抗混疊濾波射頻電路設(shè)計(jì)的重要性

在設(shè)計(jì)RF電路的過程中，需要考慮很多方面的問題最后才能設(shè)計(jì)出一個(gè)我們需要的理想的射頻電路，在這個(gè)過程中，濾波器是非常高頻使用的，這個(gè)大家都知道，但是抗混疊濾波這個(gè)概念卻不是一定都很熟悉?？够殳B濾波器本質(zhì)上是一個(gè)低通濾波器它的作用是輸出電平中把混疊頻率分量降低到微不足道的程度。濾波是一種我們往往視為當(dāng)然的常見過程。

我們?cè)诖螂娫挄r(shí)，接收器濾除其它所有信道，使我們僅僅接收到特定的信道。當(dāng)我們調(diào)節(jié)立體聲系統(tǒng)的均衡器時(shí)，利用帶通濾波器選擇性增大或降低特定頻帶的音頻信號(hào)。在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，高于二分之一采樣率的頻率成分“混疊”(搬移)到有用頻帶。大多數(shù)時(shí)間，混疊是有害的副作用，所以在模/數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換級(jí)之前，將“欠采樣”的較高頻率簡(jiǎn)單濾除。但有時(shí)候，特意設(shè)計(jì)利用欠采樣，混疊使得AD系統(tǒng)作為混頻器工作。 本文討論數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的不同濾波要求，介紹混疊以及用于抗混疊的不同類型濾波器。濾波器在幾乎所有數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中扮演著重要角色。大多數(shù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)都安裝有濾波器，濾除超出ADC范圍的頻率成分。有些ADC在其結(jié)構(gòu)本身上就具有濾波功能。今天我們就從數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)、濾波要求以及與混疊的關(guān)系中來了解一下抗混疊濾波為什么如此重要。受限讓我們來了解一下采樣的相關(guān)概念。欠采樣欠采樣是一種功能強(qiáng)大的工具，可有效用于所選應(yīng)用。欠采樣允許ADC作為一個(gè)混頻器，能夠接收調(diào)制高頻載波信號(hào)并產(chǎn)生較低頻率的鏡像。這種方式下，就像下變頻器。另一種主要優(yōu)點(diǎn)是允許ADC的采樣率低于奈奎斯特頻率，一般具有較明顯的成本優(yōu)勢(shì)。由于所有處理都在數(shù)字域完成，如果需要對(duì)電路的性能和特性進(jìn)行更改，只需修改軟件即可。相對(duì)而言，對(duì)于模擬設(shè)計(jì)，如果需要更改電路性能，需要改變電路硬件元件和布局，并且成本相當(dāng)高。欠采樣的一項(xiàng)缺點(diǎn)是有用頻帶內(nèi)可能出現(xiàn)有害信號(hào)，您不能將其與有用信號(hào)區(qū)分開。此外，欠采樣時(shí)，ADC輸入的頻率范圍往往非常寬。

欠采樣示例

欠采樣數(shù)字化的鏡像信號(hào)(1階和2階)

過采樣

過采樣提供所謂的處理增益。在過采樣時(shí)，以較高采樣頻率獲得多出實(shí)際需要的采樣數(shù)量，然后對(duì)數(shù)據(jù)濾波，從而有效降低系統(tǒng)的噪底(假設(shè)噪聲為寬帶白噪聲)。這不同于平均，后者是獲取很多采樣，噪聲被平均?？梢赃@么理解過采樣：如果輸入信號(hào)來自于掃描頻率的信號(hào)源，頻譜則可以分為多個(gè)范圍或“容器”，每個(gè)容器的帶寬固定。寬帶噪聲分散在整個(gè)有用頻率范圍內(nèi)，所以每個(gè)容器具有特定量的噪聲?，F(xiàn)在，如果提高采樣率，那么頻率容器的數(shù)量也增多。在這種情況下，出現(xiàn)的噪聲量仍相同，但我們有更多的容器可供容納噪聲。然后我們利用濾波器濾除超出有用頻帶的噪聲。結(jié)果就是每個(gè)容器的噪聲減少，所以就通過過采樣有效降低了系統(tǒng)的噪底。有了以上的采樣相關(guān)背景知識(shí)后，我們就可以開始討論抗混疊濾波器了。

抗混疊濾波

在選擇濾波器時(shí)，目標(biāo)是提供一個(gè)截止頻率，能從ADC輸入中消除有害信號(hào)或至少將其衰減至不對(duì)電路形成負(fù)面影響?？够殳B濾波器是滿足這一要求的低通濾波器。如何選擇正確的濾波器？需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)是在通帶內(nèi)的衰減量(或紋波)、阻帶內(nèi)的預(yù)期濾波器滾降、過渡區(qū)域的陡度，以及不同頻率通過濾波器時(shí)的相位關(guān)系。

實(shí)際濾波器理想濾波器具有“磚墻”響應(yīng)，也就是說其過渡比是無限大的。然而，在實(shí)際應(yīng)用中不可能存在這種情況。滾降越陡，濾波器的“Q”或品質(zhì)因子越高；Q因子越高，濾波器的設(shè)計(jì)就越復(fù)雜。較高的Q因子會(huì)造成濾波器不穩(wěn)定以及在相應(yīng)的拐點(diǎn)頻率下自振。選擇濾波器的關(guān)鍵是了解干擾信號(hào)的頻率及對(duì)應(yīng)幅值。例如，對(duì)于手機(jī)，設(shè)計(jì)者知道鄰近信號(hào)的最差工作條件幅值和位置，從而有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。并不是所有信號(hào)都能在頻域預(yù)測(cè)，甚至有些已知干擾信號(hào)太大，不能足夠地衰減。但是，根據(jù)環(huán)境和應(yīng)用，您可考慮已知干擾和設(shè)計(jì)，最大程度降低隨機(jī)干擾，確保工作更可靠。

理想濾波器已知有用信號(hào)頻率后，利用簡(jiǎn)單的濾波程序確定所需的濾波器結(jié)構(gòu)，以滿足通帶、阻帶和過渡區(qū)域要求。在四種基本濾波器類型中，每種都有其各自的優(yōu)勢(shì)。

四種基本的濾波器類型例如，巴特沃斯(Butterworth)濾波器的通帶區(qū)域最平坦，意味著在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)的衰減最小；貝塞爾(Bessel)濾波器的滾降較平緩，但其主要優(yōu)勢(shì)是線性相位響應(yīng)，意味著每種頻率成分在通過濾波器時(shí)的延時(shí)是相等的；由于群延遲定義為相位響應(yīng)相對(duì)于頻率的偏差，所以線性相位響應(yīng)通常指的是固定群延遲。切比雪夫(Chebyshev)濾波器的滾降較陡，但在通帶內(nèi)紋波較大。橢圓(Elliptic)濾波器的滾降最陡。對(duì)于最簡(jiǎn)單的抗混疊濾波器，簡(jiǎn)單的單極點(diǎn)無源RC濾波器往往是可以接受的。在其它情況下，有源濾波器(即使用運(yùn)放)比較合適。有源濾波器的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是多階濾波器，濾波器對(duì)外部元件值不太敏感，特別是濾波器的“Q”值。抗混疊濾波器通常不必嚴(yán)格對(duì)應(yīng)拐點(diǎn)頻率的位置，所以設(shè)計(jì)時(shí)具有一定余地。例如，如果您需要最大平坦度，但在通帶內(nèi)仍然有太大衰減，只需將拐點(diǎn)頻率移遠(yuǎn)即可解決問題。如果阻帶衰減太小，則可提高濾波器的極點(diǎn)數(shù)。另一種方案是在濾波后將信號(hào)放大，提高信號(hào)相對(duì)于有害信號(hào)的幅值?？傊?，抗混疊濾波在射頻技術(shù)中是非常重要的。

審核編輯 黃昊宇