基于CPLD的開關(guān)電容組式跟蹤濾波器設計與實現(xiàn)＊

彭永棒，孫奉婁，藍加平，陳 錕

（中南民族大學 電子信息工程學院，湖北 武漢 430074）

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(guān)電容跟蹤濾波器[5-6]、自適應跟蹤濾波器[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?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(diào)諧器[9]等，這類跟蹤濾波器面向?qū)ｉT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?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(guān)式電容組的跟蹤濾波器。

1 濾波器設計方案

考慮到開關(guān)電容組跟蹤濾波器的特性和器件選擇，本文采用開關(guān)式電容組濾波器與變?nèi)荻O管電調(diào)諧串聯(lián)組合的設計方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 開關(guān)式電容組濾波器

本開關(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擲開關(guān)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(guān)的擲數(shù)，fc為開關(guān)頻率。當輸入信號頻率和開關(guān)頻率為整數(shù)倍關(guān)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(guān)頻率或開關(guān)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。

圖2 開關(guān)式電容組濾波器原理圖

圖3 開關(guān)式電容組濾波器幅頻特性示意圖

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(guān)能力，用CPLD作為單刀N擲開關(guān)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(guān)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?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(guān)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(diào)節(jié)。變?nèi)荻O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(guān)頻率要求?？紤]到普通模擬開關(guān)的開關(guān)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(guān)斷）狀態(tài)來作為電容選擇開關(guān)。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(nèi)，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。

圖4 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(guān)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(diào)節(jié)變?nèi)荻O管反向電壓來調(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。

跟蹤濾波的中心頻率設計為從 1 MHz～30 MHz變化，低頻段的中心頻率倍頻也在此范圍以內(nèi)，因此，選頻網(wǎng)絡也必須是可跟蹤的。這就要求變?nèi)荻O管容值可調(diào)，可通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管反向電壓來實現(xiàn)。采用D/A轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，原理圖如圖6所示，通過CPLD切換變?nèi)荻O管反向電壓值來調(diào)節(jié)諧振頻率。

3 實驗結(jié)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(guān)系曲線?？梢钥闯觯瑸V波器通頻帶與中心頻率成正比，而與電容個數(shù)N、電阻值R、電容值 C 成反比，即 BW∝fc/（N×R×C）。

3.2 濾波器幅度參量分析

通過掃頻儀對本濾波器的幅度特性及其參數(shù)進行了分析。輸入信號為10 mV時，輸出幅值Vp與中心頻率fc、電容個數(shù) N、電阻 R、電容 C的關(guān)系曲線如圖 8所示?？梢钥闯?，濾波器幅度與中心頻率成反比，與阻值R成負指數(shù)關(guān)系，而與電容個數(shù)N、電容容值C成正比的變化趨勢，即 Vp∝（N×C）/R×fc。

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(guān)引入了開關(guān)噪聲，且噪聲存在于帶內(nèi)，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(guān)噪聲測量結(jié)果，其噪聲信號大約在 100 μV。

3.4 濾波器實測數(shù)據(jù)

表1為所設計的跟蹤濾波器輸入電平10 mV時，10 MHz～20 MHz頻段內(nèi)3 dB和 6 dB帶寬的幅頻特性測試數(shù)據(jù)。

表1 部分頻點3 dB和6 dB帶寬的幅頻特性實測結(jié)果

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?？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(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(guān)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(jié)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(guān)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(guān)噪聲作深入研究。

[1]陳照章.跟蹤濾波器的設計及其應用[J].儀器儀表學報，2001（3）：244-246.

[2]陶利民，肖定邦，溫熙森.用于動平衡測試的MDAC窄帶跟蹤濾波器[J].國防科技大學學報，2006（2）：102-105.

[3]陳新寧.跳頻通信偵察技術(shù)研究[D].長沙：國防科學技術(shù)大學，2006.

[4]呂元通.窄帶跟蹤濾波技術(shù)的應用研究及硬件電路實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

[5]龐長濤，張建明，高燕紅，等.滾動接觸疲勞實驗機跟蹤濾波器設計[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的帶通跟蹤濾波設計[J].電子技術(shù)應用，2012，38（1）：54-56.

[7]郭華.自適應濾波算法及應用研究[D].蘭州：西北師范大學，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.集成電路應用 500例[M].北京：人民郵電出版社，1983.