滤波器设计论文篇1
LC滤波器设计软件的种类繁多，早已步入寻常百姓人家，本文从使用简单、方便的角度来推荐几款免费设计软件。
a）AADE公司的FilterDesign它可以帮助工程师简单、快速地设计几乎是任何类型的集总参数的低通、高通、带通和带阻滤波器，同时也可以显示滤波器的插入损耗、回波损耗、群延迟和输入阻抗等。使用该滤波器设计软件时，当频率升高，内部的寄生耦合电抗和分布电抗就将破坏它的设计精度。由于寄生效应自然地降低了滤波器的中心频率，所以设计的频率比实际需要的频率要高一些。
b）RF-Filter.exe软件该软件使用非常简单，仅需选择所需用的函数类型、阶数、源阻抗和负载阻抗等参数就可设计出所需参数和仿真波形。用该软件设计一个输入输出阻抗为50Ω、7阶巴特沃斯、截止频率为200MHz的低通滤波器时的仿真波形和电路，用归一化参数计算和仿真设计的参数几乎完全一致，如图1所示。
c）FilterSolutions10.0滤波器设计软件该软件如图2所示。
d）Helical.exe螺旋滤波器设计软件该软件如图3所示。
用该软件设计时输入输出阻抗需要匹配，如果参数设置不合理时，就可以拒绝进入主界面，该款软件适合于窄带滤波器设计。c）FilterSolutions10.0滤波器设计软件该软件如图2所示。d）Helical.exe螺旋滤波器设计软件该软件如图3所示。用该软件设计时输入输出阻抗需要匹配，如果参数设置不合理时，就可以拒绝进入主界面，该款软件适合于窄带滤波器设计。
2进行LC滤波器工程设计时，考虑PCB的事项
a）频率越高时，较薄的介质层将增加插入损耗，增加介质层的厚度将减少这些损耗，但与此同时会增加电路板的穿孔电感或者会产生我们所不期待的信号传输模式。介电常数Er较高时将会增加介质中的损耗，而且也会稍微增加导体中的损耗。当LC滤波器需要尽可能小的插入损耗时，虽然选择较厚的PCB板会减少损耗，但也增加了穿地电感，介电常数Er应较小些。上面提到的穿透孔产生的穿地电感可由如下公式计算：这个公式说明了穿透孔的直径越小、穿透孔的长度越长则穿地电感越大。所以通过PCB板设计滤波器时，要使穿地电感越小则PCB越薄，滤波器的高频衰减特性越好。所以选择PCB板的厚度时必须考虑插入损耗和穿地电感的折衷。同时通过该公式可以算出穿地电感的实际值，在设计LC滤波器参数时，可以使穿地电感看成是线圈电感的一部分，使串联到电容器的电感值选得小一些。
b）LC滤波器通过PCB板工程制作时，所有元器件的引线必须最短以减少损耗和引线电感。传输的微带线保持50Ω的恒定阻抗，以减少失配损耗及由不连续阻抗引起的反射。在1GHz时，即使1cm的短线，也会有约10nH的电感，形成一个几乎很纯正的电感器。滤波器的微带线中的所有弯曲都应该斜接或者变成圆弧状，以防止辐射到相邻的电路中。一般地线通过最短的路线，通常是通过一个穿透孔接到PCB的接地板，主要是为了降低返回路径的对地电感。同时从PCB顶端的接地板到底端的接地板，应该以1/4波长或者更小长度的间隔，有规律地设置穿透孔。整个PCB的设计尽可能地减小实际的尺寸以减少损耗和辐射。元件应该交叉配置在微带线的两侧，以改善高频域的隔离程度。电容器接地旁边要有穿透孔，空余的地方尽可能地配置上引线孔。LC带通滤波器的制作要选用寄生电感量小的电容器，使含有寄生电感的LC谐振电路的谐振频率重合在几何中心的频率上。
c）进行LC滤波器的工程设计时，必须要考虑到PCB线、元器件和导线之间的耦合。可通过使用屏蔽、减少载流环路的区域、印刷板引线成直角和传输RF电流的印刷板引线互相保持一定的距离来减轻这些不好的能量耦合。当RF信号遇到LC滤波器的耦合电容时，为了减少阻抗变化范围和降低电压驻波比VSWR，元器件应该与微带线具有相同的宽度，并且焊接的轮廓应该平滑以便不干扰信号流。
进行LC滤波器工程参数设计时的考虑事项
a）如果滤波器要隔直流信号，那么应在输入端加一个很大的电容，使得在最低频率上的电抗小于1Ω。如果该LC滤波器是高通滤波器，为阻止直流信号，就应该在输入端接一个串联电容，而不是并联一个电感。
b）如果要设计精度更高的滤波器就要采用更加复杂、准确的现代滤波器理论技术或者更昂贵软件程序来考虑寄生效应的影响。对于低要求应用场合和极点数少的情况下，仅通过软件仿真设计就足够了。频率大于30MHz时，表面安装的元件导致的分布式电抗会使滤波器的中心频率显著地降低，必须考虑寄生响应的影响。可通过减少绕组直径和圈数来减少电感器的匝间电容，可通过更小的元器件来减轻所有元器件的接地电容，可使用以电感相交成直角的方式来减轻电感的相互耦合，可通过使用一个并联的电容器来减轻引线内的固定电感，减小电容器的寄生电感，通过上述方式可减轻寄生响应的影响。
c）LC滤波器在高频率设计时，选用高Q值的电感可以减少插入损耗和降低边缘的圆滑程度。电容器要选用自感量小的元件，如果电容的容许误差较差或者温度特性差就会使得通带特性、中心频率、回波损耗发生变化。可采用将一个电容分为两个只有一半容量的电容器后再并联的办法，从理论上说，电感量可以减少一半，阻带衰减量实际上可改善约10dB。
d）根据衰减频率部分，考虑到费用、插入损耗、群延迟变化和物理尺寸的要求，滤波器应该设计成最小阶数。在没有放大器连接之前，若将设计好的滤波器级联，就会导致交互感应。
进行LC滤波器工程设计时考虑的滤波器函数选型事项
滤波器设计论文篇2
Abstract：The paper mainly discuss the design method of Chebyshev and LC filter that abroadly applied at analog circuit ，we design a High-pass filter using the method of mathematical theory and design instrument of ANSOFT DESIGNER based on the theory above ， and analyze the two design methods.
Key Words：Theory；Simulate；Filter ；Design
滤波器是许多模拟射频电路与系统的设计问题的中心。滤波器可以被用来区分不同频率的信号，实现各种模拟信号的处理过程，因而在现代模拟射频电路与系统中得到了广泛的应用。
滤波器按照不同的标准可以有不同的分类，所有的分类方法都是依照个人应用需求而定的。在目前的电路系统中，由于LC滤波器具有结构简单，造价低廉，性能稳定的优点，因而得到了广泛应用。但是，因为LC滤波器是基于集总元件而构建的，所以在设计与调试过程中存在不少的困难，本文是以滤波器设计理论为依据，用ANSOFT DESIGNER设计工具为平台，设计了一个高通的切比雪夫滤波器，并就加以比较验证。
使用Ansoft Designer进行的滤波器设计[4]，得到的切比雪夫滤波器电路如图2（与运算的电路参数相比，电感与电容值只有很小的差别，可以说基本上是一致的，后面的测试分析也说明了这一点）。
现对滤波器进行了相应的优化，此电路选定了滤波器的电容参数为51P，电感量为 0～100nH可以调节，依据滤波器性能指标要求，用Ansoft Designer进行优化仿真，优化过程是为了调整电感量来达到设计的要求，调整过程如下：
（1）设定电容为恒定值51P，电感调整为70nH--不满足设计要求。如图3。
（2）设定电容为恒定值51P，调整电感为85nH和94nH（之间） -----满足设计要求。如图4、5。
2 设计结果及性能评价
（1）理论分析与Ansoft Designer分析设计的结果进行了电路仿真验证，结果如图6、图7。
（2）实际电路调试与测量结果如图8（矢量网络分析仪测试结果）：
通过实际调试测试与前面软件分析结果可以看出，切比雪夫响应滤波器对于元件参数的变化不敏感[5]，滤波电路且兼具良好的选择性，设计出来的滤波器特性通过稍微的调整就能很好的满足设计指标的要求。我们通过对实际电路的测试可以发现，滤波器的特性与仿真出来的结果基本吻合，因此，验证了前面运算及仿真过程的正确性[6]。
3 结语
作为现代射频模拟电路中最重要的无源器件之一，滤波器的使用越来越频繁，所以，掌握滤波器的设计对于模拟射频工程师而言有着重大的意义。
通过本文的理论分析，对滤波器的设计流程进行详细的论述，并通过软件进行滤波器辅助设计和优化，使设计过程更加简化，同时对相关滤波器设计提供参考和借鉴。
参考文献
[1]韩庆文，陈世勇，陈建军.微波电路设计[M].北京：清华大学出版社，2014.123-155.
[2]丁宇，薛开昶，孙伟有源模拟滤波器的MATLAB辅助设计方法[J].计测技术， 2015，35（5），31-34.
[3]赵开才.基于MATLAB 的窄模拟带通滤波器的快速设计[J].自动化技术与应用，2014，33（5）：66-69，89.
滤波器设计论文篇3
Design and Simulation of IIR Filter Based onMATLAB
WANG Zhan-zhong
(Department of Computer Science and Information Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China)
Abstract: MATLAB-based methods are introduced to design the infinite impulse response (IIR) filter effectively. To design the IIR filter , it can be programmed by MATLAB language or FDATool tool. Detailed steps of theseways are given. With the Simulink of MATLAB, the simulation for designated filter is also introduced.
Key words: digital filter;MATLAB;IIR
1 引言
数字滤波器(Digital Filter,DF)是数字信号处理的重要内容，在对信号的过滤、检测与参数的估计等信号处理中，数字滤波器是使用最为广泛的装置，无论在工业、农业和其它行业均有应用。数字滤波器实质上是一个有限精度算法实现的线性时不变离散系统，它的基本工作原理是利用离散系统特性对系统输入信号进行加工和变换，改变输入序列的频谱或信号波形，让有用的频率信号分量通过，抑制无用的信号分量输出[1]。数字滤波器按照其冲激响应函数的时域特性，可分为无限长冲激响应(Infinite Impulse Response,IIR)滤波器和有限长冲激响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波器。在满足相同指标下，IIR滤波器的阶数明显小于FIR,硬件实现容易且大大减少了运算量，遗憾的是IIR是非线性相位,在不要求严格线性相位的情况下，IIR滤波器的应用相当广泛。
本文基于 MATLAB7.1 讨论 IIR 数字滤波器的设计问题。在 MATLAB 里提供了很多设计数字滤波器的方法，这里只介绍两种：通过程序设计和通过 FDATool 工具设计。通过一个具体的实例，说明详细的操作，最后对实现的滤波器进行仿真。
2 常规IIR滤波器的基本设计法
IIR滤波器设计的最基本的方法就是模拟原型法。数字滤波器和模拟滤波器有千丝万缕的联系，它们之间的转换是s平面和z平面的转换，转换的基本方式就是冲激响应不变法和双线性变换法。根据设计指标用合适的传递函数去实现之，对于要求特殊的滤波器，自我构建传递函数是一个非常复杂的工作，不过经过努力可以得到极佳的效果（当然MATLAB也提供从指定的频幅特性的直接设计，在此不作讨论）。对于常规的应用而言，MATLAB 提供有许多经典的模拟原型函数候选[2-3]。设计人员要做的工作是选取适宜的函数，指定合适的参数，最后对得到滤波器进行验证。
选择原型函数时的考虑如下：巴特沃斯滤波器的频率特性在通带和阻带内都是随着频率单调的变化，显然，如果在通带的边缘能满足指标，在通带的内部肯定超过设计指标要求，造成滤波器的阶数比较高，在各频带内没有幅度的波动，如果要求幅值稳定性极好时，巴特沃斯滤波器是一个不错的选择。在许多情况下，降低滤波器的阶数至为重要，因为降低阶数意味着实现简单、成本低，所以一般设计人员都比较重视降低阶数。如果将指标的精度要求均匀地分布在整个通带内，或者均匀地分布在整个阻带内，更有效的方法是同时均匀地分布在通带和阻带内，可以设计出满足设计要求的、阶数又比较低的的滤波器。切比雪夫I型滤波器特性是频幅在通带内是等波纹的，在阻带内是单调的；切比雪夫II型则相反，在通带内是单调的，在阻带内是等波纹的。所以一般地讲，切比雪夫滤波器的阶数比巴特沃斯滤波器要低些。还有一种值得关注的滤波器是椭圆滤波器，它是采用椭圆法设计出低通的模拟滤波器，然后采用变换的方法得到数字的高通、低通、带通和带阻的滤波器。在模拟滤波器的设计中，椭圆滤波器的设计是几种滤波器设计方法中最为复杂的一种方法，但是它设计出的滤波器的阶数最小，同时它对参数的量化灵敏度最敏感，是值得关注的一种原型滤波器。
3 设计实例
设计内容：有用信号为150Hz正弦波，要求设计一个 IIR 带通滤波器，滤掉信号中的工频成分及高频部分，阶数为4，截止频率为100,200Hz，抽样频率为1000Hz，信号s=sin(100*pi*t)+sin(300*pi*t)+ sin(800*pi*t)。
3.1 程序设计方法
程序设计方法是通过具体的命令，来完成给定的任务。这种方法可以使设计人员像过去手工设计滤波器一样的思维方式设计滤波器。具体步骤如下（原型为椭圆函数）：
Step1：产生含有3个正弦分量的信号
Fs=1000; t=(1:100)/Fs; %抽样频率、时间轴
s1=0.5*sin(2*pi*t*50);s2=sin(2*pi*t*150);s3=sin(2*pi*t*400);
s=s1+s2+s3; subplot(221); %组成信号、指定图形位置
plot(t,s);title('三个正弦信号的叠加');
xlabel(' Time (seconds)' ); ylabel('Signal waveform' );
Step2：产生一个4阶IIR带通滤波器
%通带为100Hz 到200Hz,并得出其幅频响应
[b,a]=ellip(2,0.5,20,[100,200]*2/Fs);%得到滤波器的系数矩阵
[H,w]=freqz(b,a,512);%H为滤波器的系统函数
subplot(222); plot(w*Fs/(2*pi),abs(H));
title('IIR带通滤波器幅频响应' );
xlabel(' Frequency(Hz)' );ylabel(' Magnitude of frequency response' );
axis([0 500 0 1.5]);
Step3：对原始信号进行滤波
sf=filter(b,a,s);%用设计的滤波器过滤原始信号
subplot(223);plot(t,sf);
title(' 滤波后的信号波形' );
xlabel(' Time(seconds)' ); ylabel(' Time waveform' );
axis([0 0.1 -1 1]);
Step4：绘出信号滤波前、后的幅频图
S=fft(s,512); %求出原始信号的傅立叶变换
SF=fft(sf,512); %求出过滤后信号的傅立叶变换
w=(0:255)/256*(Fs/2);
subplot(224);
plot(w,abs([S(1:256)' ,SF(1:256)' ]));
title(' 滤波前、后的幅频图' );
set(gcf,'color' ,'white' );
xlabel(' Frequency(Hz)' );
ylabel(' Mag.of frequency response' ); grid;
legend({' 滤波前的幅频' ,' 滤波后的幅频' })
得到的图形如图1。
从图1中可以看出，滤波器的斜坡比较缓，这是由于我们给出的滤波器的阶数只有4阶，比较小。即使这样从信号的变化情况看，效果还是比较令人满意的，基本保持了150Hz正弦波，滤掉了工频信号与高频信号。
3.2 用FDATool设计滤波器
FDATool(Filter Design & Analysis Tool)是MATLAB信号处理工具箱提供的专用的滤波器设计分析工具。FDATool可以设计几乎所有的常规滤波器，包括 FIR 和IIR 的各种设计方法。它操作简单，方便灵活。实施上述实例的具体操作如下。
打开 FDATool 工具，Filter Type 选择 Bandpass，Design Method 选择IIR、Ellitic，Filter Order 选择4，Frequency Specification选择Unit：Hz、Fs：1000Hz、Fpass1：100、Fpass1：200 Magnitude Specifications的选择Unit: dB、Astop：20、Apass: 0.5如图2所示。
可以在这里显示滤波器的各种图形和数字表达，更改各种参数已十分方便。利用图形方式是快速设计数字滤波器的主要方式。将其另存为k1.fda。
4 滤波器的仿真
MATLAB不仅设有多种途径的设计工具，而且有完备的仿真工具以验证设计的正确与否。仿真模块为Simulink提供。我们依然对以上的问题进行操作。在命令窗口内输入simulink或双击相应项启动仿真功能。新建一个模块文件，出现如图3界面，选择相应的模块并对参数作合适的设置（依据前面参数的内容），滤波器这里选择的是FDATool工具设计的滤波器，图形显示达到了设计的要求(见图4、图5)。
5 结论
讨论了MATLAB设计IIR滤波器的几种方法，并作了仿真验证，证明几种方法的原理是相通的。利用MATLAB设计滤波器，可以随时按照设计要求和滤波器特性调整参数，直观简便，极大地减轻了工作量，缩短了开发周期。为缩短电子器件的开发周期提供了一捷径。在设计仿真完成之后就可以进行真正的硬件设计并实施。
参考文献：
滤波器设计论文篇4
在微波通信系统中，微带线带通滤波器以其结构小、集成性强等优势成为各种微波产品中的常用重要器件。随着微波技术的发展，微带滤波器的种类日益增多。它们性能各异，设计方法也有所不同，近年来微波系统的设计越来越复杂，对微波滤波器的指标要求也越来越高，传统的设计方法已经不能满足设计的需要，ADS（Advanced Design System），是安捷伦公司推出的一套电路设计软件。是一个己被广大电子工程设计师们所接受和喜爱，功能十分强大的EDA软件系统。结合 ADS 软件能够在保证精度的前提下缩短设计周期、降低设计成本，降低电路的调试测量工作量，提高设计效率。使用ADS仿真软件进行微波元器件等设计已经成为微波电路设计及优化的必然趋势。
1 滤波器设计原理
对于不同结构的滤波器，均为从一系列信号中分离出所需要的频率。由此，所有电路均可以用网络参数的形式来反映输入端和输出端的关系。根据滤波器理论，所有类型的滤波器均可映射成归一化的低通滤波器[1]。因此带通滤波器的设计可以先从设计归一化低通滤波器开始，然后再映射成带通滤波器，映射如图1所示.图中横坐标以分贝为单位，LA为衰减度，Lr为通带内最大衰减度。？棕'1为归一化截止频率，当归一化频率大于？棕'1时为阻带反之为通带。图中的变量关系为：？棕'/？棕'1映射成[？棕/？棕0-？棕0/？棕]/？赘，其中： ？棕0为带通滤波器的中心频率；？赘为带宽比，定义为？赘=（？棕2-？棕1）/？棕0。在此转换过程中，低通滤波器中的L和C分别和带通滤波器中的L-C串联谐振回路、L-C并联谐振回路有对应关系。
2 微带线带通滤波器设计与优化
假设滤波器的设计指标为：特性阻抗50Ω，通带范围为9-10GHz，阻带范围为11 GHz，带内波纹指数为0.ldB，阻带最小衰减为36dB。根据带通滤波器设计的原理，先计算归一化低通滤波器参数，再映射到带通滤波器。经过查表确定滤波器节数为4阶。查表可知波纹0.1dB的四阶切比雪夫滤波器归一化参数标准为：g1=1.1088，g2=1.3062，g3=1.7704，g4=0.8181，g5=1.3554。则四阶切比雪夫低通原型电路图2所示，其中g0为源内电导，g5为负载电阻值。
3 结论
在使用 ADS仿真软件设计平行耦合微带滤波器时，可以看到，使用ADS辅助设计方法理论计算简单，设计过程快速灵活，只需调整少量参数就可完成设计，可方便、快速地对微波元件及电路进行仿真分析，除本文涉及的平行耦合微带滤波器外，还可对其他介质、结构的滤波器设计也具有一定工程实用及参考价值。
参考文献
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[2]孙曙威.微带线带通滤波器的设计[J].上海交通大学学报，1997，31（5）： 78-80.
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滤波器设计论文篇5
0 引 言
滤波是信号处理领域的一种最基本而又极其重要的技术。利用滤波技术可以从复杂的信号中提取所需要的信号，同时抑制噪声或干扰信号，以便更有效地利用原始信号。滤波器在电子电路系统中应用很多，技术也较为复杂，有时滤波器的优劣直接决定产品的性能，所以滤波器的理论研究和产品开发非常的重要。
自适应滤波器是相对固定滤波器而言的，当固定的设计规范是未知的，或者采用时不变滤波器不能满足设计的要求设计规范时，就需要采用自适应滤波器。严格地讲，自适应滤波器是一种非线性滤波器，因此不满足齐次性和叠加性条件，如果在某个给定的时刻固定的滤波器参数，则其输出信号是输入信号的线性函数。自适应滤波器是在没有任何关于信号和噪声的先验知识的条件下，自适应滤波器利用前一时刻已获得的滤波器参数来自动调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知或随机变化的统计特性，从而实现最优滤波，所以其适用范围更广。
1 基于DSP的自适应滤波器的方案设计
本系统采用利用数字信号处理器来完成自适应滤波器的设计，系统如图1所示。
系统工作原理：自适应滤波器的整体设计思路中模拟信号输入，输入信号首先进行抗混叠滤波，然后将模拟信号变换成数字信号。根据奈奎斯特抽样定理，为保证有用信息不丢失，抽样频率至少是输入带限信号最高频率的2倍。经过ADC转换成数字信号，DSP芯片预先设计好的自适应滤波算法程序，对输入的数字信号处理。这种自适应滤波器的设计是具有跟踪信号和噪声变化的能力，也不需要知道关于输入信号的先验知识。经过DSP芯片处理后的信号通过DAC再转换成连续的模拟波形，之后进行平滑滤波就可得到需要的模拟信号。
1.1 自适应滤波器原理
自适应滤波器是一种能够自动调整本身参数的特殊维纳滤波器，在设计时不需要预先知道关于输入信号和噪声的统计特性，它能够在工作过程中逐步“了解”或估计出所需的统计特性，并以此为依据自动调整自身的参数，以达到最佳滤波效果。一旦输入信号的统计特性发生变化，它又能够跟踪这种变化，自动调整参数，使滤波器性能重新达到最佳。
1.2 自适应滤波器结构
自适应IIR滤波器与自适应 FIR滤波器相比较，自适应IIR滤波器存在突出的缺点，主要的缺点包括：自适应IIR滤波器存在不稳定的可能性倾向；而且收敛速度慢等。因此，一般采用FIR滤波器作为自适应滤波器的结构。自适应滤波器最直接的实现就是直接形式的FIR结构，但在本论文中采用FIR横向结构设计自适应滤波器。这种结构仅包含有由延迟级数所决定的有限个存储单元，可归结为有限冲激响应（FIR）或横向滤波器（Kallman）。输入信号被若干延迟单元延时，其延迟时间可以是连续的。这些延迟单元的输出与存储的一组权系数依次相乘，将其乘积相加得到输出信号。这意味着输出是输入信号与所存储的权系数或冲激响应的卷积。这种滤波结构仅包含有零点（因为没有递归反馈单元），因此，若要获得截止的频率特性，则需要有大量的延迟单元。但是，这种滤波器始终是稳定的，并能提供线性相位特性。图3所示为FIR横向滤波器结构。
1.3 DSP的最小硬件系统设计
DSP的硬件最小系统设计包括DSP芯片、电源转换电路、时钟电路、复位电路、JTAG仿真接口等，如图4所示。
2 基于DSP的自适应滤波器的软件设计
采用TMS320F28234实现自适应滤波器，自适应算法采用基本的LMS算法，滤波器的结构采用横向FIR结构。自适应滤波器的TMS320F28234的设计中，程序设计语言运用汇编语言，自适应滤波器程序设计流程如图5所示。
3 仿真验证
为了说明自适应滤波器的优越性，这里通过仿真结果来表明。通过引入一个已有的数据文件方式得到一个受到噪声干扰的正弦波信号，该波形作为自适应滤波的输入信号。自适应滤波程序在CCS 环境下编译、链接、修改语法错误，编译链接通过后，加载并连接程序，连接生成公共目标代码文件，在线下载到DSP中运行。将编译产生的可执行文件下载到DSP芯片中后，经过运行得到时域图，输入信号的时域图如图6所示。
由图6可以看到，低频信号中叠加了有噪声信号，导致低频信号出现了较大的畸变。低频的信号中叠加了比较多的高频噪声，只有进行高频滤波才能够得到比较好的原始低频信号。在观察输出波形时，能够看到输出波形中仅剩余了低频信号，滤除了高频成分。通过图6和图7的对比，输入信号的高频噪声基本上得到了滤除。但是由于参数设置不够精确等原因造成的高频噪声没有得到完全消除，但是也很明显的显现了低通滤波的目的。
4 结 语
在自适应滤波器的仿真结果中，自适应滤波器实现了对含有噪信号的频率跟踪，并表明自适应滤波器能很好地消除叠加在信号上的噪声。虽然也可以用固定滤波器来实现，但设计固定滤波器时需要预先知道信号和噪声的统计特性，而自适应滤波器则不需要，并且当信号和噪声的统计特性发生变化时，自适应滤波器也能自动地调节其冲激响应特性来适应新的情况，因此，自适应滤波器具有更加广阔的应用前景。
参考文献
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滤波器设计论文篇6
Design and simulation of ultra?high frequency bandpass filter
WANG Hao?chen， WANG Zhi?ming
（School of Mechanical Engineering， NUST， Nanjing 210094， China）
Abstract： A method based on the theoretical calculation to optimize and simulate RF filter by ADS software is introduced. The optimization design， device simulation， moment method analysis and related content in the process of RF filter design is elaborated emphatically. The test results of RF filter show that the ripple within its passband is less than 3 dB， the reflection coefficient of in?band I/O ports is less than -20 dB and stopband attenuation is greater than 40 dB. This method has higher feasibility and effectiveness， compared with the traditional design method.
Keywords： ultra?high frequency； band?pass filter； ADS optimization； component simulation
射频滤波器在无线通信系统中至关重要，起到频带和信道选择的作用，并且能滤除谐波，抑制杂散。事实上，对于大多数现代滤波器的设计，射频/微波模拟软件是一个绝对必要的、评估滤波器性能的工具。美国安捷伦（Agilent）公司推出的大型EDA软件Advanced Design System?ADS就是其中的佼佼者，也是国内各大学和研究所在微波电路和通信系统仿真方面使用最多的软件之一[1?2]。本文在理论设计的基础上，利用ADS软件对耦合微带线带通滤波器进行优化设计，节省了设计时间，提高了设计精度和设计效率。
1 理论设计
1.1 设计指标
耦合微带线带通滤波器的设计指标如下所示：
（1）通带频率范围：902～928 MHz，中心频率为915 MHz；
（2）带内波纹小于3 dB；
（3）阻带损耗：850 MHz以下及950 MHz以上衰减大于40 dB；
（4）带内输入/输出端口反射系数小于-20 dB。
耦合微带线带通滤波器的设计采用FR?4作为基片材料，基片参数为：d=1.6 mm，Er=4.5，tan δ=0.02，铜导体的厚度t=0.035 mm。
1.2 理论计算
当频率达到或接近GHz时，滤波器通常由分布参数元件构成，分布参数不仅可以构成低通滤波器，而且可以构成带通和带阻滤波器。平行耦合微带传输线由两个无屏蔽的平行微带传输线紧靠在一起构成，由于两个传输线之间电磁场的相互作用，在两个传输线之间会有功率耦合，这种传输线也因此称为耦合传输线。平行耦合微带线可以构成带通滤波器，这种滤波器是由波长耦合线段构成，是一种常用的分布参数带通滤波器[3]。当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时，由于传输线之间电磁场的相互作用，在传输线之间会有功率耦合，这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论，每条单独的微带线都等价为小段串联电感和小段并联电容。每条微带线的特性阻抗为Z0，相互耦合的部分长度为L，微带线的宽度为W，微带线之间的距离为S，偶模特性阻抗为Ze，奇模特性阻抗为Z0。单个微带线单元虽然具有滤波特性，但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。如果将多个单元级联，级联后的网络可以具有良好的滤波特性[4]。滤波器设计首先要选择适当的低通滤波器原型，滤波器的阶数可以根据950 MHz频率点的衰减大于40 dB的要求确定。利用带通滤波器频率变换公式如下：
要在低通滤波器原型的相应归一化频率点Ω=2.64处获得40 dB的衰减，滤波器的阶数至少为N=4，则需要采用5节耦合微带线级连。 根据设计指标中需要的衰减和波纹，选定采用切比雪夫设计方法，则可知具有3 dB波纹的4阶切比雪夫滤波器的元件参数为g0=1，g1=3.438 9，g2=0.748 3，g3=4.347 1，g4=0.592 0，g5=5.809 5。
耦合微带线带通滤波器中传输线的奇模、偶模通过公共接地板产生耦合效应，并导致了奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，其公式分别如下所示：
式中：
对于平行耦合微带线而言，利用ADS软件中的工具LineCalc，可以进行物理尺寸和电参数之间的数值计算，根据计算所得平行耦合微带线奇模和偶模的特性阻抗，计算平行耦合微带线导体带的角度和间隔距离。由上述特性阻抗，可得微带线的实际尺寸如表1所示。
表1 微带线理论值 mm
2 ADS优化仿真
2.1 原理图设计
利用计算所得尺寸，建立如图1所示原理图，并进行仿真。
图1 理论值原理图
仿真结果如图2所示。
图2 理论值原理图仿真结果
由图2的仿真结果可以看出，850 MHz及950 MHz以上衰减大于60 dB，符合设计要求，但是902～928 MHz之间的衰减过大，不符合设计指标，需进一步优化。
2.2 优化仿真
在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21（S12）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在S21（S12）随频率变化曲线的形状上。S11（S22）参数是输入/输出端口的反射系数，由它可以换算出输入/输出端的电压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降[5]。常用的优化方法有Random和Gradient，随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。因此，在具体的设计中，首先适当放宽各个参数的取值范围，采用随机法进行优化，而后参照之前随机法优化结果，适当缩小各个参数的取值范围，进而采用梯度法再次优化[6]。根据设计指标的要求，优化目标的设置如图3所示。优化后的原理图仿真结果如图4所示。由图3，图4可看出，优化后的尺寸可以满足设计指标的要求。之后可以进行版图仿真。
2.3 版图仿真
原理图的仿真实在完全理性的状态下进行的，而实际电路板的制作往往与理论有较大的差距，这就需要考虑干扰、耦合等因素的影响。因此需要在ADS中进一步对版图仿真。
用于生成版图的原理图如图5所示。
图3 优化目标的设置
图4 优化后原理图仿真结果
图5 生成版图原理图
由上述原理图生成的版图如图6所示。
图6 耦合微带线带通滤波器版图
版图仿真结果与原理图仿真结果有所不同，它与原理图仿真的方式不同，更为严格，因此很有可能仿真出的结果不符合要求，需返回到原理图进行再次优化之后，再进行版图的仿真，直到仿真结果可以达到设计指标的要求为止。版图的仿真结果如图7所示，由图可以看出，设计出的尺寸符合设计指标的要求。
图7 版图仿真结果
3 结 语
射频带通滤波器的传统设计方法大多是通过图表查询和曲线拟合来完成的，不但工作量大，而且设计精度不高。本文在理论计算的基础上，采用ADS软件对射频滤波器进行优化及仿真，进而依据设计结果加工制作射频滤波器器件，既减轻了设计者的劳动强度，缩短了设计周期，又提高了设计精度和设计效率。测试结果表明，此方法设计射频滤波器是可行的和有效的。
参考文献
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滤波器设计论文篇7
本世纪以来，在欧美日等国，对于双频滤波器的研究与设计一直受到极大的重视，迄今已开发了多种形式的双频滤波器，发表了很多论文和研究报告。微波双频带通滤波器，可以同时工作在无线通信两个不同频带。这种滤波器是用一个双频单元来处理两个频带的信号。常用的设计方法主要有利用谐振腔结构的高频寄生通带，即把谐振腔的基模谐振频率和它的第一个杂散响应频率通过合理的耦合设计，分别形成双频带通滤波器的第一和第二通带。本文论述一种采用耦合谐振腔的双频带通滤波器的分析和设计方法。
1 耦合谐振腔双频带通滤波器原理
双频耦合带通滤波器的等效电路可以看成是两个单频段耦合带通滤波器的叠加，滤波器中的两个谐振频率由同一个谐振腔产生，因此谐振腔的个数可以减少一半。并且耦合谐振双频段滤波器的输入输出都只有一个谐振腔，因此设计需要在同一馈电点同时达到两个频段所要求的有载品质因数。滤波器中谐振腔之间的耦合也需要在同一位置同时满足两个频段的设计要求。
设计一个双频带通滤波器，首先要确定其通带频率以及带宽，然后求出谐振腔的各个参数，枝节长度，位置。谐振腔之间的距离可以通过带宽的需要来调节，在确定了谐振腔的尺寸之后，即要确定抽头的位置，用以实现频带所需的有载品质因数。
2 双频带通滤波器的设计
利用枝节加载的开环谐振腔，采用电耦合结构，设计了一个两腔的切比雪夫双频带通滤波器。该滤波器的两个通带中心频率为f1=3.0GHz，f2=5.3GHz，带内波纹0.01dB，3dB相对带宽分别为FBW1=10%和FBW2=8%。
该滤波器印制于介电常数为2.65，厚度为1mm的介质板上，其结构如图1所示。滤波器的电耦合系数随谐振腔的间距S变化的曲线通过软件Ansoft HFSS仿真得出，如图2所示。
取θ1=93°，θ2=93°，θs=30°（基于基本谐振模式f1=3GHz得出）即可以实现f2/f1=1.78的频率比，并通过仿真优化确定其相应参数的尺寸为La=10.5mm，L1=4.2mm，L2=1.6mm。
其中频率f1和f2处所得到的电耦合系数分别用k1和k2表示，k1和k2的大小表示着谐振腔间的耦合强弱，决定着两个工作频率的相对带宽的大小。由图2中曲线可知，在同一个间距S处，k1值大于k2值，也就是说，该滤波器的相对带宽FBW1将大于FBW2。但随着S的增加，两条曲线逐渐接近，k1与k2间的差值减小，相对带宽也趋于接近。
对于两级切比雪夫滤波器，谐振腔的耦合系数由带通滤波器的相°对带宽FBW，切比雪夫低通原型滤波器的元件值g1和g2，对应的频带n=1，2。通过计算得到滤波器的两个频带的电耦合系数分别为0.047和0.037，则取间距S=0.7mm。
在确定了谐振腔的尺寸之后，即要确定抽头的位置，用以实现频带所需的有载Qe。经过仿真优化，取馈点位置φ1=72°即可在两个频率处都实现良好的阻抗匹配，相应的结构参数Lf=9.1mm，Wf=0.9mm。最终仿真该滤波器所得到的S参数曲线如图3所示。由图3可知，两个3dB通带分别为2.8-3.2GHz和5.1-5.56GHz，带内最大插入损耗-0.02dB和-0.07dB具有良好的通带特性。
改变枝节的长度θs，高次模的谐振频率也随之相应改变，即第二个通带的中心频率f2将发生偏移。令θs分别为15°，30°和45°，进行仿真分析，所得到的S21曲线如图7所示。由图4可知，随着θs的变长，工作频率f2明显向低频处移动，而基模频率f1几乎保持不变，因此可以通过调节枝节的长度来改变频率比，改变频率f2的值。
由此可见，应用枝节加载谐振腔可以实现双频带通滤波器的设计，通过调节枝节的长度及位置可实现任意频率比。
3 结语
本文研究了双频耦合谐振带通滤波器的设计理论，得到了双频带通滤波器中滤波器参数与耦合系数及外部Q值之间的关系。对枝节加载开环谐振腔的特性进行了系统的研究，并利用这些理论和设计方法仿真设计了一个双频带通滤波器，分析了参数变化对其谐振频率的影响，两个3dB通带内最大插入损耗分别为-0.02dB和-0.07dB具有良好的通带特性。仿真优化结果验证了该方法设计双频带通滤波器的有效性，证明了这种方法在设计无线通信系统双频带通滤波器的可实用性。
参考文献
滤波器设计论文篇8
在信号处理系统中,数字滤波器是一项重要且普遍应用的技术。它通过一定的数学函数关系来改变输入滤波器信号中所含频率成分的相对比例或滤除某些频率成分。数字滤波器按其响应方式可以分为无限冲激响应滤波器(IIR Filter)与有限冲激响应滤波器(FIR Filter)两种。IIR滤波器与FIR滤波器相比,可用较低阶数获得较高的选择性,在相同的时钟采样速率和相同的晶体管数量的前提下能提供更好的过渡带下降速率,具有广泛的应用性。
格型滤波器在IIR滤波器中起着重要作用。一是它的模块化结构便于实现数据高速并行处理,易于VLSI集成;二是一个n阶格型滤波器可以产生从1阶到n阶的n个横向滤波器的输出性能;它对有限字长的舍入误差不灵敏。由于这些优点,格型滤波器在现代谱估计、自适应滤波、语音处理、线性预测等方面应用广泛。
本文采用FPGA产商Altera公司开发的信号处理软件DSP Builder设计了一种新型格型IIR滤波器。此种格型滤波器较之传统的结构,所占用的逻辑单元大幅度减少,同时进一步提高格型IIR滤波器的运算速度。本文最后以Altera公司的Stratix II 90系列芯片作为FPGA的下载芯片,利用Quartus II软件为开发平台,进行了项目文件的分析、综合、编译适配、时序仿真分析和网表复写。根据最后的实验,新型的IIR滤波器工作的信号频率由原来的26.3MHz提高到现在52.3MHz,所占用的逻辑单元数有原来的372个下降为183个。
一、传统格型滤波器的设计
本数字IIR滤波器的系统实现有各种结构形式。Gay和Marekl于1973年提出了一种经典的格型滤波器结构。其基本单元的形状与快速傅立叶变换中的蝶形单元类似,基本的数学理论是Schur算法。在格型滤波器中 ,分母应用 Schur 算法来分析,分子部分则用 Schur算法对分母处理的结果为正规直交基函数的多项式展开算法进行分析。
稳定的IIR系统应满足以下条件:
N(z)== (1)
N=izi (2)
lN= (3)
由以上三式,可以得到格型滤波器的数学理论Schur算法具体实现。利用N(z)的表达式递推得到N-1(z)。由于两者的阶数相差为1,因此,可以通过相同的方法循环得到从N(z)的所有N个表达式。并且这N个表达式中的常数项绝对值小于z最高次幂的的绝对值。
图1表示一个传统格型IIR滤波器的结构示意图。输入信号在每经过一个相同的模块,递归多项式的次数将降低一次。经过所有的N个模块后,递归多项式变为常熟。通过匹配这些模块的常数,就可以使用简单的乘法和延迟模块把这些串联起来,构成完整的IIR滤波器系统。
二、新型格型IIR滤波器的设计
本文提出的新型格型IIR滤波器结构是基于传统IIR滤波器的结构。具体的结构图如图2所示。
图2为3阶格型IIR滤波器的结构图。由图2所示,为方便计算,N阶格型IIR滤波器的最后一阶信号流入延迟单元的节点记为x1,x1前的信号节点记为m1,同理可得m2,m3,…,mN。由信号系统的基本原理,可以得到以下等式:
x1z-1=m1(4)
由信号流向及递归思想,可以得到:
mi=((x1-mklk)li+mi-1)z-1 (5)
(6)
(7)
因此,(8)
其中ak,bk满足Levinson-Durbin递归的条件,具体的数值可以参考Levinson-Durbin算法来求得,读者可以参考文献[4],在此不再赘述。本文采用软件DSP Builder来仿真所提出的新型格型滤波器的性能,具体的电路实现为图3。其中,仿真的信号源是Matlab软件中 Simulink库的随机信号发生器、正弦信号发生器和两端口示波器。
三、滤波器电路的仿真
DSP Builder在算法友好的开发环境中帮助设计人员生成DSP设计硬件表征,从而缩短了DSP设计周期。采用DSP Builder设计的第一步是在Matlab中的Simulink进行设计输入,即在Simulink的环境中建立MDL模型文件。用模块化的方式调用Altera DSP Builder和其他Simulink中的模块,构成系统级的仿真,具体的算法级仿真如图3所示。
输入格型IIR滤波器的信号采用频率分别为98MHz、201MHz的正弦信号与随机噪声信号的叠加,其中随机噪声信号的幅度为4,所输入的正弦信号的幅度为10。格型滤波器的采样频率为489MHz,要求能够滤除高频信号和随机噪声信号。
仿真波形如图3所示,下方图是输入信号,上方图是输出信号。输入信号通过IIR格型滤波器后基本上变成单频的正弦信号输出。可见,该IIR滤波器可以比较好的消除随机噪声信号和高频信号。
Matlab中的Simulink对已经设计好的格型IIR滤波器系统进行编译,通过调用DSP Builder的Signal Compiler工具可直接生成QuartusⅡ工程文件,再调用QuartusⅡ完成综合,网表生成和适配,直至完成FPGA的配置下载过程。本文选用的FPGA芯片为Stratix II EP2S90F1020C4。仿真结果是,传统格型IIR滤波器所占用的逻辑单元数为372个,信号最高工作频率为26.3MHz,滤波器的建立时间为7.813ns,保持时间为0.194ns。本文提出的新型格型IIR滤波器所占用的逻辑单元数为183个,信号最高工作频率为58.3MHz,滤波器的建立时间为7.708ns,保持时间为0.233ns。
由上面两组仿真数据对比可知,IIR滤波器的建立时间、保持时间和关键路径延时相差不大。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关,同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。因此,单纯的改变系统电路结构并不能根本的改善IIR滤波器的建立时间、保持时间等参数的大小。但新型格型IIR滤波器下载到Stratix II EP2S90F1020C4中所占用的逻辑单元数比传统的格型IIR滤波器减少51%,器件工作的最高频率较之传统格型IIR滤波器提高了95%。由此得出,新型格型IIR滤波器在占用资源数和工作速度等性能都有较大改善。
四、结论
采用格型IIR滤波器的数学理论,提出了一种新型的滤波器电路图。在此基础上,利用DSP Builder工具设计了3阶新型格型IIR滤波器。通过与传统格型IIR滤波器的仿真结果的对比得出,本文提出的格型IIR滤波器提高了信号的最高工作频率和减少所占用FPGA芯片的逻辑单元数等性能指标。本文的研究成果对利用DSP Builder进行数字信号处理和格型IIR滤波器的设计具有一定的参考价值。
参考文献
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滤波器设计论文篇9
1.数字滤波器的设计思路及结构
数字滤波器的设计包括IIR滤波器和FIR滤波器，IIR滤波器包括巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（ChebyshevⅠ）滤波器、切比雪夫Ⅱ（ChebyshevⅡ）滤波器、椭圆（Ellipse）滤波器。FIR滤波器包括Boxar、Bartlett、Blackman、Hanning、Hamming、Kaiser滤波器。
IIR的设计思想：利用已有的模拟滤波器设计理论，首先根据设计指标设计一个合适的模拟滤波器，再通过脉冲响应不变法或双线性变换法，完成从模拟到数字的变换。设计步骤如下：
（1）根据设计指标，设计最小阶数N和频率参数Wn。可供选用的阶数选择函数有：buttord，cheblord，cheb2ord，ellipord等。
（2）运用最小阶数N设计模拟低通滤波器原型，用到的函数有：butter，cheby1，cheby2，ellip和bessel。如[B，A]=butter（N，Wn，’type’）设计type型巴特沃斯。N为滤波器阶数，Wc为截止频率，type决定滤波器类型，type=high，设计高通IIR滤波器，type=stop， 设计带阻IIR滤波器。
图1 滤波器系统结构设计图
（3）用freqz函数验证设计结果。
FIR的设计思想：在满足设计指标的情况下尽量减少滤波器的阶数，实质上是确定能满足所有要求的转移序列或脉冲响应的常数问题。设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。这里我们利用窗函数法设计FIR滤波器，设计步骤如下：
（1）根据设计指标，选择函数buttord确定最小阶数N和频率参数Wn。
（2）确定窗口值。可选Hanning、Hamming、Blackman等窗，每种窗都由Matlab相应函数生成。
（3）确定传递函数的分母系数。函数firl的调用格式为：B=firl（n，Wn，’ftype’，Windows）同时选择在此函数中要设计的滤波器的类型。其中，n为滤波器的阶数，Wc为截止频率，ftype决定滤波器类型，ftype=high，设计高通FIR滤波器，ftype=stop，设计带阻FIR滤波器。
（4）用freqz函数验证设计结果。
图2 Butterworth低通滤波器
2.运行结果显示
在图形界面下，选择滤波类型、滤波方式、滤波种类，按下“PLOT ON”绘制按钮，出现如图2所示Butterworth低通滤波器。本例中，通带截止频率fp=80Hz;阻带截止频率fc=120Hz;抽样频率Fs=1000Hz;Ap=1dB;As=30dB。
实现了设计要求的图形化及对应数据可视化，便于理解及掌握。
3.结束语
在设计数字滤波器时，人们很难直接从一大堆原始离散数据中感受到它们的含义，数据图形恰好弥补了这一缺陷，使人们能直接感受到数据的许多内在本质，有助于加深理解。MATLAB有两种常用的工作方式：交互式的指令操作方式及M文件的编程工作方式，这两种方式都可以实现数据的可视化。
本文设计的这款数字滤波器基于GUI，在自动生成的M文件框架下完成编程。其优点在于：它不仅具有良好的图形显示，更重要的是整个设计参数和滤波器类型都可以通过图形界面方便的改变，
参考文献
滤波器设计论文篇10
随着近年来无线通信技术的迅猛发展，微波滤波器已经成为作为辨别分离有用和无用资源的重要部件，并大量使用于通信系统领域，其性能的优越直接影响整个通信系统的质量。现代通信对微波滤波器的整体要求越来越高，以求得到更加微小化、轻量化、集成化的高性能低成本的滤波器。本文设计运用微带滤波器印刷电路的方法，可以满足尺寸小、成本低且性能稳定的要求，被广泛运用于无线通信系统中。目前在无线通信系统领域中，微波滤波器的种类日益增多，性能和设计方法各有差异。但总体来看，微波滤波器的设计大都采用从集总参数的低通原型滤波器出发经过一系列变换得到的。本章讨论的是平行耦合微带线带通滤波器的设计，它同样是基于集总参数低通原型滤波器出发，经过等效变换可以得到与带通滤波器相应的低通原型模型，再经过阻抗倒置变换或导纳变换便可以得到相应的带通滤波器的设计模型及相关参数。本文首先介绍微带线带通滤波器的设计原理，然后根据基本原理推导出滤波器的相关参数，再运用ADS软件进行制作、优化和仿真，最后将完整的设计图纸和相关参数拿到工厂加工制成成品。为了验证该微带线带通滤波器的设计和仿真的正确性，本文采用网络分析仪对该滤波器进行了相关测试，测试结果和仿真效果相吻合。
2.微带线带通滤波器的设计原理及设计过程
根据滤波器综合理论，低通原型滤波器是设计其他滤波器的基础。本文设计的带通滤波器同样是在低通原型滤波器的基础上经过变换得到的。图1展示的是集总参数低通原型滤波器到集总参数带通滤波器的变换过程。该图说明根据带通滤波器的频率特性而言，（在通带内）串联臂应采用串联谐振为低阻抗，并联臂应采用并联谐振为高阻抗。而微带线带通滤波器的设计也是在上述变换原理的基础上扩展得到的。一般来说，与微波带通滤波器相应的低通原型有两种模型。一种是电感输入式电路，经变换后为含阻抗K的变换器，另一种是电容式输入电路，经变换后为含导纳J的变换器。
该两种电路互为对偶，衰减特性相同，且都可以转换成等效的带通滤波器。本文设计采用电容式输
入电路，运用导纳倒置变换原理来完成设计。由于阻抗倒置变换和导纳倒置变换的变换原理相似，
图1低通滤波器到带通滤波器的转换
因此本文只对导纳倒置变换原理进行详述。
当平行耦合微带线的长度为l=λ/4时，有带通滤波的特性，但其不能提供陡峭的通带到阻带过渡，但将多个耦合微带线单元级连后便可以具有良好的滤波特性。设计这种微带线带通滤波器最为关键的一步就是把上述的低通原型用K或J变换器变换为变形低通，再运用阻抗倒置或导纳倒置变换得出最后的变换形式。由于本文设计选用的是导纳倒置变换，所以下面介绍导纳倒置变换的具体变换过程。设计步骤的前两步就是确定中各元件的归一化值，并选定电容式输入电路。第3步经过变换得图2（a），它表示含有导纳倒置变换器的变形低通原型。图2（b）表示从图2（a）导出的带通滤波器，图2（c）表示用电纳斜率参量表示的微波带通滤波器。即到图2（c）就是从含低通原型到含J微波带通滤波器的变换的全过程。经过上述变换，我们可以得出含导纳倒置变换器J的微波带通滤波器的
图2（a）含有导纳倒置变换器的变形低通原型
图2（b）从图2（a）导出的带通滤波器
图2（c）用电纳斜率参量表示的微波带通滤波器
实用公式为电纳斜率：
根据上述公式可以计算出耦合微带线各节奇偶模的特性阻抗，根据奇偶模的特性阻抗，运用ADS软件可以确定微带线带通滤波器每节微带线的尺寸关系。
下面讲述的是本文运用导纳倒置变换原理并结合ADS软件来设计一个平行耦合微带线带通滤波器的具体过程。该平行耦合微带线带通滤波器的设计指标如下：
平行耦合微带线带通滤波器要求3阶，带内波纹为0.5dB，系统特性阻抗为50Ω。
带通滤波器的中心频率为2.1GHZ，带宽为10%，通带频率范围为2.0GHZ～2.2GHZ。
通带内衰减小于1.5dB，在1.8GHZ和2.4GHZ时衰减大于20dB。
微带线基板的厚度1mm，基板的相对介电常数选为2.7。
设计平行耦合微带线带通滤波器的步骤如下：
（1）计算低通滤波器原型参数。本设计要求3阶，带内波纹为0.5dB，根据查表得出切比雪夫低通滤波器原型参数为：g0=g4=1，g1=g3=1.5963，g2=1.0967。
（2）计算各节奇偶模的特性阻抗，该滤波器需要4节耦合微带线级连
（3）计算各耦合线节的奇偶模特性阻抗
（4）根据上述计算出的奇偶模特性阻抗和相移以及设计指标中的各项参数，运用ADS软件可以得到该平行耦合微带线带通滤波器各节的尺寸大小，如表1
表1计算微带线的尺寸
（5）运用ADS软件画出原理图并进行仿真后得出S21曲线在18GHz、20GHz、22GHz和24GHz处的值如下：
・在18GHz处，S21的值为-26078dB。
・在20GHz处，S21的值为-08450dB。
・在22GHz处，S21的值为-89030dB。
・在24GHz处，S21的值为-30538dB。
以上数据显示在阻带18GHz和24GHz处满足技术指标，在通带处不满足技术指标，需要对原理图
进行调整优化。优化后的原理图如图3所示，由图3我们可以看出，S21曲线在18GHz、20GHz、22GHz和24GHz处的值如下：
・在18GHz处，S21的值为-26546dB。
・在20GHz处，S21的值为-09420dB。
・在22GHz处，S21的值为-07840dB。
・在24GHz处，S21的值为-22289dB。
进行优化后，以上数据满足技术指标，该原理图符合本次微带线带通滤波器的设计要求。
图3带通滤波器原理图优化数据
（6）下面由平行耦合微带线带通滤波器的原理图生成版图，并对版图进行仿真。图4是由平行耦合微带线带通滤波器原理图生成的版图。对比上述原理图可以发现，原理图中构成滤波器电路的各种微带线元件模型在版图中已经转化成实际的微带线。以下数据是平行耦合微带线带通滤波器版
图4由平行耦合微带线带通滤波器原理图生成的版图
图的仿真数据，通过仿真数据可以得出，S21曲线在18GHz、20GHz、22GHz和24GHz处的值如下：
・在18GHz处，S21的值为-28546dB。
・在20GHz处，S21的值为-08870dB。
・在22GHz处，S21的值为-12160dB。
・在24GHz处，S21的值为-22147dB。
版图的仿真数据与原理图的仿真数据有一些差异，这是由于版图的仿真方法与原理图的仿真方法不同。但是版图的仿真数据同样满足设计指标。至此，本文的平行耦合微带线带通滤波器的设计过程完毕，最后将上述得到的版图与相关数据送往工厂进行加工便可制成最终成品。
3.结论
本文主要讨论的是平行耦合微带线带通滤波器的设计过程。根据设计要求，首先计算低通原型
滤波器的参数，并运用导纳倒置变换得出相应的带通滤波器的设计参数，通过计算得出每节滤波器的奇偶模和尺寸大小。然后运用ADS软件设计原理图并对其进行优化仿真，最后进行版图的设计与仿真。经验证，得出的数据符合本次平行耦合微带线带通滤波器的设计要求。这种平行耦合微带线带通滤波器的设计方法具有简单、高效和精确等特点。本文设计的微带线带通滤波器用印刷电路的制作方法，可以满足尺寸小、成本低且性能稳定等要求，被广泛运用于无线通信系统中。（作者单位：西华师范大学物理与电子信息学院）
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滤波器设计论文篇11
1数字滤波器IIR基本设计原理
所谓的数字滤波器是一种对数字信号进行处理的重要功能，对信号进行过滤、检测和参数估计等处理，即消除数字信号中的噪声，使得有价值的信号得以保留，数字滤波器应用较为广泛。数字滤波和模拟滤波器应用中体现出的优势较为明显，精度高且稳定，设备的体积小使用灵活，不要求匹配抗阻就可实现模拟滤波其的特殊滤波功能。数字滤波器实际上就是一个离散系统，从现实的网络结构或者单位脉冲相应分类，可以分为无限制脉冲相应（IIR）与有限脉冲相应（FIR）两个类型。其中IIR数字滤波器设计的基本原理如下：
从滤波的过程看，就是输入与输出的都是数字信号，在经过滤波器的时候利用某种运算将改变输入信号所含频率的进行对比与分析，从而滤除那些“噪音”部分，IIR滤波器的设计原理就是基于模拟滤波器，然后利用等价转化为数字滤波器。其中冲击响应不变法是一种较为常见的设计方式，流程是：
H（s）h（t）h（n）H（z）
考虑到传统的滤波器计算量较大，滤波特性不易调整，为了解决这个问题目前采用MATLAB的强大数字处理与计算能力就解决了设计上计算量较大的问题，不仅仅简化了计算量且可以按照设计要求基尼滤波器特性参数调整，更加的灵活。具体步骤如下：按照工程的实际要求确定滤波器的基本指标，如边界频率；阻带最小衰减、最大衰减等；将数字滤波器的技术指标转换为模拟滤波器指标，常用的是脉冲相应不变法；设计模拟滤波器即按照指标选择模拟滤波器的型号，如巴特沃斯或者契比雪夫滤波器等；选择合适的变换算法将模拟滤波其转换为数字滤波器；最后利用软件或者硬件技术使其运行。
2IIR滤波器的基本性能指标分析
IIR数字滤波器从截获滤波的频率划分有四种：低通、高通、带通、带阻，选择何种类型作为其性能指标主要根据需要滤除的信号进行选择，如果信号的频率较低则选择低通滤波模式；如果信号频率较高则采用高通模式；当信号频率位于某个两个特定频率之间则采用带通过滤模式；而信号频率在两个频率段之外则选择带阻滤波模式。
在IIR滤波器设计中按照滤波的相应特性划分可以分为四种滤波器，这四种滤波器在应用中具有不同的特性，具体看：Bulerworth滤波器特征是具备最大的平坦的幅度特征，而随着频率不断提高则呈现出单调下降的幅频率特征；Chebyshev滤波器的振幅特性是等纹波特征明显，Chebyshev有两种类型即I型滤波器在带通的情况下表现等纹波，而在阻带内为单调特征。II型Chebyshev滤波其在阻带内则呈现等纹波，在带通内则体现单调特征。还有一种是Elliptic滤波器在带通和阻带内都会体现出等纹波的振幅特征，其振幅所体现的特性由雅克布椭圆函数确定。
3IIR数字滤波器的设计
3.1设计方法的选择分析
高阶段的IIR数字滤波器的系统中，可以利用传统传递函数表示，根据滤波器传递的函数的不同表达方式可以看出设计中存在不同的设计结构，相对比而言常见的是直接型、级联型、并联型三种。其中直接型对系数的敏感度较高，受有限字长造成的影响最大。级联型函数值的连接顺序具有较大的自由度，因此在实际的设计中可以选择类似的组合方式，比例变化和函数值的连接顺序等都会产生较大的差异。并联型滤波器则可以克服前面提及的结构性的缺陷，所以在滤波器极点不重复的时候，并联滤波器被广泛的应用重要原因。在相同性能的要求下，设计时采用椭圆滤波器比巴特沃斯和契比雪夫滤波器所需要的阶数更低，且过渡带宽窄，可以获得更好的率特比。
3.2滤波器稳定性分析
理论上设计出的滤波器系数应是具备无限精度的，但是在实际的滤波过程中，所有的系数都必须变为二进制储存在计算机内，这就是要求量化系数，取值为有限精度的字长，相应造成了滤波其零极点的位置出现偏移，使得实际的频率响应和理论情况是存在出入的，情况严重的时候还会造成滤波器极点偏移到稳定单位园外，造成整个系数出现失稳的情况。
这些原因导致滤波器不稳定的因素具体表现为两个方面，溢出和极限环。溢出的问题是可以通过饱和模式、保护位、对信号和/或系数进行缩放操作一次消除溢出效果；而极限环的出现造成的不稳定可以利用截尾法、减低滤波阶数、使用更多位来提高精度，移动极点使其远离单位圆等方法来克服。总之在设计滤波器实现IIR滤波的时候应先检查其稳定性和有限字长效应更加的
重要。
3.3滤波系数量精细化分析
完成设计后，在滤波器模型中进行滤波模拟，可以通过设定变量的方法灵活控制滤波器的字长。在测试中对Parameter Attri-butes和Signal Attributes分别对不同的变量进行设定与测试；也可利用InitFcn函数可以完成对滤波系数、加法器等进行设定，同时对应相应的变量并对其完成初始化。可以分析得出其优势是在需要改变对应滤波器字长的时候，不需要通过对每个滤波器系数的字长进行逐一的修正，仅仅需要在InitFcn函数进行相应的初始量值进行修正就可获得需要的结果。不同的量化字长对应的不同滤波效果，其幅值频率也会出现不同的结果。
4结束语
在滤波器设计中利用Matlab辅助设计，此类IIR数字滤波器可以利用较少的阶数获得更加灵活的选择性，所用的单元少、运算次数少，具有较高的经济性，效率也相对提高。
参考文献
滤波器设计论文篇12
（武汉科技大学中南分校 信息工程学院，湖北 武汉 430223）
摘要：宽带滤波器是宽带通信中非常重要的电路单元。本文以定K式和m导出式相结合，设计一种宽带带通滤波器；然后利用MATLAB仿真调试，修改滤波器LC参数，获得了很好的频率响应特性。这种设计方法特别适用于本身计算、设计比较复杂的宽带滤波器的设计。
关键词：滤波器；宽带；影像参数法；MATLAB；仿真
1 引言
滤波器是通信系统和信号处理中不可缺少的部件。对于宽带通信，则需要相应的宽带滤波器。由于这种滤波器通频带很宽，欲获得好的传输特性及理想的终端匹配，设计难度较大。我们在采用OFDM调制技术进行电力线通信的课题研究中，信号频带为43～209MHz，必须设计频带宽度达17MHz以上、性能良好的宽带滤波器。为此，我们采用影像参数设计法进行初步的设计计算，然后通过MATLAB仿真进行参数的调整，最终获得了性能优异的宽带LC带通滤波器。
2 带通滤波器的设计方法研究
带通滤波器的作用是让频率处于通频带内的有用信号通过，而滤除带外信号。一般而言，带通滤波器可分为窄带和宽带两种，如果上截止频率对下截止频率的比超过2(一个倍频程)，则为宽带型带通滤波器。
宽带型滤波器的技术条件可以分解为低通和高通两个单独的条件（低通截止频率高于高通截止频率），分别进行处理，即分别设计单独的低通滤波器LPF和高通滤波器HPF，然后将LPF和HPF级联，就构成了带通滤波器BPF。用这种方法构成的BPF通带较宽，且频带截止频率容易调整。我们为电力线通信设计的BPF通频带要求为43M～209MHz，是一种典型的宽带型带通滤波器，而且要求噪声低、性能稳定、能通过较大功率的信号，故我们采用级联方式，设计成无源的LC滤波器。
LC滤波器是应用最广泛的滤波器，也是设计其它类型滤波器的基础。其设计方法大致可以分为两种：一种是工作参数设计法(又叫网络综合设计法)，它是根据给定的传输特性要求，按滤波器接在信号源和负载之间时信号能量的实际传输过程，用现代网络综合的方法设计滤波器。按此法设计的滤波器有最平型(巴特沃斯型)，切比雪夫型，椭圆函数型等。这种方法计算过于复杂。虽然由于计算机的飞速发展，使网络综合设计法获得了大量应用，但巴特沃斯滤波器在靠近截止频率部分的特性并不理想，而具有更为理想频率响应的切比雪夫滤波器，却付出了在通带内允许纹波的代价，在通信系统中，显然这是不容许的。
另一种设计方法是从传输线理论出发的经典方法，称为影像参数设计法(又叫特性参数或对象参数设计法)。按此法设计的滤波器有定K式，m导出式等。K式滤波器可以采用T型和∏型的基本单元(如图1)，其计算容易、组合简单。其缺点是在阻带内，远离截止频率的衰减很大，但靠近截止频率处的衰减性能不理想；另外，在整个通带范围内的阻抗匹配比较困难。图1所示2种基本单元的特性阻抗如下式。
为了在通频带内各频率信号能等效地传输，滤波器的特性阻抗在通频带内必须为纯电阻，从而转移信号能量到负载上去。显然由特性阻抗公式可知，滤波器的串联臂阻抗Z1与并联臂阻抗Z2必定是性质相反的电抗。由此得出对应于图1的2种基本单元电路如图2（另有2种省略）。其次，还可以得出这样的结论：任何由电抗元件所组成的对称滤波电路，在它的通频带内，电路的Z1/4Z2必定满足条件-1＜Z1/4Z2＜0，超出这个范围的各频率将处于被抑制的衰减频带。
另外，当将2个同样的LPF级联时，其低通截止频率将大约降低到单个LPF的一半；2个同样的HPF级联，则其高通截止频率将大约提高到单个HPF的两倍。当然在实际电路中，由于电路中阻抗的存在，频率的降低和提高幅度不会有这么大。由于采用多级电路级联，可以得到更好的滤波性能，也避免了滤波器中的L、C值过大或过小，便于电路的实现。为了取得好的效果又不至于电路太复杂，我们采用两级级联的方案。
采用影像参数法设计时，由于K式滤波器的缺陷，还必须解决以下2个问题。
（1）LPF和HPF级联时，只有这两个双端口网络的阻抗相近，级联后带通效果才会理想。定K式滤波器的两端阻抗匹配虽不很理想，但可以利用MATLAB仿真功能进行计算机辅助设计，对不满意的参数进行反复修改，最终得出理想的设计结果。
（2）在定K式滤波器靠近截止频率的阻带范围内，衰减较小，不利于噪声和邻道干扰的抑制。把同类和同型的m式滤波器与定K式滤波器累接在一起运用，可使其互相补偿而获得良好的总衰减特性。
m式滤波器就是在相应滤波特性的K式滤波器的并联臂中加入一部分与串联臂阻抗同性质的电抗，使在并联臂中具有串联谐振特性；或在串联臂中加入一部分与并联臂阻抗同性质的电抗，使在串联臂中具有并联谐振特性。新引入的谐振频率都处在衰减频带内，并且紧靠截止频率。
低通滤波部分和高通部分级联后，由于阻抗匹配的原因，两部分将相互影响，改变滤波特性。为此需要对各环节的元件值进行适当的调节，MATLAB仿真此时能发挥重要作用。
在MATLAB环境下，调用Simulink中的功能模块，构成本滤波器电路图。在此环境下运行即可得到滤波器幅频相频响应曲线，以及滤波前后的波形。在仿真过程中，可以随时修改参数，以获得不同状态下的仿真结果。
由于高通滤波器和低通滤波器的相互影响，致使带通滤波器实际的上截止频率减小、下截止频率增大。因此，高通滤波部分，元件值需要减小；在低通滤波部分，需要提高原先设定的截止频率才可达到设计要求，元件值也需要减小。
同时，为使设计电路便于实际应用，在更改元件参数值的时候，均取标称值。通过反复修改和仿真，最后得到了满足电力线OFDM宽带通信的滤波器电路。滤波器的幅频相频响应曲线如图4所示：
5结论
采用定K式滤波器级联的方法设计带通滤波器，设计方法简单，计算容易，所需元件数量最少；将m式滤波器结合在一起，能加剧带外衰减。在基本设计完成后，利用MATLAB的Simulink进行仿真，根据得到的响应曲线，对不满意的参数进行反复修改，直至获得满意的响应曲线为止。这样设计的结果非常直观，滤波器的特性比较理想，实现了滤波器设计的最优化。
本文设计的滤波器已在实际工作中应用，且取得了良好的滤波效果。
参考文献
[1]黄席椿.滤波器综合设计法原理[M].北京：人民邮电出版社,1988.
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1 概述
我们对信号进行处理的时候，根据实际需要，我们经常要保留或者消除掉一些特别的频率，或者说，滤波器是一种消除噪音或者杂质的一种器件，特别是对输入输出信号进行必要的除噪，发挥着关键的作用。
目前，可以通过两种方法实现数字滤波器：通过编写相关程序，利用计算机实现该程序，进而实现滤波器的设计。第二种方法就是根据数字电路，设计专用的数字处理硬件，从而实现滤波功能。
1.1 数字滤波器的分类
和模拟滤波器一样，数字滤波器按照通带特性可以划分为：低通、高通、带通、带阻等几种线性形式。
从单位脉冲响应的角度，可以把数字滤波器分为：IIR滤波器（无限长单位冲激响应滤波器）和FIR滤波器（有限长单位冲激响应滤波器）。它们的函分别为：
（1）
（2）
式（1）称为N阶IIR滤波器函数，式（2）称为（N-1）阶FIR滤波器函数。
1.2 数字滤波器的设计要求和方法
根据在频域分析及信号处理的要求，我们可以得到滤波器的指标参数。数字滤波器的频响特性函数H（e jw）一般为复函数，表示为：
H（e jw）=|H（e jw）|e jθ(w) （3）
其中θ(w)为相频特性函数，其说明的是各频率通过这个滤波器后信号时间上的延时。而幅频特性是说明信号在通过这个滤波器后该信号的衰减，对于IIR数字滤波器，一般可以根据幅频响应函数来反映其滤波情况，其相频特性只是辅助说明。FIR数字滤波器实现的则是线性相位特性的滤波器。
其中Wp和Ws表示为通带边界频率；δ1和δ2说明的是通带波纹和阻带波纹；其衰减值要转化成db形式，由图所示该滤波器允许的最大衰减用为αp和αs来表示。
（4）
αs=-20 lg δ2 （5）
一般要求：
当0≤|w|≤wp时，-20 lg|H（e jw）|≤αp （6）
当ws≤|w|≤π时，αs≥-20 lg|H（e jw）| （7）
1.3 数字滤波器设计方法概述
每种数字滤波器的都有其设计方法，我们讨论的IIR滤波器和FIR滤波器也是一样，前者可以签照模拟滤波器的设计方法，把首先根据滤波器本身的要求设计模拟滤波器，接着把其中的传输函数通过Z变化的方法转换成数字滤波器的系统函数，后者是直接在频域或者时域中进行设计的，直接调用MATLAB中的一些程序或者函数可以很方便地设计出所需要的滤波器。
2 基于MATLAB的数字滤波器设计
在MATLAB环境下分别用脉冲响应不变法和冲激响应不变法设计的数字滤波器设计示例：
已知模拟低通滤波器的系统函数为：
Ha（s）=1/（s2+3s+2） （8）
1）利用脉冲响应不变法设计，其中采样周期T=1。
程序清单：
syms s ht hn hs hz hrad2 hrad1 rad； % 创建一系列变量
hs=1/(s*s+3*s+2)； % 计算式（9）
T=1； % 周期为1
ht=ilaplace(hs)； % 计算s的值
hn=subs(ht,n*T)； % ht和n相乘
hz=ztrans(hn)； % z变换
hrad1=subs(hs,i*rad)； % 相乘计算
hrad2=subs(hz,exp(i*rad/T))；
ezplot(abs(hrad1),[-4*pi,4*pi])； % 绘制图像
hold on；
ezplot(abs(hrad2),[-4*pi,4*pi])；
grid on；
2）冲激响应不变法设计 其中采样周期T=1。
设计示例
程序清单：
syms k hs hz hrad0 hrad1 hrad2 rad0 rad1 sz s z ;
hs=1/(s*s+3*s+2)；T=1;k=2/T；
sz=k*(1-1/z)/(1+1/z)；
hz=subs(hs,sz)；
hrad0=subs(hs,s,i*rad0)；
hrad1=subs(hz,z,exp(i*rad1))；
ezplot(abs(hrad1),[0,4*pi])；
hold on；
ezplot(abs(hrad0),[0,4*pi])；
grid on；
3 结论
不同的变换是通过保留模拟或数字滤波器的不同方面的特性得到的。如果我们想保留冲击响应的形状，我们得到脉冲响应不变法变换；如果我们想把一个差分等式的表达转换成相应的差分方程，我们得到有限差分逼近技术。此外，应用最为广泛的是“双线性变换法”，其保留了模拟域装换到数字域过程中的的系统函数。
参考文献
