摘  要： 針對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍高靈敏度短波接收機(jī)射頻前端信號(hào)處理需要,，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于CPLD的開關(guān)電容組式跟蹤濾波器與變?nèi)荻O管電調(diào)諧濾波器串聯(lián)方案,，并對(duì)該濾波器性能進(jìn)行了評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該濾波器可以工作于1 MHz~30 MHz頻段，帶寬易調(diào),，設(shè)計(jì)簡單,，且具有穩(wěn)定的帶寬和很高的溫度穩(wěn)定性。實(shí)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，能很好地滿足接收機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo),。
關(guān)鍵詞： CPLD；開關(guān)式電容,；跟蹤濾波,；短波

　跟蹤濾波器[1]指濾波器的中心頻率能自動(dòng)地跟隨信號(hào)頻率變化，從而達(dá)到在強(qiáng)噪聲干擾中提取有用信號(hào)的帶通濾波器,。它主要應(yīng)用于振動(dòng)監(jiān)測和控制、掃頻或跳頻雷達(dá)接收機(jī),、數(shù)字電視接收機(jī),、水聲信號(hào)處理等領(lǐng)域[2-4]。
　目前,，跟蹤濾波器的設(shè)計(jì)主要有開關(guān)電容跟蹤濾波器[5-6],、自適應(yīng)跟蹤濾波器[7]和變?nèi)荻O管電調(diào)諧LC諧振跟蹤濾波器[8]等。開關(guān)電容濾波器主要工作于音頻范圍內(nèi),，從幾赫茲到數(shù)百千赫茲,。自適應(yīng)跟蹤濾波算法復(fù)雜,，多用數(shù)字信號(hào)處理算法,，不適合于模擬信號(hào)的跟蹤濾波，且信號(hào)處理速度慢，不能滿足實(shí)時(shí)性要求,。變?nèi)荻O管電調(diào)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(diǎn)是受溫度影響很大,，中心頻率可能出現(xiàn)漂移，因此不宜作窄帶濾波,，可用于對(duì)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(yīng)用于數(shù)字電視等接收機(jī)的高頻頭或調(diào)諧器[9]等,，這類跟蹤濾波器面向?qū)ｉT的應(yīng)用,，不具備短波、窄帶和通用的特性,。
　現(xiàn)在應(yīng)用于高頻信號(hào)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(duì)保密性的要求很高，要求跟蹤濾波器能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤,，這都不是上述幾種濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)的,。目前適合短波頻段的專用跟蹤濾波器很少，針對(duì)這種情況,，本文將設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了工作于1 MHz~30 MHz頻段的基于開關(guān)式電容組的跟蹤濾波器。
1 濾波器設(shè)計(jì)方案
　考慮到開關(guān)電容組跟蹤濾波器的特性和器件選擇,，本文采用開關(guān)式電容組濾波器與變?nèi)荻O管電調(diào)諧串聯(lián)組合的設(shè)計(jì)方案,，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 開關(guān)式電容組濾波器
　本開關(guān)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(diào)節(jié),，很適于跟蹤濾波,。圖2中，單刀N擲開關(guān)周期性地接通N個(gè)RC積分器,。每個(gè)電容被周期地接入,，接入時(shí)間為1/（N×fc），其中N為電容個(gè)數(shù),，即開關(guān)的擲數(shù),，fc為開關(guān)頻率。當(dāng)輸入信號(hào)頻率和開關(guān)頻率為整數(shù)倍關(guān)系時(shí),，每個(gè)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(duì)電容充電,，于是電容被充電到對(duì)應(yīng)輸入電壓值，從而在每個(gè)信號(hào)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(dāng)于是對(duì)輸入信號(hào)的N倍采樣，輸出的采樣信號(hào)仍能保持原始信號(hào)波形,，如果輸入頻率不等于開關(guān)頻率或開關(guān)頻率的倍頻,，則電容選入時(shí)處于輸入信號(hào)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(shí),，電容上的平均電壓非常低，從而達(dá)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(gè)以fc為基頻的梳狀濾波器，fc的倍頻點(diǎn)同樣能通過信號(hào),。

    為了實(shí)現(xiàn)短波雷達(dá)接收機(jī)模擬前端的濾波,，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(guān)能力,，用CPLD作為單刀N擲開關(guān)來控制電容組,，周期性地接通N個(gè)RC積分器來實(shí)現(xiàn)高頻濾波器的設(shè)計(jì)。
　該濾波器中電容和電阻的溫度穩(wěn)定性極強(qiáng),，因此其帶通特性基本不受溫度影響,，且參數(shù)設(shè)計(jì)簡單。
1.2 寬帶諧振放大電路
　跟蹤濾波器僅在某一個(gè)特定時(shí)刻通過對(duì)應(yīng)中心頻率的信號(hào),，而由圖3可以看到開關(guān)電容組的梳狀濾波特性,，因此必須要濾除其余倍頻信號(hào)，即抑制其諧波,。為此,，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于變?nèi)荻O管電調(diào)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(gè)諧振放大電路之間,，將諧振放大電路的帶寬調(diào)節(jié)到合適位置,，以濾除輸入信號(hào)中的倍頻信號(hào)成分。本諧振放大電路不僅具有抑制倍頻信號(hào)的功能,，還能對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)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(guān)噪聲（SSN）的影響,，因此通過前級(jí)諧振放大電路對(duì)弱信號(hào)進(jìn)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(diào)節(jié),。變?nèi)荻O管的溫度穩(wěn)定性差,，因此不宜設(shè)計(jì)成窄帶跟蹤濾波器，這里設(shè)計(jì)為一個(gè)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(shè)計(jì)
2.1電容組濾波器設(shè)計(jì)
　要實(shí)現(xiàn)30 MHz的中心頻率濾波器,，如果采用10個(gè)電容就必須滿足至少300 MHz的開關(guān)頻率要求,。考慮到普通模擬開關(guān)的開關(guān)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(shè)置引腳為低電平（開通）和高阻（關(guān)斷）狀態(tài)來作為電容選擇開關(guān),。由于CPLD漏極開路引腳存在鉗位,，因此輸入信號(hào)的電壓峰峰值應(yīng)在0~3.3 V范圍內(nèi)，需給信號(hào)一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn),。本濾波器插入損耗較大,，電容組濾波器輸出阻抗受負(fù)載影響較大，因此增加一級(jí)跟隨器作為阻抗匹配,，提高其帶負(fù)載能力,。圖4為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(shù),，可直接通過CPLD進(jìn)行配置,，提供參考頻率的N倍頻信號(hào)作為開關(guān)時(shí)鐘。

2.2 諧振放大電路設(shè)計(jì)
　通過設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)變?nèi)荻O管反向電壓來調(diào)節(jié)諧振選頻電路的中心頻率和選頻特性,。將此選頻網(wǎng)絡(luò)帶寬調(diào)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(gè)作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1 濾波器帶通參量分析
　通過掃頻儀對(duì)本濾波器的帶通特性及其參數(shù)進(jìn)行了分析,。圖7分別給出了帶寬BW與中心頻率fc、電容個(gè)數(shù)N,、電阻R,、電容C的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，濾波器通頻帶與中心頻率成正比，而與電容個(gè)數(shù)N,、電阻值R,、電容值C成反比,，即BW∝fc/（N×R×C）。

　可以看出,，電阻越小,，濾波器增益增大得越快。但是通過時(shí)域分析可知,，隨著R的減小,，信號(hào)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(guān)引入了開關(guān)噪聲,，且噪聲存在于帶內(nèi)，與所需的信號(hào)處在同一頻點(diǎn),，無法去除,。因此本濾波器只適于100 μV級(jí)以上的信號(hào)。圖9為輸入端接地時(shí)頻譜儀觀測到的系統(tǒng)開關(guān)噪聲測量結(jié)果,，其噪聲信號(hào)大約在100 μV,。

　品質(zhì)因數(shù)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(shù),，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(duì)比,，通道1為輸入信號(hào),，通道2為輸出信號(hào)。
本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于CPLD的開關(guān)電容組式跟蹤濾波器與變?nèi)荻O管電調(diào)諧濾波器串聯(lián)方案的設(shè)計(jì),，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，得出了帶寬BW、幅值A(chǔ)和Q值分別與中心頻率fc,、電容個(gè)數(shù)N,、電阻R、電容C等參數(shù)的關(guān)系：BW∝fc/（N×R×C）,，A∝（N×C）/R×fc,，Q∝1/N×R×C,。實(shí)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(jié)果表明本設(shè)計(jì)能很好滿足接收機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　本濾波器的設(shè)計(jì)方法既可用于低頻,，也可用于高頻,。電路設(shè)計(jì)簡單，性能穩(wěn)定,，不受環(huán)境溫度等因素的影響,，能應(yīng)用于高頻模擬前端,，處理100 μV級(jí)以上信號(hào),。但是由于系統(tǒng)開關(guān)噪聲的影響，對(duì)于微小信號(hào)濾波效果不是很好,，有待于進(jìn)一步針對(duì)開關(guān)噪聲作深入研究,。
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