宽带滤波器的优化设计及其MATLAB仿真

1、第22卷第2期文章编号:1006-9348(2005)02-0110-03计算机仿真2005年2月宽带滤波器的优化设计及其MATLAB仿真周英,殷小贡,肖金(武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072)摘要:该文介绍了一种宽带滤波器的优化设计方法,即结合采用影像参数法的定K式和m导出式,分别设计相应的低通、高通滤波器,将其级联后得到初步的宽带带通滤波器;然后利用MATLAB进行仿真调试,对比设计要求和滤波器响应特性,反复调整滤波器LC参数,以获得最好的滤波性能。这种方法设计的带通滤波器带宽大、噪声低、频率响应特性较理想,并且设计简单、计算容易,也易于实现。这种设计方法特别适用于本身计算、比较复

2、杂的宽带滤波器的设计。本文设计的宽带LC滤波器在实际应用中获得了良好的效果。关键词:滤波器;宽带;影像参数法;仿真中图分类号:TP391.9文献标识码:AOptimizedDesignofBroadbandFilterandItsMATZHOUYing,YINXiao-g-(SchoolofElectricEngineering,Wuhan,China)ABSTRACT:Thepaperpresentsakindofoffilter.Inthisdesign,weadopttheImageParame2tersMethod,combiningthetype,aretwotypesoftheMe

3、thod,anddesignthecorrespondingLPFandHPFseriestoobtainaprimarybroadbandBPF.ThenwerepeatmodifyingitsLCparametersAT,comparedwiththedesigndemandandthefiltersrespondingcharacteristictoob2tainthebestThefilterdesignedhasbroadband,lownoise,perfectcharacteristicrespondingtothefre2quency.Itissimpletodesign,ea

4、sytocompute,andeasytorealize,too.Thismethodisespeciallyapplicabletothedesignofbroadbandfilterwhichhasitsowncomplicatedcomputationanddesign.ThebroadbandLCfilterdesignedinthispaperhasappliedinanactualprojectperfectly.KEYWORDS:Filter;Broadband;Imageparametersmethod;Simulation1引言滤波器是通信系统和信号处理中不可缺少的部件。对于

5、宽带通信,则需要相应的宽带滤波器。由于这种滤波器通频带很宽,欲获得好的传输特性及理想的终端匹配,设计难度较大。我们在采用OFDM调制技术进行电力线通信的研究中,使用频带为4.320.9MHz,必须有频带宽度达16MHz以上、性能良好的宽带滤波器。为此,我们采用影像参数设计法进行初步的设计计算,然后通过MATLAB仿真进行参数的调整,最终获得了性能优异的宽带LC带通滤波器。倍频程),则为宽带型带通滤波器。宽带型滤波器的技术条件可以分解为低通和高通两个单独的条件,分别设计单独的低通滤波器LPF和高通滤波器HPF,然后将LPF和HPF级联,就构成了带通滤波器BPF。用这种方法构成的BPF通带较宽,且

6、频带截止频率容易调整。我们为电力线通信设计的BPF通频带要求为4.3M20.9MHz,是一种典型的宽带BPF,而且要求噪声低、性能稳定、能通过较大的信号功率,故采用级联方式,设计成无源的LC滤波器。LC滤波器是应用最广泛的滤波器,也是设计其它类型2带通滤波器的设计方法带通滤波器的作用是让频率处于通频带内的有用信号通过,而滤除带外信号。一般而言,带通滤波器可分为窄带和宽带两种,如果上截止频率对下截止频率的比超过2(一个收稿日期:2003-12-09滤波器的基础。其设计方法大致可以分为两种:一种是工作参数设计法(又叫网络综合设计法),它是根据给定的传输特性要求,按滤波器接在信号源和负载之间时信号能

7、量的实际传输过程,用现代网络综合的方法设计滤波器。按此法设计的滤波器有最平型(巴特沃斯型)、切比雪夫型、椭圆函数型等。这种方法计算过于复杂。虽然由于计算机的飞速发展,110使网络综合设计法获得了大量应用,但巴特沃斯滤波器在靠近截止频率的部分特性并不理想,而具有更为理想频率响应的切比雪夫滤波器,却付出了在通带内允许纹波的代价,在通信系统中,显然这是不容许的。另一种设计方法是从传输线理论出发的经典方法,称为影像参数设计法(又叫特性参数或对象参数设计法)。按此法设计的滤波器有定K式、m导出式等。K式滤波器可以采用T型和型的基本单元(如图1),其计算容易、组合简单。它的缺点是,在阻带内,远离截止频率的

8、衰减很大,但靠近截止频率处的衰减性能不理想;另外,在整个通带范围内的阻抗匹配比较困难。图1所示2种基本单元的特性阻抗如下:Z=Z1Z2采用影像参数法设计时,由于K式滤波器的缺陷,还必须解决以下2个问题:1)LPF和HPF级联时,只有这两个双端口网络的阻抗相近,级联后带通效果才会理想,定K式滤波器的两端阻抗匹配虽不很理想,但可以利用MATLAB仿真功能进行计算机辅助设计,对不满意的参数进行反复修改,从而得出理想的设计结果。2)在定K式滤波器靠近截止频率的阻带范围内,衰减较小,不利于噪声和邻道干扰的抑制。把同类和同型的m式滤波器与定K式滤波器累接在一起运用,可使其互相补偿而获得良好的总衰减特性。m

9、式滤波器就是在相应滤波特性的K式滤波器的并联+4Z2,ZT=Z1Z2+4Z2臂中加入一部分与串联臂阻抗同性质的电抗,使在并联臂中具有串联谐振特性;或在串联臂中加入一部分与并联臂阻抗同性质的电抗,使在串联臂中具有并联谐振特性。新引入的谐振频率都处在衰减频带内,并且紧靠截止频率。3设计实例20.9MHz。出于某,取为4.图1滤波器的基本单元方框图zT形单元(限于篇幅,不示出原理,负载上去。Z1与并联臂阻抗Z2。由此得出对图,电路结构参见图3)。其截止频率为:fcL=时,=R2,为一常数,联解可得:CTLT=4TCT。同应于图1的22(另有2种省略)。其次,还可以得出这样的结论:任何由电抗元件所组成

10、的对称滤波电路,在它的通频带内,电路的Z1/4Z2必定满足条件-1Z1/4Z20,超出这个范围的各频率将处于被抑制的衰减4fcL,CT=4fcLR低通滤波部分相应选择形单元,设其截止频率为fcH,同理可得:LP=,CP=fcHfcHR频带。导入m式滤波器时,考虑到在阻带低频部分不会产生太大的影响,因而选择并联m式低通滤波器加速阻带高端的衰减,即在低通滤波器的电感上并联电容器Cm。此时要求:LPm=mLP,CPm=mCP,Cm=图2滤波器单元电路CP,其中m=4m-f2,f为无限大衰减(陷波点)的谐振频率。另外,当将2个同样的LPF级联时,其截止频率将大约减小到单个LPF的一半;2个同样的HPF

11、级联,则其截止频率将大约增加到单个HPF的两倍。当然在实际电路中,由于电路中阻抗的存在,频率的减小和增大幅度不会有这么大。由于采用多级电路级联,可以得到更好的滤波性能,也避免了滤波器中的L、C值过大或过小,便于电路的实现。为了取得好的效果又不至于电路太复杂,我们采用两级级联的方案。设计结果为HPF和LPF级联的LC滤波器。如图3所示。C1、C2、C3、L1、L2为K式高通部分;C4、C5、C6、C7、C8、L3、L4为m式低通部分。对于高通滤波器部分,基本单元的截止频率初步取为fcL,则根据上述=2MHz,若设滤波器的终端负载RL=R=300有关推导得:L1=L2=11.9H,4fcL111先

12、设定的截止频率才可达到设计要求,元件值也需要减小。同时,为使设计电路便于实际应用,在更改元件参数值的时候,均取标称值。通过反复修改和仿真,最后得到的电路各元件值如下:,CRL=3001=C3=120pF,CLH,2=68pF,1=L2=10图3带通滤波器电路图C4=20pF,C5=27pF,C6=11pF,C7=15pF,CLH,8=33pF,3=2LH4=1.1C1=C3=2C2=132.6pF4fcLR对于低通滤波部分,采用两级m式滤波器,分别设置各自的陷波点,使在靠近BPF高端截止频率的阻带内形成一个大衰减的衰减带。具体设计中,初步取每级m式滤波器的截止频率fcH=25MHz,第一级陷波

13、点取为f1=30MHz,则m1=0.553,由前述公式得:MATLAB仿真的幅频相频响应曲线如图5所示。5结论,设计方法简单,计算容易,;将式滤波器结合在一起,利用MATLAB的S,对不满意的参数进L3=2.1H,C4=23.5pF,C7=13.3pF对于第二级m式低通滤波器,取f2=26MHz,则m2=0.275,相应得到:,。这样设计的结,滤波器的特性比较理想,实现了滤波器设计的最优化。本文设计的滤波器已在实际工作中应用,且取得了较好的滤波效果。(下转第235页)L4=1.05H,C6=11.7pF,C8=35.7pF,C5=C4+C6=35.2pF。,因,。为此需要对各环节的元件值进行适

14、当节,MATLAB仿真此时能发挥重要作用。4仿真在MATLAB环境下,调用Simulink中的功能模块,构成本滤波器电路图。在此环境下运行,即可得到滤波器幅频相频响应曲线,以及滤波前后的波形。在仿真过程中,可以直接双击各功能模块,随时改变参数,以获得不同状态下的仿真结果。由于高通滤波器和低通滤波器的相互影响,致使带通滤波器实际的上截止频率减小、下截止频率增大。因此,高通滤波部分,元件值需要减小;在低通滤波部分,需要提高原图5滤波器幅频相频响应曲线112图像,虽然模板仍旧覆盖了唇区域,但是由于腐蚀的作用,一般被覆盖的唇面积不会超过全部唇区域面积的一半,故最终不会被合并。图1(b)的操作过程一样,

15、这里仅仅给出最终的区域合并结果(图5(f)和舌体提取结果(图5(g)。由结果可以看出下唇的影响被很好地排除了。定了基础。参考文献:1朱文锋1中医诊断学(第一版)M1上海:上海科学技术出版社,1982135-4912沈兰荪,等1图像分析技术在舌诊客观化中的应用J1电子学报,2001;29(12)11762-176513ChiuChuang-Chien1AnovelapproachbasedoncomputerizedimageanalysisfortraditionalChinesemedicaldiagnosisofthetongueJ1Computermethodsandprogramsin

16、Biomedicine12000,61(2):77-8914蒋依吾,等1电脑化中医舌诊系统J1中国中西医结合杂志,2000,20(2):145-14715YDeng,CKenney,MSMooreandBSManjunath1Peergroupfilter2ingandperceptralcolorImageQunatizationC1Proc1IEEEIntlsymp1CircuitsandSystems11999,4:21-2416AGersho,RMGray1VectorQuantizationandsignalCompressinJ1Norwell,Mass:KluwerAcademi

17、c,199217YNDeng,BSManjunath1segmentationofcolor-tex2tureinIEEETransactionsonPatternMVol23(8):800-8101classificationandsceneanalysisM1WileyandSons,19701图5作者简介6结语。本文使用一种基于颜色纹理的无监督图像分割方法对舌图像进行初分割,然后利用基于色度参数调整后生成的模板进行区域匹配合并来完成舌体的提取。由于下唇与舌的分离非常困难,本文算法对有下唇和无下唇的图像采取了不同的提取步骤,需要人工参与的仅仅是在输入图像之前给图像一个标示来标明它有或无下唇,除此之外整个过程无须人工参与。通过实验充分证明了算法具有很好的鲁棒性。这给进一步的特征提取奠王郁中(197915-),男(汉族),江苏南京人,博士生,主要研究方向:图象处理;杨杰(196418-),男(汉族),河北青县人,博士,研究中心主任,教授,博导,主要研究方向:数据挖掘、数据融合、图象处理、模式识别,主要科研成果:主持承担20多项国家和省部级科研项目;周越(1969111-),男(汉族),陕西西安人,博士,副教授,主要研究方向:模式识别;王忆勤(196213-),女(汉族),上海人,博士