以下方面的工作：1 由于人体呼吸产生的多普勒频移很低。 因此在第三章中针对超低频信号设计了模拟带通滤波器；2 第四章对信号处理板 的其它功能进行了介绍，主要包括模数转换器、单片机控制、数据通信和电源管 理。3 由于信号处理部分包括模拟和数字两部分，同时电源管理电路也设计在该 块电路板上，所以第五章对电路板中的抗干扰技术进行了总结，并给出了系统调 试结果。 第二章生命探测雷达系统的原理与组成 第二章生命探测雷达系统组成及关键技术 生命探测雷达系统基于电磁波的反射、散射、穿透等传播特性，依据人体的 心跳、呼吸时胸腔运动和体动等对电磁波产生多普勒效应的原理，实现对生命信 号的检测和识别。工作频率可以根据穿透介质的程度及检测灵敏度的需要进行设 计目前多采用连续波雷达体制，常用毫米波、分米波和厘米波雷达 2 1 生命探测雷达系统的组成 生命的特征是运动，例如人体呼吸时胸腔的运动、心脏跳动以及人体的运动 等。多普勒效应指出当电磁波照射这些运动的胸腔和心脏时，反射波会产生多普 勒频移。根据人的心跳、呼吸和体动产生多普勒频率这一特征可探测生命是否存 在。图2 1 是根据多普勒效应、采用雷达原理设计的生命探测雷达原理框图。天线 固定在三角支架上以减小发射源的运动抖动。发射机产生的电磁波信号通过天线 辐射到空间，电磁波穿过墙体照射到人体后产生反射波，接收机接收人体反射回 波进行滤波、放大、解调等处理，信号处理机抑制杂波、提取人体呼吸、心跳和 体动产生的多普勒回波信号，由工控机实现软件识别算法，显示器显示出探测识 别结果以及定位参数。 图2 】生命探测雷达原理框豳 由于墙壁和其它非金属覆盖物以及天线波束内的物体都会产生电磁反射波， 形成人体生命探测的杂波，并且有些杂波信号远远强于人体的回波信号。因此必 4 生命探测雷达信号处理硬件设计 须利用杂波和人体回波信号的特征，进行杂波抑制，提取人体生命信号。本文主 要对接收到的信号进行模拟预处理，抑制固定物体杂波，提高信噪比，为后续的 数字信号处理奠定基础。人体生命信号的信号处理算法和识别算法不在本文讨论。 生命探测雷达采用连续波雷达体制，由天线、发射机、接收机、信号处理机、 工控机、伺服、电源等组成，如图2 1 所示。雷达回波信号经过接收机输出基带信 号，送入信号处理机进行滤波放大和a d 转换，结果发送至计算机进行数字信号 处理，对杂波进行抑制，检测人体生命信号，并进行波形显示，状态识别和结果 报表。 2 1 1 天线 天线是无线通信不可缺少的一部分，其基本功能是辐射和接收电磁波。天线主 要完成高频电流与空间电波能量之间的转换，因此称天线为能量转换器。为了有 效地完成这种能量转换，要求天线是个良好的“电磁开放系统”，还要求天线与 它的源或负载匹配。其次，为了有效地利用信息能量，保证信息传递质量，要求 天线具有很好的方向特性。另外，天线应能发射或接收预定极化的电磁波，并应 有足够的工作频率范围。天线按使用波段分，可分为超长波天线、长波天线、中 波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。应根据实际需要选择相应波段的天 线。 2 1 2 接收机和发射机 图2 2 接收机和发射机原理框图 接收机和发射机的组成原理框图如图2 2 所示。高精度的晶振为整个系统提供 基准信号，由频率源产生系统所需频率的信号，经功率放大后由天线辐射出去。 接收机由泄漏抑制电路、高频放大器、混频器、中频放大器、相位检波器等组成。 第二章生命探测雷达系统的原理与组成 为实现相参接收由频率源提供混频和相位检波所需的本振信号。相位检波器输出 的视频信号中包含了回波信号的相位信息，为信号处理机的多普勒处理作保障。 2 1 3 信号处理机 信号处理机分为模拟信号处理和数字信号处理两部分。模拟信号处理是由生命 探测雷达系统中的一块单板完成，主要完成信号的滤波放大、a d 转换、数据通 信等。数字信号处理由计算机软件实现。模拟信号处理电路板的原理框图如图2 3 所示。 图2 3 模拟信号处理板原理框图 接收杌输入的信号是包括目标信号、杂波和噪声在内的基带信号。电压跟随电 路不但提供了高的输入阻抗和低的输出阻抗，同时起到了缓冲隔离的作用，降低 了信号处理扳对微波前端的影响，保证了输入信号的信噪比。电压跟随电路如图 2 4 所示。图中d 2 、d 3 为二极管，防止输入信号过大导致后续放大器饱和。 图2 4 电压暑6 随电路 6 生命探测雷达信号处理硬什设计 在生命信号处理系统中，模拟滤波器和放大器占有重要的地位。模拟滤波器在 预处理电路中几乎是不可少的。信号处理机需要实现带通滤波器，它的功能是让 有用频段的信号通过，而对其它频段的信号加以抑制、滤除或使其急剧衰减。带 通滤波可以直接采用带通滤波器或者利用低通滤波器级联高通滤波器实现，本文 采用了后者。此外，本文还给出了采用单片集成滤波器m a x 2 6 0 设计的方法。高 通滤波器的作用是滤除固定杂波的直流信号，但是由于目标信号的频率非常接近 零频，所以要求高通滤波器具有很短的过渡带和陡峭的频率响应：低通滤波器抑 制高频干扰，以探测人体呼吸、心跳和体动等低频信号。模拟信号在a v r 单片机 a t m e g a l 2 8 的控制下进行1 6 位a d 转换，然后发送到工控机进行数字信号处理， 检测人体的微动运动信号，并将输出结果进行波形显示、状态识别和结果报表。 由于滤波器性能对整个系统的效果起到关键的作用，第三章将单独做以介绍。 a d 转换器、单片机控制和数据通信在第四章介绍。 2 1 4 电源 整机系统由可充电防爆电池作为电源。分别向微波前端、信号处理板和伺服 供电。由于各个部分对输入电压的要求不同，电源输出直流电压需要经过电压变 换和滤波等处理。根据系统结构的要求，电源管理电路和信号处理电路设计在同 一块电路板上。相对数字电路，模拟电路有更高的电源要求，电源设计不舍理将 会影响整机性能。从系统节能角度考虑，微波部分的电源供电需要由上位机发出 指令控制。同时，由于电池供电电量有限，电池的电量需要实时检测，电量低时 应及时报警，更换电池。 2 1 5 伺服 伺服主要完成天线的扫描和定位功能，扫描方式有步进扫描和连续扫描，扫描 方式、步进、速度等受计算机控制。 2 2 生命探测雷达信号处理硬件设计中的关键技术 生命探测雷达通过发射电磁波穿过覆盖物或遮挡物，根据人体生命信号对回 波的多普勒效应来实现全天候探测。当采用x 波段的电磁波进行探测时，根据正 常人的生命参数可进行多普勒频率的估计。正常人的心跳频率是6 0 次分钟，即1 次秒，假定心脏跳动时的扩、张动作各一次的位移d = 5 r a m ，则多普勒频率 兀= 2 五= 2 ( 2 0 t ) a = o 6 7 胁：呼吸频率是2 0 次分钟了，即0 3 3 次秒，假 第二章生命探测雷达系统的原理与组成 7 定呼吸时有呼、吸动作各一次，位移d = 5 m m ，则多普勒频率 正= 2 _ 2 = 2 ( 2 d f ) a = 0 2 2 h z ；步行的速度约为屹= o 5 m s ，则多普勒频率 = 2 v a 2 = 3 3 h z 。人体体动的多普勒频率远远高于呼吸、心跳的多普勒频率， 易于检测，很容易根据其信号频谱特征区别出是体动状态还是静止状态。墙壁等 固定物体的电磁波回波不会产生多普勒频率，其回波信号出现在零频率处，体现 在接收到信号的直流分量上，并且在很多情况下的信号幅度比生命回波信号的幅 度要强得多。由于接收到的信号很微弱，一般情况下，需要将此信号放大至少1 0 0 0 倍以上才可以进行后续处理。当然，模拟信号预处理的放大倍数是越大越好，但 由于电子元件的指标和环境噪声等因素，不可能做到无限大此外，为了防止由 于较大的直流分量导致的放大器饱和，必须将直流分量滤除。然而人体心跳、呼 吸回波信号的频率非常接近固定物体回波信号的零频率，这就使得超低频微弱信 号的滤波放大技术成为生命探测雷达的关键技术之一。 此外，接收的信号是微弱的模拟信号，很容易被噪声或电磁波所干扰，周围 的电磁环境、系统的机械抖动、放大器、混频器、信号源的不稳定等都会产生对 生命信号的干扰杂波，而且电源管理电路与信号处理电路在同一块电路板上，所 以抗干扰技术是另一个关键。 由此可见，模拟信号预处理要做好也不是一件容易的事情，必须具有： 1 良好的超低频滤波放大特性； 2 。良好的数据接口设计： 3 良好的抗干扰性能； 要做好模拟预处理，不但要在电路设计中有一定的技巧，在电路板的布线、安 装等都有严格的要求。 生命探测雷达信号处理硬件设计 第三章滤波放大电路设计 3 1 模拟滤波器的种类及特点 在模拟信号的处理上，滤波一般都是必不可少的部分。它常常被用来对噪声、 干扰等一些非工作频率的信号进行抑制和衰减，以达到净化目标信号的目的，特 别是对抑制由导线传导耦合到电路中又有一定频率的干扰信号，具有十分明显的 效果。 滤波器按功能分为4 类：低通滤波器( l p f ) ，高通滤波器( h p f ) ，带通滤 波器( b p f ) ，带阻滤波器( b r f ) 。 滤波器按是否使用有源器件( 放大器) 可以分为两大类：有源滤波器和无源 滤波器。传统上无源滤波器主要用于高频滤波，有l c 滤波器、声表面滤波器、 石英晶体滤波器、微波陶瓷滤波器等不同类型 6 1 。有源滤波器适用于中低频段的 滤波，其元件主要由有源器件( 运算放大器、电流反馈放大器、晶体管和场效应 管等) 组成。 按通频带滤波特性分类，有源滤波器可分为：最大平坦型( 巴特沃兹型) 滤波 器、等波纹型( 切比雪夫型) 滤波器、线性相移型( 贝塞尔型) 滤波器、椭圆滤波器 等。 贝塞尔滤波器只满足相频特性而不关心幅频特性。贝塞尔滤波器又称最平时 延或恒时延滤波器，其相移和频率成正比，即为一线性关系。但是由于它的幅频 特性欠佳，往往限制了它的应用。 巴特沃兹滤波器在通带内有最平的幅度特性，在阻带内滤波器的幅度特性是 单调下降的，并且阶数越大，幅度下降越快，过渡带越窄，幅度特性越接近理想 矩形幅度特性。但是当在通带边界处满足指标要求时，则在通带内肯定会超过指 标要求，并不经济。 切比雪夫的频率特性具有等波纹特性，它有两种形式”。一种是幅度特性在 通带内是等波纹的，在阻带内是单调的，称为切比雪夫i 型滤波器。另一种是幅 度特性在通带内是单调的，在阻带内是等波纹的，称为切比雪夫i i 型滤波器。因 此，在相同阶数条件下，切比雪夫滤波器比巴特沃思滤波器有更好的衰减特性。 椭圆滤波器的幅值响应在通带和阻带内都是等波纹的，对于给定的阶数和给 定的波纹要求，椭圆滤波器能获得较其它滤波器窄的过渡带，就这点而言，椭圆 滤波器是最优的。 与无源滤波器相比，有源滤波器有如下特点： 1 由于不用电感，因此体积小，重量轻，不需要磁屏蔽，电路q 值的提高 第三章滤波放大电路设计 9 不受电感q 值的限制。 2 有源滤波电路中的运算放大器可加电压串联负反馈，可以获得高输入阻抗 和低输出阻抗，从而可在输入与输出之间进行很好的隔离。这样可以通过级联的 形式得到高阶的滤波器，不必像l c 滤波电路那样需要考虑级间的影响。构成有 源滤波电路后还具有无源滤波器没有的在滤波的同时对信号的放大功能，而且输 入输出阻抗容易匹配。 3 滤波的频率精度高，一般可达到士3 到士5 ，频率稳定性好，具有较好的 低频滤波性能。 4 由于采用有源器件，需要使用电源；功耗较大；有源滤波器的上限频率受 到有源器件本身带宽的限制。有源滤波电路目前的工作频率难以做得很高，一般 不能用于高频场合。 近年来一种新型的滤波器开关电容滤波器( s w i t c h e x ic a p a c i t o rf i l t e r 简 称s c f ) 应用越来越广泛。它是一种利用开关电容网络构成的滤波器，它的出现 使有源滤波器的集成化成为现实。随着m o s 技术的迅速发展，由m o s 开关电容 和运算放大器组成的单片机集成开关电容滤波器已经实现了商品化。 开关电容滤波器的基本组件是由开关电容网络组成的电阻、反相积分器和同 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。 随着现代集成工艺进展，p f 级电容的相对精度可以做到0 1 ，而且这些电容都 制在同一个芯片上可以有比较好的温度补偿作用，因此通带增益和截止频率都可 以做到十分精确、稳定。此外，只要改变时钟频率就能方便的改变中心，截止频率。 例如用开关电容滤波器电路制成带通滤波器时，通过改变时钟频率可以使中心频 率跟踪信号的频率，从而可以将滤波器的带宽做得很窄。 这种滤波器不需要模数转换器，即可以对模拟量的离散值直接进行处理，因 此输出波形不是光滑的。它是一种类似于数字滤波器的模拟器。其次时钟信号的 频率必须大于信号中最高频率的两倍，否则会出现混叠现象。在最近几年这种开 关滤波器的应用越来越广泛，主要用于通信系统和数字系统，许多滤波电路中都 采取了集成开关电容滤波器。 在第二章关于生命探测雷达系统介绍中可知，当采用x 波段的电磁波进行探 测时，人体的呼吸和心跳的回波频率分别是0 2 2 h z 和0 6 7 h z ，十分接近墙体等 固定物体回波的多普勒频移。因此设计低频特性好的高通滤波器或带通滤波器是 本章的重点此外，由于信号处理对电源的波纹要求较高，对电源变换模块输出 的滤波处理也将在本章介绍。 0 生命探测雷达信号处理硬件设计 3 2 1 无源滤波器的分类 3 2 无源滤波器 一电容滤波器 电容c 的电抗与频率有关。其频率特性为a ( j o , 1 = 1 j a c ，随着频率m 增大， 滤波器输出电压衰减增加，起到低通滤波作用，此时滤波器电容要求耐压高、绝 缘好、温度系数小和自谐振频率高等特性。 图3 1 ( a ) 中结构最简单，接在干扰源线间能衰减串模噪声；接在干扰源和地 线问能衰减共模噪声；接在印刷电路板中的直流电源间能抑制电源噪声。图3 1 ( b ) 中电容器中点接地，能够把噪声电流旁路入地，能消除共模噪声。图3 1 ( e ) d 0 的 c 3 接在电源线间。这种结构能有效地抑制共模( 由c 1 、c 2 完成) 和串模噪声( 由 c 3 完成) 。 芏至 c a )( b )f c l 图3 i 电容滤波 电容滤波器能产生一个低阻抗来反射干扰，常用在源和负载阻抗都比较高的 场合。虽然它的性能曲线看起来都是比较理想的，但实际上远不是这样 二电感滤波器 电感l 的电抗与频率有关。其频率特性为a ( j o , 1 = j a i l ，随着频率缈增大， 滤波器电感线圈两端电压增加，滤波器中的电感器件应在负载电流情况下具有不 饱和、温度系数小和直流电阻低等特性。将电感串接在线路中对高频噪声有很大 的阻抗，可以抑制高频噪声电流，但是电感滤波器若制作材料不理想会产生谐振。 三l c 低通滤波器 由电感和电容组成的滤波器主要具有较好的低通滤波特性。l c 低通滤波器比 r c 低通滤波器有更好的滤波性能，但当要求通带截止频率很低的时候，为了保 证滤波性能，势必要求电感量很大导致电感的重量和体积过大，既不易制作( 特 别是不利于集成化) ，成本又高，有时还要加屏蔽，制造和安装都很麻烦，因此这 里不选作信号的滤波。按结构分可分为l 型、型、t 型。如图3 2 所示。 第三章滤波放大电路设计 兰蔓芏l = l 1 1 2 其频率特性为：一( ，) = 1 ( 1 + 归r c f - 0 2 l c ) ，其中r 为电感l 的直流电阻。 其频率特性为：爿( ，国) = l ( 1 + ，r c 一国2 l c ) 。由此可看出，h 型与l 型有 其频率特性为：爿( ，国) = l ( 1 + ，r c d 2 l c ) 。由此可以看出，t 型滤波器与 工vlr 王v o 二v ir i r 2 ( a ) l 跫 ( b ) i i 型f c lt 型 图3 3 r c 低通滤波器 1 l 型r c 低通滤波器 其频率特性为：爿( 歹珊) = l ( 1 + - r c ) ，上限截止频率彩= i r c ，当输入频率 远大于上限截止频率时，输入频率每提高l o 倍，爿( 印) 衰减2 0 d b 。 2 型r c 低通滤波器 其频率特性为：一( 弘) = 1 ( 1 + j o u r c ) 。由此可看出，n 型与l 型有相同的衰 减系数。实际上，由于信号源不可避免地会含有内阻，当n 型滤波器和信号源连 接后，相当于两级l 形滤波器串联，对滤波特性将大大改善。 1 2 生命探测雷达信号处理硬件设计 3 t 型r c 低通滤波器 其频率特性为：a ( j r o ) = l ( 1 + j r o r c l 由此可以看出，t 型滤波器与l 型滤 波器有相同的滤波特性。实际上往往将t 形滤波器用于负载阻抗小的情况，这比 应用l 型和n 型滤波器时的负载电流要小得多，减轻了信号源的负担。 图3 4 为r c 高通滤波器。其频率特性为：a ( j o , ) = j o , r c ( 1 + j c o g c l 。 c 图3 4 r c 高通滤波器 当高通滤波器的截止频率_ ；】r ：o 1 恐时，根据公式厶= i 2 n r c 可推出， r c = 1 ( o 1 2 7 r 1 * 1 5 9 。工程中可以选则电阻r = i 6 m d ，c = l g f 。虽然r c 滤波 器避免了l c 滤波电路的缺点，但是电阻在消耗噪声能量的同时也消耗信号的能 量。当低频信号能量比较强的时候，信号的衰减表现的不明显，但是生命探测雷 达在实际应用中，检测到的人体心跳和呼吸信号一般比较微弱，在对这样的超低 频微弱信号进行无源的r c 高通滤波时，信号的衰减是很大的。滤波效果差。因 此，在对微弱的低频信号进行滤波时，无源的r c 高通滤波器并不是理想的选择。 3 2 2 无源低通滤波器的结构选择 l 型、i i 型和t 型、蔼坡器具有布目同的震城系数，运是征发有考虑输八、输出 效应情况下讨论的。 口1 部日面 工j - ( a ) r m 低恐低 凰低，如高 口r 咽母f 吐 亍工t ( c ) 舶高，如低 ( d ) 舶高，高 图3 5 抗干扰滤波器的选择 实际上系统的输入、输出效应总是客观存在的，即信号源总是有内阻抗，负 载煎旱有输入阳抗。要根据信号源n 的内阻肌和负载g 的阻抗髓；来选择低频滤 第三章滤波放大电路设计 波器的电路结构形式，如图3 5 所示。此外，低通滤波器一般采用对称结构，以 保证线路平衡，这有利于抑制共模干扰信号。 3 3 1r c 有源滤波器设计 3 3 有源滤波器 为了克服r c 无源滤波电路消耗信号能量的缺点，使用放大电路和r c 网络组成 有源滤波电路，以提高滤波性能。r c 有源滤波器由r c 元件与运算放大器组成，可 制成低通、离通、带通、带阻特性，它体积小，重量轻，品质因数q 较高，且输入 阻抗高，输出阻抗极低，使输入与输出之间有良好的隔离性能，相当于电压源， 对信号可以不衰减，甚至还可以放大，增益容易调节，但由于受运算放大器带宽 限制，这类滤波器适用于低频范围。 r 1 = r v o 图3 6 二阶压控电压源离通滤波器 图3 6 为利用r c 滤波电路和同相比例放大器电路组成的二阶压控电压源高通滤 波器【8 】。压控电压源滤波电路中的集成运放为同相输入接法，因此滤波器的输入阻 抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当予一个电压源，故称这种电路为电压控制电 压源电路，其优点是电路性能稳定，增益容易调节。其传递函数为 郫) = 了下等 ( 3 1 ) 5 + 1 矿r 2 c 2 1 致2 而 d ：上 。3 一k 以= 如小等 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 谭啦 麓鬻豢纛l ：。：。： ：“二： ” ”警雾囊一“ ：? 、：4 回孽隧。器。誊z 哪- ，帮搿嚣f m 学 一， j ；? 羽，。 “嚣”j ，札艇晤剖 w 董翳碱一 0毫蓐鬈。o 毒。 a o 蕺 蔓 ，j ! 。： ： 强 溺 孽j 磐，簿遴嚣霪蘩；”零 ! o 一誊l 。 6 生命探测雷达信号处理硬件设计 从图3 7 可以看出，在输入信号为1 0 0 h z 、1 0 h z 、l h z 和0 1 h z 时，滤波器对直流 的滤波效果很明显；在频率为1 0 0 h z 、i o h z 和l h z 时，信号幅度仍稳定在4 0 m v ， 在输入信号频率为0 i h z 时，输出信号幅度为1 2 m v ，信号衰减1 0 d b ，但仍然可以 体现出信号的特征。由此可见，该高通滤波器可以满足滤波器要求。 图3 8 为二阶压控电压源低通滤波器。 图3 8 二阶压控电压源低通滤波器 其传递函数为 舯靠s 2 c o , , ( 3 5 ) d 4 式中， 蛾=丽1(3-6) 以= 警小惫 b ， 石1 = 3 一以 o - s ) 由图3 6 与图3 8 级联构成一个带通滤波器，高通截止频率 = o 1 h z ，低通截止频 率a = 1 6 0 h z 取图3 6 6 p r l - - - r 2 = 2 2 m ，r 3 = r 4 = 2 4 k ，c 1 = r c 2 = l 肼图3 8 中 r i = r 2 = i o k d ，r 4 = 0 ，c 1 = c 2 = 0 1 ：实验结果如表3 1 所示。 从表3 1 可以看出，输入信号在偏置为零的情况下，经过带通滤波器输出存在 5 3 m v ；在输入信号分别加入2 v 和4 v 的直流偏置后，滤波器输出存在的 直流偏置仍基本稳定在5 3 m v 并且当输入信号频率为0 1 h z 时，滤波器的滤波特 性也比较好对于滤波器本身产生的固定漂移通过添加调零装置可以消除它对信 号的影响。可见设计的带通滤波器对直流分量的滤波效果是比较理想的。 第三章滤波放大电路设计 7 表3 ，l 二阶压控电压源带通滤波器的实验数据 输入信号频率输入偏置电压 输出电压 输入电压平均值峰峰值 平均值变化量 单位：h z单位：v单位：m v 单位：m v 1 0 0o5 3 8 2 25 3 8 2o 45 ，2 8 20 1 l o05 3 8 2 25 3 ，8 2o 4 0 m v 4 5 1 8 l- o 2 l05 3 8 l 25 3 ，8 20 4 5 2 ，8 20 1 o 105 3 6 2 25 3 6 20 45 4 6 3+ o 1 3 3 2 基于单片集成滤波器m a x 2 6 0 的有源带通滤波器设计 一m a x 2 6 0 概述【9 】 m a x 2 6 0 是美国m a x i m 公司推出的c m o s 双二阶通用开关电容有源滤波器，可 以采用微处理器控制其精确滤波器函数，无需外国元件即可构成巴特沃兹、切比 雪夫、贝塞尔、椭圆函数等类型的带通、低通、高通、带阻、全通滤波器，其内 部含有两个二阶滤波单元，每个单元中心频率、q 值、滤波器工作模式均可由程序 设置。m a ) q 6 0 与该系列的m a x 2 6 1 和m a x 2 6 2 相比有较好的偏移与直流特性。具 有如下特点：微处理器接口、6 4 步进的中心频率控制、1 2 8 步品质因数控制、独立 的中心频率和品质因数编程、保证时钟频率而对比值精度为l 、单+ 5 喊士5 y 电源 电压工作以及0 0 l 胁到7 5 k h z 的中心频率范围。并且与数字滤波器相比，处理速度 快、整体结构简单。 芯片的内部结构如图3 9 所示。其芯片主要由放大器、积分器、电容切换网络 ( 配m 和工作模式选择器组成。积分器、电容切换网络和工作模式选择器分别由 编程数据m o ， 毛、f o 乃和9 q 6 控制。每片m a x 2 6 0 包括两个二阶开关电容 有源滤波器，每个二阶组( s e c o n d o r d e rs e c t i o n ) 使用两个串联的积分器和一个求 和运算放大器。每个二阶滤波器组件有四种工作方式及各自的时钟输入和独立的尼 和p 控制。每个二阶组的中心频率是由其输入的时钟频率和六位编程代码决定的。 p 值由七位代码控制。m a x 2 6 0 系列滤波器中，内部采样速率为输入速率的一半。 m a x 2 6 0 使用了m a x 2 6 1 或m a x 2 6 2 中不具有的自动调零电路，这可以提供更好的 d c 特性，并通过牺牲高端频率和信号带宽提供改进的低频特性。敌可很好的用于 生命探测雷达信号处理硬件设计 低频信号的滤波处理。 牡 傅旺目 阻f 5 f * 址2 图3 9 滤波器框图( 一个二阶组) 二用m a x 2 6 0 实现切比雪夫有源带通滤波器的设计方法 根据信号处理系统对滤波器的要求，不但要有平稳的通带特性还要有陡峭的 过渡带，比较巴特沃兹滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器及椭圆滤波器这 四种滤波器的特性，切比雪夫滤波器更适合 用m a x 2 6 0 设计滤波器的基本方法： 首先根据设计技术指标要求，确定滤波器类型和阶数；然后计算出对应器件 的各个二阶节单元的中心频率( 或截止频率) 厂0 和q 值，并确定出相应编程参数 ，f 和 r 口最后对滤波器各单元编程并加载工作。 用m a x 2 6 0 实现切比雪夫有源带通滤波器的设计方法介绍如下： 给定切比雪夫带通滤波器的技术指标：中心频率厂0 ，3 d b 通带宽度b w ( 或通带频率 、正) ，通带最大波纹衰减4 。，阻带宽度b ( 或阻带频率几卜, 2 ) ，阻带最小衰 减爿跏。设计步骤为： 1 计算滤波器q 值：q = f o i b w 若给出的是通带频率 、正，则以几何中心频率 为准计算p 值，即 q = 石正( 正一彳) ( 3 - 9 ) 2 计算滤波器陡度系数( 或低通原型滤波器的归化阻带频率) ：q = 占彬b w 。 若给出的是阻带频瓤l 、 2 ， 第三章滤波放人电路设计 1 9 q ，= ( 露肛。一z 。) 肛 ( 3 1 0 ) 。= 0 n l ；| l a | b w 11 ) 则求出式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 取两者之中小的那一个作为陡度系数。 3 计算通带波纹参数= l 伊1 1 和阻带衰减参数占：0 否而：j 。 4 根据关系式拧c o s h 。( 以弦) c o s h 。1 ( q ) ，确定等效低通原型滤波器的阶数疗( 通 常取最小的一个) 。亦可利用滤波器设计手册中的有关图表，直接根据省。彳跚趣、 c a , 在图表上确定出阶数h 。 5 计算等效低通原型滤波器的h 个极点一吒+ j c o k ： 咿趾( 睁n ( 学 p 坳 q h ( 扣1 * ( 垡 仔 式中，k = l ，2 ，订。这里也可以直接从手册中查出对应极点值。 6 由极点计算实际带通滤波器二阶节中心频率而t 和g 。每一个极点对应一个带通 二阶节。月阶低通原型滤波器则对应要拧个带通二阶节。二阶节的奴和幺按下述方法 计算。 ( 1 ) 对于复极点一吒+ ，q ，有 c = + ( 3 1 4 ) d = 2 c r q ( 3 1 5 ) e = c 0 2 + 4 g ：压丽 g = ( e + g ) 2 d 2 m = o k 呸 q ：m + 面j 肛船藩； 回 乃 趵 ” j 0 0 o 之 o 0 0 p p p d 生命探测雷达信号处理硬什设计 ( 2 ) 对实数极点( q = o ) ，有f o 。= f o ，g = q 吒。 7 根据各个二阶节的m 、q k 和时钟频率舰搠定m a x 2 6 0 各个二阶节滤波组件的编 程参数 和n o 。 8 将各个二阶节组件串联，编程并加载使用。 需要注意的是m