顧慶水，賈聰智，陳 偉

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

結(jié)合科研項(xiàng)目開發(fā)濾波器設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)

顧慶水，賈聰智，陳 偉

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

濾波器設(shè)計(jì)是“數(shù)字信號(hào)處理”課程的重要組成部分，在通信、信號(hào)與信息處理等許多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。該文依據(jù)科研成果，設(shè)計(jì)了一款包含半帶濾波器、級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器和模擬低通濾波器的綜合性實(shí)驗(yàn)，給出了具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)過(guò)程。所要設(shè)計(jì)的濾波器與科研項(xiàng)目要求緊密關(guān)聯(lián)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅能掌握濾波器相關(guān)理論和設(shè)計(jì)方法，而且可培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力、科研能力、團(tuán)隊(duì)合作能力。實(shí)踐表明，這種將科研成果應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。

科研；綜合性實(shí)驗(yàn)；濾波器設(shè)計(jì)；教學(xué)質(zhì)量

對(duì)于理工科專業(yè)的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)是鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力、知識(shí)轉(zhuǎn)化能力以及創(chuàng)新能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生不僅能掌握基本理論、基本方法和基本技能，還能增強(qiáng)學(xué)生的自主研究、探索，獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)合作等各方面的能力［1］。但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多是為單一課程的教學(xué)內(nèi)容而設(shè)置，內(nèi)容簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方案單一，與實(shí)際應(yīng)用緊密度不夠，涉及多學(xué)科、多技術(shù)的綜合性實(shí)驗(yàn)較少。

綜合性實(shí)驗(yàn)來(lái)源的一個(gè)重要途徑是科研?？蒲斜旧砭褪歉咝Ｒ粋€(gè)重要任務(wù)，將科研成果與教學(xué)結(jié)合，則可充分發(fā)揮高校自身特有的優(yōu)勢(shì)?？蒲许?xiàng)目具有一定的系統(tǒng)性、整體性和相關(guān)性，將其轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并輔以正確的引導(dǎo)，學(xué)生不僅可掌握實(shí)驗(yàn)本身所要求的知識(shí)點(diǎn)，還可借此平臺(tái)能接觸和掌握新的前沿技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和潛力，從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)性及學(xué)習(xí)興趣，鍛煉和提高學(xué)生各方面的綜合能力［2］。但是科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)，也需要考慮科研項(xiàng)目是否適合，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、要求及評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)是否合理等一系列問(wèn)題，這也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)［3-6］。

濾波器是一種可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而衰減其他頻率成分的一種選頻裝置，是電氣工程專業(yè)學(xué)生需要掌握的重要內(nèi)容之一。但更多的實(shí)驗(yàn)設(shè)置拘泥于濾波器的設(shè)計(jì)方法，忽略了濾波器是某個(gè)系統(tǒng)的一部分［7-8］。濾波器的類型選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)必須結(jié)合系統(tǒng)的要求而定。

本文在已完成的科研項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)特點(diǎn)，通過(guò)重新設(shè)計(jì)，將其中濾波器設(shè)計(jì)部分作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生在掌握濾波器基本原理、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)工具等基礎(chǔ)上，重點(diǎn)鍛煉如何從整個(gè)系統(tǒng)層面考慮并設(shè)計(jì)濾波器的問(wèn)題，同時(shí)能了解與科研項(xiàng)目相關(guān)的其他方面知識(shí)。

1 項(xiàng)目背景及項(xiàng)目簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所涉及的科研項(xiàng)目來(lái)源于國(guó)家十二五科技重大專項(xiàng)——油氣測(cè)井重大技術(shù)與裝備（2011ZX05020）其中的一個(gè)子課題。該項(xiàng)目核心是在油田生產(chǎn)測(cè)井所使用的單芯測(cè)井電纜上實(shí)現(xiàn)井下測(cè)井儀器與地面系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，以解決新一代的成像測(cè)井儀器在生產(chǎn)測(cè)井中應(yīng)用所面臨的傳輸速率瓶頸［9］。該傳輸系統(tǒng)的井下數(shù)據(jù)傳至地面采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，地面?zhèn)髦辆虏捎煤?jiǎn)單的信號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼（AMI碼）實(shí)現(xiàn)。

OFDM技術(shù)因其具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)在歐洲數(shù)字視頻廣播（DVB）、IEEE802.11的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、測(cè)井傳輸系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛采用。但是OFDM信號(hào)由于峰平比較大，對(duì)非線性失真敏感，因此在信號(hào)輸出端需要采用線性功放。對(duì)于測(cè)井傳輸系統(tǒng)而言，一般要求井下儀器耐溫至少達(dá)到150℃以上，當(dāng)線性功放輸出功率較大時(shí)，無(wú)法適應(yīng)高溫的要求，為此項(xiàng)目采用D類Sigma-Delta型數(shù)字功率放大器解決功率輸出的問(wèn)題。理想情況下，此類放大器工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)不會(huì)消耗功率，故效率可近似為100，但受器件等因素的影響，效率會(huì)有所降低，實(shí)際的效率一般可達(dá)到90左右，這對(duì)于低功耗要求的測(cè)井傳輸系統(tǒng)是非常需要的［10］。

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。Sigma-Delta功率放大器的具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總體功能框圖

圖2 Sigma-Delta功率放大器實(shí)現(xiàn)功能框圖

2 項(xiàng)目中有關(guān)濾波器設(shè)計(jì)內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)Sigma-Delta型數(shù)字功率放大器代替線性功率放大器，整個(gè)設(shè)計(jì)涉及3個(gè)濾波器，分別是2倍內(nèi)插后的半帶濾波器、64倍內(nèi)插后的級(jí)聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器和輸出級(jí)的模擬低通濾波器。

半帶濾波器是一種滿足:且

H（ejπ/2）=0.5的FIR濾波器，常應(yīng)用在2N倍的內(nèi)插濾波器系統(tǒng)中。

CIC濾波器的沖擊響應(yīng)可表示為:

式中，D表示內(nèi)插濾波器的內(nèi)插倍數(shù)。該濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因通頻帶相對(duì)不平坦的劣勢(shì)，通常被應(yīng)用在高倍內(nèi)插系統(tǒng)的最后一級(jí)。

模擬濾波器的功能是恢復(fù)出有用信號(hào)。高精度低速率的OFDM信號(hào)經(jīng)過(guò)Sigma-Delta調(diào)制后輸出低精度高速率的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，通過(guò)模擬低通濾波器把高頻噪聲濾除，得到高信噪比（SNR）的輸出信號(hào)。該濾波器可以采用巴特沃斯濾波器。

3個(gè)濾波器雖然都是低通濾波器，但是它們的設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)方法卻不一樣。半帶濾波器和CIC濾波器是一種數(shù)字濾波器，模擬低通濾波器是模擬濾波器。涉及的兩個(gè)數(shù)字濾波器也有各自比較顯著的特征，其中，半帶濾波器的濾波器系數(shù)有一半為0，因此在實(shí)現(xiàn)時(shí)可根據(jù)其特征進(jìn)行優(yōu)化，而CIC濾波器的積分器是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此在用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）實(shí)現(xiàn)時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)溢出的問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

如圖3和圖4所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和要求，使用Matlab軟件中的Simulink搭建整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。

在實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)上，系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)計(jì)參數(shù)已經(jīng)給出，系統(tǒng)中的OFDM調(diào)制和解調(diào)部分通過(guò)S函數(shù)進(jìn)行封裝，對(duì)每個(gè)重要節(jié)點(diǎn)設(shè)置觀測(cè)模塊，以方便確定所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)性能最終可通過(guò)輸出的SNR來(lái)評(píng)判。平臺(tái)中涉及的3個(gè)濾波器則需學(xué)生自行設(shè)計(jì)并加入到平臺(tái)中進(jìn)行仿真。

圖3 系統(tǒng)仿真平臺(tái)

圖4 內(nèi)插模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)功能模塊

整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為學(xué)生配備了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，該指導(dǎo)書給出了詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，并給出了需要課后復(fù)習(xí)和自學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。通過(guò)對(duì)這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，最終讓學(xué)生設(shè)計(jì)半帶濾波器、CIC濾波器以及模擬濾波器。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)具體步驟要求有以下5點(diǎn)。

1）在Matlab下進(jìn)行上述3個(gè)濾波器的設(shè)計(jì)，并且要求系統(tǒng)最終輸出的SNR大于72 dB（達(dá)到12位D/A轉(zhuǎn)換器的性能）。

2）對(duì)半帶濾波器、CIC濾波器進(jìn)行定點(diǎn)化處理，要求SNR的輸出也滿足大于72 dB，同時(shí)給出定點(diǎn)化處理前后的系統(tǒng)性能。

3）根據(jù)所設(shè)計(jì)的模擬濾波器要求使用電感和電容等無(wú)源器件完成電路的設(shè)計(jì)，并利用電路仿真軟件進(jìn)行仿真，分析其性能。

4）用硬件描述語(yǔ)言完成半帶濾波器、CIC濾波器的設(shè)計(jì)與仿真，并根據(jù)兩種濾波器的結(jié)構(gòu)特征，采用合適的優(yōu)化方案，使得在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上所用資源最少，分析CIC濾波器的數(shù)據(jù)溢出對(duì)系統(tǒng)的影響并研究如何解決數(shù)據(jù)溢出問(wèn)題。

5）結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)，是否有更好的方案實(shí)現(xiàn)，提出自己的想法。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)安排在大學(xué)三年級(jí)的綜合課程設(shè)計(jì)中，以3～4人為一組，實(shí)驗(yàn)環(huán)境在校開放實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開始前安排一次集中指導(dǎo)，主要介紹實(shí)驗(yàn)所涉及的背景、基本原理以及涉及的相關(guān)知識(shí)，然后分實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)、中期檢查和終期答辯3個(gè)階段進(jìn)行。每個(gè)階段均需要提交相關(guān)的報(bào)告。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的最終評(píng)定根據(jù)各階段的完成情況及最終答辯給出相應(yīng)的成績(jī)。其中，最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告按照以下7點(diǎn)闡述。

1）實(shí)驗(yàn)原理:結(jié)合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、已學(xué)過(guò)的課程以及課后自學(xué)的知識(shí)闡述實(shí)驗(yàn)原理。

2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程:列出整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程重要功能模塊的完成時(shí)間。

3）個(gè)人總結(jié):列出小組每個(gè)成員的主要工作。

4）實(shí)驗(yàn)問(wèn)題總結(jié):總結(jié)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題以及最終解決方法。

5）實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果:給出實(shí)驗(yàn)的仿真方法及仿真結(jié)果，并進(jìn)行分析。

6）實(shí)驗(yàn)心得:對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，提出自己的想法及需改進(jìn)的地方。

7）附錄:包括修改的仿真平臺(tái)、源代碼等。

3.3 實(shí)踐效果

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)已應(yīng)用到2010級(jí)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），以及本科2010級(jí)和2011級(jí)的綜合課程設(shè)計(jì)中。實(shí)踐結(jié)果表明，整個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)提高獨(dú)立思考能力、知識(shí)的綜合運(yùn)用能力、團(tuán)隊(duì)合作能力，激發(fā)學(xué)生科研興趣和創(chuàng)新能力等方面有良好的效果。如在2010級(jí)的一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組除完成所要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，通過(guò)對(duì)科研項(xiàng)目背景的深入了解，在保持同樣性能的條件下，設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)定的4階Sigma-Delta調(diào)制器，內(nèi)插倍數(shù)由128倍下降到了32倍，輸出的pWM信號(hào)則由40 MHz下降到了10 MHz。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合科研項(xiàng)目的成果設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了實(shí)際教學(xué)實(shí)踐，實(shí)踐表明教學(xué)效果良好。依據(jù)科研項(xiàng)目進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)的開發(fā)是專業(yè)實(shí)驗(yàn)改革的一個(gè)有效途徑。此類實(shí)驗(yàn)往往更受學(xué)生歡迎，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。通過(guò)這類實(shí)驗(yàn)可逐漸提高學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等多方面的技能，應(yīng)該大力推廣。

［1］易紅.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27（2）:1-4.

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Development of a Filter Design Synthetic Experiment Based on Scientific Research

GU Qingshui，JIA Congzhi，CHEN Wei
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Filter design is an important part of the digital signal processing course，which has the extremely wide spread application in many areas such as communication，signal and information processing.Based on achievements in scientific research，one designs a synthetic experiment which contains half-band filter，cascade integrator comb filter and analog low-pass filter，given the specific experimental content and the experimental process.To design filter is closely related with the scientific research project requirements.Through the experiment，students can not only master relevant theory and design method of filter，but also cultivate students’comprehensive practical ability，scientific research ability and team cooperation ability.Practices show that achievement in scientific research applied to the experimental teaching is an important approach to improve the teaching quality.

scientific research；synthetic experiment；filter design；teaching quality

G642.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.009

2015-03-19；修改日期：2015-04-22

顧慶水（1977-），男，碩士，講師，主要從事數(shù)據(jù)通信，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的教學(xué)。