李強(qiáng) 梁鵬 曹迦號(hào)

摘要：在信號(hào)傳輸中常有小信號(hào)傳輸，但是小信號(hào)的傳輸又常常受到其他干擾，本文提出了一種基于小信號(hào)的提取系統(tǒng)，目的就是將傳輸過(guò)程中將有用的小信號(hào)從干擾信號(hào)中分離出來(lái)。采用幅頻均衡消除或者減小碼間串?dāng)_，利用濾波放大將小信號(hào)提取放大至到達(dá)要求。整個(gè)系統(tǒng)是基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的幅頻均衡功率放大器，主要由前置放大電路、帶阻網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字幅頻均衡電路和功率放大四個(gè)部分組成。采用NE5532芯片進(jìn)行兩級(jí)放大，帶阻網(wǎng)絡(luò)加以濾波，通過(guò)反復(fù)調(diào)整帶阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以達(dá)到論文濾波要求，使用MATLAB設(shè)計(jì)相應(yīng)帶通FIR濾波器，將返回系數(shù)在FPGA中實(shí)現(xiàn)，達(dá)到幅頻均衡。

關(guān)鍵詞：數(shù)字幅頻均衡;功率放大;前置放大

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）24-0237-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

生活中涉及的事物只要開(kāi)始進(jìn)行傳播就會(huì)承載信息，這類信息我們都可以稱為信號(hào)，在我們還沒(méi)有意識(shí)的時(shí)候信號(hào)處理就成了我們生活中不可或缺的一部分?？萍嫉陌l(fā)展使得我們獲取信息的途徑越來(lái)越多，當(dāng)今社會(huì)衍生出的電子產(chǎn)品種類繁多，能容易被我們了解接收直接利用的大多屬于模擬信號(hào)，本系統(tǒng)研究的小信號(hào)放大，人們所日常了解的可能就是各類音樂(lè)播放器，傳播的就是模擬信號(hào)，但其中涉及的還有供電路轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)。提及這類需要進(jìn)行信號(hào)處理的電子產(chǎn)品就需要用到集成電路技術(shù)。但是通信信道的傳輸特性的不穩(wěn)定性限制了其發(fā)展的速度，信號(hào)傳輸過(guò)程之間的碼間串?dāng)_是的傳輸?shù)恼`碼率大幅增加，如何消除或者說(shuō)減小碼間串?dāng)_就是本系統(tǒng)中的數(shù)字均衡，均衡是指對(duì)信道特性的均衡，均衡器就是一種起到補(bǔ)充作用的濾波器，這種可以調(diào)節(jié)的濾波器能減小信息傳輸中的互相干擾，校正和補(bǔ)償系統(tǒng)特性，數(shù)字均衡器是指輸入和輸出都是數(shù)字信號(hào)，能對(duì)一段輸入信號(hào)中包含的信息進(jìn)行分配各信息段所占百分比或通過(guò)理刪除其中不需要的頻段的設(shè)備[1]。數(shù)字功率放大器的幅頻平衡能更好地用于信號(hào)處理、信號(hào)高保真度、高功率轉(zhuǎn)換效率，使產(chǎn)品具有更好的技術(shù)含量，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。數(shù)字濾波器在當(dāng)今通信工具和各類電子控制系統(tǒng)中被泛應(yīng)用于電視、語(yǔ)音處理、通信、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等領(lǐng)域，在制導(dǎo)、導(dǎo)航、戰(zhàn)場(chǎng)偵察和電子對(duì)抗等領(lǐng)域中也會(huì)存在數(shù)字濾波器的身影，還可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)的能量分配規(guī)劃和自動(dòng)檢測(cè)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)大體框圖結(jié)構(gòu)體系定為：前置放大電路、帶阻網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字幅頻均衡以及功率放大部分組成[2]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。前置放大器放大來(lái)自信號(hào)源的微弱電壓小信號(hào)，需要對(duì)小信號(hào)進(jìn)行第一次處理，將一級(jí)輸出信號(hào)作為二級(jí)帶阻網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)。

前置放大作為一級(jí)處理系統(tǒng)缺點(diǎn)是在放大信號(hào)是不會(huì)分辨有用和無(wú)用信號(hào)，所以在放大所需小信號(hào)的同時(shí)也會(huì)同時(shí)將噪聲信號(hào)放大，當(dāng)噪聲信號(hào)對(duì)小信號(hào)影響過(guò)大時(shí)就要考慮消除噪聲[3]。前置小信號(hào)放大倍數(shù)在400倍以上，輸出電阻達(dá)到600Ω，-1dB通頻帶為20Hz-20kHz。位于第二級(jí)的帶阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)前置放大器電路的輸出信號(hào)U1進(jìn)行濾波，10 kHz輸出時(shí)U2的電壓幅度為作為參考，最大衰減不小于10db[4]。第三部分以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作數(shù)字幅頻均衡電路，對(duì)帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出的20Hz-20kHz信號(hào)進(jìn)行幅頻均衡。均衡處理之后輸出電壓U3在1.5dB的幅度內(nèi)波動(dòng)。U3經(jīng)過(guò)數(shù)字幅頻均衡處理后再由功率放大器進(jìn)行功率放大，輸出功率大于10w，正弦信號(hào)Ui輸入的有效值為5mv，功率放放大器接8Ω的電阻，在-3db的通頻帶20hz-20khz，功率放大電路的效率要達(dá)到60%以上[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 前置放大電路設(shè)計(jì)

前置放大電路，使采用NE5532芯片進(jìn)行兩級(jí)放大，600Ω電阻串聯(lián)接到輸出端以確保輸出端能達(dá)到600Ω阻抗，如圖所示。

其目的就是提高系統(tǒng)前置放大增益，達(dá)到放大要求。在第一級(jí)放大中R5是一個(gè)500Ω的可調(diào)變阻器，可調(diào)節(jié)的放大幅度大致在二十三倍左右，第二級(jí)是一個(gè)同相比例運(yùn)算電路，放大倍數(shù)大致在二十一倍左右，電路使用的了電容耦合和濾波，接有源低通濾波器和跟隨放大器，低通濾波器1dB通頻帶為20Hz～20kHz，跟隨器起到阻抗匹配和級(jí)間隔離的作用。

[T1=T1+T2G1+T3G1×T2+T4G1×G2×G3]

上述公式中T1、G1、T2、G2、T3、G3表示各級(jí)放大器的噪聲溫度和增益，T表示前置放大器電路的總噪聲溫度。通過(guò)上式可知，在與放大器相連的多級(jí)放大電路中，前兩級(jí)的噪聲溫度影響較大，之后的對(duì)噪聲各個(gè)層次影響都很小[6]。所以在本次設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)放大，主要需要解決噪聲問(wèn)題。

2.2 帶阻網(wǎng)絡(luò)

首先，設(shè)計(jì)信號(hào)能通過(guò)的最低頻率在20Hz至20kHz的低通濾波器，將各個(gè)元件的振蕩頻率調(diào)到能夠發(fā)生諧振，低通濾波器對(duì)直流的響應(yīng)和帶通濾波器對(duì)中心頻率的響應(yīng)等同，把低通濾波器轉(zhuǎn)化成高通濾波器當(dāng)成帶阻濾波器使用，截止頻率為要求的帶寬，然后將高通元件間振蕩頻率能夠發(fā)生諧振到濾波器的中間頻率[7]。

高通濾波器對(duì)直流的應(yīng)答變換成帶阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)濾波器中間頻率的應(yīng)答，帶阻濾波的帶寬響應(yīng)效果等于高通濾波器的頻率響應(yīng)，負(fù)頻率沒(méi)有現(xiàn)實(shí)意義，所以，這次參照的是正頻率的應(yīng)答圖像。和帶通濾波器一樣，響應(yīng)曲線具有幾何對(duì)稱性。

其設(shè)計(jì)步驟為：第一步使帶阻濾波器技術(shù)指標(biāo)歸一變成相對(duì)值，選擇歸一化低通濾波器要提供所需的衰減，使陡度系數(shù)不超過(guò)求出的數(shù)值。第二步把歸一化低通濾波器轉(zhuǎn)化為歸一化高通濾波器，之后再把高通濾波器標(biāo)定到截止頻率和規(guī)定的阻抗值。第三步電感與電容串聯(lián)，電容與電感并聯(lián)，使每個(gè)并聯(lián)支路調(diào)諧都處于濾波器的中間頻率[8-9]。

2.3 數(shù)字幅頻均衡電路

FIR濾波器是只存在一個(gè)零點(diǎn)的有限單元脈沖響應(yīng)濾波器，是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。除了原點(diǎn)之外，Z平面中沒(méi)有極點(diǎn)，它的有限單位脈沖響應(yīng)不是前后對(duì)應(yīng)關(guān)系。要得到對(duì)應(yīng)關(guān)系的單位脈沖響應(yīng)可以通過(guò)位移調(diào)整。不只有穩(wěn)定和可實(shí)現(xiàn)性，它還可以在符合一定對(duì)稱條件時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的線性相位，對(duì)比IIR濾波器這非常占優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)之后，輸入到FIR濾波器，采樣時(shí)信號(hào)要符合香農(nóng)公式，也就是說(shuō)采樣的頻率要是取樣信號(hào)的四到五倍左右才可能使處理的信號(hào)不會(huì)與理想狀態(tài)差別過(guò)大，造成失真。

2.4 功率放大電路

功率放大分為：三角波發(fā)生器，比較器，驅(qū)動(dòng)電路。先用積分器對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分，然后通過(guò)比較得到三角波。將得到的三角波與輸入信號(hào)進(jìn)行比較以通過(guò)比較器獲得調(diào)制波形。使用IR2110做驅(qū)動(dòng)最后一級(jí)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，IR2110結(jié)合了光耦隔離（小尺寸）和電磁隔離（快速）的優(yōu)勢(shì)，是中小功率轉(zhuǎn)換設(shè)備驅(qū)動(dòng)器件的首選。內(nèi)部由三部分組成：邏輯輸入，電平轉(zhuǎn)換和輸出保護(hù)。末級(jí)功率管使用IRF3205，IRF3205具有開(kāi)關(guān)速率快，導(dǎo)通電阻低的特點(diǎn)，適合高效率，高開(kāi)關(guān)頻率的功率放大[10-11]。三角波發(fā)生電路和末級(jí)功率放大電路如圖所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)字均衡處理部分性能測(cè)試

這部分測(cè)試所需示波器，將示波器模式調(diào)為排除雜斥和取平均16次，觀察在接入前置放大器，帶阻網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字均衡電路部分后，輸入電壓有效值仍為5mV的情況下，示波器所能觀察到的信號(hào)幅度值見(jiàn)表1所示。

3.2功率放大電路測(cè)試

將電路正負(fù)極電壓設(shè)置為[±]15V，在其中接入一個(gè)8Ω大小電阻做負(fù)載，前面前置放大電路帶阻網(wǎng)絡(luò)和均衡網(wǎng)路都接入測(cè)試電路。用示波器觀察末級(jí)功率放大輸出電壓幅度，串聯(lián)接入兩臺(tái)四位半萬(wàn)用表，測(cè)試電源正負(fù)極電流值變化，觀察示波器顯示波形是否有明顯失真，結(jié)果見(jiàn)表2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

利用FPGA的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的幅頻均衡功率放大器，經(jīng)過(guò)前置放大部分放大的信號(hào)以及帶阻網(wǎng)絡(luò)加以濾波，通過(guò)反復(fù)調(diào)整帶阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使用MATLAB設(shè)計(jì)相應(yīng)帶通FIR濾波器，將返回系數(shù)在FPGA中實(shí)現(xiàn)，達(dá)到幅頻均衡，從而將傳輸過(guò)程中將有用的小信號(hào)從干擾信號(hào)中分離出來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 左芬.基于Multisim的靜態(tài)工作點(diǎn)的仿真教學(xué)研究[J].教育教學(xué)論壇，2018（16）：200-201.

[2] 李倫輝，徐光輝，徐志軍.高性能數(shù)字幅頻均衡功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軍事通信技術(shù)，2010，31（01）：80-84.

[3] 張碧翔，張哲棟.前置放大電路中噪聲的抑制方法[J].電聲技術(shù)，2016，40（02）：69-71+75.

[4] 谷智明.一種D類音頻功率放大器的應(yīng)用[J].信息技術(shù)與信息化，2015（03）：160-162.

[5] 萬(wàn)國(guó)春，陳嵐，彭健飛.基于MATLAB的D類功率放大器的仿真分析[J].江西科技師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（05）：75-77+81.

[6] 張波，陶薇薇，董夏葉，董喆，姜睿.基于FPGA的數(shù)字幅頻均衡功率放大器的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（26）：132-133.

[7] 樊養(yǎng)余，于澤琦，袁永金，呂國(guó)云.基于FPGA的高性能D類功放控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2014，36（04）：630-636.

[8] 胡學(xué)龍，吳鎮(zhèn)揚(yáng).數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[9] 應(yīng)啟珩，馮一云，竇維蓓.離散時(shí)間信號(hào)分析和處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[10] 董在望主編.通信電路原理.第2版.北京：高等教育出版社，2002.

[11] 王振紅，劉隨強(qiáng)，劉杰林，趙樹(shù)新，林志彬，丁子瑜.基于FPGA的數(shù)字幅頻均衡功率放大器[J].中國(guó)科技信息，2012（15）：111.

[12] Sanjit K.Mltra.Digital processing-A computer-Based Appsoach.New York：McGraw-Hill，2001.

【通聯(lián)編輯：張薇】