摘 要： 針對大動態(tài)范圍高靈敏度短波接收機射頻前端信號處理需要，提出并實現(xiàn)了一種基于CPLD的開關電容組式跟蹤濾波器與變容二極管電調諧濾波器串聯(lián)方案，并對該濾波器性能進行了評估。實驗結果表明，該濾波器可以工作于1 MHz~30 MHz頻段，帶寬易調，設計簡單，且具有穩(wěn)定的帶寬和很高的溫度穩(wěn)定性。實測的濾波器3 dB帶寬為300 kHz~700 kHz，Q值為11.8 dB~25 dB，通帶增益為2.5~4.5，能很好地滿足接收機設計指標。
關鍵詞： CPLD；開關式電容；跟蹤濾波；短波
跟蹤濾波器[1]指濾波器的中心頻率能自動地跟隨信號頻率變化，從而達到在強噪聲干擾中提取有用信號的帶通濾波器。它主要應用于振動監(jiān)測和控制、掃頻或跳頻雷達接收機、數(shù)字電視接收機、水聲信號處理等領域[2-4]。
目前，跟蹤濾波器的設計主要有開關電容跟蹤濾波器[5-6]、自適應跟蹤濾波器[7]和變容二極管電調諧LC諧振跟蹤濾波器[8]等。開關電容濾波器主要工作于音頻范圍內，從幾赫茲到數(shù)百千赫茲。自適應跟蹤濾波算法復雜，多用數(shù)字信號處理算法，不適合于模擬信號的跟蹤濾波，且信號處理速度慢，不能滿足實時性要求。變容二極管電調諧LC諧振跟蹤濾波器工作頻率高，速度快，電路由純硬件搭建，主要缺點是受溫度影響很大，中心頻率可能出現(xiàn)漂移，因此不宜作窄帶濾波，可用于對環(huán)境溫度要求不高的寬帶濾波。還有一些特殊用途的跟蹤濾波器，如應用于數(shù)字電視等接收機的高頻頭或調諧器[9]等，這類跟蹤濾波器面向專門的應用，不具備短波、窄帶和通用的特性。
現(xiàn)在應用于高頻信號的窄帶跟蹤濾波器鮮有好的解決方案，特別是像快速跳頻通信[10]對保密性的要求很高，要求跟蹤濾波器能夠快速準確地實現(xiàn)頻率跟蹤，這都不是上述幾種濾波器能夠實現(xiàn)的。目前適合短波頻段的專用跟蹤濾波器很少，針對這種情況，本文將設計并實現(xiàn)了工作于1 MHz~30 MHz頻段的基于開關式電容組的跟蹤濾波器。
1 濾波器設計方案
考慮到開關電容組跟蹤濾波器的特性和器件選擇，本文采用開關式電容組濾波器與變容二極管電調諧串聯(lián)組合的設計方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.1 開關式電容組濾波器
本開關式電容組濾波器原理[11]如圖2所示。這種濾波器一般工作于低頻范圍，其溫度穩(wěn)定性好，中心頻率和帶寬便于調節(jié)，很適于跟蹤濾波。圖2中，單刀N擲開關周期性地接通N個RC積分器。每個電容被周期地接入，接入時間為1/（N×fc），其中N為電容個數(shù)，即開關的擲數(shù)，fc為開關頻率。當輸入信號頻率和開關頻率為整數(shù)倍關系時，每個周期接入各電容正好處于輸入波形的同一位置，通過RC積分器對電容充電，于是電容被充電到對應輸入電壓值，從而在每個信號周期保持相同電壓值，輸出波形為近似于輸入波形的階梯波。這就相當于是對輸入信號的N倍采樣，輸出的采樣信號仍能保持原始信號波形，如果輸入頻率不等于開關頻率或開關頻率的倍頻，則電容選入時處于輸入信號波形的不定位置，電容上的電壓不能保持充電到同樣的電壓值，此時，電容上的平均電壓非常低，從而達到濾波效果。圖2所示濾波器的幅頻特性示意圖如圖3所示。其為一個以fc為基頻的梳狀濾波器，fc的倍頻點同樣能通過信號。
為了實現(xiàn)短波雷達接收機模擬前端的濾波，本文設計了一個可以工作于短波范圍的帶通濾波器，利用CPLD OD輸出的高阻特性和CPLD的高速開關能力，用CPLD作為單刀N擲開關來控制電容組，周期性地接通N個RC積分器來實現(xiàn)高頻濾波器的設計。
該濾波器中電容和電阻的溫度穩(wěn)定性極強，因此其帶通特性基本不受溫度影響，且參數(shù)設計簡單。
1.2 寬帶諧振放大電路
跟蹤濾波器僅在某一個特定時刻通過對應中心頻率的信號，而由圖3可以看到開關電容組的梳狀濾波特性，因此必須要濾除其余倍頻信號，即抑制其諧波。為此，設計了一個基于變容二極管電調諧LC諧振跟蹤濾波器的寬帶諧振放大電路，將此電容組濾波器置于兩個諧振放大電路之間，將諧振放大電路的帶寬調節(jié)到合適位置，以濾除輸入信號中的倍頻信號成分。本諧振放大電路不僅具有抑制倍頻信號的功能，還能對輸入輸出信號進行放大。由于電容組濾波器插入損耗較大，且受系統(tǒng)同步開關噪聲（SSN）的影響，因此通過前級諧振放大電路對弱信號進行放大，可以提高系統(tǒng)的信噪比。該諧振放大電路的通頻帶也是可跟蹤的，隨中心頻率同步調節(jié)。變容二極管的溫度穩(wěn)定性差，因此不宜設計成窄帶跟蹤濾波器，這里設計為一個寬帶選頻跟蹤濾波器，用于濾除電容組濾波器的倍頻干擾。
2 硬件電路設計
2.1電容組濾波器設計
要實現(xiàn)30 MHz的中心頻率濾波器，如果采用10個電容就必須滿足至少300 MHz的開關頻率要求?？紤]到普通模擬開關的開關速度不高，本文采用CPLD，利用其引腳的三態(tài)特性，通過軟件設置引腳為低電平（開通）和高阻（關斷）狀態(tài)來作為電容選擇開關。由于CPLD漏極開路引腳存在鉗位，因此輸入信號的電壓峰峰值應在0~3.3 V范圍內，需給信號一個合適的靜態(tài)工作點。本濾波器插入損耗較大，電容組濾波器輸出阻抗受負載影響較大，因此增加一級跟隨器作為阻抗匹配，提高其帶負載能力。圖4為電容組濾波器原理圖。
本電路中的鎖相環(huán)通過I2C總線配置工作參數(shù)，可直接通過CPLD進行配置，提供參考頻率的N倍頻信號作為開關時鐘。
2.2 諧振放大電路設計
通過設計諧振放大電路來濾除電容組濾波器中心頻率的倍頻干擾。通過調節(jié)變容二極管反向電壓來調節(jié)諧振選頻電路的中心頻率和選頻特性。將此選頻網(wǎng)絡帶寬調節(jié)到中心頻率二倍頻以下的合適位置，以起到倍頻抑制的作用。諧振放大的另一個作用是對輸入信號進行放大以提高信噪比，以適合電容組濾波器的要求。諧振放大電路原理圖如圖5所示。
3 實驗結果
3.1 濾波器帶通參量分析
通過掃頻儀對本濾波器的帶通特性及其參數(shù)進行了分析。圖7分別給出了帶寬BW與中心頻率fc、電容個數(shù)N、電阻R、電容C的關系曲線。可以看出，濾波器通頻帶與中心頻率成正比，而與電容個數(shù)N、電阻值R、電容值C成反比，即BW∝fc/（N×R×C）。
可以看出，電阻越小，濾波器增益增大得越快。但是通過時域分析可知，隨著R的減小，信號波形失真也越來越大。因此要綜合考慮帶通濾波器的各方面性能來選擇R值。
3.3 濾波器噪聲分析
由于CPLD高速開關引入了開關噪聲，且噪聲存在于帶內，與所需的信號處在同一頻點，無法去除。因此本濾波器只適于100 μV級以上的信號。圖9為輸入端接地時頻譜儀觀測到的系統(tǒng)開關噪聲測量結果，其噪聲信號大約在100 μV。
品質因數(shù)Q=fp/BW3dB，Q值隨頻率增大而減小。從10 MHz~20 MHz，Q值由25減小到11.8。通帶增益KP=Af，隨著頻率增高由4.5降低到2.5。
由于BW∝fc/（N×R×C），而Q=fp/BW3dB，因此有Q∝1/N×R×C?？梢?，只要選取合適的參數(shù)，就能夠得到滿足需要的濾波器。由圖10可以看到其輸入輸出波形的對比，通道1為輸入信號，通道2為輸出信號。
本文提出并實現(xiàn)了基于CPLD的開關電容組式跟蹤濾波器與變容二極管電調諧濾波器串聯(lián)方案的設計，通過分析實驗數(shù)據(jù)，得出了帶寬BW、幅值A和Q值分別與中心頻率fc、電容個數(shù)N、電阻R、電容C等參數(shù)的關系：BW∝fc/（N×R×C），A∝（N×C）/R×fc，Q∝1/N×R×C。實測的濾波器3 dB帶寬為300 kHz~700 kHz，Q值為11.8 dB~25 dB，通帶增益為2.5~4.5。測試結果表明本設計能很好滿足接收機的設計指標。
本濾波器的設計方法既可用于低頻，也可用于高頻。電路設計簡單，性能穩(wěn)定，不受環(huán)境溫度等因素的影響，能應用于高頻模擬前端，處理100 μV級以上信號。但是由于系統(tǒng)開關噪聲的影響，對于微小信號濾波效果不是很好，有待于進一步針對開關噪聲作深入研究。
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