滤波特性比较及分析论文

滤波特性比较及分析论文（通用4篇）

滤波特性比较及分析论文 篇1

0 引言

随着计算机科技日新月异的发展, 利用计算机获取、处理加工信息的相关科学技术也得到了迅猛的发展和广泛的应用。其中, 图像的应用领域在不断扩大, 由于人类社会传递与表达信息的主要是依靠语言和图像, 据统计视觉信息在人类接受的各种信息中占80%, 所以图像信息是十分重要的信息传递媒体和方式, 这使得图像信息处理技术形成了一门新兴学科, 图像处理技术一经问世, 就在医疗图像、核磁共振、医疗成像, 雷达探测, 图像压缩方面等成为研究热点。在对图像进行处理时, 人们利用计算机对数字图像进行相应的操作, 期望得到某种预期的效果, 并对相应的结果进行客观数据和主观效果的分析。在众多的图像处理过程中, 常用图像增强的方法改善图像的质量。实验仿真结果表明, 此方法效率高, 对图像处理效果较佳, 且计算复杂度低。

1 图像增强的基本概念

图像增强是数字图像处理的重要内容之一。它是指运用计算机或光学设备将原来不符合视觉效果的图像变得清晰或者抑制某些不关注的特征, 强调某些关注的特征, 从而改善图像质量、丰富信息量, 最终目的是使处理的结果更适合浏览者的视觉特性以及机器识别系统。这个过程只能增强人或机器对某种信息的辨识能力, 使处理后的图像对某些特定的应用比原来的图像更加有效, 但并不能增加原始图像的信息。

根据处理方法的不同, 我们给图像增强分为空域图像处理和频域图像处理两大类。空域增强法是以灰度变换为基础, 以增强为目的, 对图像中的各个像素点进行直接处理;频域增强法是以卷积定理为基础, 并修改DCT变换、傅里叶变换等变换后的系数, 然后再进行反变换, 得到处理后的图像在图像的某个变换域对图像进行的是间接操作。

2 图像增强算法

2.1 图像空域增强

空域滤波增强是图像增强的重要手段之一。它在对图像进行邻域操作时使用的是模板 (空域滤波器) , 利用模板对输入像素相应邻域内的像素值进行计算从而得到输出图像中每一个像素值。达到图像增强的途径是在同一时间内只抑制图像在某个范围内的分量, 而其他分量保持不变, 即获得了输出图像的频率分布。依据它的功能主要分为以下两种滤波:一种是通过低通滤波器实现的平滑滤波, 它只消除或减弱图像中的高频分量, 而不改变低频分量;一种是通过高通滤波器实现的锐化滤波, 它与前者相反, 它只消除或减弱图像中的低频分量, 而不改变高频分量。从数学形态上空域滤波可以依据它的特点分为线性滤波和非线性滤波;从处理效果上空域滤波可以分为平滑空间滤波和锐化空间滤波。

从图像空域增强的原理来分, 可分为图像空域滤波和空域变换。空域滤波是基于空域滤波器直接对图像的像素进行处理的, 主要是通过逐点移动空域滤波器, 使滤波器在对应点响应通过其初始系数与空域滤波器扫描过的相应区域的相应像素值的关系来计算的, 在这个其中主要包括了对图像的锐化, 即对图像进行线性、非线性和边缘检测, 和对图像的领域平均和中值滤波, 即对图像进行平滑处理。而空域变换则是一种点操作, 是基于图像像素点的方法, 其原理属于灰度变换。根据处理方法的线性性质可分为线性空域变换、分段线性空域变换和非线性空域变换, 按照其处理像素点的位置可分为几何点变换和直接灰度映射。根据灰度映射的处理方法又可分为直方图间接灰度变换、直方图均衡化和直方图直接灰度变换。

2.2 图像频域增强

从图像的频域角度分析可知, 在图像的频域同样可对图像进行增强, 只是对图像进行处理时, 方法和原理有些变化的, 图像空域增强方法是对图像本身进行处理, 而图像频域增强则是先将图像变换到频域, 再对频域的系数进行相应的处理, 进而达到对图像的增强。图像频域增强技术与空域增强亦有相似之处, 图像在频域内也可以实现对图像的频域进行滤波和边缘检测等功能, 其实现此功能的基本原理是基于频域滤波器来改变图像频域中的不同频率分量来实现的, 通过频域滤波器来滤除和保留不同的频率进而实现图像增强的效果。在众多方法中, 主要引用了频域低通滤波、频域高通滤波、频域带通和频域带阻滤波, 频域同态滤波等, 征对不同的用户需求可随机选择不同的频域滤波器来对图像进行增强。通过上面分析可知, 频域滤波不像空域滤波直接对图像自身像素进行改变, 而是把图像变换到另外一个空间中去进行研究和分析, 虽然处理过程较为繁琐, 但原理比较直观, 易于实现, 且效果较好。频域增强方法主要有以下三个步骤:

(1) 图像从图像空间转换到频域空间;

(2) 图像进行频域空间的增强;

(3) 增强后的图像频域空间系数变换到空间图像系数。

对图像实现频域增强主要通过对图像进行傅立叶变换、频域滤波器的设计和应用相滤波器对傅立叶变换系数进行相应处理, 即包括以下几个具体实现步骤:

(1) 对增强图像进行傅里叶变换的相关计算;

(2) 将计算结果与一个转移函数 (根据需要设计的, 如巴特沃斯型、理想型、高斯型、其他) 相乘;

(3) 再对得到的图像进行傅里叶反变换最终获得增强后的图像。

基于图像大部分能量都集中在频谱的低频和中频部分, 而图像的边缘部分和噪声则是对应图像的高频部分, 因此降低高频部分的成分就能减弱噪声对图像的影响, 这是基于低频滤波器的实现。而高通滤波器的作用正好相反, 它是高频分量通过, 使低频分量受到抑制。基于本文对图像的选择和对图像处理的预期效果, 选用高通滤波器对图像进行增强处理。高通滤波器可以对图像进行锐化处理, 以达到边缘增强的目的。

IHPF的频域表达式如下:

其中D0为截止频率, D (u, v) 为距离函数:

其特点是:物理上用电子元件无法实现, 存在振铃性质。

3 图像增强中高通滤波器仿真与分析

为了评估此方法对图像增强效果的性能, 本文选择了woman图像对其进行处理。根据频域增强算法对图像进行预处理, 并对频域高通滤波器的设计, 再根据所设计的算法原理对频域系数进行相应的增强处理得到如下图所示的实验效果图。

从图1可看出, woman图片经本文择优方法进行处理后, 频域增强效果较好, 当d0=5和d0=15时, 滤波后的图像无直流分量, 但灰度变化部分基本保留。当d0=30时, 滤波后的图像在图像轮廓的大部分信息仍然保留。当d0=80时, 滤波后的图像只剩下了边缘及斑点等信号突变的部分。

4 总结与展望

滤波器都具有锐化图像的功能, 通过H (u, v) 减少F (u, v) 的低频分量;边缘都得到了增强;在IHPF中存在振铃现象;可以使图像边缘更清晰, 失真更小, 而且细小的物体也能得到正确的过滤。

图像增强是面向人或者机器的, 针对不同人的喜好以及机器处理后的不同用途, 扩大图像中不同物体特征之间的差别, 它主要是一个主观的过程。本文中图像增强所采用高通滤波法, 则可增强边缘等高频信号, 使模糊的图片变得清晰。由于实验选择对比方面可能存在忽略一些因素的影响, 在接下来的时间里, 对此方面进行更深入的研究。因本人初次接触图像处理、经验可能不足, 文中难免存在不足之处, 希望读者提出宝贵意见。

参考文献

[1]陈超.MATLAB应用实例精讲, 图像处理与GUI设计篇.电子工业出版社.2011.

[2]罗华飞.MATLAB GUI设计与学习手记.北京航空航天大学出版社.2009.

[3]崔智全.MATLAB2009从入门到精通.中国铁道出版社.2011.

[4]钟麟.MATLAB仿真技术与应用教程.国防工业出版社.2009.

高斯滤波器特性分析及应用研究 篇2

“滤波”是处理信号的一种重要方法, 可以用来滤除或者抑制干扰信号, 从而达到提取和分离有用信号的目的[1]。高斯滤波器 (Gaussian Filter) 由于时频宽积最小, 具有优良的特性, 是一种理想的滤波器, 在图像处理、通信技术、计算机视觉等领域都有广泛的应用。但是与传统的巴特沃思滤波器不同, 高斯滤波器目前还没有完善的、成熟的设计理论和设计方法。所以对高斯函数和高斯滤波器的特性进行分析是非常有必要的, 为其应用奠定理论基础。

二、高斯滤波器特性分析

高斯函数是高斯滤波器的权函数, 其表达式为:

其中σ为分布参数, 当其减小时, 高斯卷积的平滑度减小, 反之提高。高斯函数具有中心对称性, 距离中心越远对信号的加权作用越小。高斯函数是时宽和频宽积最小的函数, 高斯滤波器也就是这一意义上的最优化滤波器。

2.1高斯滤波器的时域宽积最小特性

对于一个理想的传输系统而言, 系统的输出波形与输入波形相同。但是滤波器不会有如此的传输效应, 因为其本质是选频衰减[2]。幅频响应带宽变化与波形失真变化的积最小, 这是一个优化滤波器应该具有的特性。设f (t) 为高斯滤波器的单位脉冲响应, 滤波器引起的单位冲激信号输出失真, 可由时域冲激响应的均方根, 即它的脉宽变化来定义:

滤波器单位冲激响应的频域变换为, 其带宽变化为F (Ω) :

求两者的平方积, 根据Parseval恒等式和许瓦兹不等式可得:

可见f (t) 为高斯函数, 脉宽变化与带宽变化的乘积最小, 其它函数不具备这样的性质, 所以高斯滤波器是最优滤波器, 它既可以减小信号的失真, 又可以有效地进行选频衰减。

2.2高斯滤波器与矩形幅频响应滤波器比较

具有矩形幅频响应的滤波器, 其幅频特性如下式:

其中ΩC为截止频率。由幅频特性公式可以看出, 具有矩形幅频响应的滤波器没有中间过渡带, 有良好的通带截止特性, 而其在阻带内衰减为无穷大, 这样阻带内各频率分量可以被完全抑制掉。截频处衰减的剧烈变化导致这样的滤波器单位冲激响应和单位阶跃响应有过冲。而高斯滤波器则相反, 它在截频处的衰减变化缓慢, 所以单位脉冲激响应和单位阶跃响应没有过冲。高斯滤波器还具有理想的时域响应特性, 这些特性对于某些领域的应用特别重要。

三、高斯滤波器的应用研究

利用高斯滤波器进行圆度测量实现了圆度测量的高精度、高效率, 是国际上正在研究和推行的一种新方法[3]。将高斯滤波器应用到LOG滤波器的实现上, 不仅可以实现高精度、高效率, 还更加简捷, 因为对于不同参数的LOG滤波器, 只需要调整一个参数, 而传统的方法要更新整个模板, 这是设计LOG滤波器的一种新的方法。高斯滤波器已经被成功地应用于表面粗糙度测量中, 其精度和效率满足国际标准ISO11562规定的传输特性要求。高斯滤波检测光学元件损伤检测的具体思路为:第一步, 对损伤图像进行灰度拉伸和增强处理, 利用高斯滤波器对损伤图像进行平滑处理, 滤除噪声;第二步, 采用阈值法, 对损伤图像进行分割, 提取所需要的区域和光学元件损伤的特征参数:第三步, 利用K最近邻算法对光学元件损伤图像进行在线检测。实验结果表明, 利用高斯滤波对光学元件损伤图像进行检测, 对划痕、麻点、最小裂纹等检测项目的检测率可以达到95%以上, 远远低于其它方法, 这说明高斯滤波器不仅可以去除光学元件损伤图像中的噪声, 且有利于损伤元件特征参数的提取。

四、小结

本文首先对高斯滤波器的时域宽积最小特性进行了分析, 得出高斯函数的脉宽变化与带宽变化的乘积最小, 其它函数不具备这样的性质, 高斯滤波器也就是这一意义上的最优化滤波器。然后将高斯滤波器与矩形幅频响应滤波器进行比较, 为其设计理论和实现方法奠定理论基础。最后研究了高斯滤波器在光学元件损伤图像处理中的具体应用, 说明高斯滤波器是光学元件损伤检测的一种新工具。

参考文献

[1]王久阳, 何广军, 朱福军.基于线性高斯滤波的多传感器管理算法[J].探测与控制学报, 2009 (5) :38-41, 47.

[2]金小贤, 李卫军, 陈旭.一种基于视觉特性的仿生图像增强算法[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2010, 22 (3) :534-537.

滤波特性比较及分析论文 篇3

微环谐振滤波器具有结构简单、尺寸小和可实现功能多等优点,被广泛应用于半导体激光器、光波导调制器和光波导滤波器等器件中,而利用微环设计的超窄带滤波器在WDM(波分复用)和DWDM(密集波分复用)光通信系统中也有重要应用。微环谐振滤波器是一种存在多种损耗的元器件,损耗的存在会使滤波器的带宽变宽、精细度降低。为了补偿微环中的损耗,利用有源微环代替无源微环是一种有效的方法[1],利用微环材料的热光效应改变其有效折射率,可实现滤波器滤波范围的可调谐性[2,3]。

近年来,国内外研究者对光学微环谐振滤波器进行了大量的研究,但大多集中在有源或可调谐方面,且研究的微环结构多数无法同时实现超窄带滤波[3,4,5,6,7,8,9,10]。本文提出一种基于双微环引起范诺共振效应实现超窄带滤波的微环滤波器,通过泵浦波导和微加热装置,使其在实现超窄带滤波的同时具有有源和可调谐性能。重点分析了微环谐振滤波器内净增益对滤波器的透过率、超窄带带宽等传输因素以及构成微环的材料的热光效应对滤波功能的影响,为进一步研究和开发此类滤波器提供了可靠的理论与实验依据。

1 理论模型

图1所示为双微环谐振滤波器模型结构示意图,在两条总线波导耦合单环(环1)的基础上,再耦合一个微环(环2),两环均为石英材质。图中,EIN为信号光的输入光场,T为Through的输出透过率,ED为Drop的输入光场(为便于分析,设定ED=0),D为Drop的输出透过率。输入光经过总线波导与微环波导之间的耦合进入微环谐振腔,微环谐振腔中的光再经过微环波导与总线波导之间的耦合返回输出到总线波导。

器件的增益部件,即泵浦波导由具有光放大能力的掺Er-Yb的磷酸盐材料制作。通过泵浦波导的作用使微环波导中的铒离子激发到高能级上,然后在信号光的作用下辐射对应的光波,使信号光得到放大。而当信号光的光增益大于腔内损耗时,微环就有了净增益。器件的微加热装置是将作为热源的衬底通过“T形结”连接到微环上,从而将衬底的热量传递给微环波导,微环波导由于热光效应而改变有效折射率,从而达到调节滤波器传输性能的目的。为了简单起见,假设两条总线波导和环1的耦合系数都为t1,直通系数为r1,环1和环2之间的耦合系数为t2,直通系数为r2。

双微环谐振滤波器的输入、输出端结构与单环结构类似,参考耦合模理论,由单环谐振器输出关系可推导出Through和Drop端的光强透射率表达式分别为[10]

式中,a为通过环1的加载振幅,a=a1|T2|,其中T2=[r2-a2exp(-iδ2)]/[1-a2r2exp(-iδ2)],aj=exp[(-lossj+gainj)Lj],lossj与gainj分别为第j(j=1、2)个环的损耗因子与增益因子,Lj=2πRj为第j个环的周长,Rj为微环的半径。修正相位δ的表达式为

式中,δj=2πneffLj/λ是波长为λ的光通过周长为Lj的环产生的相位变化,γ=δ2/δ1为通过两个环产生的相位之比,其中neff=n0+βΔT为有效折射率,n0为室温下双环的线性折射率,β为室温下所选材料的热光系数,ΔT为微环波导升高的温度。由式(3)可知,δ与通过两条光通道产生的相位不同,它是衡量双微环是否处于共振状态的参数。在图1所示的结构中,当环2处于非共振时,会引起环1快速连续地从干涉相消变化到干涉相长,并产生非常强烈的共振,此时Drop端的输出最大,Through端的输出最小。一般将这种由于环2的干涉而产生的共振称为范诺共振[6],这种状态出现时会在传输光谱中出现带宽较窄的超窄带。

以γ=2为例推导微环谐振器的超窄带滤波的带宽表达式,考虑无损耗时的范诺共振,以及其固有的2π周期性,只需分析δ在谐振点附近的一个周期,当δ=0时处于范诺共振状态,可得最大光强透过率为

由于双环范诺共振和单环耦合两条总线波导的情况类似,因此式(2)可描述成,其中是洛伦兹线型函数(a0是当δ2=0时a=a1|T2|的值),从而进一步可推导出带宽表达式为

式中,,其中B21=(1-r22)/(1-a2r2)2,T20=|(a2-r2)/(1-a2r2)|为δ2=0时T2的绝对值。利用MATLAB软件,对上述推导结果分别进行计算及仿真。

2 结果与讨论

2.1 微环滤波器的输出特性及超窄带的产生

由式(1)~(3)可知,影响双微环滤波器输出特性的参数主要有双环的半径R1、R2,环1和两条总线波导之间的直通系数r1,两环之间的直通系数r2等。结合式(1)、(2)并利用MATLAB软件,可分别得到微环滤波器Through端和Drop端的输出特性曲线。过程中涉及的参数分别为环1的半径R1=20μm,直通系数r1=r2=0.95,室温时石英材料的折射率n0=1.644。

图2所示为无增益且无加热情况下,通过两环产生的相位比γ=1及微偏离γ±0.05时微环滤波器Through端的输出特性曲线。由图可知,不同的相位比条件下得到的透过谱与单环相比均发生了模式分裂,这是由于双环滤波器的范诺共振使得透过谱发生了模式分裂,且分裂的共振谱明显受到两微环相位比γ值的影响。当两环相位比γ=1时,环2处于共振,两个共振点发生在线性相位处,表明产生了对称的范诺共振;而当γ=1±0.05时,由图2(a)和(c)可知,此时均为一个共振点发生在线性相位处,另一个处于非线性相位处,均产生了不对称的范诺共振。可见,无论两微环相位比是增大还是减小,分裂的共振透射谱会相对于同相位比的情况发生不对称平移。Drop端的透过率谱图如图3所示。

由图可知,由于范诺共振,双环滤波器的共振谱亦发生了模式分裂,在原归一化横坐标-0.5、+0.5处,即对应于1 499.4和1 513.9nm处,波峰的位置变为波谷,而分裂的谱线对称分布于波谷两端。由图中还可明显看出,当γ=2时,在归一化光波频率为0处,即波长为1 506.6nm处,出现了一个带宽非常窄的窄峰,由具体参数代入式(5)计算、也可由图3(b)局部放大可知,出现的窄带带宽值约为0.05nm,基本满足超窄带带宽0.01nm数量级的要求。而当γ=4时,在归一化光波频率-0.165、+0.165处,即对应的波长分别为1 504.2和1 509.0nm处,出现了超窄带。当γ=6时,在归一化光波频率0点及左右两侧对称出现了3个超窄带。表明随着相位比γ的增加,可实现滤波的超窄带数同步增加。易证明在一个周期范围内(-0.5~+0.5相位比),当γ=2n(n=1,2,3…)时,光谱中出现的超窄带数为n,且其对称分布于归一化光波频率0点两侧。这是因为随着γ的增加,满足发生范诺共振的波长增多,相应可以发生谐振的波长范围也会增加。而在无增益且无加热情况下,由于γ=δ2/δ1,且δj=2πneffLj/λ,即γ=R2/R1,因此理论上只需要通过调节两环半径的相对大小,即可实现双环滤波器对超窄带个数及位置(波长)进行适当调节。

但实际情况下,微环波导的损耗会使超窄带带宽变宽,且谐振波长不可连续调谐,因此有必要研究器件在有增益且加热情况下的滤波特性。另外,由于双环滤波器的输入光场最终通过Through端和Drop端的输出滤波器,即Through端和Drop端的透过率之和应等于1,因此,下面仅对Drop端的传输特性进行分析。

2.2 微环增益对滤波器传输特性的影响

由式(3)数值模拟不加热时不同的增益对Drop端透过率的影响,参数同上,结果如图4所示。由图可知,增益可使滤波器在1 508.6和1 510.1nm两个谐振波段处的透过率增加,甚至使其透过率大于1,这归因于光增益弥补了光信号振幅的损耗。同时发现,在环2中添加增益比在环1中添加更有利于提高Drop端的透过率,主要是因为光在环2中的有效路径比较大,产生的光振幅增益也较多。由图中还可以明显看出,随着增益因子的增大,Drop端透过率亦增大,且当两环的增益因子均为0.000 001时,Drop端透过率达到最大。但透过率并不是随着增益的增大无穷增长,当两环增益因子均为0.000 003时,透过率反而会减小,这可能是因为透过率与增益因子之间存在某种非线性变化关系,故在实际应用中增益应控制在一定范围内。

由式(5)数值模拟无加热情况下两环具有不同增益时的超窄带带宽的变化,参数同上,结果如图5所示。由图可以看出,在仅环1有增益、仅环2有增益及两环同时有增益的3种情况下,增益均可使滤波器的带宽变得更窄,这与光振幅损耗会降低透过率光谱曲线的坡度使通带带宽变宽的结果相反。但3种情况对滤波器的超窄带带宽的改变率不一致,在增益因子大小相同的情况下,两环中同时有增益比环1或环2某一环中有增益更有利于使微环滤波器带宽变窄。当两环同时有增益且增益因子约为0.000 0002 2时,微环滤波器带宽从无增益无损耗时的0.05减小至0.01nm,可满足光通信系统中DWDM不断升级的要求。

2.3 双环温度的变化对滤波器谐振波长的影响

通过连接在微环上的“T形结”将衬底的热量传递给石英材质的微环波导,从而提高微环波导的温度。当两环的温度变化时,其有效折射率会发生改变进而使光传播有效路径亦随之改变。如两微环有效折射率增加,相应的光传播路径亦增加,从而使谐振波长发生红移,反之则发生蓝移。仍取两微环相位比γ=2,使双环由室温300K分别同时升高10和20K相同的温度,其他各参数同上,数值模拟Drop端的光谱图,结果如图6所示。

由图6可知,当两环温度变化相同时,环2与环1的相位变化比仍为2,且由于两微环为通信常采用的G.652单模光纤,其纤芯由正热光系数的石英材料组成,因此双环升高相同的温度时,Drop端的谐振波长会随着温度的升高而发生红移,且随着温度的进一步升高,红移将增加。通过精确的数值计算可知,其谐振波长可从无加热时的1 499.5和1 500.6nm红移至温度升高20K时的1 509.2和1 513.5nm,调谐范围实现了接近自由光谱范围,即完成了对一个周期的调谐。上述结果表明,当两微环升高相同温度时,微环滤波器Drop端可以得到一个均匀对称且可调谐的透过光谱。

3 结束语

提出了一种带有微加热装置和泵浦波导结构的双微环滤波器,可同时实现超窄带滤波和谐振波长的连续可调谐性。通过耦合模理论推导了该器件的透射率及超窄带带宽公式,MATLAB数值模拟结果表明,由于范诺共振效应使得微环滤波器输出光谱中出现了超窄带,且超窄带数随两环相位比γ的增加而增加;同时发现波导中的增益不仅可以提高滤波器的透射率,还可减小滤波器的超窄带带宽,当两环中同时有增益且增益因子约为0.000 0002 2时,可使双微环滤波带宽从无增益无损耗时的0.05减小至0.01nm,从而可满足光通信系统中DWDM不断升级的要求。此外,通过微加热装置调控微环波导的温度,间接改变微环的有效折射率,可使双微环滤波器谐振波长从无加热时的1 499.5和1 500.6nm红移至温度升高20K时的1 509.2和1 513.5nm,从而实现超窄带滤波的连续可调。为进一步研究和开发超窄带滤波器提供可靠的理论与实验依据。

参考文献

[1]Marques Carlos A F,Oliveira Roberson A,Pohl Alexandre A P,et al.Adjustable EDFA gaine qualization filter for DWDM channels based on a single LPG excited by flexural acoustic waves[J].Optics Communications,2012,285(18):3770-3774.

[2]Shinobu Fumihiro,Ishikura Norihiro,Arita Yoshiki,et al.Continuously tunable slow-light device consisting of heater-controlled silicon microring array[J].Optics Express,2011,19(14):13557-13564.

[3]Dong Po,Shafiiha Roshanak,Liao Shirong,et al.Wavelength-tunable silicon microring modulator[J].Optics Express,2010,18(11):10941-10946.

[4]Mario L Y,Lim D C S,Chin M K.Proposal for an ultranarrow passband using two coupled rings[J].IEEE Photonics Technology Letters,2007,19(20):1688-1690.

[5]YANG Jian yi,JIANG Xiao qing,WANG Ming hua,et al.Characteristics and Limitations of Optical Filters Employing Single-ring Microresonators[J].Journal of Optoelectronics Laser,2003,14(1):12-16.

[6]Gutierrez A M,Brimont A,Rasigade G,et al.RingAssisted Mach–Zehnder Interferometer Silicon Modulator for Enhanced Performance[J].Journal of Lightwave Technology,2012,30(1):9-14.

[7]Shen Hao,Khan Maroof H,Fan Li,et al.Eightchannel reconfigurable microring filters with tunable frequency,extinction ratio and bandwidth[J].Optics Express,2010,18(17):18067-18076.

[8]Zhou L,Zhang X,Xu E,et al.A novel tunable cascaded IIR microwave photonic filter[J].Optics Communications,2010,283(14):2794-2797.

[9]Gil L,Columbo L.Theoretical description of spontaneous pulse formation in a semiconductor microring laser[J].Physical Review,2011,83(1):013822-013831.

EMI滤波器特性分析 篇4

关键词：电磁干扰,滤波器,共模,差模

随着电子技术的发展,电磁干扰(EMI)已经严重影响到电子设备的正常工作。传导干扰是电磁干扰中最常见的一部分[1]。目前解决电磁干扰的途径是就加装EMI滤波器,因此分析和研究EMI滤波器有着重要的现实意义。

1 EMI滤波器基本理论

(1)基本结构

EMI滤波器是由电感和电容组成的低通滤波器。其一般的拓扑结构如图1所示。

CX是差模滤波电容,CY是共模滤波电容;L1为共模扼流圈,L2为独立电感。滤波器共模等效电路和差模等效电路分别如图2和图3所示。其中,Le为共模扼流圈的漏电电感。

由图2所示的共模等效电路可以得到图4所示共模电路简化等效图。其中Lcm=L1+0.5×L2,Ccm=2×CY。由图3所示的差模等效电路可以得到图4所示的电路形式。其中,Ldm=L3+2×L2,C1=CX+0.5×CY。由于一般共模电容CY远小于差模电容CX,所以可以认为C1≈C2。

(2)插入损耗

EMI滤波器对干扰信号的抑制能力用其插入损耗(IL)来衡量。插入损耗定义为:没有滤波器接入时,从干扰信号源传输到负载的功率P1,和接人滤波器后,从干扰信号源传输到负载的功率P2之比,通常用dB表示,滤波器的插入损耗与滤波器网络的网络参量以及源端、负载端阻抗有关[3]。插入损耗可以表示成式(1)的形式

其中,Rs和RL分别是源端和负载阻抗,a11,a12,a21,a22为滤波器网络的A参数。

2 电容,输入输出阻抗对插损的影响

在实际当中,电感一般是不可变动的,而电容可调,分析电容和插损具有实际意义。滤波器的插入损耗和其两端的输入输出电阻有着重要的关系,下面是共模差模电路中的实际情况:

(1)共模电路:150 kHz以开关电源为例,输入输出阻抗都为50Ω时,取电感为5 mH。让共模电容在1 000 pF和10 000 pF之间变动。其结果如图6所示,共模电容和差损成正比。经过仿真计算,在其他频段可得到同样的结论。共模电容因为要进行接地,在CY上会产生漏电流Iid,漏电流的大小对于人身安全至关重要,所以不同国家对不同类型的电子设备的接地漏电流都做了严格的规定。同时共模电容变化会影响共模滤波电路的截止频率[2],所以在保证漏电电流限制和截止频率指标满足的前提下,可以通过提高共模电容量来提高插损。因此,一般通过电容变化来提高插入损耗都应该是微调电容大小。

取共模电容为4 700 pF,共模电感为5 mH,通过共模滤波器的干扰信号在0.5 MHz时,通过变化输入输出阻抗来看对插入损耗的影响。如图7所示,可以看到将一端阻抗固定为50Ω,另一端阻抗越小,插入损耗越大;共模滤波器两端输入输出阻抗同时变化时,两端阻抗越小,插入损耗越大。所以在滤波器应用中,可以通过减少滤波器两端的对地电阻来提高滤波器的插入损耗。

(2)差模电路:如果忽略掉共模电容对差模电容部分的影响,差模电路就成为一个对称的π型电路。固定差模电感量为0.05 mH,固定输入输出阻抗都为50Ω,差模电容在0.45μF～1μF之间变化时,差模电容变化对插损的影响。如图8所示,差模电容和插损成正比。因此可通过增大差模电容方式来提高差模插入损耗。同时差模电容变化也像共模电容一样应考虑截止频率的变化,所以电容调节差损应为微调。

差模干扰信号在50 kHz时滤波电路两端阻抗变化对插入损耗的影响,如图9所示。由于此电路对称,只须固定任意一端阻抗,变化对应的另一端阻抗。可以看到,在固定频率点上,π型差模电路一端阻抗固定50Ω,另一端阻抗越大插入损耗越大;两端阻抗同时变化时,两端阻抗越大插入损耗越大。所以在滤波器应用中可以通过增加滤波器两端相线和中线之间的阻抗来提高滤波器的实际插入损耗。

3 结束语

文中通过降EMI滤波器共模和差模电路进行等效,分别对共模和差模电路电容与插损的关系,共模出入输出阻抗与插损的关系,差模输入输出阻抗与插损的关系做了分析。得到滤波电容越大,插损就越高。差模滤波部分两端的阻抗应该尽可能的大,共模部分两端阻抗应该尽可能的小。共模和插模电路的输入输出阻抗回路不同,可以通过提高滤波器两端的相线和中线之间的阻抗来提高差模插入损耗;可以通过减少滤波器两端相线和中线的倒地阻抗来提高插损。

参考文献

[1]Paul C R,Hardin K B.Diagnosis and Reduction of Con- ducted Noise Emissions [C].IEEE Transaction on Elec- tromagnetic Compatibility,EMC -30,1988: 553 -560.

[2]贾科林，琼梅，毕闯，等．EMI滤波器的设计及仿真[J]．安全与电磁兼容，2007(3)：68-71．