關(guān)于通信系統(tǒng)中高效抽取濾波器技術(shù)的分析

席文靜　屠晨坤

摘要：本文研究中進(jìn)行了工作頻段為30MHz—90MHz基于變?nèi)荻O管的數(shù)字調(diào)諧跳頻LC濾波器的研究與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出基于變?nèi)荻O管的數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器，利用電磁仿真軟件 ADS進(jìn)行進(jìn)一步的仿真優(yōu)化，達(dá)到滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)所要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：通信系統(tǒng);濾波器技術(shù);CIC濾波器;半帶濾波器

日益復(fù)雜的電磁環(huán)境使得電子對(duì)抗技術(shù)成為通信系統(tǒng)中信息對(duì)抗的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是跳頻通信技術(shù)的使用。跳頻通信由于其優(yōu)越的抗干擾性、抗衰落性以及抗截獲能力，在軍用無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中性能在通信領(lǐng)域得到了越來(lái)越多地應(yīng)用，是一種對(duì)抗無(wú)線(xiàn)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(tǒng)建立與運(yùn)行過(guò)程中要求進(jìn)行信號(hào)處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中要求盡量減少數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算量，能夠?qū)崿F(xiàn)不同數(shù)據(jù)速率的兼容要求。因此設(shè)計(jì)中要求變換采樣率。這容易造成鏡像效應(yīng)與混疊效應(yīng)，因此要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種形式的特殊處理，濾波器的運(yùn)用能夠有效解決之一問(wèn)題。減少或者消減頻譜的鏡像效應(yīng)或者混疊效應(yīng)[1]。

目前無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)中大量運(yùn)用了CIC濾波器及其后級(jí)改進(jìn)形式。通信系統(tǒng)中經(jīng)常使用的其他設(shè)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(yōu)勢(shì)與適用范圍，目前軟件無(wú)線(xiàn)電設(shè)備一般采用半帶濾波器，具有較高的運(yùn)算效率，運(yùn)用的硬件結(jié)構(gòu)形式也 較為簡(jiǎn)化，可與CIC濾波器聯(lián)合使用。分布式算法實(shí)現(xiàn)半帶濾波器能夠顯著提升系統(tǒng)的速度效率，同時(shí)其消耗的硬件資源也較多，可達(dá)到較快的運(yùn)算數(shù)據(jù)速度，在信號(hào)處理過(guò)程中具有顯著的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)。數(shù)字通信設(shè)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(wú)線(xiàn)電提供了技術(shù)可能性[2]。

二、基于變?nèi)荻O管的跳頻濾波器

（一）抽取濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)

完成工作頻段為30MHz—90MHz基于變?nèi)荻O管的數(shù)字調(diào)諧調(diào)頻LC濾波器的研究與設(shè)計(jì)。其技術(shù)指標(biāo)為：調(diào)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(diǎn)頻率，微分時(shí)延選擇兩特定頻率點(diǎn)群時(shí)延之差。插入損耗為濾波器和設(shè)計(jì)要求負(fù)載連接，相移為信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器所產(chǎn)生的相移。截止頻率為下降沿3dB點(diǎn)頻率，群時(shí)延為離散信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器產(chǎn)生的時(shí)延。帶內(nèi)波紋為通帶之內(nèi)產(chǎn)生的幅度波動(dòng)，dB計(jì)算。通帶增益一般應(yīng)當(dāng)大于-5dB，一般結(jié)合濾波器S21參數(shù)確定，通帶反射系數(shù)一般結(jié)合濾波器S11 參數(shù)確定，一般低于-22dB。通帶截止頻率設(shè)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(dòng)化電磁仿真軟件ADS（Advanced Design system）進(jìn)行電路的仿真計(jì)算。射頻工程師以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師幾乎可以使ADS軟件實(shí)現(xiàn)所有類(lèi)型的射頻電路設(shè)計(jì)，是當(dāng)今使用最多的微波射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。射頻調(diào)頻濾波器的設(shè)計(jì)首先根據(jù)需求得出濾波器的技術(shù)指標(biāo)，然后根據(jù)歸一化低通原型求得原型參數(shù)，進(jìn)而選定電容值，并計(jì)算出諧振器的電感值，轉(zhuǎn)換計(jì)算出電感值，最終加入電源饋電電路，得到數(shù)字調(diào)頻跳頻濾波器的各項(xiàng)參數(shù)。

（二）變?nèi)荻O管跳頻濾波器運(yùn)行情況

利用寬帶匹配技術(shù)使用兩級(jí)晶體管組成多級(jí)放大器在兩級(jí)數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器之間進(jìn)行放大，在滿(mǎn)足增益要求的前提下實(shí)現(xiàn)二階數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器的級(jí)聯(lián)，使其可以應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)信機(jī)中。

針對(duì)跳頻濾波器的研究，主要集中在原理分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及測(cè)試方法等方面，對(duì)于電容陣列的選取只是靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際調(diào)試后取得的對(duì)頻段的全部覆蓋。這樣做耗時(shí)費(fèi)力，效果也不一定能夠達(dá)到預(yù)期。另外，在無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，由跳頻濾波器帶來(lái)的損耗會(huì)使用射頻放大器來(lái)進(jìn)行增益補(bǔ)償，當(dāng)前應(yīng)用中所使用的放大器普遍價(jià)格相對(duì)較高。考慮到實(shí)際的生產(chǎn)加工過(guò)程，選用晶體管放大器，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，顯著降低了加工成本，使得該無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)得到量產(chǎn)[5]。

三、高效抽取濾波器技術(shù)的ADS仿真分析

（一）仿真參數(shù)設(shè)置

仿真分析中，在Simulation-S_Param仿真工具欄中設(shè)置仿真參數(shù)，正確定義端口1與端口2，按照?qǐng)D中的相關(guān)規(guī)定連接電路。結(jié)合仿真要求設(shè)置掃描步長(zhǎng)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(shù)設(shè)置完成之后對(duì)濾波器進(jìn)行仿真分析。點(diǎn)擊點(diǎn)擊 simulate→simulate，仿真完成之后，系統(tǒng)中會(huì)彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，將一個(gè)S21 參數(shù)的矩形圖插入至數(shù)據(jù)顯示窗口之中，并點(diǎn)擊 maker→New。分析仿真之后得到的數(shù)據(jù)圖能夠看出S21 參數(shù)曲線(xiàn)屬于低通濾波形狀，未滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的相應(yīng)要求。為此分析中可以插入S11 參數(shù)矩形圖，并輔之以 Marker點(diǎn)。當(dāng)前研究中，通帶內(nèi)選擇S11 符合工程設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)仿真分析能夠看出，應(yīng)當(dāng)有效優(yōu)化電路參數(shù)，設(shè)計(jì)中選擇 optim/stat/Yield/DOE優(yōu)化面板，運(yùn)用Gradient（梯度）、Random（隨機(jī)）等優(yōu)化方式，并設(shè)置最佳的優(yōu)化次數(shù)。設(shè)置控件中的優(yōu)化參數(shù)。仿真控件名稱(chēng)以SimlnstanceName表示，研究中選擇 SP1，優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)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(shí)際情況之間可能存在一定的差異，應(yīng)當(dāng)將這一因素考慮在內(nèi)，對(duì)此進(jìn)行一定優(yōu)化調(diào)整。

（二）仿真過(guò)程

MLOC、MLIN寬度均為變量值，由此在仿真分析過(guò)程中要求設(shè)置一個(gè)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(xiàn)的 W 參數(shù)。將變量名稱(chēng)填寫(xiě)在Name 欄之中，將填變量初值填寫(xiě)在Variable Value 一欄之中，此時(shí)點(diǎn)擊 Add 逐漸添加變量，將變量取值范圍通過(guò) Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按鈕輸入，該變量是否能被優(yōu)化以Enabled/Disabled表示，可優(yōu)化最小值以Minimum Value表示，可優(yōu)化最大值以Maximum Value 表示。

ADS仿真分析過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意到仿真一般是在理想的數(shù)據(jù)狀態(tài)下進(jìn)行，而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中還可能受到耦合、干擾等一些外界因素的影響，以此優(yōu)化仿真分析。

進(jìn)行版圖仿真，在ADS系統(tǒng)中點(diǎn)擊 Momentum，點(diǎn)擊Simulation，點(diǎn)擊S-parameter，在系統(tǒng)窗口右側(cè)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(diǎn)數(shù)設(shè)置為10，完成之后點(diǎn)擊Update按鈕，并將其放入左側(cè)列表之中，同時(shí)點(diǎn)擊 Simulate按鈕進(jìn)行仿真分析，同時(shí)仿真進(jìn)行過(guò)程能夠通過(guò)狀態(tài)欄體現(xiàn)。仿真運(yùn)行完成之后一段時(shí)間之后，S21與S11曲線(xiàn)會(huì)顯示字窗口之中，表示性能出現(xiàn)的不同變化，S21值大約-48dB，S11值大約-24dB，符合相關(guān)指標(biāo)要求。

（三）仿真效果分析

運(yùn)用ADS系統(tǒng)，將高低頻合成之后的頻譜和信號(hào)波形輸入至系統(tǒng)之中，通過(guò)數(shù)字濾波器讀取處理之后，在系統(tǒng)中顯示為帶毛刺的正弦波。

分析半帶濾波器數(shù)字信號(hào)處理之后情況，可見(jiàn)波形顯示較為平滑，由此可見(jiàn)系統(tǒng)進(jìn)一步濾除了高頻率信號(hào)，得出與Matlab頻譜仿真相同的分析結(jié)果。

在信號(hào)合成之后得到信號(hào)頻譜，兩路信號(hào)合成之后得到的子信號(hào)頻道能夠被有效降低，在信號(hào)處理過(guò)程中可有效濾除高頻信號(hào)，在信號(hào)處理過(guò)程中能夠選擇低頻率子信道信號(hào)，由此在通信系統(tǒng)運(yùn)行中達(dá)到良好的數(shù)字調(diào)諧效果。由此通過(guò)半帶濾波器與CIC濾波器的衰減之后，可達(dá)到良好的抽取濾波效果。在后級(jí)濾波處理過(guò)程中能夠達(dá)到良好的信道平衡效果，此時(shí)可以采用階數(shù)較高的FIR濾波器，以此提升濾波器的復(fù)雜程度，同時(shí)也能夠顯著改善濾波器使用特性。與原始狀態(tài)值相比，此時(shí)的信號(hào)采樣率數(shù)值已經(jīng)顯著降低，因此與一般的使用器件相比，較為復(fù)雜濾波器能夠達(dá)到更為良好的使用效果。

四、結(jié)語(yǔ)

本文研究中設(shè)計(jì)出基于變?nèi)荻O管的數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器，利用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，以前期ADS仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，制作合適的印制板，并進(jìn)行實(shí)物調(diào)試，最終得到符合指標(biāo)頻段的跳頻濾波器，在滿(mǎn)足增益要求的前提下實(shí)現(xiàn)二階數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器的級(jí)聯(lián)，使其可以應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)信機(jī)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]任榮，李軍.關(guān)于面向5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].數(shù)字通信世界，2019（1）：61-61.

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

[3]齊一飛，戰(zhàn)捷，張紹林， et al. SDH光傳輸技術(shù)在電力通信系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].中國(guó)新通信，2018，20（2）.

基金項(xiàng)目：南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院科研課題（KD2018KYJJYB006、KD2019KYJJYB006）。

作者簡(jiǎn)介：席文靜（1989—），女，江蘇連云港人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事電子與通信工程研究。