席文静　屠晨坤

摘要：本文研究中进行了工作频段为30MHz—90MHz基于变容二极管的数字调谐跳频LC滤波器的研究与设计，设计出基于变容二极管的数字调谐跳频滤波器，利用电磁仿真软件 ADS进行进一步的仿真优化，达到满足无线通信系统所要求的设计指标。

关键词：通信系统;滤波器技术;CIC滤波器;半带滤波器

日益复杂的电磁环境使得电子对抗技术成为通信系统中信息对抗的关键技术，尤其是跳频通信技术的使用。跳频通信由于其优越的抗干扰性、抗衰落性以及抗截获能力，在军用无线通信领域中性能在通信领域得到了越来越多地应用，是一种对抗无线电频谱间相互干扰的有效手段。

一、抽取滤波器及其形式

通信系统建立与运行过程中要求进行信号处理，系统设计过程中要求尽量减少数字信号处理器计算量，能够实现不同数据速率的兼容要求。因此设计中要求变换采样率。这容易造成镜像效应与混叠效应，因此要求对数据进行多种形式的特殊处理，滤波器的运用能够有效解决之一问题。减少或者消减频谱的镜像效应或者混叠效应[1]。

目前无线电通信系统中大量运用了CIC滤波器及其后级改进形式。通信系统中经常使用的其他设备还包括半带滤波器、分布式算法等，分别具有自身的使用优势与适用范围，目前软件无线电设备一般采用半带滤波器，具有较高的运算效率，运用的硬件结构形式也 较为简化，可与CIC滤波器联合使用。分布式算法实现半带滤波器能够显著提升系统的速度效率，同时其消耗的硬件资源也较多，可达到较快的运算数据速度，在信号处理过程中具有显著的运用优势。数字通信设备靠近RF前端中一般使用半带滤波器、CIC滤波器，具有较高的采样速率，为软件无线电提供了技术可能性[2]。

二、基于变容二极管的跳频滤波器

（一）抽取滤波器设计参数

完成工作频段为30MHz—90MHz基于变容二极管的数字调谐调频LC滤波器的研究与设计。其技术指标为：调频覆盖频率范围30MHz—90MHz;BW—3dB：0.5MHz—3MHz;插入损耗：小于5dB;40dB带外衰减带宽：小于10MHz;端口驻波：小于2。

带宽选择3dB带宽，截止频率为下降沿3dB点频率，微分时延选择两特定频率点群时延之差。插入损耗为滤波器和设计要求负载连接，相移为信号经过滤波器所产生的相移。截止频率为下降沿3dB点频率，群时延为离散信号经过滤波器产生的时延。带内波纹为通带之内产生的幅度波动，dB计算。通带增益一般应当大于-5dB，一般结合滤波器S21参数确定，通带反射系数一般结合滤波器S11 参数确定，一般低于-22dB。通带截止频率设定为3GHz[4]。

其形式为由射频LC滤波器电路搭建的跳频滤波器，并使用自动化电磁仿真软件ADS（Advanced Design system）进行电路的仿真计算。射频工程师以及系统设计工程师几乎可以使ADS软件实现所有类型的射频电路设计，是当今使用最多的微波射频电路和通信系统仿真软件。射频调频滤波器的设计首先根据需求得出滤波器的技术指标，然后根据归一化低通原型求得原型参数，进而选定电容值，并计算出谐振器的电感值，转换计算出电感值，最终加入电源馈电电路，得到数字调频跳频滤波器的各项参数。

（二）变容二极管跳频滤波器运行情况

利用宽带匹配技术使用两级晶体管组成多级放大器在两级数字调谐跳频滤波器之间进行放大，在满足增益要求的前提下实现二阶数字调谐跳频滤波器的级联，使其可以应用在无线通信收发信机中。

针对跳频滤波器的研究，主要集中在原理分析、结构设计以及测试方法等方面，对于电容阵列的选取只是靠经验和实际调试后取得的对频段的全部覆盖。这样做耗时费力，效果也不一定能够达到预期。另外，在无线收发信机的实际应用中，由跳频滤波器带来的损耗会使用射频放大器来进行增益补偿，当前应用中所使用的放大器普遍价格相对较高。考虑到实际的生产加工过程，选用晶体管放大器，在保证系统稳定工作的前提下，显著降低了加工成本，使得该无线通信系统收发信机得到量产[5]。

三、高效抽取滤波器技术的ADS仿真分析

（一）仿真参数设置

仿真分析中，在Simulation-S_Param仿真工具栏中设置仿真参数，正确定义端口1与端口2，按照图中的相关规定连接电路。结合仿真要求设置扫描步长与频率范围。0 GHz起始扫描频率以Start=0 GHz表示，5 GHz终止扫描频率以Start=5 GHz表示，0.01 GHz扫描间隔以Step=0.01 GHz表示。

参数设置完成之后对滤波器进行仿真分析。点击点击 simulate→simulate，仿真完成之后，系统中会弹出数据显示窗口，将一个S21 参数的矩形图插入至数据显示窗口之中，并點击 maker→New。分析仿真之后得到的数据图能够看出S21 参数曲线属于低通滤波形状，未满足设计指标的相应要求。为此分析中可以插入S11 参数矩形图，并辅之以 Marker点。当前研究中，通带内选择S11 符合工程设计要求。

通过仿真分析能够看出，应当有效优化电路参数，设计中选择 optim/stat/Yield/DOE优化面板，运用Gradient（梯度）、Random（随机）等优化方式，并设置最佳的优化次数。设置控件中的优化参数。仿真控件名称以SimlnstanceName表示，研究中选择 SP1，优化目标的权重以Weight表示，变量变化范围以RangeMin、RangeMax表示。方针图原理分析中与实际情况之间可能存在一定的差异，应当将这一因素考虑在内，对此进行一定优化调整。

（二）仿真过程

MLOC、MLIN宽度均为变量值，由此在仿真分析过程中要求设置一个变量控件，在原理图中演示变量控件 VAR，并弹出窗口添加各微带线的 W 参数。将变量名称填写在Name 栏之中，将填变量初值填写在Variable Value 一栏之中，此时点击 Add 逐渐添加变量，将变量取值范围通过 Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按钮输入，该变量是否能被优化以Enabled/Disabled表示，可优化最小值以Minimum Value表示，可优化最大值以Maximum Value 表示。

ADS仿真分析过程中，应当注意到仿真一般是在理想的数据状态下进行，而在实际运行过程中还可能受到耦合、干扰等一些外界因素的影响，以此优化仿真分析。

进行版图仿真，在ADS系统中点击 Momentum，点击Simulation，点击S-parameter，在系统窗口右侧位置Sweep Type栏目中选择Adaptive，采用与原理图一致的起止频率，采样点数设置为10，完成之后点击Update按钮，并将其放入左侧列表之中，同时点击 Simulate按钮进行仿真分析，同时仿真进行过程能够通过状态栏体现。仿真运行完成之后一段时间之后，S21与S11曲线会显示字窗口之中，表示性能出现的不同变化，S21值大约-48dB，S11值大约-24dB，符合相关指标要求。

（三）仿真效果分析

运用ADS系统，将高低频合成之后的频谱和信号波形输入至系统之中，通过数字滤波器读取处理之后，在系统中显示为带毛刺的正弦波。

分析半带滤波器数字信号处理之后情况，可见波形显示较为平滑，由此可见系统进一步滤除了高频率信号，得出与Matlab频谱仿真相同的分析结果。

在信号合成之后得到信号频谱，两路信号合成之后得到的子信号频道能够被有效降低，在信号处理过程中可有效滤除高频信号，在信号处理过程中能够选择低频率子信道信号，由此在通信系统运行中达到良好的数字调谐效果。由此通过半带滤波器与CIC滤波器的衰减之后，可达到良好的抽取滤波效果。在后级滤波处理过程中能够达到良好的信道平衡效果，此时可以采用阶数较高的FIR滤波器，以此提升滤波器的复杂程度，同时也能够显著改善滤波器使用特性。与原始状态值相比，此时的信号采样率数值已经显著降低，因此与一般的使用器件相比，较为复杂滤波器能够达到更为良好的使用效果。

四、结语

本文研究中设计出基于变容二极管的数字调谐跳频滤波器，利用ADS仿真软件进行仿真优化，以前期ADS仿真实验为基础，制作合适的印制板，并进行实物调试，最终得到符合指标频段的跳频滤波器，在满足增益要求的前提下实现二阶数字调谐跳频滤波器的级联，使其可以应用在无线通信收发信机中。

参考文献：

[1]任荣，李军.关于面向5G无线通信系统的关键技术分析[J].数字通信世界，2019（1）：61-61.

[2]俞杨，唐晓庆，李春.宽调谐微波光子滤波器中通带展宽效应的分析和迭代补偿[J].光学与光电技术，2019，17（3）.

[3]齐一飞，战捷，张绍林， et al. SDH光传输技术在电力通信系统中的应用分析[J].中国新通信，2018，20（2）.

基金项目：南京医科大学康达学院科研课题（KD2018KYJJYB006、KD2019KYJJYB006）。

作者簡介：席文静（1989—），女，江苏连云港人，硕士，实验师，主要从事电子与通信工程研究。