低通滤波器（精选7篇）
低通滤波器 篇1
0 引言
21世纪是一个信息化的世纪, 纷繁复杂的信号充斥在我们的周围, 同时有用的信号总是与噪声信号相互交织难以区分, 故能够设计一种可以分离出有用信号的电路就显得尤为必要。可以实现这一目的的模块叫做滤波器, 滤波器除了能够把噪声信号有效地滤掉, 还具有平衡有用信号的频带幅度、相位特性的功能。滤波器可以从混杂的信号中分离出有用信号, 抑制噪声信号的功能使得它在通信、控制及信号处理等领域发挥着重要作用。LC低通滤波器是滤波器大家庭中不可缺失的一个分支, 在我们的日常生活、工业生产、交通通信等诸多领域发挥越来越大的作用。本文从巴特沃斯模型进行数学处理, 在相应的函数模型下做归一化电路元件参数计算, 再由特性阻抗得到对应电路元件的实际参数, 然后利用电路仿真软件mulisim8对电路进行仿真, 并分析各元件参数变化时对频率特性的影响。
1 巴特沃斯滤波器的设计原理
巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数为:
式中正整数N指的是滤波器的阶次, 代表通带截止频率。
当时, 有
所以又称为巴特沃斯低通滤波器的3分贝带宽。巴特沃斯低通滤波器的特点如下:
(2) 当时, , 或
为通带最大衰减。
2 巴特沃斯滤波器电路设计
给定的滤波器指标, 按照上述方法进行实际分析和设计滤波器指标:
滤波器指标:
(1) 求阶数N
取大于此数的整数N=4
(2) 归一化巴特沃斯滤波器的元件值
(3) 去归一化
由上面的推导可知
因此
最终设计图如图1所示:
3 巴特沃斯滤波器仿真
在输入和输出端加上波特图仪, 根据波特图仪研究电路的幅频和相频特性, 图2为4KHz-8KHz的幅频特性仿真曲线, 图3为设计滤波器电路的相频特性曲线, 为了更明确地说明问题, 在图中分别标明了几个和指标对应的频率点, 可以看出滤波器基本上达到了指标所要求的指标。
4 结语
根据给定的指标, 采用巴特沃斯归一化低通原型的滤波器设计了LC巴特沃斯低通滤波器, 在设计低通滤波器的时候, 是以归一化的设计数据为基准滤波器, 通过截止频率变换和特性阻抗变化来求出待设计滤波器的元件参数。比传统的模拟滤波器的设计数值计算要简单。完成了LC巴特沃斯低通滤波器的软件仿真, 对比实际要求的滤波器的指标, 验证了方法的正确性。
参考文献
[1]刘砚涛.LC滤波器设计方法介绍及其仿真特性比较[J].电子测量技术, 2010.5第33卷
[2]赵全明, 曹晓.微带带通滤波器CAD仿真[J].电子元器件应用, 2008.10 (12) :76-78
[3]李宏军.网络变换在设计滤波器中的应用[J].半导体技术, 2002.27 (11) :15-17
[4]梁杰.LC滤波器中元件参数的计算[J].电子制作, 1999 (2) :46-48
低通滤波器 篇2
真空断路器广泛应用于电网中, 其运行状况在很大程度上决定了电力系统的安全运行。而真空灭弧室的真空度是影响真空断路器工作可靠性和使用寿命的主要因素 (真空断路器故障的70%左右是由于真空灭弧室真空度的劣化造成的) 。所以, 通过对真空灭弧室的真空度检测可以较好的判断真空度断路器的运行状况。现在国内外常用的检测方法有磁控放电法和屏蔽罩电位法, 在这两种检测方法的电路设计中都存在直流电流或电压信号的滤波问题。普遍的方法是使用简单的RC滤波或模拟滤波器, 如二阶巴特沃斯滤波器, 但效果一般[1]。Lab VIEW以其灵活性、模块化以及编程的便利性等特点在测控领域掀起了一场革命, 并在信号处理领域得到广泛的应用。本文针对上述滤波问题设计了一种基于Lab VIEW的低通数字滤波器。当目标信号为直流信号时, 通过对不同类型滤波方法性能的比较分析, 选择出最佳的滤波方法。
1 数字滤波器
滤波是信号分析领域的重要组成部分。根据滤波器所处理信号不同分为模拟滤波器和数字滤波器。以往的滤波器大多采用模拟电路技术进行设计, 但是模拟电路技术存在电压漂移、温度漂移和噪声等很多难以解决的问题, 而采用数字技术则避免很多类似的难题。并且数字滤波器在滤波效果方面也有很多突出的优点, 都是模拟技术所不能及的, 所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向[2]。
鉴于数字滤波器与模拟滤波器相比有很大的优点, 在选择滤波方案是要根据条件尽可能的选择数字滤波器。
数字滤波领域分为无限长单位冲激响应 (IIR) 数字滤波器和有限长单位冲激响应 (FIR) 数字滤波器两部分内容。包括它们的数字逼近问题、综合问题 (包括选择滤波器结构及选择运算字长) 以及具体的硬件或计算机软件实现[3]。
一个数字滤波器可以用系统函数表示[3]为:
直接由H (z) 得出表示输入输出关系的常系数线性差分方程为:
可以看出, 数字滤波器的功能, 就是把输入序列通过一定的运算变换成输出序列。
设N阶FIR数字滤波器的单位取样响应为h (n) ≠0 (n=0, 1, 2, ……, N-1) , 其传递函数可表示为式 (3) 所示:
FIR滤波器的频率响应为式 (4) 所示:
从 (4) 式可以看出, FIR滤波器总是稳定的, 因此FIR滤波器设计起来要相对容易一些。
IIR滤波器采用递归结构, 其运算结构由延时、乘以系数和相加等基本运算组成, 传递函数表达式为:
其中α1k、α2k、β1k、β2k (k=1, 2, …, N) 为滤波器系数, 滤波器的频率响应为:
常用的IIR滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器等。不同类型的滤波器有各自不同的特点, 用途也不尽相同, 在实际的应用过程中要根据需求设计滤波器响应的指标。
数字滤波器的实现方法通常有三种方法:用单片机来实现, 利用DSP芯片来实现以及在通用的微型机上用软件来实现。在使用单片机实现数字滤波器时, 滤波程序需要占用单片机资源。由于单片机速度和存储容量都很有限, 实际应用中由于实时性和储量的限制, 在普通单片机上要实现复杂的数字滤波是不太可能和不实际的。DSP芯片较之单片机有着更为突出的优点, 如内部带有乘法器、累加器, 采用流水线工作方式及并行结构, 多总线, 速度快, 配有适于信号处理的指令等。DSP芯片的问世及飞速发展, 为信号处理技术应用于工程实际提供了可能, 但是现有的DSP芯片实现的数字滤波器价格普遍偏高, 使其应用受到一定限制。总之, 充分利用虚拟仪器技术 (Lab VIEW) 研究功能强大、性价比高的虚拟数字滤波器, 使之更好地满足实际应用的需求, 具有很好的现实意义[4]。
2 数字滤波器设计实例与比较
2.1 低通滤波器的软件实现
Lab VIEW具有简单的编程语言和容易编写的控制控件, 是功能强大的编译型图形化编程语言, 具有准确、简单、直观等特点, 将在电子、电气、计算机、生物、机械等领域的测试、测量和自动化中得到越来越广泛的应用[5]。Lab VIEW是一种基于图形化编程方式的虚拟仪器软件开发环境。Lab VIEW程序有两部分组成:前面板程序和后面板程序 (框图面板程序) [6]。下面介绍低通数字滤波器的软件实现过程。
如前所述, 在测量真空灭弧室的真空度时, 磁控放电法和屏蔽罩电位法得到的离子电流是都是直流。那么, 仿真时滤波器的输入原始信号可设置为直流电流和白噪声的混合信号。设计程序过程如下:首先, 从Lab VIEW信号生成模块选择Square Wave.vi产生方波, 将其占空比设置为100%, 则方波信号即为直流信号。同时, 设置其幅值 (幅值设置为1) 、周期以及采样频率。其次, 同样在信号生成模板选择Uniform White Noise.vi产生白噪声, 将白噪声信号通过一个high-pass滤波器形成高频噪声, 使低通滤波的效果更加明显可靠。再次, 将直流信号和白噪声信号叠加, 形成原始信号。最后, 从滤波器模板选择不同的类型的滤波 (Butterworth、Chebyshev、Bessel、Inverse Chebyshev、Elliptic等5种) , 设置相应的低截止频率、采样频率和滤波阶数, 恢复直流信号。并且, 通过FFT.vi得出滤波前后信号的频谱。需要指出的是本程序使用了条件结构, 通过简单的操作, 可以选择使用不同的滤波器类型。
以Butterworth滤波器为例, 图1是低通滤波器的程序设计框图。图2上图的子图是原始信号波形, 即直流信号与高频噪声信号的混合波形, 横轴为时间, 单位为秒 (s) , 纵轴为幅值, 单位为伏特 (V) ;下面的子图是经过滤波后的信号波形, 横轴为频率, 单位为赫兹 (Hz) , 纵轴为幅值, 单位为伏特 (V) 。两个子图进行对比可以看出高频噪声信号被滤掉, 最终得到了一个幅值为1的稳定直流信号。图3上面的子图是原始信号的频谱, 从图可以看出原始信号中谐波很多, 而且其幅值较大;下面的子图是滤波后的信号频谱, 可以看出频率为0的信号, 即直流信号的幅值最大, 基本上没有其他频率的信号。通过滤波前后对比, 可以看出所设计的滤波器的滤波效果良好。
2.2 不同类型低通数字滤波器性能的分析比较
利用程序中的条件结构, 依次选择Butterworth、Cheby-shev、Bessel、Inverse Chebyshev、Elliptic类型的滤波器, 滤波器的截止频率均设置为10 Hz, 阶数均设置为6, 并且程序中其他模块的参数相同。分别进行滤波, 得到信号经过不同类型滤波器前后的波形。图4是Chebyshev低通滤波器滤波前后的波形, 图5是Bessel低通滤波器滤波前后的波形, 图6是Inverse Chebyshev滤波前后的波形, 图7是Elliptic低通滤波器滤波前后的波形。
分别通过时域和频域对比分析图2至图7, 可以得出Bessel低通滤波器的滤波效果最好, 即滤波后信号在最短时间内达到稳定, 纹波最少, 并且所含杂波最少。
综上, 真空断路器的真空度检测的电路设计中使用Bessel低通滤波器达到的滤波效果最佳。
3 结束语
本文设计的基于Lab VIEW设计的虚拟数字低通滤波器, 可以同时分析滤波前后信号的时域和频域信号, 使研究人员分别在时域和频域两方面进行观察比对。另外, 针对含有杂波的直流信号, 采用不同类型的数字低通滤波器进行滤波, 对滤波结果作了详细的了比较分析, 确定了真空断路器真空度检测时信号滤波的最佳方案———Bessel低通滤波, 电力系统的研究人员在设计真空断路器真空度检测系统时可应用这一结果。
摘要：介绍了一种基于LabVIEW的虚拟低通数字滤波器的设计方法, 实现了对滤波前后信号的时域和频域进行分析;并以真空断路器真空度检测中存在的直流信号滤波问题为例, 对不同类型的常用低通滤波器的滤波性能进行了比较分析, 选择出效果最佳的滤波器类型, 为真空断路器真空度检测电路设计中低通滤波器类型的选用提供了参考。
关键词：虚拟仪器,LabVIEW,低通滤波器,数字滤波,真空度检测
参考文献
[1]郭雪松, 赵智忠.真空度测量专家系统中的数据采集与数据融合研究[D].河北:河北工业大学, 2010.
[2]康华光, 陈大钦.电子技术基础模拟部分 (第五版) [M].北京:高等教育出版社, 2006.
[3]王世一.数字信号处理 (修订版) [M].北京:北京理工大学出版社, 1997.
[4]程佩青.数字信号处理教程[M].3版.北京:清华大学出版社, 2012.
[5]陈树学, 刘萱.LabVEW宝典[M].北京:电子工业出版社, 2011.
低通滤波器 篇3
关键词：有源,低通滤波器,设计
1 概述
低通滤波器LPF是滤除噪声用得最多的滤波器。由于对带内不平度和带外衰减的严格要求, 有时需要十阶以上有源低通滤波器。我们设计一个十二阶巴特沃兹有源低通滤波器。并使用multisim电子电路仿真软件进行性能仿真。
2 设计方法
2.1 电路形式
截止频率为ωc的二阶低通滤波器的典型全极点传递函数可以写成:
常数B和C是归一化系数, K为通带内电压放大倍数, 为截止频率。
选择压控电压源电路作为低通滤波器的电路形式。
图1电路以下列关系式实现 (1) 式二阶低通函数。
2.2 设计步骤
联立 (2) 、 (3) 、 (4) 式得电路中各电阻值。
电路的C1C2值可以任意选取, 如果希望通带内放大倍数为1, 可以将电路接成电压跟随的形式。
为了保证R1能够实现, C1的选择应满足不等式 (7)
3 设计实例
设计一个十二阶有源低通滤波器, 指标为:截止频率fC=2.1k Hz, 通带电压放大倍数:Auo=1, 0~1.98k Hz不平度小于等于1d B, 带外倍频程幅度衰减大于70d B。
3.1 设计数表
给出12阶巴特沃兹低通滤波器的归一化系数见表1。
选择C1C2, 按 (5) 、 (6) 式计算各电阻值, 完成各个滤波节的参数计算。
3.2 仿真结果
通过multisim电路仿真试验能够得到一个性能优良的巴特沃兹12阶有源低通滤波器。1.98k Hz时-1d B, 2.1k Hz时-3.2d B, 4.2k Hz时-72.1d B, 满足设计要求。
4 结论
通过设计的十二阶有源低通滤波器, 给出了设计12阶有源低通滤波器的基本设计方法, 步骤和归一化参数, 经过电路仿真我们设计的12阶有源低通滤波器性能优良。
参考文献
[1]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1980.
基于ADS的微带低通滤波器设计 篇4
Agilent公司的ADS软件是一款射频领域的仿真软件, 选择特定的滤波器拓扑结构, 依据相应的参数要求, 可以快速的设计出低通滤波器原型。HFSS是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件能计算任意形状三维无源结构的S参数。将ADS设计的低通滤波器原型在HFSS中建模并仿真, 可以得到更为准确的微带线尺寸。
1 滤波器的设计方法
(1) 低通原型综合法, 先由衰减特性综合出低通原型, 再进行频率变
最后用微波结构实现, 计算过程较为繁琐。
(2) 软件方法:使用ADS等软件依据相关参数指标快速设计。本文将重点介绍
2 滤波器设计步骤
(1) 选择拓扑结构
(2) 仿真S参数
(3) 调整优化
(4) 在HFSS中建模仿真并优化
3 设计实例
3.1 微带型低通滤波器指标
(1) 通带频率20.5GHz
(2) 阻带频率24GHz
(3) 阻带抑制20d B
(4) 带内差损3d B
(5) 带内平坦度1d B
3.2 微带线尺寸设计
本文采用的介质为Rogers 4350厚度为0.508毫米。所以50欧姆微带线的宽度定为1.12毫米。使用ADS中Design Guide的Passive Circuit来计算微带型低通滤波器的初始模型。图1为Passive Circuit控件, 图2为计算出的初始微带尺寸。
仿真后, 由于通带内驻波较差, 需要设置优化目标对S11和S21进行多次优化处理, 最终微带低通滤波器的原理如图3所示
仿真曲线如图4所示
在HFSS中建模如图5, 设置参数扫描, 最终仿真曲线如图6.在建模型时, 2端设置波段口, 同时需要添加设计变量。
实物测试曲线如图7
4 结论
本文重点讨论了微带型低通滤波器的设计方法, 从测试结果看, 利用ADS和HFSS设计滤波器取得了较好的效果。另外, 滤波器需要腔体遮蔽和良好的接地特性。
摘要：使用传统的理论计算的方法设计滤波器过程较为繁琐, 文章使用ADS软件快速设计微带型低通滤波器, 并在HFSS中建模仿真, 在实际工程应用中取得了良好的效果。
关键词：ADS,HFSS,微带型低通滤波器
参考文献
[1]Advanced Design System 2005 User's Guide, Agilenttechnologies.[1]Advanced Design System 2005 User's Guide, Agilenttechnologies.
低通滤波器 篇5
1 数字滤波器概述
相较于以往的模拟滤波器数字滤波器无疑有着极大的优势, 其主要优势具体如下:1) 具有较高的稳定性以及精度。2) 不需要与阻抗进行一一匹配。3) 可在大规模集成电路中使用。4) 系统函数易于改变, 并且具有较高的灵活度[2]。其核心构件为数字信号处理器, 其主要工作流程如下:
滤波器种类繁多, 从功能角度上来看滤波器可分为低通、高通、带阻以及带通。若以单位脉冲响应作为衡量标准又可将数字滤波器分为即有限脉冲响应滤波器以及无限脉冲响应滤波器, 而在具体使用筛选过程中则需要对两种滤波器进行全面分析后才可判定使用的种类。FIR滤波器一般情况下是通过迭代算法来达到滤波目, 因此在设计过程中并不存在现成的公式供其使用, 因此在FIR滤波器设计过程中对于硬件设备具有较好的要求, 而IIR滤波器仅仅通过模拟滤波器设计参数表便可完成设计工作, 但在灵活性上较FIR滤波器而言IIR滤波器无疑有着明显的劣势[3]。由于FIR线性相位性能较易实现并且可以实现多频带滤波器, 对于非递归滤波器而言可处于稳定工作态, 不存在极限环, 因此在高速流水式设计当中有着较好的适用性。另外FIR滤波器具备了较低的系数以及算法, 在四舍五入误差预算方面较易实现, 可对量化噪声进行明确定义当然在实际设计过程中具有较大的工作量, 特别是在高阶滤波器的设计中任务较为繁琐。
从类型上来看FIR滤波器又分为两大类即直线型结构以及转置型结构。直线型结构位移寄存其存储的输入数据占有位宽较小并且在FIR滤波器处于线性相位时, 可充分发挥其系数对称的特征, 从而达到让乘法器减半的目的并让加法器的数量维持原状[4]。但是当FIR滤波器的阶数不断提升时则需要相应地添加一定数量的加法器, 这就大大地增加了设计复杂度并使得延时增大, 这对FIR滤波器的级联扩展将会带来极大的阻碍[5]。而转置型结构则较好地弥补了上述直线型滤波器的劣势。当然转置型结构也受到了一定的限制, 由于需要储存各级乘加其的位宽输出并且无法对FIR滤波器系数线性相位对称的特性进行充分利用从而给设计工作带来了一定的复杂性。
2 基于Matlab的FIR低通滤波器设计分析
基于FIR低通滤波器的实际工作原理, 将其分为以下几个子模块:输入模块、输出模块、位移寄存器模块、锁存模块以及乘累加模块。将以上模块作为设计架构然后进行软件设计, 首先开启Matlab, 利用FDATOOL筛选相关参数从而得到滤波器的特性曲线以及幅度相位波形图并确定抽头数, 所得到的单位冲激响应系数如下表所示:
由于设计部分条件所限需要将其进行归一化处理并转换为二进制 补码可得 :h[0] =h[15] =00000001;h[1] =h[14] =00000010;h[2] =h[13] =11111111;h[4] =[11] =11111010;h[5] =h[10] =00000110;h[6] =h[9] =00011010;h[7] =h[8] =42=00101010。通过计算验证得出上述设置具有可行性并将所得数据置于LUT查表中。经过综合该分析发现若以FPGA对FIR数字滤波器进行构建在乘法算法方面存在着一定的瓶颈, 当然在其他方面则具有良好的适应性, 因此可利用分布式查找表的方式来对代乘累加模块进行替换。具体设计框架如下图所示:
从图2可知整个系统主要包括filter模块、LUT模块、移位寄存器以及控制模块。其中filter模块的主要功能是对相关数据进行读取, 同时对串行数据进行转换从而得到分布式查找表地址。通过filter模块对相关数据进行编译并不会占用过多硬件资源, 从而为设计工作提供更大的应用空间。例如当输入数据为8位串行数据时, 将会得到4位数字的地址总线, 其中en为输入使能信号、clk为时钟信号、add_en为加法使能信号, rf则是复位信号。在clk信号呈现为下降沿时状态时, 当en信号表现为高电平时, 同时rf信号为高电平时, add_en信号则表现为低电平。
LUT模块是整个设计当中的核心模块, 它替代了乘法器, 承载了FIR数字滤波器当中关键的乘法运算功能。LUT模块可根据查找表地址将相关数据读取出来, 并利用LPM库对结构进行优化, 并可对相关设计参数进行后续调用, 从而达到对项目设计简化的目的。在实际设计过程中为了让优化硬件资源可将分布式查找表分为若干个小型查找表, 若要保证整体的运行速度就需要减少分查表, 并将其与加法器结合起来。
移位寄存器主要是对LUT输出数据进行编排, 通过位移相加然后出输出结果, 而控制模块在这个设计中是保障各模块以及FIR数字滤波器稳定工作的基础, 在控制模块的作用下让滤波器、查找表以及移位相加模块等进行有效调用, 并保证各模块之间可相互匹配, 保证整个系统可有条不紊的运行。
3 结束语
采取Matlab对FIR低通滤波器进行设计可大幅度简化相关设计工作, 同时利分布式算法可将乘法运算替代, 在使用过程中需对分布式算法进行有效处理来降低应用规模并达到节约硬件资源的目的, 让设计更趋合理化。
参考文献
[1]郝娟, 徐沛文.MATLAB在FIR数字带通滤波器设计中的应用[J].电脑与电信, 2011 (03) .
[2]饶知.基于FPGA的高效FIR滤波器设计与实现[J].电子元器件应用, 2011 (01) .
[3]王建行, 姚齐国.基于MATLAB的切比雪夫低通滤波器设计[J].新乡学院学报:自然科学版, 2011 (06) .
[4]郭德才.基于Matlab的FIR低通滤波器的设计与仿真[J].通化师范学院学报, 2009 (08) .
低通滤波器 篇6
关键词：滤波器,设计,FPGA
随着经济的不断发展,谋取经济效益的方式越来越多。有些方式是人们知道的,比方说移动、联动、电信这样的运营商,通过赚取通信上的费用来获得经济利益。但是,有些方面是不正规的,比方说垃圾短信或者通过一些设备和技术来干扰其他人通话、传送邮件,以达到不可告人的目的等等。为了避免广大的群众进一步受到“波”的不良影响,研究人员开发设计了基于FPGA的FIR低通滤波器,通过技术上的优势和设备上的先进功能,对不良的“波”进行过滤,在无形之中维护人们的正常生活与工作。本文主要对基于FPGA的FIR低通滤波器的设计进行一定的研究。
1 FIR低通滤波器
在滤波工作当中,设备和技术是最好的帮手,不仅可以在短时间内完成较多的工作,同时在很大程度上,能够对社会的发展产生一定的积极促进作用。在此,本文首先对FIR低通滤波器进行一定的阐述。
1.1优越性
FIR低通滤波器在实际的应用当中, 具有较高的优越性,它要比IIR滤波器更加实用,在性价比方面也非常值得肯定。 首先,FIR低通滤波器能够保证满足滤波器幅频响应的同时,还能获得严格的线性相位特征。从以往的滤波器来看,仅仅能够做到两点当中的一点,而现阶段使用的FIR低通滤波器却能够达到“双赢”。第二, 滤波器的应用范围比较广泛,无论是数据通信还是图像处理,都对信号有着非常高的要求,在这种情况下,原有的滤波器并不能完全符合要求,只能是牺牲少部分功能来满足全面的应用。为了在日后的工作当中,能够获得一个更加理想的结果。 FIR低通滤波器应运而生,它不仅比IIR滤波器应用的更加广泛,同时在应用效果上也很好,无论是处理信号还是数通信, 都取得了非常积极的成绩。
1.2 FIR系统的线性相位特征
FIR低通滤波器的主要特点之一就是很容易获得严格的线性相位特征,这相对于原来的IIR滤波器来说,是一个质的飞越。从客观的角度来说,因为能够轻易的获得严格的线性相位特征,因此才让FIR低通滤波器获得了更加广泛的应用。比方说,通信和图像处理是很多领域当中的重要工作,如果此时还在应用原来的滤波器,势必达不到理想的效果。在通信以及图像处理当中应用FIR低通滤波器以后,可以在一定的频率范围内,维持相位的完整性。因此,在设计和研究工作当中,FIR低通滤波器遵循了建立线性相位与频率功能的滤波器的规范。衡量一个系统的相位线性度的是“组延迟”,其定义为 :
从以上的表述来看,FIR低通滤波器在实际的应用当中,其实效性非常好,并且在未来还拥有一定的提升空间,可以进一步深化。
1.3 FIR低通滤波器的基本结构
从FIR低通滤波器的传递函数可以分析出FIR低通滤波器的频率相应特性, 同时也可以根据传递函数来构成或者设计滤波器。从而实现对信号中某个特定的频率成分的滤波。FIR低通滤波器的研究成功与一般的滤波器有所不同,它的结构设计非常缜密,并且总体的框架要相对简单一些。能够保证在运行的时候,既能达到工作上的要求,同时可以持续的发挥功效。就现阶段的发展来说,FIR低通滤波器的构成一般可以分为直接构成法和间接构成法,两种方法都有自己的优势,并且都应用到了FIR低通滤波器的设计当中。图1为直接型结构FIR滤波器的示意图
当设计人员应用直接构成法或者间接构成法来设计FIR低通滤波器的时候, 都需要通过硬件或者软件的方案来实现滤波器的设计。在硬件方法上,需要延时器、加法器和乘法器等相对应的部件来实现数字网络。在软件方法上,主要是根据已经知道的传递函数,通过不同的计算方法来求出滤波器的算法,再通过计算机编程来实现。
2基于FPGA的FIR低通滤波器的设计分析
在现阶段的发展中,由于滤波器的应用范围越来越广泛,并且FIR低通滤波器的效果似乎呈现出了下降的趋势,为了保证我国在日后的发展当中,充分减少“波” 的负面影响,需要对FIR低通滤波器进行一定的优化,主要是将FPGA作为基础, 重新设计FIR低通滤波器,这样一来不仅可以保留原有的优势,同时在FPGA的帮助下,可以进一步提升FIR低通滤波器的性价比。在此,本文就基于FPGA的FIR低通滤波器的设计进行一定的分析。
2.1设计流程
图2是基于FPGA的FIR低通滤波器的设计流程,本文主要是利用MATLAB计算机系数,之后进行硬件设计。从图2来看,总体的设计流程还是值得肯定的, 并且部分成果已经得到了实践,在很多方面都得到了一个理想的结果。下一步就是严格按照相应的流程继续执行,并且在试验的时候,更加全面,避免因为某一个环节的不合理,导致最后的结果不如意。
2.2采用Kaiser窗世界诶FIR低通滤波器
Kaiser窗是适应性较强,比较灵活的窗函数,其定义为:
采用Kaiser窗函数来设计基于FPGA的FIR低通滤波器,在很多方面都能够得到一个理想的结果,从目前的情况来看,Kaiser窗函数能够解决很多的问题, 并且在结果上也比较精确。相对来说,基于FPGA的FIR低通滤波器的设计有很多函数可以用,并且每一种函数都有自身的特点。但是为了早点应用先进的成果, 并且持续的发挥作用,设计人员还是选择了Kaiser窗函数。为了设计成一个N为偶数的线性相位偶对称FIR低通滤波器,, N=18,那么Kaiser窗参数 β = 0.584204- 21)0.4+ 0.0788604-21) = 2.1166。得到N和 β 值后,就可以利用MATLAB提供的工具箱设计并提取FIR数字滤波器的系数。 从以上的表述来看,窗函数的应用和选择是非常重要的,如果仅仅是通过寻常的方式来设计,并没有办法达到一个较高的水准。
2.3滤波器系数的量化
基于FPGA的FIR低通滤波器在实际的设计工作中,除了要在以上两项工作中努力之外,还需要实行滤波器系数的量化。滤波器系统的量化是一个必须经历的阶段,并且对基于FPGA的FIR低通滤波器的设计具有很大的影响。从客观的角度来说,现阶段的量化,主要指的就是将连续信号的脉冲抽样幅度值同一个最为接近的,并且是数字信号所规定的数字值来近似。量化不仅能够避免基于FPGA的FIR低通滤波器在设计当中走进误区,同时能够在很大程度上对基于FPGA的FIR低通滤波器起到一定的保障作用,因此, 在日后的设计研究工作中,可以适当的加深对量化的研究和应用。为了保证最后的量化结果可信,本文主要采用确定Q值的方式将浮点数转换成定点数,这样一来就可以较为简便的计算,并且不会对结果产生太大的影响。值的Q值的确定实质上是该值的动态范围的确定,用|max| 表示的额绝对值的最大值,但是|max| 必须小于等于32767,取一整数n,并且满足下面的条件:
2n-1< |max| < 2n。由此可见,未来的量化工作必须遵循相对应的原则,才能在设计工作当中,产生较大的积极影响。
3系数量化误差
误差在任何一项研究当中都有存在, 并且会对基于FPGA的FIR低通滤波器的应用产生很大的影响。从客观的角度来说,随着经济的发展和社会需求的增长, 基于FPGA的FIR低通滤波器的总体性能会进一步提高。在设计的过程中,必须严格控制误差,避免因为小问题对总体的性能和应用产生较大的负面影响。理论设计出的理想数字滤波器的系数是无限精度的,但实际实现时,必须对其进行量化, 才能将它们以有限长的二进制码形式放在存储器中,此时,便会有量化误差。严重时,极点会从单位圆内移出,导致系统的不稳定性。系数量化误差显然会随着寄存器长度的增加而降低,同肘与系数自身的结构有关。从以上的阐述来看,系数量化误差对基于FPGA的FIR低通滤波器的影响较大,在日后的设计当中,无论是结构还是应用的窗函数,都必须降低误差, 只有这样才能保证在日后的实际工作当中,能够尽量避免因为误差所引起的恶性事件。
4总结
低通滤波器 篇7
传统的平衡式滤波器设计方法并不容易实现具有高共模抑制度的平衡式低通滤波器。因为对于一对差分传输线而言, 其差模情况下的等效电路始终会存在虚拟接地点。比如文献[1]~[4]中的结构并不能用来设计低通滤波器, 因为其差模等效电路中拥有短路接地点。因此, 很少有相关的论文涉及微波频段的平衡式低通滤波器设计。据作者所知, 只有文献[8]和[9]提出了一种可以用来设计平衡式低通滤波器的方法, 但是这种利用缺陷地结构来抑制共模信号的方法很难在实现较宽频带范围。
如图1所示, 该文提出了一种新型的微波平衡式低通滤波器。该滤波器设计基于双边平行带线结构, 拥有低带内插损和较宽的共模抑制能力等优点。并且介绍了一种滤波器的简单设计方法。
1 滤波器设计
图1为所设计的平衡式低通滤波器的结构示意图。传统的双边平行带线是一种平衡式传输线, 其结构中间层为介质, 介质两面为对称的信号线。因为双边平行带线的对称特性, 我们可以将“地”线和“信号”线互换使用。通过将端口处成对的SMA接头中的一个反接, 可以实现差模等效电路与共模等效电路的互换, 反之亦然。
差模情况下的低通特性是利用端口1 (2) 与端口1` (2`) 相反的信号线来实现的。图2为平衡式低通滤波器的差模和共模的等效电路以及L-C原型。
对于差模情况, 如文献[11]第5章所述, 可利用开路枝节实现低通响应。具有较高阻抗的传输线可以等效为电感 (L1、L2和L3) , 那么开路枝节可以等效为接地电容 (C1和C2) 。在该设计中, 将3 d B截止频率设定为1 GHz, 两个传输零点分别设置在1.66 GHz和2.3 GHz用来提高低通滤波器的频率选择性。其零点的计算公式如下:
对于共模响应, 短路枝节可以等效为电感 (L4和L5) 和电容 (C3和C4) 的并联。其共模的谐振点由并联的L4C3和并联的L5C4控制。而且这些共模谐振频点远离差模的通带响应, 所以该平衡式低通滤波器可以在较宽的频带内抑制共模信号。
表1为实现上述差模低通滤波器所需的L-C的值。图3中带圆点标识的曲线为该低通滤波器利用L-C原型电路进行仿真的频率响应。
基于上述理论分析设计了一款差分低通滤波器。其结构参数如下:l1=20 mm, l2=20 mm, l3=16 mm, l4=14 mm, w1=0.5 mm, w2=4.5 mm, w3=5.75 mm。基板采用罗杰斯4003C, 其介电常数为3.38, 厚度32 mil, 损耗角为0.002 7。图3中带三角标识的曲线为该滤波器通过软件仿真得出的频率响应。由图3可见, 与利用L-C原型电路的仿真结果吻合良好。
2 测试结果
为了验证其理论的正确性, 我们加工了该滤波器的样品。图4为该样品的照片。该滤波器的仿真结果是通过软件Aglient ADS和Ansoft HFSS。电路样品测试采用Aglient公司的四端口矢量网络分析仪N5230A, 该仪器可以同时测出差模和共模的S参数。图3为该平衡式电路的仿真与测试结果, 两者吻合良好。从该滤波器的测试结果中可以看出, 低通滤波器的3 d B截止频率为1 GHz, 插入损耗小于0.22 d B。该滤波器拥有良好的通带性能, 而且10 d B的共模抑制能力可以达到2.7 GHz。
3 结语
该文提出了一种基于双边平行带线的平衡式低通滤波器。通过相反的端口结构实现了平衡式滤波器差模响应的低通特性。为验证该理论, 设计并制造了该滤波器样品, 仿真与测试吻合良好。该滤波器的通带性能良好, 并拥有较宽的共模抑制能力, 适用于现代无线通信系统。
摘要：该文介绍了一种基于双边平行带线的新型微波频段低通滤波器。由于双边平行带线其本身固有差分传输特性, 其中一条金属带条可作为另一条的地或者是信号线。通过相反的端口结构实现了滤波器差模响应的低通特性。提出了差模和共模不同的L-C等效电路, 并用来分析这两种模式的频率响应。为了该验证理论, 设计了一个3 d B截止频率为1 GHz的低通滤波器滤波器, 制造并进行了测试。所设计的滤波器具有低插入损耗和宽带的共模抑制能力等优点。仿真和测试结果吻合良好, 验证了所提出的结构和设计方法。
关键词：双边平行带线,平衡式滤波器,低通滤波器
参考文献
[1]Wu Chuang-Hua, Wang Chi-Hsueh, Chen ChunHsiung.Novel balanced coupled-line bandpass filters with common-mode noise suppression[J].IEEE Trans Microwave Theory and Tech, 2007, 55 (2) :287-294.
[2]Shi Jin, Xue Quan.Balanced bandpass filters using center-loaded half-wavelength resonators[J].IEEE Trans Microwave Theory and Tech, 2010, 58 (4) :970-977.
[3]Chen JX, Shao C, Lu QY, et al.Compact LTCC balanced bandpass filter using distributed-element resonator[J].Electronics Letters, 2013, 49 (5) :354-356.
[4]Wang WH, Xue Q, Choi WW.A novel ultra-wideband differential filter based on double-sided parallel-strip line[J].IEEE Microwave&Wireless Compon Lett, 2010, 20 (8) :471-473.
[5]Ho MH, Li CS.Novel balanced bandpass filters using substrate integrated half-mode waveguide[J].IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2013, 23 (2) :78-80.
[6]Lu Yen-Ju, Chen Shih-Yuan, Hsu Powen.A differential-mode wideband bandpass filterwith enhanced common-mode suppression using slotline resonator[J].IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2012, 22 (10) :503-505.
[7]Chen JX, Li JL, Xue Q.Lowpass filter using offset doublesided parallel-strip lines[J].Electron.Lett., 2005, 41 (24) :1336-1337.
[8]Wu SL, Tsai CH, Wu TL, et al.A novel wideband common-mode suppression filter for gigahertz differential signals using coupled patterned ground structure[J].IEEE Trans Microwave Theory and Tech, 2009, 57 (4) :848-855.
[9]Tsai C H, Wu TL.A broadband and miniaturized common-mode filterfor gigahertz differential signals based on negative-permittivity metamaterials[J].IEEE Trans Microwave Theory and Tech, 2010, 58 (1) :195-202.
[10]Chiu L, Yum TY, Xue Q, et al.A wideband compact parallel-strip 180/spl deg wilkinsonpower divider for push–pull circuitries[J].IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2006, 16 (1) :49-51.