結合科研項目開發(fā)濾波器設計綜合性實驗

顧慶水，賈聰智，陳 偉

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

結合科研項目開發(fā)濾波器設計綜合性實驗

顧慶水，賈聰智，陳 偉

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

濾波器設計是“數(shù)字信號處理”課程的重要組成部分，在通信、信號與信息處理等許多領域有著十分廣泛的應用。該文依據(jù)科研成果，設計了一款包含半帶濾波器、級聯(lián)積分梳狀濾波器和模擬低通濾波器的綜合性實驗，給出了具體的實驗內容及實驗過程。所要設計的濾波器與科研項目要求緊密關聯(lián)。通過實驗，學生不僅能掌握濾波器相關理論和設計方法，而且可培養(yǎng)學生綜合實踐能力、科研能力、團隊合作能力。實踐表明，這種將科研成果應用到實驗教學是提高教學質量的重要途徑。

科研；綜合性實驗；濾波器設計；教學質量

對于理工科專業(yè)的學生，實驗是鍛煉學生實踐能力、知識轉化能力以及創(chuàng)新能力的一個重要環(huán)節(jié)。通過實驗可使學生不僅能掌握基本理論、基本方法和基本技能，還能增強學生的自主研究、探索，獨立思考、團隊合作等各方面的能力［1］。但傳統(tǒng)的實驗教學大多是為單一課程的教學內容而設置，內容簡單，實現(xiàn)方案單一，與實際應用緊密度不夠，涉及多學科、多技術的綜合性實驗較少。

綜合性實驗來源的一個重要途徑是科研。科研本身就是高校一個重要任務，將科研成果與教學結合，則可充分發(fā)揮高校自身特有的優(yōu)勢?？蒲许椖烤哂幸欢ǖ南到y(tǒng)性、整體性和相關性，將其轉化為實驗項目并輔以正確的引導，學生不僅可掌握實驗本身所要求的知識點，還可借此平臺能接觸和掌握新的前沿技術，增強學生綜合運用知識的能力和潛力，從而激發(fā)學生主動性及學習興趣，鍛煉和提高學生各方面的綜合能力［2］。但是科研項目轉化為實驗，也需要考慮科研項目是否適合，實驗內容、要求及評價結構是否合理等一系列問題，這也是實驗教學研究的一個熱點［3-6］。

濾波器是一種可以使信號中特定的頻率成分通過，而衰減其他頻率成分的一種選頻裝置，是電氣工程專業(yè)學生需要掌握的重要內容之一。但更多的實驗設置拘泥于濾波器的設計方法，忽略了濾波器是某個系統(tǒng)的一部分［7-8］。濾波器的類型選擇、參數(shù)設計必須結合系統(tǒng)的要求而定。

本文在已完成的科研項目的基礎上，結合教學特點，通過重新設計，將其中濾波器設計部分作為一個實驗內容，讓學生在掌握濾波器基本原理、設計方法、設計工具等基礎上，重點鍛煉如何從整個系統(tǒng)層面考慮并設計濾波器的問題，同時能了解與科研項目相關的其他方面知識。

1 項目背景及項目簡介

實驗內容所涉及的科研項目來源于國家十二五科技重大專項——油氣測井重大技術與裝備（2011ZX05020）其中的一個子課題。該項目核心是在油田生產測井所使用的單芯測井電纜上實現(xiàn)井下測井儀器與地面系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，以解決新一代的成像測井儀器在生產測井中應用所面臨的傳輸速率瓶頸［9］。該傳輸系統(tǒng)的井下數(shù)據(jù)傳至地面采用正交頻分復用（OFDM）技術，地面?zhèn)髦辆虏捎煤唵蔚男盘柦惶娣崔D碼（AMI碼）實現(xiàn)。

OFDM技術因其具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強等突出優(yōu)勢在歐洲數(shù)字視頻廣播（DVB）、IEEE802.11的無線局域網（WLAN）、測井傳輸系統(tǒng)等領域廣泛采用。但是OFDM信號由于峰平比較大，對非線性失真敏感，因此在信號輸出端需要采用線性功放。對于測井傳輸系統(tǒng)而言，一般要求井下儀器耐溫至少達到150℃以上，當線性功放輸出功率較大時，無法適應高溫的要求，為此項目采用D類Sigma-Delta型數(shù)字功率放大器解決功率輸出的問題。理想情況下，此類放大器工作在開關狀態(tài)時不會消耗功率，故效率可近似為100，但受器件等因素的影響，效率會有所降低，實際的效率一般可達到90左右，這對于低功耗要求的測井傳輸系統(tǒng)是非常需要的［10］。

整個系統(tǒng)的設計方案如圖1所示。Sigma-Delta功率放大器的具體實現(xiàn)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)總體功能框圖

圖2 Sigma-Delta功率放大器實現(xiàn)功能框圖

2 項目中有關濾波器設計內容

為了實現(xiàn)Sigma-Delta型數(shù)字功率放大器代替線性功率放大器，整個設計涉及3個濾波器，分別是2倍內插后的半帶濾波器、64倍內插后的級聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器和輸出級的模擬低通濾波器。

半帶濾波器是一種滿足:且

H（ejπ/2）=0.5的FIR濾波器，常應用在2N倍的內插濾波器系統(tǒng)中。

CIC濾波器的沖擊響應可表示為:

式中，D表示內插濾波器的內插倍數(shù)。該濾波器結構簡單，但因通頻帶相對不平坦的劣勢，通常被應用在高倍內插系統(tǒng)的最后一級。

模擬濾波器的功能是恢復出有用信號。高精度低速率的OFDM信號經過Sigma-Delta調制后輸出低精度高速率的脈寬調制（PWM）信號，通過模擬低通濾波器把高頻噪聲濾除，得到高信噪比（SNR）的輸出信號。該濾波器可以采用巴特沃斯濾波器。

3個濾波器雖然都是低通濾波器，但是它們的設計要求、設計方法卻不一樣。半帶濾波器和CIC濾波器是一種數(shù)字濾波器，模擬低通濾波器是模擬濾波器。涉及的兩個數(shù)字濾波器也有各自比較顯著的特征，其中，半帶濾波器的濾波器系數(shù)有一半為0，因此在實現(xiàn)時可根據(jù)其特征進行優(yōu)化，而CIC濾波器的積分器是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此在用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）或數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)時需要考慮數(shù)據(jù)溢出的問題。

3 實驗的設計

3.1 實驗內容

如圖3和圖4所示，根據(jù)實驗教學的特點和要求，使用Matlab軟件中的Simulink搭建整個系統(tǒng)的實驗仿真平臺。

在實驗仿真平臺上，系統(tǒng)的關鍵性設計參數(shù)已經給出，系統(tǒng)中的OFDM調制和解調部分通過S函數(shù)進行封裝，對每個重要節(jié)點設置觀測模塊，以方便確定所設計的濾波器對系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)性能最終可通過輸出的SNR來評判。平臺中涉及的3個濾波器則需學生自行設計并加入到平臺中進行仿真。

圖3 系統(tǒng)仿真平臺

圖4 內插模塊內部實現(xiàn)功能模塊

整個實驗項目為學生配備了詳細的實驗指導書，該指導書給出了詳細的系統(tǒng)設計原理，關鍵系統(tǒng)參數(shù)設置，并給出了需要課后復習和自學的基礎理論知識。通過對這些內容的學習，最終讓學生設計半帶濾波器、CIC濾波器以及模擬濾波器。

整個實驗具體步驟要求有以下5點。

1）在Matlab下進行上述3個濾波器的設計，并且要求系統(tǒng)最終輸出的SNR大于72 dB（達到12位D/A轉換器的性能）。

2）對半帶濾波器、CIC濾波器進行定點化處理，要求SNR的輸出也滿足大于72 dB，同時給出定點化處理前后的系統(tǒng)性能。

3）根據(jù)所設計的模擬濾波器要求使用電感和電容等無源器件完成電路的設計，并利用電路仿真軟件進行仿真，分析其性能。

4）用硬件描述語言完成半帶濾波器、CIC濾波器的設計與仿真，并根據(jù)兩種濾波器的結構特征，采用合適的優(yōu)化方案，使得在滿足設計要求的基礎上所用資源最少，分析CIC濾波器的數(shù)據(jù)溢出對系統(tǒng)的影響并研究如何解決數(shù)據(jù)溢出問題。

5）結合整個系統(tǒng)，是否有更好的方案實現(xiàn)，提出自己的想法。

3.2 實驗過程的設計

實驗安排在大學三年級的綜合課程設計中，以3～4人為一組，實驗環(huán)境在校開放實驗室內進行。實驗開始前安排一次集中指導，主要介紹實驗所涉及的背景、基本原理以及涉及的相關知識，然后分實驗申請、中期檢查和終期答辯3個階段進行。每個階段均需要提交相關的報告。整個實驗的最終評定根據(jù)各階段的完成情況及最終答辯給出相應的成績。其中，最終的實驗報告按照以下7點闡述。

1）實驗原理:結合實驗指導書、已學過的課程以及課后自學的知識闡述實驗原理。

2）實驗過程:列出整個實驗過程重要功能模塊的完成時間。

3）個人總結:列出小組每個成員的主要工作。

4）實驗問題總結:總結整個實驗過程中所遇到的問題以及最終解決方法。

5）實驗測試結果:給出實驗的仿真方法及仿真結果，并進行分析。

6）實驗心得:對整個實驗進行總結，提出自己的想法及需改進的地方。

7）附錄:包括修改的仿真平臺、源代碼等。

3.3 實踐效果

本實驗的設計已應用到2010級的本科畢業(yè)設計（論文），以及本科2010級和2011級的綜合課程設計中。實踐結果表明，整個實驗對提高獨立思考能力、知識的綜合運用能力、團隊合作能力，激發(fā)學生科研興趣和創(chuàng)新能力等方面有良好的效果。如在2010級的一個學生實驗小組除完成所要求的實驗內容外，通過對科研項目背景的深入了解，在保持同樣性能的條件下，設計了一個穩(wěn)定的4階Sigma-Delta調制器，內插倍數(shù)由128倍下降到了32倍，輸出的pWM信號則由40 MHz下降到了10 MHz。

4 結束語

本文結合科研項目的成果設計了一個綜合性的實驗，并進行了實際教學實踐，實踐表明教學效果良好。依據(jù)科研項目進行綜合實驗的開發(fā)是專業(yè)實驗改革的一個有效途徑。此類實驗往往更受學生歡迎，更容易激發(fā)學生的學習熱情和提高學生學習的主動性。通過這類實驗可逐漸提高學生的自學能力、創(chuàng)新能力、團隊合作能力等多方面的技能，應該大力推廣。

［1］易紅.高校實驗教學與創(chuàng)新人才培養(yǎng)［J］.實驗室研究與探索，2008，27（2）:1-4.

［2］何林錦，翟云波，李彩亭，等.項目式實驗教學模式及其可行性評價方法［J］.實驗室研究與探索，2010，29（2）:94-96.

［3］漆強，蔣泉.以實驗儀器研制為平臺，培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力［J］.實驗科學與技術，2014，12（1）: 153-155.

［4］林成龍，游寶義.“科研成果進課堂”本科教學改革初探［J］.中國電力教育，2013（32）:69-71.

［5］張潤鋒，李運濤，陳亮，等.從科研訓練和科研立項內容開發(fā)綜合性實驗教學項目［J］.實驗技術與管理，2013，30（11）:37-39.

［6］樊玉清，洪波，趙越.課題研究教學模式在環(huán)境類專業(yè)實驗課中的實踐［J］.實驗室科學，2014，17（3）:22-24.

［7］劉鑫，劉琪芳，高文華.有源低通濾波器仿真設計教學研究［J］.電氣電子教學學報，2013，35（3）:59-62.

［8］陳小橋，張雪濱，吳曉潭，等.實驗教學中的模擬濾波器參數(shù)設計［J］.實驗室研究與探索，2011，30（9）: 230-233，234.

［9］顧慶水，陳偉，伍瑞卿，等.基于單芯測井電纜的高速遙傳系統(tǒng)的設計［J］.測井技術，2013，37（4）: 417-420.

［10］李坤，陳偉，顧慶水，等.基于OFDM傳輸系統(tǒng)的數(shù)字功率放大器設計［J］.電子技術應用，2012，38（12）:80-82，86.

Development of a Filter Design Synthetic Experiment Based on Scientific Research

GU Qingshui，JIA Congzhi，CHEN Wei
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Filter design is an important part of the digital signal processing course，which has the extremely wide spread application in many areas such as communication，signal and information processing.Based on achievements in scientific research，one designs a synthetic experiment which contains half-band filter，cascade integrator comb filter and analog low-pass filter，given the specific experimental content and the experimental process.To design filter is closely related with the scientific research project requirements.Through the experiment，students can not only master relevant theory and design method of filter，but also cultivate students’comprehensive practical ability，scientific research ability and team cooperation ability.Practices show that achievement in scientific research applied to the experimental teaching is an important approach to improve the teaching quality.

scientific research；synthetic experiment；filter design；teaching quality

G642.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.009

2015-03-19；修改日期：2015-04-22

顧慶水（1977-），男，碩士，講師，主要從事數(shù)據(jù)通信，嵌入式系統(tǒng)設計方面的教學。