基于pspice的通信系統(tǒng)用帶通濾波器的設計與仿真【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　　( 屆)</b></p><p>　　論文題目 基于Pspice的通信系統(tǒng)用帶通濾波器的設計與仿真</p><p>　　(英文) Pspice-based communication system with band-pass filter design and si

2、mulation</p><p>　　所在學院 電子信息學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p&g

3、t;<p>　　完成日期 年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　濾波器在通信系統(tǒng)中的可以說無所不在，廣泛應用于信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中所必不可少的部分?？梢哉f濾波器的優(yōu)劣直接決定通信設備的質(zhì)量。</p><p>　　為了改善通信

4、系統(tǒng)的中頻濾波器，以120MHz帶通濾波器為例，論述了如何采用貝塞爾函數(shù)進行精確帶通濾波器設計，同時利用ORCAD公司的PSpice軟件對設計結(jié)果進行波特圖和群延遲特性仿真。結(jié)果表明該帶通濾波器通帶起伏小，阻帶衰減大，在群延遲特性圖中，通帶內(nèi)延遲基本平緩，且表現(xiàn)出最平緩的群延遲特性。</p><p>　　關鍵詞：帶通濾波器；貝塞爾；PSPICE</p><p><b>　　Abs

5、tract</b></p><p>　　Filters in the communication system can be said that ubiquitous, widely used in signal processing, data transmission, and interference suppression is an essential part of modern comm

6、unication systems. Can be said that the pros and cons of the filter directly determines the quality of the communications equipment.</p><p>　　In order to improve the communication system of the IF filter to

7、120MHz band-pass filter, for example, discusses how to use the Bessel functions for accurate band-pass filter design, while taking advantage of the the ORCAD company PSpice software design results of the Bode plots and g

8、roupdelay characteristics simulation. The results show that the bandpass filter passband ups and downs of small, stop-band attenuation and group delay characteristics graph, the basic flat passband delay, and showed</

9、p><p>　　Key words: bandpass filter; Bessel; PSPICE目 錄</p><p><b>　　1　引言1</b></p><p><b>　　1.1研究背景1</b></p><p><b>　　1.2研究內(nèi)容2</b></p

10、><p><b>　　1.3研究現(xiàn)狀2</b></p><p>　　1.4本文章節(jié)組成4</p><p>　　2　濾波器設計的方法5</p><p>　　2.1巴特沃斯濾波器5</p><p>　　2.2切比雪夫濾波器8</p><p>　　2.3貝塞爾濾波器11&

11、lt;/p><p><b>　　2.4對比12</b></p><p>　　3　基于貝塞爾函數(shù)帶通濾波器設計15</p><p>　　3.1濾波器的設計思想15</p><p>　　3.2濾波器的設計步驟15</p><p>　　4　仿真與分析18</p><p>　

12、　4.1 PSPICE18</p><p>　　4.2 PSPICE仿真軟件的優(yōu)越性18</p><p>　　4.3貝塞爾濾波器電路仿真與分析21</p><p>　　4.3.1幅頻特性曲線22</p><p>　　4.4.2波特圖曲線24</p><p>　　4.3.3群延遲特性24</p>

13、<p><b>　　5 結(jié)束語25</b></p><p><b>　　致 謝26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　1　引言</b></p><p><b>　　1.1研

14、究背景</b></p><p>　　濾波器（filter）是一種用來消除干擾雜訊的器件，主要作用是讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。也就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。</p><p><b>　　濾波器的分類：</b></p><p>　　按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。</p>

15、;<p>　　按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。</p><p>　　低通濾波器（波形圖如圖1-1左上）：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。</p><p>　　高通濾波器（波形圖如圖1-1右上）：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。</p><p>　　帶通濾波器（波形圖如圖1-1左下）：它

16、允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。</p><p>　　帶阻濾波器（波形圖如圖1-1右下）：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。</p><p>　　圖1-1 各頻段濾波器波特圖</p><p>　　帶通濾波器在通信設備及各類系統(tǒng)中應用極為廣泛，由于計算機技術、集成工藝和材料工業(yè)

17、的發(fā)展，濾波器的發(fā)展也上了一個新臺階，并且朝高精度、低功耗、小型化方向發(fā)展，到20世紀70年代后期，濾波器的單片集成被研制出來并得到應用。20世紀80年代致力于提高各類新型濾波器性能的研究，并逐漸擴大應用范圍。從20世紀90年代至今主要致力于把各類濾波器應用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制上。當然，對濾波器本身一直不斷的進行研究之中。我國廣泛使用濾波器是20世紀50年代后的事，當時主要用于電話話路濾波和電報報路濾波。經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國濾波器

18、在研究、制造、理論等方面已有了不少進步，但由于缺少專業(yè)化的機構，以及集成工藝和材料工業(yè)的落后呢，使許多新型濾波器的研究和制造一直落后國際水平。</p><p>　　從上世紀90年代之后隨著通訊技術的發(fā)展，人類迎來信息爆炸的時代，各種通信技術層出不窮。而在當代，隨著蘋果公司推出的智能手機日益普及，手機這種只有巴掌大的通訊器械在生活中出現(xiàn)的頻率越來越高。但是手機的通訊功能的實現(xiàn)是離不開濾波器這個小玩意的。帶通濾波器對

19、于在實際生活中用于無線廣播、移動通信中頻濾波器和二次濾波具有重要的借鑒意義，并可以應用實際電路,從而改善我國無線廣播和移動通信中頻濾波器。</p><p>　　因此，研究，開發(fā)和使用新型的濾波器尤其是帶通濾波器具有極其重要的意義和廣闊的商業(yè)前景。</p><p><b>　　1.2研究內(nèi)容</b></p><p>　　本課題來源于實驗室，通過對

20、本課題的研究，對我們今后相關課程的理論教學改革和實驗教學改革可以起到積極的推動作用，并打下堅實的基礎。本課題要求學生在研究了具有創(chuàng)新性的通信用帶通濾波器的設計思路和方法后，并以此為基礎設計基于貝塞爾函數(shù)的120MHz通信用帶通濾波器，并對其進行了綜合性的仿真優(yōu)化和分析</p><p><b>　　1.3研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　不同濾波器的應用情形各不相同

21、，根據(jù)實際的工作頻率和帶寬以及其它具體要求，可以選擇使用各自合適的濾波器種類。往往有幾種濾波器能夠同時滿足需要，可以根據(jù)實際需要和可能進行選擇，因而濾波器的設計就變得相當重要，因為它對所在系統(tǒng)的性能的影響極大，由此濾波器的設計工作也就成為一項有重要意義又具有相當難度的工作。可以說，濾波器的設計已經(jīng)成為電子技術中的一個獨立的分支學科。濾波器的設計與硬件實現(xiàn)是相互關聯(lián)的。換而言之，用分立器件實現(xiàn)和用集成器件實現(xiàn)的設計方法、難易程度肯定是大大

22、的不同的。分立器件的設計方法主要有筆算和計算機軟件輔助兩種方法。早期的濾波器主要采用R，L，C等無源元件，缺點是在低頻工作時電感體積太大，電容值太小且濾波效果不太明顯。后來，濾波器由R，C和運放組成，在體積和重量方面得到比較好的改善，但有源濾波器在音頻范圍內(nèi)要求比較大的電容和比較精確的R，C時間常數(shù)，這就會使集成電路制造困難，甚至幾乎不可能。MOS集成電路的發(fā)展，出現(xiàn)了由MOS開關電容(SC)和MOS運放組成的開關電容濾波器(SCF)，

23、開關電容濾波器的基本組成是由開關電容網(wǎng)絡組成的電阻反相積分器或者同相積分器。這種濾波器的通帶</p><p>　　濾波器作為抑制或消除無用信號成分而通過有用信號的電子裝置，已大量應用到各類電路中，傳統(tǒng)的分立器件組成的無源濾波器或者是用運放構成的有源濾波器總是存在如：帶內(nèi)不夠平坦、頻帶范圍太窄且固定不變、結(jié)構過于復雜等諸多的缺點。隨著軟件無線電技術在電路系統(tǒng)設計中的廣泛應用，尋找一種高精度可編程控制的通用濾波器已變

24、得越來越重要。集總參數(shù)無源LC濾波器的設計是濾波器設計中最經(jīng)常最廣泛涉及的一個方面。這是因為這種濾波器在通信技術中應用的范圍最廣，使用的數(shù)量最多，而且即使在微波波段，各種分布參數(shù)濾波器也是以無源LC濾波器的理論為基礎的。設計微波濾波器的關鍵是設計各種微波器件來完成這些集總電抗元件的等效作用。關于LC濾波器的設計方法，早期主要是采用“鏡像參數(shù)法”，這種方法的優(yōu)點是數(shù)字計算簡單，但設計往往不夠準確。此外，按照這種方法設計的濾波器，其效率也較

25、低。另一種較新的設計方法稱為“工作參數(shù)法”（又稱插入衰減法）。這種方法包含三個步驟：（1）規(guī)定一種理想化的衰減特性。（2）用一個可實現(xiàn)的有理函數(shù)來近似這個特性。（3）利用網(wǎng)絡綜合理論，把這個函數(shù)綜合成一個實際網(wǎng)絡。按照這種方法設計的濾波器，其實際特性可以與預</p><p><b>　　1.4本文章節(jié)組成</b></p><p>　　本文設計了一種基于貝塞爾函數(shù)的帶通

26、濾波器。按照設計思路及流程，總共分為五個部分：</p><p>　　第一部分：引言主要介紹本文研究背景及濾波器發(fā)展歷史、研究意義介紹。</p><p>　　第二部分：介紹各種不同的濾波器的設計方法。</p><p>　　第三部分：介紹本文課題設計思想和設計步驟。</p><p>　　第四部分：介紹PSPICE軟件，如何使用PSPICE軟件進行

27、仿真與分析基于貝塞爾函數(shù)的帶通濾波器。</p><p>　　第五部分：總結(jié)本論文中所做的工作及獲得的感悟，以及在設計過程中遇到的問題及解決方法。</p><p>　　2　濾波器設計的方法</p><p>　　目前最常用的濾波器設計方法是巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾等幾種形式。</p><p>　　2.1巴特沃斯濾波器</p>&l

28、t;p>　　巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種。巴特沃斯濾波器最明顯的特點是通頻帶的頻率響應曲線最平滑。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年發(fā)表在英國《無線電工程》期刊的一篇論文中提出的巴特沃斯響應（最平坦響應）巴特沃斯響應能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應非常平坦，非常接近DC信號，然后慢慢衰減至截止頻率點為-3dB，最終逼近-20ndB/decade的衰減率

29、，其中n為濾波器的階數(shù)。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應用，其對于維護增益的平坦性來說非常重要</p><p>　　巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶內(nèi)的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則慢慢下降為零。 在振幅的對數(shù)對角頻率的波普圖上，從某一邊界角頻率開始，振幅隨著角頻率的增加而逐步減少，并趨向負無窮大。</p><p>　　一階巴特沃斯濾波器的衰減率是每倍頻6分貝，每10倍頻12分

30、貝、二階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻12分貝、三階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻18分貝。如此類推，可以得出結(jié)論巴特沃斯濾波器的振幅對角頻率是單調(diào)下降的，并且也是唯一的，無論階數(shù)，振幅對角頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。只不過濾波器的階數(shù)越高，其在阻頻帶振幅的衰減速度就越快。如圖2-1所示。不過其他濾波器高階的振幅對角頻率圖和低級數(shù)的振幅對角頻率有不同的形狀。</p><p>　　巴特沃斯低通濾波器可用如下振

31、幅的平方對頻率的公式表示:</p><p>　　其中n表示濾波器的階數(shù)；</p><p>　　是截止頻率，也就是振幅下降為-3分貝時的頻率；</p><p><b>　　是通頻帶邊緣頻率</b></p><p>　　圖2-1一級至五級的巴斯沃斯低通波特曲線圖</p><p>　　圖2-2 一級巴斯

32、沃斯低通濾波器波特圖</p><p>　　表示在通頻帶邊緣的數(shù)值。</p><p><b>　　則在二維復平面上</b></p><p>　　那么在點的數(shù)值= , 因此通過解析可以得出:</p><p>　　上述函數(shù)的極點等距離地分布在半徑為的圓上</p><p><b>　　因此，&l

33、t;/b></p><p>　　那么第n階的巴特沃斯低通濾波器的振幅和頻率關系可用如下的公式表示：</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　G是表示濾波器的放大率； </p><p><b>　　H是表示轉(zhuǎn)移函數(shù)；</b></p><p><

34、;b>　　j是虛數(shù)單位； </b></p><p>　　n是表示濾波器的級數(shù)；</p><p>　　ω是信號的角頻率，其單位是弧度/秒； </p><p>　　是振幅下降3分貝時的截止頻率。</p><p>　　設截止頻率, 那么就可以將上列公式規(guī)定一化成為：</p><p>　　圖2-3 巴特沃斯

35、各濾波器波形圖</p><p>　　2.2切比雪夫濾波器</p><p>　　切比雪夫濾波器（又翻譯為車比雪夫濾波器）是在通帶或阻帶上頻率響應幅度等波紋波動的濾波器。其中在阻帶有波動的稱為 “II型切比雪夫濾波器”，而在通帶又波動的稱為“I型切比雪夫濾波器”。切比雪夫濾波器在過渡帶和巴特沃斯濾波器相比是切比雪夫濾波器衰減快，不過切比雪夫濾波器的頻率響應的幅頻特性就不如巴特沃斯濾波器的頻率響

36、應的幅頻特性來的平坦。雖然切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應曲線之間的誤差是最小的，但是切比雪夫濾波器在通頻帶內(nèi)存在幅度波動。這種濾波器來自切比雪夫多項式，因此而命名，用以紀念俄國數(shù)學家巴夫尼提·列波維奇·切比雪夫。切比雪夫響應在一些應用當中，其中最為重要的因素是切比雪夫濾波器截斷不必要信號的速度很快。如果設計者可以接受通帶具有一些紋波，就可以使用切比雪夫濾波器得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。</p>

37、<p>　　切比雪夫濾波器的種類根據(jù)頻率響應曲線的波動位置不同，切比雪夫濾波器可以分為以下兩種：第一個稱為I型切比雪夫濾波器，其在通帶（或稱“通頻帶”）上頻率響應幅度等波紋波動，如圖2-5為切比雪夫I型低通濾波器圖；第二種稱為II型切比雪夫濾波器，其在阻帶（或稱“阻頻帶”）上頻率響應幅度等波紋波動，如圖2-4為切比雪夫II型低通濾波器幅頻特性圖。如果只是需要快速衰減而又可以允許通頻帶存在較少的幅度波動，那就可用I型切比雪夫

38、濾波器；如果即需要快速衰減而又不允許通頻帶存在一些幅度波動，那就只能用II型切比雪夫濾波器。</p><p>　　切比雪夫濾波器的特點：該切比雪夫濾波器在過渡帶的衰減比巴特沃斯濾波器的衰減快，但其頻率響應的幅頻特性卻不如巴特沃斯濾波器的幅頻特性來的平坦。切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應曲線之間的誤差是最小的，但是其缺點是在通頻帶內(nèi)存在少許的幅度波動。其波特圖如圖2-6 所示。</p><p

39、>　　切比雪夫濾波器有關參數(shù)的確定方法如下。</p><p>　　是通帶邊界頻率，一般是預先給定的。是與通帶波動有關的一個參數(shù)，通帶波動表示成</p><p>　　式中，，表示通帶幅度響應的最大值，而</p><p>　　故 </p><p>　　因而

40、 </p><p>　　可以看出，給定通帶波紋值后，就能求得。這里應注意，通帶衰減值不一定是3dB，也可以是其他值，隨給定的值而定，例如等。</p><p>　　階數(shù)N對濾波器特性有極大的影響，N越大，逼近特性越好，但是相應的濾波器結(jié)構也越復雜。N的值是根據(jù)阻帶的邊界條件來確定的，當時，,即</p><p><b>　　從而</b></

41、p><p>　　將此條件代入，,得到</p><p>　　因此，要求阻帶邊界頻率處的衰減越大，也就是過渡帶內(nèi)幅頻特性越陡，則需用的階數(shù)N越高。</p><p>　　圖2-3切比雪夫II型低通濾波器幅頻特性圖 圖2-4切比雪夫I型低通濾波器圖</p><p>　　圖2-6 切比雪夫帶通濾波器波特圖</p><p>&

42、lt;b>　　2.3貝塞爾濾波器</b></p><p>　　電子學和信號處理中，貝賽爾(Bessel)函數(shù)濾波器是具有最大平坦的群延遲（線性相位響應）的線性過濾器。貝賽爾濾波器通常是用在音頻天橋系統(tǒng)中的。模擬貝賽爾濾波器描繪了幾乎橫跨整個通頻帶的比較平坦的群延遲曲線，因而在通頻帶上只保持了被過濾的信號波形。濾波器的名字源自于Friedrich即貝賽爾，一位德國天才數(shù)學家（1784–1846），

43、以紀念其發(fā)展了濾波器的數(shù)學理論基礎。</p><p>　　貝塞爾(Bessel)濾波器具有最平坦的幅度特性曲線和最平坦的相位響應。帶通（通常為設計者關注的區(qū)域）的相位響應呈近乎平坦的線性。貝塞爾濾波器可用于減少全部的IIR濾波器固有的非線性相位失真。貝塞爾線性相位濾波器正是因為具有了向其截止頻率以下的全部頻率提供等份延時的特性，才被大量的用于音頻設備中，在音頻設備中，貝賽爾濾波器可以在不損害頻帶內(nèi)多信號的相位關系

44、的大前提下，消除帶外的噪聲。另外，貝塞爾濾波器的階躍響應非?？欤也]有過沖或振鈴，這使它在作為音頻輸出端的平滑濾波器和音頻輸入端的抗混疊濾波器這兩方面，是一種十分出色的選擇。貝塞爾濾波器還可用于分析D類放大器的輸出以及消除其它各種應用中的開關噪聲，以達到提高失真測量和示波器波形測量精確度的目的。</p><p>　　雖然貝塞爾濾波器在它的通頻帶內(nèi)提供較為平坦的幅度和線性相位（也就是一致的群延時）響應，但它的選

45、擇性卻比同階的巴特沃斯濾波器或切比雪夫濾波器要差。因此，為了達到特定的阻帶衰減水平，那就需要設計更高階的貝塞爾濾波器，那么它就又需要仔細選擇新的放大器和新的元件來達到最低的噪聲和失真度。</p><p>　　雖然貝塞爾濾波器在它的通頻帶內(nèi)提供比較平坦的幅度和線性相位（即一致的群延時）響應，但它的選擇性比同階（或極數(shù)）的巴特沃斯(Butterworth) 濾波器或切比雪夫(Chebyshev)濾波器缺要差一些。因此

46、，為了達到設計者要求的阻帶衰減水平，就需要設計者設計更高階的貝塞爾濾波器，從而它又需要仔細選擇放大器和元件來達到最低的噪聲和失真度，這是個不足之處</p><p>　　圖2-7 為貝塞爾低通濾波器幅頻特性示意圖</p><p><b>　　2.4對比</b></p><p>　　除了以上三種之外，還有橢圓函數(shù)濾波器（又稱考爾濾波器），這些都是

47、最經(jīng)常使用，最經(jīng)典的濾波器。他們有各自不同的響應，分別解釋性地描述如下。</p><p>　?。?)貝塞爾濾波器是高斯類濾波器中的一種，其通帶內(nèi)的包絡時延最為平坦，相位時延變化最慢，阻帶內(nèi)的衰減也不顯著增長。</p><p>　　（2) 巴特沃斯濾波器在通帶內(nèi)具有最大平坦度的頻率響應，但不夠均勻。阻帶內(nèi)的衰減增長緩慢，其衰減速率為每倍頻程6ndb,其中n是濾波器的階數(shù)，階數(shù)越高，通帶內(nèi)越平

48、坦，阻帶內(nèi)衰減也越快。</p><p>　　(3)切比雪夫濾波器(基于切比雪夫近似表達式)的衰減特性在通帶內(nèi)有等起伏的變化，在阻帶中則隨頻率的增加而單調(diào)增加，階數(shù)越多，通帶內(nèi)的起伏也越多，阻帶內(nèi)的衰減增長也越快。階數(shù)n等于通帶內(nèi)衰減最大點和最小點的總數(shù)也等于濾波器的節(jié)數(shù)、臂數(shù)或元件數(shù)。由于切比雪夫濾波器在通帶內(nèi)是等起伏均勻變化的，因而它比巴特沃斯濾波器在通帶內(nèi)有更均勻的衰減，在進入阻帶的邊緣區(qū)(即過渡帶)時，連續(xù)

49、的衰減特性曲線比巴特沃斯濾波器衰減得更快，因而比巴特沃斯濾波器具有更好的選擇性。</p><p>　　(4) 橢圓函數(shù)濾波器與切比雪夫濾波器相比，不僅在通帶內(nèi)有同樣等起伏的均勻變化，過渡帶內(nèi)的衰減更為陡峭，更為快速，阻帶內(nèi)的衰減不會隨頻率的增加而增加，而是同樣呈等起伏的均勻變化，且通帶和阻帶內(nèi)的起伏是相對應的。階數(shù)n不僅等于通帶或阻帶內(nèi)衰減最大點和最小點的總數(shù)，也等于濾波器的臂數(shù)，但不等于其的元件數(shù)。那是因為橢圓

50、函數(shù)濾波器的每一個串臂上(其中偶數(shù)階的最末尾的一個串臂不算)都有兩個元件。如果要實現(xiàn)橢圓函數(shù)濾波器的特性，那么就需要做到兩點，即更高的復雜性和足夠的阻帶衰減。其復雜性來自于濾波器設計中的調(diào)諧電路，它可使阻帶內(nèi)的衰減達到最大。在LC濾波器中，每一個串聯(lián)或者并聯(lián)的LC支路就可以構成這樣的調(diào)諧電路，它代替了以前的濾波器電路中單個的電感L或單個的電容C。</p><p>　　以上討論的四類濾波器在性能上有各自的特點，他們

51、的優(yōu)劣不是絕對的，可以根據(jù)使用場合的不同要求來選用不同種類的濾波器。</p><p>　　一般來講，從衰減特性看，同樣節(jié)數(shù)的切比雪夫濾波器比巴特沃斯濾渡器在通帶內(nèi)有更平均的衰減、在阻帶內(nèi)有更迅速的衰減增長率，因而有更好的頻率選擇性。而橢圓函數(shù)濾波器在相同的通帶要求和相同的節(jié)數(shù)下，又可以得到比切比雪夫濾波器更窄的過渡帶，特別是在有限頻率的衰減極點附近，可以得到更為迅速的衰減增長率，作為選頻功能的濾波器來說，這些都是

52、比較理想的特點。切比雪夫濾波器在通帶截止頻率的附近又可以比橢圓函數(shù)濾波器的衰減有較快的增長速度(不過隨著頻率的進一步增長，到接近橢圓函數(shù)衰減極點頻率時，橢圓函數(shù)濾波器的衰減就迅速增長上來)，而且切比雪夫濾波器比節(jié)數(shù)相同的橢圓函數(shù)濾波器具有較少的元件，因而也得到廣泛的應用。巴特沃斯濾波器具有最平坦的特性，但是信號通過它后有少量的肩峰和余振。從傳送脈沖類信號來看，切比雪夫濾波器在通帶截止頻率附近，橢圓函數(shù)濾波器在衰減極點頻率附近，包絡時延都

53、出現(xiàn)很高的峰值，脈沖通過它們所產(chǎn)生的肩峰和余振都比巴特沃斯濾波器更為嚴重，而橢圓函數(shù)類濾波器具有最好的脈沖響應。橢圓函數(shù)類濾波器中，采用等相位差的線性相位濾波器，可以用更少的節(jié)數(shù)達到更平直更均勻的相位特性和時延特性，而且阻帶的衰減也比</p><p>　　圖2-8是巴特沃斯濾波器（左上）和同階第一類切比雪夫濾波器（右上）、第二類切比雪夫濾波器（左下）、橢圓函數(shù)濾波器（右下）的頻率響應圖。</p>&

54、lt;p>　　由圖可見巴特沃斯濾波器的衰減速度比其他類型濾波器緩慢，但十分平坦，沒有幅度變化。兩類切比雪夫濾波器比巴特沃斯濾波器陡峭；但不如橢圓函數(shù)濾波器，然而后者幅度波動較大。</p><p>　　圖2-5 巴特沃斯、第一、二類切比雪夫、橢圓函數(shù)濾波器波特圖</p><p>　　3　基于貝塞爾函數(shù)帶通濾波器設計</p><p>　　3.1濾波器的設計思想&l

55、t;/p><p>　　雖然目前最常用的濾波器設計方法是巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)等幾種形式，但這些方法在設計120MHz濾波器時，要通過變換以實現(xiàn)其帶通，并且它們所設計的濾波器的群延遲特性在通帶內(nèi)呈現(xiàn)凹形波形，在其實際的使用（如在廣播、移動通訊中的中頻濾波和二次濾波）中要進行群延時的均衡，使設計步驟變的繁瑣且濾波電路復雜。而用貝塞爾函數(shù)設計的帶通濾波器具有最窄過濾帶，在通帶內(nèi)時延均衡在實際的應用中又不需要加延遲以均

56、衡電路，這樣的話電路就很容易調(diào)整，由于所有節(jié)點的諧振在相同的頻率上，那么調(diào)諧就比較簡單，在經(jīng)濟上和制造容易程度上來進行考慮，電容耦合電路最適合，而貝塞爾函數(shù)設計的濾波器就是電容耦合電路，故采用貝塞爾函數(shù)設計。</p><p>　　3.2濾波器的設計步驟</p><p>　　（1）由貝塞爾濾波器頻率響應特性可知，該帶通濾波器用一個4階貝塞爾函數(shù)可以滿足該要求。</p><

57、p>　?。?）貝塞爾濾波器的參數(shù)q和k可以由表4-1（貝塞爾電容耦合諧振電路）得到。</p><p>　　表4-1貝塞爾濾波器參數(shù)表</p><p><b>　　在4階條件下得到</b></p><p><b>　　；</b></p><p><b>　　；</b><

58、;/p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q帶通為</p><

59、p>　　其中為中心頻率，B|3db為帶寬</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><

60、;b>　　；</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　設每節(jié)諧振電路的電感，而 </p><p>　　則信號源電阻為：； </p><p><b>　　終端電阻為： ；</b></p><p>　　總的節(jié)點電容C節(jié)點： ；<

61、/p><p><b>　　則耦合電容為：</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　則電容為：</b>

62、;</p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　根據(jù)以上所得的元件值，可以畫出以下的原理圖<

63、;/p><p>　　圖3-1理論上的原理圖</p><p><b>　　4　仿真與分析</b></p><p>　　4.1 PSPICE</p><p>　　最早的用于模擬電路仿真的SPICE，（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）軟件是在1972年由美國加

64、州大學的伯克利分校里的計算機輔助設計小組利用當時的FORTR AN語言開發(fā)而成的，當時這個小組的研發(fā)目的是用于大規(guī)模集成電路的計算機輔助設計，也就是為他們自己省點力，而在1975年推出了SPICE的正式版SPICE 2G，但該程序的運行環(huán)境主要為小型機。直到在1985年的時候，加州大學的伯克利分校又用C語言對SPICE軟件進行了大規(guī)模得改寫，并由MICROSIM公司正式推出。等到1988年SPICE被評定為美國國家工業(yè)標準的時候，各種以

65、SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，以SPICE為基礎做了大量實用化和精細化工作，以上的工作使SPICE成為應用最廣和最實用的電子電路仿真軟件。</p><p>　　4.2 PSPICE仿真軟件的優(yōu)越性</p><p>　　PSPICE軟件具有十分強大的電路繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和新元器件符號制作功能，并以圖象的方式輸入，還可以自動進行電路檢查，生成圖表，模擬仿真和

66、計算電路。它的用途及其廣泛，不僅可以用于電路的仿真分析和優(yōu)化設計，還可用于電子線路、電路信號與系統(tǒng)等的課程計算機輔助教學。如果把PSPICE軟件與印制版設計軟件配合使用，還可實現(xiàn)電子設計自動化。PSPICE軟件被公認為是通用電路模擬程序中最為優(yōu)秀的軟件，其具有廣闊的應用前景。這些特點使得PSPICE受到廣大科研人員、電子設計工作者以及大學高校師生的熱烈歡迎，據(jù)說國內(nèi)許多高校已將其列入電子類本科生和碩士生的輔修課程。</p>

67、<p>　　電路設計軟件有很多，它們各有特色。如Protel和Tango，它門對單層、雙層電路板的原理圖及PCB板的開發(fā)與設計都很適合，而對于布線教復雜，元件又比較多的四層和六層板來說ORCAD就更有具有優(yōu)勢。但在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE軟件可以說獨具特色，其他軟件無法與PSPICE軟件相比擬，這么說吧，PSPICE軟件是一個多功能的電路模擬試驗平臺，由于PSPICE軟件收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級仿真，具有快速、準確

68、的仿真能力。</p><p>　　（1）圖形界面好，通俗易懂，操作比較簡單</p><p>　　由DOS版本的PSPICE到WINDOWS版本的PSPICE，使得PSPICE軟件由原來純粹的文本輸入方式升級為輸入原理圖的方式，使電路設計者更加直觀的感受。PSPICE軟件從6．0版本開始就全部采用菜單式結(jié)構，可以說只要熟悉WINDOWS操作系統(tǒng)就會很快上手PSPICE軟件，可以利用鼠標和快捷

69、鍵一起操作，這樣既提高了工作效率，又大大縮短了設計周期。即使沒有說明書或者指導者，用戶只要會幾個基本專業(yè)單詞就可以通過實際操作很快上手PSPICE軟件。</p><p>　?。?）仿真效果明顯，實用性強</p><p>　　在PSPICE軟件中，修改元件參數(shù)是很容易的，它只需要存一次盤、創(chuàng)建一次仿真的連接表，就可以很快實現(xiàn)一個比較復雜的電路仿真。如果用Protel等軟件進行元件參數(shù)修改和仿

70、真，那個過程就十分繁瑣。在改變一個元件參數(shù)的時候，哪怕隨便一個電阻阻值的改變都要重新建立新的網(wǎng)絡表連接，設置其他的元件參數(shù)就更為復雜。</p><p>　?。?）集成度很高，功能強大</p><p>　　在PSPICE軟件內(nèi)集成了許多仿真功能，諸如：直流仿真分析、交流仿真分析、噪聲仿真分析、溫度仿真分析等等，用戶只需在所要觀察的節(jié)點放置電壓或電流探針，就可以在仿真結(jié)果中觀察到很直觀的“電壓

71、（或電流）—時間圖”。而且該軟件還集成了很多數(shù)學函數(shù)運算，不止為用戶提供了加、減、乘、除等最基本的數(shù)學運算，還提供了正、余弦、對數(shù)、指數(shù)、絕對值等其他基本的函數(shù)運算，這些都是其他軟件所沒有的。</p><p>　　另外，用戶還可以在仿真結(jié)果窗口進行各種編輯，比如修改坐標、疊加圖形、添加窗口等，還有保存和打印圖形的功能只要連上打印機就能直接打印出圖形，無需轉(zhuǎn)換和更改，這些功能都給使用者提供了極大的便利節(jié)省了大量的時

72、間。因此，WINDOWS版本的PSPICE軟件更優(yōu)于DOS版本的PSPICE，它不但可以使用輸入原理圖方式，而且也可以使用輸入文本方式，具備了雙重功能。這無疑使PSPICE軟件成為了電子電路設計人員的好幫手。</p><p>　　PSPICE軟件是計算機輔助分析設計的電路模擬軟件。它主要用于設計者所設計的電路在硬件實現(xiàn)之前，先對電路進行模擬仿真分析，就如同對先對所設計的電路進行組裝，并用各種儀器調(diào)試和測試一樣，這

73、些工作完全由計算機來模擬完成。使用者根據(jù)自己的要求來設置不同的元件參數(shù)，計算機就像實驗室的掃描儀一樣可以分析電路的頻率響應，也像示波器一樣可以測試電路的瞬態(tài)響應，還可以對電路進行交直流仿真分析、噪聲仿真分析、Monte Carlo統(tǒng)計分析、最壞情況仿真分析等，只要修改參數(shù)就可以了，這樣可以讓使用者的設計達到最優(yōu)效果。在以前一個新產(chǎn)品的研制過程需要經(jīng)過很多工序：工程估算，試驗板搭試與調(diào)整，印刷板排版與制作，試驗品的裝配與調(diào)試，樣品的性能測

74、試，如果測試指標不合格，又要從調(diào)整開始循環(huán)，直至指標合格為止。這樣往往需要經(jīng)過反復實驗和修改。而仿真技術可將“實驗”與“修改”合二為一，為確定元件參數(shù)提供了科學的依據(jù)。它的主要優(yōu)點如下：</p><p>　　(1)和傳統(tǒng)的設計方法相比節(jié)省大量的時間；</p><p>　　(2)由于是單純的計算機仿真，這樣就節(jié)省了各種儀器設備；</p><p>　　(3)仿真結(jié)果與實

75、際產(chǎn)品一致，而且很可靠；</p><p>　　(4)由于節(jié)省了時間那設計者有更多的時間去設計和開發(fā)新的產(chǎn)品，這樣產(chǎn)品更新很快，投放市場也很快等。</p><p>　　PSPICE程序采用改進節(jié)點法列電路方程，用牛頓-萊普生方法的改進算法進行非線性分析，用變節(jié)步長的隱式積分法進行瞬態(tài)分析，在求解線性代數(shù)方程組時，采用了稀疏矩陣技術。</p><p>　　4.3貝塞爾濾

76、波器電路仿真與分析</p><p>　　圖4-1 仿真過程流程圖</p><p>　?。?）打開pspice10.5仿真環(huán)境，從元件庫中調(diào)用各參數(shù)所用元器件，并設定各參數(shù)值，其最終電路如圖4-1所示。第一次啟動capture CIS程序時，需要加載元件庫，利用菜單欄啟動place—>part命令，加載元件庫后，調(diào)出所需的元件并放置好；同樣的，啟動place—>power命令，放

77、置偏置電源和接地符號；為了方便進行所需的頻域的掃描，選取1V的Vac作為激勵源。</p><p>　?。?）電路繪制完成后，進行元件屬性編輯 。首先選定要編輯屬性的元件，啟動菜單欄edit—>properties命令，打開元件屬性編輯對話框，對其part reference及Value等屬性進行編輯。至此，一張用capture繪制的電路圖全部完成，完成后的電路圖如圖4-2。</p><p

78、>　　圖4-2 capture繪制的電路圖</p><p>　　元件屬性編輯完成后，就可以進行仿真了。</p><p>　　4.3.1幅頻特性曲線</p><p>　　點擊菜單欄PSpice—>Edit Simulation Profile會彈出如下對話框（圖4-3）</p><p>　　圖4-3 Edit Simulation

79、Profile對話框</p><p>　　選擇AC Sweep/Noise，然后開始設置啟動頻率（start frequency）和截止頻率（end frequency）以及波形圖分布點數(shù)（point）。設置完成后如圖4-4。</p><p>　　圖4-4 AC Sweep對話框</p><p>　　之后點擊確定，放置探針，運行，得到如下的波形圖如圖4-5所示&l

80、t;/p><p>　　圖4-5 幅頻特性圖</p><p>　　從幅頻圖（圖4-5）中我可以看出該帶通濾波器的中心為120MHz，而且其幅度特性良好，阻帶衰減大。</p><p>　　4.4.2波特圖曲線</p><p>　　圖4-6 波特圖曲線圖</p><p>　　利用軟件中的DB仿真功能，可以得出電路的波特圖如圖4

81、-6所示，其帶寬3dB為-2MHz和+2MHz。</p><p>　　4.3.3群延遲特性</p><p>　　最后對群延遲特性進行仿真，利用G仿真功能，可得到其群延遲特性如圖4-7所示，在帶通內(nèi)延遲平坦，且表現(xiàn)出較平坦的群延遲特性。</p><p>　　圖4-7 群延遲特性圖</p><p><b>　　5 結(jié)束語</b

82、></p><p>　　上述方法設計出的濾波器主要基于貝賽爾函數(shù)是一種非線性函數(shù)，在理論設計用PSpice軟件仿真可以校驗設計結(jié)果，為了避免硬件電路反復調(diào)整的麻煩，在濾波器設計好以后，用最優(yōu)化理論對所設計出的濾波器進行調(diào)整，使所設計出的濾波性能達到最小誤差，其誤差不超過2%。這種濾波器對于在實際生活中用于無線廣播、移動通信中頻濾波器和二次濾波具有重要的借鑒意義，并可以應用實際電路，從而改善我國無線廣播和移動

83、通信中頻濾波器。通過此種方法可以設計更高頻率的濾波器，不需要延遲均衡，直接進行幅度均衡，就可以制作成理想實用的中頻濾波器。但是由于條件所限，并沒有做出最優(yōu)的設計。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　一轉(zhuǎn)眼，在電子信息學院四年的校園生活就要結(jié)束了，雖然說是順利的完成了所有的學業(yè)，但是即將離開學校卻還是覺得十分的不舍。在學院四年里，讓我感觸

84、很深。在學習上，自己應該要有求新的意識和學習新知識的能力。在工作上，我在學生會得到了很多鍛煉自己的機會。在這里我要特別感謝周老師和李同學楊同學對我的照顧，他們在學習過程當中給予我指導、鼓勵、幫助，最重要的是教導我們?nèi)绾螢槿颂幨?。這讓我不僅在學業(yè)方面收益頗多，在待人處事方面也受益非淺。</p><p>　　首先衷心感謝周導師！從論文的選題、可行性分析、文獻的收集、到課題研究的開展，特別是論文的撰寫，導師都給予了無微

85、不至的關懷，提出了許多建設性的意見。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的學識，保證了畢業(yè)設計和論文的順利完成；工作上不辭辛勞、踏實敬業(yè)的高尚精神，生活中質(zhì)樸謙和、誨人不倦的師者風范，給我留下了深深的印象，是我學習的楷模，鞭策著我不斷進步。導師不僅傳授了我寶貴的知識，還在思想上給予我深刻的教誨，在生活上給予我無微不至的關懷。由于自己一直在外實習工作沒時間做畢業(yè)設計,但是老師并沒有放棄我，而是不時的督促我，指導我，通過電話，短信，QQ全方面的給我輔導

86、，花費了不少的精力。在此，我向她表示最衷心的感謝！由衷的說句“老師您辛苦啦！”</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]曾志華,賈新章,劉寧,李曉亮.帶通濾波器的優(yōu)化設計和可制造性分析[J],西安電子科技大學報,2003,30(1):66-69.</p><p>　　[2]濾波器[EB/OL],[2011-11-

87、3].http://baike.baidu.com/view/141368.htm.</p><p>　　[3]貝塞爾濾波器[EB/OL],[2011-7-30].http://zh.wikipedia.org/.</p><p>　　[4]陳世勇,雷劍梅,胡旭,楊士中.一種具有傳輸零點的Hairpin帶通濾波器設[J]計,電路與系統(tǒng)學報,vol.10,no.4,pp.145-147,Au

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90、：自然科學版.2007，12(4)：12-15. </p><p>　　[10]J.-X.Chen,and Q.Xue,“Dual-mode microstrip bandpass filter with spurious response suppression,”Microwave and Optical Technology Letter[J]s,vol.49, pp. 556-558,Mar.2007.&