基于Youla无耗均衡器的精确设计与仿真

1、基于Youla无耗均衡器的精确设计与仿真             王少夫，于双和 （大连海事大学 信息工程学院辽宁 大连116026） 摘要：以低通Butterworth 20 MHz无耗均衡器的设计为例，为了解快通信系统的耦合网络问题，使用宽带匹配网络均衡电阻性信号源和频变负载，以获得预先规定的变换器功率增益特性。用Matlab和PSpice软件进行科学计算和电路仿真，设计出最佳宽带匹配网络，对现代通信系统具有重要意义。关键词：Youla定理；无损均衡器；宽带匹配；Matl

2、ab；PSpice仿真 Accurate Design and Simulation Based on Youla Lossless EqulizerWANG Shaofu,YU Shuanghe(School of Electronics and Information Engineering, Dalian Mar itime University,Dalian， 116026, China) Abstract：To solve the coupled network problem of the communication system, this paper takes an exam

3、ple of designing the lossless equlizer which bases on l owpass Butterworth 20 MHz filter, and use broadband matching to equlize the resi stance signal source and frequency dependent load , to get the transducer power gain charac ter which was fixed in advance. To calculate and simulate circuit with

4、Matlab a n d PSpice software. To design the best broadband matching network ,which has the most significant to the modern communicationsKeywords：Youla theorem；lossless equlizer；broadband mat ching；Matlab；PSpice simulations随着现代通讯、雷达和其他电子系统的发展，遇到最多的问题就是功率传输问题，也是网络理论中应注意的问题。在通信设备和各类系统中，无耗均衡器的应用极为广泛，他的优

5、劣直接决定产品的好坏，所以对无耗均衡器的研究和生产历来被各国重视。由于计算机技术、固体电路技术、材料工业的发展，均衡器的发展也上了一个新台阶，并且向高精度、低功耗、小体积方向发展1。本文主要以低通Butterworth 20MHz无耗均衡器的设计为例，介绍如何采用Youla定理2进行无耗均衡器的设计，使用Matlab软件3进行编程运算，同时借助PSpice软件4强大的电路仿真功能对所设计的无耗均衡器的波特图和群延迟进行仿真，以观测其效果。 1设计方案无耗均衡器技术指标要求：带宽3 dB为20 MHz，电阻RL为75，电容CL为300pF，实现最大可能直流增益的5阶巴特沃思转换功率特性。过去最常

6、用的均衡器设计方法是文献1中所讲的均衡器设计步骤，其在设计最佳宽带网络时，采用8个步骤，公式繁琐，工作量大，易出错，为了解决这个问题，本设计主要是基于Youla的宽带匹配理论，对所要实现最大可能直流增益的巴特沃思转换功率特性进行公式推导，得出显公式，然后利用Matlab软件进行编程，得出所要设计的均衡器中每个元件的参数值，然后利用PSpice绘制电路图，进行波特图和群延迟的仿真，以观其效果。 2设计计算 Youla定理给出了负载ZL（s）对有界反射系数(s)的基本约条。要实现ZL（s）和电阻性信号源的匹配，并获得所要求的转换功率增益特性，原则上都可以按所要设计均衡器的8个步骤，不过这样的设计过

7、程过于冗长，对于宽带网络，由公式X(m)=m/10,Z=R CWc , 直流增益Y在进的科学软件Matlab进行编程，其程序如下： 由以上元件值画出的电路图为图1。图1为低通Butterworth 20 MHz无耗均衡器的理论电路图，但在实际使用中，为了使带宽增益增大到1，可加只取一阶全通节时求出。通过电路耦合(变压耦合系数为1.351)，全通节带抽头电感感应系数（K=1）可得如图2所示的实用电路。图2中，其增益接近于1，完全满足工程上的要求。 3电路仿真PSpice是一种面向电路的高级应用软件，是国际公认的最优秀的电路处理软件，他集中了电路图的绘制，电路的仿真等各种功能。在该环境下，用户可以

8、集成地进行电子线路的模拟、图形的绘制、输入输出、节点的分析与测试等2。利用他可以节省很多时间，并对所设计的均衡器波特图和群延迟进行仿真。3.1幅频特性使用软件中的探针对电路图2进行仿真，其幅频特性如图3所示，从幅频图中可以看出，曲线的低通特性良好，通带内起伏小。3.2波特图利用软件中的DB仿真功能，可以得出如图4所示的波特图，其带宽3 dB为20 MHz，低通通带内响应很好，非常平坦。3.3群延迟特性最后对群延迟特性进行仿真，利用其仿真功能，可得到其群延迟特性如图5所示，在低通通带内延迟平坦，其延迟为15 ns，比国家标准18 ns精确3 ns。用PSpice软件来仿真模拟无耗均衡器，从以上对

9、设计电路的仿真和分析中可看出，其各种性能与指标均满足要求。 4工程应用该无耗均衡器己成功用于某通讯系统的匹配网络中，由低通滤波器输出的信号经过此均衡器，输出结果良好。使用结果表明该器件可以改善系统的传输特性，提高通信质量，与文献5中所实际应用中的无损均衡器相比，其功率增益好，群延迟较小。从而对通信领域中频滤波器应用增加了新的实用内容。 5结语 使用上述方法设计出的无耗均衡器的实际性能基本符合理论，因为Youla定理是宽带匹配 理论 ，对定理中的显公式用最先进的Matlab软件进行编程，只需输入几个变量，就使非常繁琐的 问题得以解决，同时用PSpice软件仿真可以校验设计结果，为了避免硬件电路反复调整的麻 烦，在均衡器设计好后，用最优化理论对所设计出的均衡器进行调整，使均衡器性能达到的 最小误差不超过2。这种无损均衡器在实际生活中用于卫星通信系统、无 线广播中能够防止干扰，改善系统传输性能，对提高通信质量具有重要的意义。 参考文献1丁加欣Fast Implementation of MSSNR TEQ for DMT SystemsJ 中国邮电高校学报（英文版），2003，10(4)：65-702吴宁.电网络分析与综合M.北京：科学工业出版