關于通信系統中高效抽取濾波器技術的分析

席文靜　屠晨坤

摘要：本文研究中進行了工作頻段為30MHz—90MHz基于變容二極管的數字調諧跳頻LC濾波器的研究與設計，設計出基于變容二極管的數字調諧跳頻濾波器，利用電磁仿真軟件 ADS進行進一步的仿真優化，達到滿足無線通信系統所要求的設計指標。

關鍵詞：通信系統;濾波器技術;CIC濾波器;半帶濾波器

日益復雜的電磁環境使得電子對抗技術成為通信系統中信息對抗的關鍵技術，尤其是跳頻通信技術的使用。跳頻通信由于其優越的抗干擾性、抗衰落性以及抗截獲能力，在軍用無線通信領域中性能在通信領域得到了越來越多地應用，是一種對抗無線電頻譜間相互干擾的有效手段。

一、抽取濾波器及其形式

通信系統建立與運行過程中要求進行信號處理，系統設計過程中要求盡量減少數字信號處理器計算量，能夠實現不同數據速率的兼容要求。因此設計中要求變換采樣率。這容易造成鏡像效應與混疊效應，因此要求對數據進行多種形式的特殊處理，濾波器的運用能夠有效解決之一問題。減少或者消減頻譜的鏡像效應或者混疊效應[1]。

目前無線電通信系統中大量運用了CIC濾波器及其后級改進形式。通信系統中經常使用的其他設備還包括半帶濾波器、分布式算法等，分別具有自身的使用優勢與適用范圍，目前軟件無線電設備一般采用半帶濾波器，具有較高的運算效率，運用的硬件結構形式也 較為簡化，可與CIC濾波器聯合使用。分布式算法實現半帶濾波器能夠顯著提升系統的速度效率，同時其消耗的硬件資源也較多，可達到較快的運算數據速度，在信號處理過程中具有顯著的運用優勢。數字通信設備靠近RF前端中一般使用半帶濾波器、CIC濾波器，具有較高的采樣速率，為軟件無線電提供了技術可能性[2]。

二、基于變容二極管的跳頻濾波器

（一）抽取濾波器設計參數

完成工作頻段為30MHz—90MHz基于變容二極管的數字調諧調頻LC濾波器的研究與設計。其技術指標為：調頻覆蓋頻率范圍30MHz—90MHz;BW—3dB：0.5MHz—3MHz;插入損耗：小于5dB;40dB帶外衰減帶寬：小于10MHz;端口駐波：小于2。

帶寬選擇3dB帶寬，截止頻率為下降沿3dB點頻率，微分時延選擇兩特定頻率點群時延之差。插入損耗為濾波器和設計要求負載連接，相移為信號經過濾波器所產生的相移。截止頻率為下降沿3dB點頻率，群時延為離散信號經過濾波器產生的時延。帶內波紋為通帶之內產生的幅度波動，dB計算。通帶增益一般應當大于-5dB，一般結合濾波器S21參數確定，通帶反射系數一般結合濾波器S11 參數確定，一般低于-22dB。通帶截止頻率設定為3GHz[4]。

其形式為由射頻LC濾波器電路搭建的跳頻濾波器，并使用自動化電磁仿真軟件ADS（Advanced Design system）進行電路的仿真計算。射頻工程師以及系統設計工程師幾乎可以使ADS軟件實現所有類型的射頻電路設計，是當今使用最多的微波射頻電路和通信系統仿真軟件。射頻調頻濾波器的設計首先根據需求得出濾波器的技術指標，然后根據歸一化低通原型求得原型參數，進而選定電容值，并計算出諧振器的電感值，轉換計算出電感值，最終加入電源饋電電路，得到數字調頻跳頻濾波器的各項參數。

（二）變容二極管跳頻濾波器運行情況

利用寬帶匹配技術使用兩級晶體管組成多級放大器在兩級數字調諧跳頻濾波器之間進行放大，在滿足增益要求的前提下實現二階數字調諧跳頻濾波器的級聯，使其可以應用在無線通信收發信機中。

針對跳頻濾波器的研究，主要集中在原理分析、結構設計以及測試方法等方面，對于電容陣列的選取只是靠經驗和實際調試后取得的對頻段的全部覆蓋。這樣做耗時費力，效果也不一定能夠達到預期。另外，在無線收發信機的實際應用中，由跳頻濾波器帶來的損耗會使用射頻放大器來進行增益補償，當前應用中所使用的放大器普遍價格相對較高。考慮到實際的生產加工過程，選用晶體管放大器，在保證系統穩定工作的前提下，顯著降低了加工成本，使得該無線通信系統收發信機得到量產[5]。

三、高效抽取濾波器技術的ADS仿真分析

（一）仿真參數設置

仿真分析中，在Simulation-S_Param仿真工具欄中設置仿真參數，正確定義端口1與端口2，按照圖中的相關規定連接電路。結合仿真要求設置掃描步長與頻率范圍。0 GHz起始掃描頻率以Start=0 GHz表示，5 GHz終止掃描頻率以Start=5 GHz表示，0.01 GHz掃描間隔以Step=0.01 GHz表示。

參數設置完成之后對濾波器進行仿真分析。點擊點擊 simulate→simulate，仿真完成之后，系統中會彈出數據顯示窗口，將一個S21 參數的矩形圖插入至數據顯示窗口之中，并點擊 maker→New。分析仿真之后得到的數據圖能夠看出S21 參數曲線屬于低通濾波形狀，未滿足設計指標的相應要求。為此分析中可以插入S11 參數矩形圖，并輔之以 Marker點。當前研究中，通帶內選擇S11 符合工程設計要求。

通過仿真分析能夠看出，應當有效優化電路參數，設計中選擇 optim/stat/Yield/DOE優化面板，運用Gradient（梯度）、Random（隨機）等優化方式，并設置最佳的優化次數。設置控件中的優化參數。仿真控件名稱以SimlnstanceName表示，研究中選擇 SP1，優化目標的權重以Weight表示，變量變化范圍以RangeMin、RangeMax表示。方針圖原理分析中與實際情況之間可能存在一定的差異，應當將這一因素考慮在內，對此進行一定優化調整。

（二）仿真過程

MLOC、MLIN寬度均為變量值，由此在仿真分析過程中要求設置一個變量控件，在原理圖中演示變量控件 VAR，并彈出窗口添加各微帶線的 W 參數。將變量名稱填寫在Name 欄之中，將填變量初值填寫在Variable Value 一欄之中，此時點擊 Add 逐漸添加變量，將變量取值范圍通過 Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按鈕輸入，該變量是否能被優化以Enabled/Disabled表示，可優化最小值以Minimum Value表示，可優化最大值以Maximum Value 表示。

ADS仿真分析過程中，應當注意到仿真一般是在理想的數據狀態下進行，而在實際運行過程中還可能受到耦合、干擾等一些外界因素的影響，以此優化仿真分析。

進行版圖仿真，在ADS系統中點擊 Momentum，點擊Simulation，點擊S-parameter，在系統窗口右側位置Sweep Type欄目中選擇Adaptive，采用與原理圖一致的起止頻率，采樣點數設置為10，完成之后點擊Update按鈕，并將其放入左側列表之中，同時點擊 Simulate按鈕進行仿真分析，同時仿真進行過程能夠通過狀態欄體現。仿真運行完成之后一段時間之后，S21與S11曲線會顯示字窗口之中，表示性能出現的不同變化，S21值大約-48dB，S11值大約-24dB，符合相關指標要求。

（三）仿真效果分析

運用ADS系統，將高低頻合成之后的頻譜和信號波形輸入至系統之中，通過數字濾波器讀取處理之后，在系統中顯示為帶毛刺的正弦波。

分析半帶濾波器數字信號處理之后情況，可見波形顯示較為平滑，由此可見系統進一步濾除了高頻率信號，得出與Matlab頻譜仿真相同的分析結果。

在信號合成之后得到信號頻譜，兩路信號合成之后得到的子信號頻道能夠被有效降低，在信號處理過程中可有效濾除高頻信號，在信號處理過程中能夠選擇低頻率子信道信號，由此在通信系統運行中達到良好的數字調諧效果。由此通過半帶濾波器與CIC濾波器的衰減之后，可達到良好的抽取濾波效果。在后級濾波處理過程中能夠達到良好的信道平衡效果，此時可以采用階數較高的FIR濾波器，以此提升濾波器的復雜程度，同時也能夠顯著改善濾波器使用特性。與原始狀態值相比，此時的信號采樣率數值已經顯著降低，因此與一般的使用器件相比，較為復雜濾波器能夠達到更為良好的使用效果。

四、結語

本文研究中設計出基于變容二極管的數字調諧跳頻濾波器，利用ADS仿真軟件進行仿真優化，以前期ADS仿真實驗為基礎，制作合適的印制板，并進行實物調試，最終得到符合指標頻段的跳頻濾波器，在滿足增益要求的前提下實現二階數字調諧跳頻濾波器的級聯，使其可以應用在無線通信收發信機中。

參考文獻：

[1]任榮，李軍.關于面向5G無線通信系統的關鍵技術分析[J].數字通信世界，2019（1）：61-61.

[2]俞楊，唐曉慶，李春.寬調諧微波光子濾波器中通帶展寬效應的分析和迭代補償[J].光學與光電技術，2019，17（3）.

[3]齊一飛，戰捷，張紹林， et al. SDH光傳輸技術在電力通信系統中的應用分析[J].中國新通信，2018，20（2）.

基金項目：南京醫科大學康達學院科研課題（KD2018KYJJYB006、KD2019KYJJYB006）。

作者簡介：席文靜（1989—），女，江蘇連云港人，碩士，實驗師，主要從事電子與通信工程研究。