（中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430205）

1 引言

对于地下通信系统，大地媒质对电磁信号的衰减作用随着频率的升高而迅速增强。因此，甚低频通信成为地下矿井通信、地震灾害应急通信、地下环境感知等应用场景的重要通信手段。传统的甚低频接收系统主要采用超外差式的接收机，利用混频器将射频信号先下变频到中频，在中频段利用带通滤波器对信号进行进一步选择和放大，再使用解调器将中频信号解调为基带信号。但混频电路相对复杂、集成度不高，晶体滤波器成本高且体积较大，同时当带宽较窄时高Q值滤波器也难以实现。采用开关电容滤波器设计，可实现带通滤波器中心频率可调，直接对信号进行选择，免去混频的过程，从而简化射频电路，提高接收机集成度与灵活性［1～3］。

2 可变频滤波器基本原理

传统RC滤波器主要由定值电阻电容电路实现，以一阶RC低通滤波器为例，其基本电路如图1所示，电容C并联在电路中与电阻R组成RC低通滤波电路，阻止高频信号通过。其幅频特性公式为式（1）。

图1 RC低通滤波器

分析可知当f较小时，A（f）的值趋近于1，信号幅度几乎没有衰减，当f较大时，A（f）的值趋近于0，高频信号有较大衰减，从而实现了低通滤波器的功能。

可变频滤波器主要是通过开关电容器件来实现，开关电容主要由MOS开关、MOS电容和MOS运放组成。带有高速MOS开关的MOS电容其效果相当于两点之间连接了一个电阻，通过改变MOS开关的开关频率即可改变电阻的大小，从而可以方便的改变滤波器的截止频率或者中心频率［4～5］，克服模拟有源滤波器频率难以改变的缺点。等效电阻原理图如图2所示，在开关S动作的一个周期Ts期间，电路中流过的电流为

图2 开关电容积分电路

电路两端的电压U=U1-U2，因此等效电阻值为

由式（3）可知，等效电阻的大小可由电容C1和开关频率fs决定。将RC积分器中的电阻用开关电容代替，与MOS运放可组成开关电容积分器。对于滤波器来说，开关电容积分器与模拟有源滤波器的RC积分器一样是关键部件。开关电容积分器实际上是一个抽样数据系统，当抽样频率远大于信号频率时，通常设计大于100倍，可获得较好的电阻等效效果。其传递函数为

由式（4）可知开关电容积分器的传输特性受时钟频率和电容比C2/C1控制，一般情况下，电容的比值是不变的，而且集成电路工艺可将该比值做的非常精确。因此传递函数特性主要就由时钟频率来控制［6］，通过时钟频率即可控制滤波器的中心频率。

3 滤波器设计

本设计中要求在甚低频段实现中心频率可调的带通滤波器，且滤波器具有较高Q值。主要通过开关电容滤波器和数字频率合成器组成［7］。目前商品化的开关电容滤波器主要为MAXIM和LIN⁃EAR系列，另外TI也有少量产品。其中MAXIM产品种类和系列比较全面，在低阶滤波器设计中不需要改变外接频率，可通过程控改变滤波器中心频率和Q值，使用性比LINEAR系列优越，但其噪声普遍较大不利于微弱通信信号接收。LINEAR系列与其相比，高阶滤波器更具有优势，同时其噪声较小。本设计拟采用LTC1068-25开关电容模块，时钟采用直接数字频率合成器AD8932实现。其总体设计图如图3所示。

图3 总体设计图

LTC1068-25内整合了4个相同的二阶开关电容滤波器，滤波器的带宽范围为0～140kHz。通过外部时钟来调整每个二阶滤波器的中心频率，其外部时钟与滤波器中心频率之比为25：1［8］。其内部结构如图4所示。

图4 LTC1068内部结构图

其中HPA、HPB、HPC、HPD分别表示四个滤波器的高通输出端口；LPA、LPB、LPC、LPD分别表示四个滤波器的低通输出端口；BPA、BPB、BPC、BPD分别表示四个滤波器的带通输出端口；INV A、INV B、INV C、INV D分别表示四个滤波器的高通输出端口；由于四个2阶通道在内部是分离的，因此高阶的滤波器是有四个通道的滤波器级联来实现的［9］。

在实际应用中可以通过不同级联方式以及不同的外围电路来设置开关电容滤波器工作模式，从而实现阶数可调、类型可变的滤波器，甚至可以调整时钟与滤波器中心频率之比［10］。以工作模式3为例，其外围配置图如图5所示。

图5 工作模式3示意图

通过外围电阻R2与R4的控制可以使外部时钟频率与中心频率的比值调整为大于或小于25：1，调整后滤波器的中心频率的值与Q值分别为

通信过程中工频谐波会给通信带来干扰，通过设置3dB带宽值和中心频率之间的第一倍数的大小可以滤除工作频率低频段内的工频谐波干扰信号，减小高频段内工频谐波干扰信号的影响，提高接收电路输出的通信信号的信噪比。

直接数字频率合成芯片AD9832通过串行端口设置运行参数，接口简单，相关功能易于实现，最高时钟频率可达25MHz，可以满足本设计的需求［11～13］。其电路结构如图6所示。

其内部包括两个32位的频率寄存器FREQ0和FREQ1，每组频率寄存器都可以控制产生不同的频率，通过外部引脚FSELECT或者命令字中的PSE⁃LECT位控制，改变频率寄存器数值，就可以产生不同的频率。

4 仿真结果

使用filterCAD软件对电路进行仿真［14］，设置开关电容滤波滤波器为8阶bessel带通滤波器，其时钟频率由AD9832分频产生输入至LTC1068-25的flck，其电路原理图如图7所示。仿真结果为调整3次时钟频率对应产生三种不同中心频率带通滤波器的特性曲线。

当fclk=500kHz时，带通滤波器中心频率为20kHz，滤波器带宽为550Hz，阻带衰减50dB，四个二阶带通滤波器的Q值分别为29.4、29.4、40.5、40.5，其滤波器特性曲线如图8所示。

图6 AD9832内部结构图

图7 LTC1068-25电路原理图

图8 中心频率为20kHz滤波器特性曲线

当fclk=750kHz时，带通滤波器中心频率为30kHz，滤波器带宽为610Hz，阻带衰减55dB，四个二阶带通滤波器的Q值分别为36.1、36.1、49.8、49.8，其滤波器特性曲线如图9所示。

图9 中心频率为30KHZ滤波器特性曲线

当fclk=1000kHz时，带通滤波器中心频率为40kHz，滤波器带宽为820Hz，阻带衰减55dB，四个二阶带通滤波器的Q值分别为35.8、35.8、49.4、49.4，其滤波器特性曲线如图10所示。

图10 中心频率为40KHZ滤波器特性曲线

5 结语

本设计通过LTC1068-25开关电容滤波芯片以及AD9832进行实现，根据仿真结果可知：通过调整时钟频率，可以利用开关电容滤波器实现可变中心频率的带通滤波器，说明了本设计的可行性。除此之外，仿真结果显示，当带通滤波器的中心频率较高时，具有高Q值的窄带滤波器将会变得难以实现。