數(shù)字幅頻均衡功率放大器設(shè)計

李強 梁鵬 曹迦號

摘要：在信號傳輸中常有小信號傳輸，但是小信號的傳輸又常常受到其他干擾，本文提出了一種基于小信號的提取系統(tǒng)，目的就是將傳輸過程中將有用的小信號從干擾信號中分離出來。采用幅頻均衡消除或者減小碼間串擾，利用濾波放大將小信號提取放大至到達要求。整個系統(tǒng)是基于FPGA的數(shù)字信號處理技術(shù)的幅頻均衡功率放大器，主要由前置放大電路、帶阻網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字幅頻均衡電路和功率放大四個部分組成。采用NE5532芯片進行兩級放大，帶阻網(wǎng)絡(luò)加以濾波，通過反復調(diào)整帶阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以達到論文濾波要求，使用MATLAB設(shè)計相應帶通FIR濾波器，將返回系數(shù)在FPGA中實現(xiàn)，達到幅頻均衡。

關(guān)鍵詞：數(shù)字幅頻均衡;功率放大;前置放大

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0237-03

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

生活中涉及的事物只要開始進行傳播就會承載信息，這類信息我們都可以稱為信號，在我們還沒有意識的時候信號處理就成了我們生活中不可或缺的一部分?？萍嫉陌l(fā)展使得我們獲取信息的途徑越來越多，當今社會衍生出的電子產(chǎn)品種類繁多，能容易被我們了解接收直接利用的大多屬于模擬信號，本系統(tǒng)研究的小信號放大，人們所日常了解的可能就是各類音樂播放器，傳播的就是模擬信號，但其中涉及的還有供電路轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號。提及這類需要進行信號處理的電子產(chǎn)品就需要用到集成電路技術(shù)。但是通信信道的傳輸特性的不穩(wěn)定性限制了其發(fā)展的速度，信號傳輸過程之間的碼間串擾是的傳輸?shù)恼`碼率大幅增加，如何消除或者說減小碼間串擾就是本系統(tǒng)中的數(shù)字均衡，均衡是指對信道特性的均衡，均衡器就是一種起到補充作用的濾波器，這種可以調(diào)節(jié)的濾波器能減小信息傳輸中的互相干擾，校正和補償系統(tǒng)特性，數(shù)字均衡器是指輸入和輸出都是數(shù)字信號，能對一段輸入信號中包含的信息進行分配各信息段所占百分比或通過理刪除其中不需要的頻段的設(shè)備[1]。數(shù)字功率放大器的幅頻平衡能更好地用于信號處理、信號高保真度、高功率轉(zhuǎn)換效率，使產(chǎn)品具有更好的技術(shù)含量，提高產(chǎn)品的競爭強度。數(shù)字濾波器在當今通信工具和各類電子控制系統(tǒng)中被泛應用于電視、語音處理、通信、生物醫(yī)學信號處理等領(lǐng)域，在制導、導航、戰(zhàn)場偵察和電子對抗等領(lǐng)域中也會存在數(shù)字濾波器的身影，還可以應用于電力系統(tǒng)的能量分配規(guī)劃和自動檢測。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)大體框圖結(jié)構(gòu)體系定為：前置放大電路、帶阻網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字幅頻均衡以及功率放大部分組成[2]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。前置放大器放大來自信號源的微弱電壓小信號，需要對小信號進行第一次處理，將一級輸出信號作為二級帶阻網(wǎng)絡(luò)的輸入信號。

前置放大作為一級處理系統(tǒng)缺點是在放大信號是不會分辨有用和無用信號，所以在放大所需小信號的同時也會同時將噪聲信號放大，當噪聲信號對小信號影響過大時就要考慮消除噪聲[3]。前置小信號放大倍數(shù)在400倍以上，輸出電阻達到600Ω，-1dB通頻帶為20Hz-20kHz。位于第二級的帶阻網(wǎng)絡(luò)對前置放大器電路的輸出信號U1進行濾波，10 kHz輸出時U2的電壓幅度為作為參考，最大衰減不小于10db[4]。第三部分以數(shù)字信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)進行設(shè)計制作數(shù)字幅頻均衡電路，對帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出的20Hz-20kHz信號進行幅頻均衡。均衡處理之后輸出電壓U3在1.5dB的幅度內(nèi)波動。U3經(jīng)過數(shù)字幅頻均衡處理后再由功率放大器進行功率放大，輸出功率大于10w，正弦信號Ui輸入的有效值為5mv，功率放放大器接8Ω的電阻，在-3db的通頻帶20hz-20khz，功率放大電路的效率要達到60%以上[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 前置放大電路設(shè)計

前置放大電路，使采用NE5532芯片進行兩級放大，600Ω電阻串聯(lián)接到輸出端以確保輸出端能達到600Ω阻抗，如圖所示。

其目的就是提高系統(tǒng)前置放大增益，達到放大要求。在第一級放大中R5是一個500Ω的可調(diào)變阻器，可調(diào)節(jié)的放大幅度大致在二十三倍左右，第二級是一個同相比例運算電路，放大倍數(shù)大致在二十一倍左右，電路使用的了電容耦合和濾波，接有源低通濾波器和跟隨放大器，低通濾波器1dB通頻帶為20Hz～20kHz，跟隨器起到阻抗匹配和級間隔離的作用。

[T1=T1+T2G1+T3G1×T2+T4G1×G2×G3]

上述公式中T1、G1、T2、G2、T3、G3表示各級放大器的噪聲溫度和增益，T表示前置放大器電路的總噪聲溫度。通過上式可知，在與放大器相連的多級放大電路中，前兩級的噪聲溫度影響較大，之后的對噪聲各個層次影響都很小[6]。所以在本次設(shè)計中采用兩級放大，主要需要解決噪聲問題。

2.2 帶阻網(wǎng)絡(luò)

首先，設(shè)計信號能通過的最低頻率在20Hz至20kHz的低通濾波器，將各個元件的振蕩頻率調(diào)到能夠發(fā)生諧振，低通濾波器對直流的響應和帶通濾波器對中心頻率的響應等同，把低通濾波器轉(zhuǎn)化成高通濾波器當成帶阻濾波器使用，截止頻率為要求的帶寬，然后將高通元件間振蕩頻率能夠發(fā)生諧振到濾波器的中間頻率[7]。

高通濾波器對直流的應答變換成帶阻網(wǎng)絡(luò)對濾波器中間頻率的應答，帶阻濾波的帶寬響應效果等于高通濾波器的頻率響應，負頻率沒有現(xiàn)實意義，所以，這次參照的是正頻率的應答圖像。和帶通濾波器一樣，響應曲線具有幾何對稱性。

其設(shè)計步驟為：第一步使帶阻濾波器技術(shù)指標歸一變成相對值，選擇歸一化低通濾波器要提供所需的衰減，使陡度系數(shù)不超過求出的數(shù)值。第二步把歸一化低通濾波器轉(zhuǎn)化為歸一化高通濾波器，之后再把高通濾波器標定到截止頻率和規(guī)定的阻抗值。第三步電感與電容串聯(lián)，電容與電感并聯(lián)，使每個并聯(lián)支路調(diào)諧都處于濾波器的中間頻率[8-9]。

2.3 數(shù)字幅頻均衡電路

FIR濾波器是只存在一個零點的有限單元脈沖響應濾波器，是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。除了原點之外，Z平面中沒有極點，它的有限單位脈沖響應不是前后對應關(guān)系。要得到對應關(guān)系的單位脈沖響應可以通過位移調(diào)整。不只有穩(wěn)定和可實現(xiàn)性，它還可以在符合一定對稱條件時同時實現(xiàn)標準的線性相位，對比IIR濾波器這非常占優(yōu)勢。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號之后，輸入到FIR濾波器，采樣時信號要符合香農(nóng)公式，也就是說采樣的頻率要是取樣信號的四到五倍左右才可能使處理的信號不會與理想狀態(tài)差別過大，造成失真。

2.4 功率放大電路

功率放大分為：三角波發(fā)生器，比較器，驅(qū)動電路。先用積分器對信號進行積分，然后通過比較得到三角波。將得到的三角波與輸入信號進行比較以通過比較器獲得調(diào)制波形。使用IR2110做驅(qū)動最后一級功率場效應晶體管，IR2110結(jié)合了光耦隔離（小尺寸）和電磁隔離（快速）的優(yōu)勢，是中小功率轉(zhuǎn)換設(shè)備驅(qū)動器件的首選。內(nèi)部由三部分組成：邏輯輸入，電平轉(zhuǎn)換和輸出保護。末級功率管使用IRF3205，IRF3205具有開關(guān)速率快，導通電阻低的特點，適合高效率，高開關(guān)頻率的功率放大[10-11]。三角波發(fā)生電路和末級功率放大電路如圖所示。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 數(shù)字均衡處理部分性能測試

這部分測試所需示波器，將示波器模式調(diào)為排除雜斥和取平均16次，觀察在接入前置放大器，帶阻網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字均衡電路部分后，輸入電壓有效值仍為5mV的情況下，示波器所能觀察到的信號幅度值見表1所示。

3.2功率放大電路測試

將電路正負極電壓設(shè)置為[±]15V，在其中接入一個8Ω大小電阻做負載，前面前置放大電路帶阻網(wǎng)絡(luò)和均衡網(wǎng)路都接入測試電路。用示波器觀察末級功率放大輸出電壓幅度，串聯(lián)接入兩臺四位半萬用表，測試電源正負極電流值變化，觀察示波器顯示波形是否有明顯失真，結(jié)果見表2所示。

4 結(jié)語

利用FPGA的數(shù)字信號處理技術(shù)的幅頻均衡功率放大器，經(jīng)過前置放大部分放大的信號以及帶阻網(wǎng)絡(luò)加以濾波，通過反復調(diào)整帶阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使用MATLAB設(shè)計相應帶通FIR濾波器，將返回系數(shù)在FPGA中實現(xiàn)，達到幅頻均衡，從而將傳輸過程中將有用的小信號從干擾信號中分離出來。

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【通聯(lián)編輯：張薇】