基于CPLD的開關電容組式跟蹤濾波器設計與實現＊

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電容跟蹤濾波器[5-6]、自適應跟蹤濾波器[7]和變容二極管電調諧 LC諧振跟蹤濾波器[8]等。開關電容濾波器主要工作于音頻范圍內，從幾赫茲到數百千赫茲。自適應跟蹤濾波算法復雜，多用數字信號處理算法，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。變容二極管電調諧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，如應用于數字電視等接收機的高頻頭或調諧器[9]等，這類跟蹤濾波器面向專門的應用，不具備短波、窄帶和通用的特性。

現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頻率跟蹤，這都不是上述幾種濾波器能夠實現的。目前適合短波頻段的專用跟蹤濾波器很少，針對這種情況，本文將設計并實現了工作于1 MHz～30 MHz頻段的基于開關式電容組的跟蹤濾波器。

1 濾波器設計方案

考慮到開關電容組跟蹤濾波器的特性和器件選擇，本文采用開關式電容組濾波器與變容二極管電調諧串聯組合的設計方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 開關式電容組濾波器

本開關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節(jié)，很適于跟蹤濾波。圖2中，單刀N擲開關周期性地接通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，即開關的擲數，fc為開關頻率。當輸入信號頻率和開關頻率為整數倍關系時，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頻率或開關頻率的倍頻，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 開關式電容組濾波器原理圖

圖3 開關式電容組濾波器幅頻特性示意圖

為了實現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的高速開關能力，用CPLD作為單刀N擲開關來控制電容組，周期性地接通N個RC積分器來實現高頻濾波器的設計。

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，設計了一個基于變容二極管電調諧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，隨中心頻率同步調節(jié)。變容二極管的溫度穩(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的開關頻率要求。考慮到普通模擬開關的開關速度不高，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（關斷）狀態(tài)來作為電容選擇開關。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，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，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。通過調節(jié)變容二極管反向電壓來調節(jié)諧振選頻電路的中心頻率和選頻特性。將此選頻網絡帶寬調節(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，因此，選頻網絡也必須是可跟蹤的。這就要求變容二極管容值可調，可通過調節(jié)變容二極管反向電壓來實現。采用D/A轉換器來實現電壓調節(jié)，原理圖如圖6所示，通過CPLD切換變容二極管反向電壓值來調節(jié)諧振頻率。

3 實驗結果

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N、電阻R、電容C的關系曲線。可以看出，濾波器通頻帶與中心頻率成正比，而與電容個數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 N、電阻 R、電容 C的關系曲線如圖 8所示。可以看出，濾波器幅度與中心頻率成反比，與阻值R成負指數關系，而與電容個數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高速開關引入了開關噪聲，且噪聲存在于帶內，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)開關噪聲測量結果，其噪聲信號大約在 100 μV。

3.4 濾波器實測數據

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3 dB和 6 dB帶寬的幅頻特性測試數據。

表1 部分頻點3 dB和6 dB帶寬的幅頻特性實測結果

品質因數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，只要選取合適的參數，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。

本文提出并實現了基于CPLD的開關電容組式跟蹤濾波器與變容二極管電調諧濾波器串聯方案的設計，通過分析實驗數據，得出了帶寬BW、幅值A和Q值分別與中心頻率 fc、電容個數N、電阻 R、電容C等參數的關系：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噪聲作深入研究。

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