摘 要： 針對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍高靈敏度短波接收機(jī)射頻前端信號(hào)處理需要，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于CPLD的開(kāi)關(guān)電容組式跟蹤濾波器與變?nèi)荻O管電調(diào)諧濾波器串聯(lián)方案，并對(duì)該濾波器性能進(jìn)行了評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該濾波器可以工作于1 MHz~30 MHz頻段，帶寬易調(diào)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且具有穩(wěn)定的帶寬和很高的溫度穩(wěn)定性。實(shí)測(cè)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(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞： CPLD；開(kāi)關(guān)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(dòng)地跟隨信號(hào)頻率變化，從而達(dá)到在強(qiáng)噪聲干擾中提取有用信號(hào)的帶通濾波器。它主要應(yīng)用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制、掃頻或跳頻雷達(dá)接收機(jī)、數(shù)字電視接收機(jī)、水聲信號(hào)處理等領(lǐng)域[2-4]。
目前，跟蹤濾波器的設(shè)計(jì)主要有開(kāi)關(guān)電容跟蹤濾波器[5-6]、自適應(yīng)跟蹤濾波器[7]和變?nèi)荻O管電調(diào)諧LC諧振跟蹤濾波器[8]等。開(kāi)關(guān)電容濾波器主要工作于音頻范圍內(nèi)，從幾赫茲到數(shù)百千赫茲。自適應(yīng)跟蹤濾波算法復(fù)雜，多用數(shù)字信號(hào)處理算法，不適合于模擬信號(hào)的跟蹤濾波，且信號(hào)處理速度慢，不能滿足實(shí)時(shí)性要求。變?nèi)荻O管電調(diào)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(diǎn)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(duì)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(yīng)用于數(shù)字電視等接收機(jī)的高頻頭或調(diào)諧器[9]等，這類跟蹤濾波器面向?qū)ｉT的應(yīng)用，不具備短波、窄帶和通用的特性。
現(xiàn)在應(yīng)用于高頻信號(hào)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(duì)保密性的要求很高，要求跟蹤濾波器能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，這都不是上述幾種濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)的。目前適合短波頻段的專用跟蹤濾波器很少，針對(duì)這種情況，本文將設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了工作于1 MHz~30 MHz頻段的基于開(kāi)關(guān)式電容組的跟蹤濾波器。
1 濾波器設(shè)計(jì)方案
考慮到開(kāi)關(guān)電容組跟蹤濾波器的特性和器件選擇，本文采用開(kāi)關(guān)式電容組濾波器與變?nèi)荻O管電調(diào)諧串聯(lián)組合的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.1 開(kāi)關(guān)式電容組濾波器
本開(kāi)關(guān)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(diào)節(jié)，很適于跟蹤濾波。圖2中，單刀N擲開(kāi)關(guān)周期性地接通N個(gè)RC積分器。每個(gè)電容被周期地接入，接入時(shí)間為1/（N×fc），其中N為電容個(gè)數(shù)，即開(kāi)關(guān)的擲數(shù)，fc為開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng)輸入信號(hào)頻率和開(kāi)關(guān)頻率為整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，每個(gè)周期接入各電容正好處于輸入波形的同一位置，通過(guò)RC積分器對(duì)電容充電，于是電容被充電到對(duì)應(yīng)輸入電壓值，從而在每個(gè)信號(hào)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(dāng)于是對(duì)輸入信號(hào)的N倍采樣，輸出的采樣信號(hào)仍能保持原始信號(hào)波形，如果輸入頻率不等于開(kāi)關(guān)頻率或開(kāi)關(guān)頻率的倍頻，則電容選入時(shí)處于輸入信號(hào)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(shí)，電容上的平均電壓非常低，從而達(dá)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(gè)以fc為基頻的梳狀濾波器，fc的倍頻點(diǎn)同樣能通過(guò)信號(hào)。
為了實(shí)現(xiàn)短波雷達(dá)接收機(jī)模擬前端的濾波，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(kāi)關(guān)能力，用CPLD作為單刀N擲開(kāi)關(guān)來(lái)控制電容組，周期性地接通N個(gè)RC積分器來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻濾波器的設(shè)計(jì)。
該濾波器中電容和電阻的溫度穩(wěn)定性極強(qiáng)，因此其帶通特性基本不受溫度影響，且參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。
1.2 寬帶諧振放大電路
跟蹤濾波器僅在某一個(gè)特定時(shí)刻通過(guò)對(duì)應(yīng)中心頻率的信號(hào)，而由圖3可以看到開(kāi)關(guān)電容組的梳狀濾波特性，因此必須要濾除其余倍頻信號(hào)，即抑制其諧波。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于變?nèi)荻O管電調(diào)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(gè)諧振放大電路之間，將諧振放大電路的帶寬調(diào)節(jié)到合適位置，以濾除輸入信號(hào)中的倍頻信號(hào)成分。本諧振放大電路不僅具有抑制倍頻信號(hào)的功能，還能對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)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(kāi)關(guān)噪聲（SSN）的影響，因此通過(guò)前級(jí)諧振放大電路對(duì)弱信號(hào)進(jìn)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(diào)節(jié)。變?nèi)荻O管的溫度穩(wěn)定性差，因此不宜設(shè)計(jì)成窄帶跟蹤濾波器，這里設(shè)計(jì)為一個(gè)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(shè)計(jì)
2.1電容組濾波器設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)30 MHz的中心頻率濾波器，如果采用10個(gè)電容就必須滿足至少300 MHz的開(kāi)關(guān)頻率要求。考慮到普通模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度不高，本文采用CPLD，利用其引腳的三態(tài)特性，通過(guò)軟件設(shè)置引腳為低電平（開(kāi)通）和高阻（關(guān)斷）狀態(tài)來(lái)作為電容選擇開(kāi)關(guān)。由于CPLD漏極開(kāi)路引腳存在鉗位，因此輸入信號(hào)的電壓峰峰值應(yīng)在0~3.3 V范圍內(nèi)，需給信號(hào)一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。本濾波器插入損耗較大，電容組濾波器輸出阻抗受負(fù)載影響較大，因此增加一級(jí)跟隨器作為阻抗匹配，提高其帶負(fù)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(guò)I2C總線配置工作參數(shù)，可直接通過(guò)CPLD進(jìn)行配置，提供參考頻率的N倍頻信號(hào)作為開(kāi)關(guān)時(shí)鐘。
2.2 諧振放大電路設(shè)計(jì)
通過(guò)設(shè)計(jì)諧振放大電路來(lái)濾除電容組濾波器中心頻率的倍頻干擾。通過(guò)調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管反向電壓來(lái)調(diào)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(luò)帶寬調(diào)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(gè)作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1 濾波器帶通參量分析
通過(guò)掃頻儀對(duì)本濾波器的帶通特性及其參數(shù)進(jìn)行了分析。圖7分別給出了帶寬BW與中心頻率fc、電容個(gè)數(shù)N、電阻R、電容C的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯瑸V波器通頻帶與中心頻率成正比，而與電容個(gè)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(guò)時(shí)域分析可知，隨著R的減小，信號(hào)波形失真也越來(lái)越大。因此要綜合考慮帶通濾波器的各方面性能來(lái)選擇R值。
3.3 濾波器噪聲分析
由于CPLD高速開(kāi)關(guān)引入了開(kāi)關(guān)噪聲，且噪聲存在于帶內(nèi)，與所需的信號(hào)處在同一頻點(diǎn)，無(wú)法去除。因此本濾波器只適于100 μV級(jí)以上的信號(hào)。圖9為輸入端接地時(shí)頻譜儀觀測(cè)到的系統(tǒng)開(kāi)關(guān)噪聲測(cè)量結(jié)果，其噪聲信號(hào)大約在100 μV。
品質(zhì)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。可見(jiàn)，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(duì)比，通道1為輸入信號(hào)，通道2為輸出信號(hào)。
本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于CPLD的開(kāi)關(guān)電容組式跟蹤濾波器與變?nèi)荻O管電調(diào)諧濾波器串聯(lián)方案的設(shè)計(jì)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了帶寬BW、幅值A(chǔ)和Q值分別與中心頻率fc、電容個(gè)數(shù)N、電阻R、電容C等參數(shù)的關(guān)系：BW∝fc/（N×R×C），A∝（N×C）/R×fc，Q∝1/N×R×C。實(shí)測(cè)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(cè)試結(jié)果表明本設(shè)計(jì)能很好滿足接收機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
本濾波器的設(shè)計(jì)方法既可用于低頻，也可用于高頻。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，不受環(huán)境溫度等因素的影響，能應(yīng)用于高頻模擬前端，處理100 μV級(jí)以上信號(hào)。但是由于系統(tǒng)開(kāi)關(guān)噪聲的影響，對(duì)于微小信號(hào)濾波效果不是很好，有待于進(jìn)一步針對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲作深入研究。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳照章.跟蹤濾波器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001（3）：244-246.
[2] 陶利民，肖定邦，溫熙森.用于動(dòng)平衡測(cè)試的MDAC窄帶跟蹤濾波器[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）：102-105.
[3] 陳新寧.跳頻通信偵察技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.
[4] 呂元通.窄帶跟蹤濾波技術(shù)的應(yīng)用研究及硬件電路實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.
[5] 龐長(zhǎng)濤，張建明，高燕紅，等.滾動(dòng)接觸疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)跟蹤濾波器設(shè)計(jì)[J].航空精密制造技術(shù)，2011（1）：1-4.
[6] 殷蘇民，吉彬斌，鮑紅力，等.基于MAX263的帶通跟蹤濾波設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（1）：54-56.
[7] 郭華.自適應(yīng)濾波算法及應(yīng)用研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2007.
[8] GUYETTE A C. Alternative architectures for narrowband varactor-tuned bandpass filters[C]. Microwave Integrated Circuits Conference， EuMIC 2009， 2009：475-478.
[9] SUN Y， JEONG C， LEE I， et al. A 50-300-MHz low power and high linear active RF tracking filter for digital TV tuner ICs[C]. IEEE Custom Integrated Circuits Conference， 2010：1-4.
[10] 孫劍川，凌濤.短波戰(zhàn)術(shù)跳頻通信系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展[J].通信與廣播電視，2002（3）：1-6.
[11] 呂廣平.集成電路應(yīng)用500例[M].北京：人民郵電出版社，1983.