（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

對于地下通信系統(tǒng)，大地媒質(zhì)對電磁信號的衰減作用隨著頻率的升高而迅速增強(qiáng)。因此，甚低頻通信成為地下礦井通信、地震災(zāi)害應(yīng)急通信、地下環(huán)境感知等應(yīng)用場景的重要通信手段。傳統(tǒng)的甚低頻接收系統(tǒng)主要采用超外差式的接收機(jī)，利用混頻器將射頻信號先下變頻到中頻，在中頻段利用帶通濾波器對信號進(jìn)行進(jìn)一步選擇和放大，再使用解調(diào)器將中頻信號解調(diào)為基帶信號。但混頻電路相對復(fù)雜、集成度不高，晶體濾波器成本高且體積較大，同時當(dāng)帶寬較窄時高Q值濾波器也難以實(shí)現(xiàn)。采用開關(guān)電容濾波器設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)帶通濾波器中心頻率可調(diào)，直接對信號進(jìn)行選擇，免去混頻的過程，從而簡化射頻電路，提高接收機(jī)集成度與靈活性［1～3］。

2 可變頻濾波器基本原理

傳統(tǒng)RC濾波器主要由定值電阻電容電路實(shí)現(xiàn)，以一階RC低通濾波器為例，其基本電路如圖1所示，電容C并聯(lián)在電路中與電阻R組成RC低通濾波電路，阻止高頻信號通過。其幅頻特性公式為式（1）。

圖1 RC低通濾波器

分析可知當(dāng)f較小時，A（f）的值趨近于1，信號幅度幾乎沒有衰減，當(dāng)f較大時，A（f）的值趨近于0，高頻信號有較大衰減，從而實(shí)現(xiàn)了低通濾波器的功能。

可變頻濾波器主要是通過開關(guān)電容器件來實(shí)現(xiàn)，開關(guān)電容主要由MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運(yùn)放組成。帶有高速M(fèi)OS開關(guān)的MOS電容其效果相當(dāng)于兩點(diǎn)之間連接了一個電阻，通過改變MOS開關(guān)的開關(guān)頻率即可改變電阻的大小，從而可以方便的改變?yōu)V波器的截止頻率或者中心頻率［4～5］，克服模擬有源濾波器頻率難以改變的缺點(diǎn)。等效電阻原理圖如圖2所示，在開關(guān)S動作的一個周期Ts期間，電路中流過的電流為

圖2 開關(guān)電容積分電路

電路兩端的電壓U=U1-U2，因此等效電阻值為

由式（3）可知，等效電阻的大小可由電容C1和開關(guān)頻率fs決定。將RC積分器中的電阻用開關(guān)電容代替，與MOS運(yùn)放可組成開關(guān)電容積分器。對于濾波器來說，開關(guān)電容積分器與模擬有源濾波器的RC積分器一樣是關(guān)鍵部件。開關(guān)電容積分器實(shí)際上是一個抽樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，當(dāng)抽樣頻率遠(yuǎn)大于信號頻率時，通常設(shè)計(jì)大于100倍，可獲得較好的電阻等效效果。其傳遞函數(shù)為

由式（4）可知開關(guān)電容積分器的傳輸特性受時鐘頻率和電容比C2/C1控制，一般情況下，電容的比值是不變的，而且集成電路工藝可將該比值做的非常精確。因此傳遞函數(shù)特性主要就由時鐘頻率來控制［6］，通過時鐘頻率即可控制濾波器的中心頻率。

3 濾波器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中要求在甚低頻段實(shí)現(xiàn)中心頻率可調(diào)的帶通濾波器，且濾波器具有較高Q值。主要通過開關(guān)電容濾波器和數(shù)字頻率合成器組成［7］。目前商品化的開關(guān)電容濾波器主要為MAXIM和LIN?EAR系列，另外TI也有少量產(chǎn)品。其中MAXIM產(chǎn)品種類和系列比較全面，在低階濾波器設(shè)計(jì)中不需要改變外接頻率，可通過程控改變?yōu)V波器中心頻率和Q值，使用性比LINEAR系列優(yōu)越，但其噪聲普遍較大不利于微弱通信信號接收。LINEAR系列與其相比，高階濾波器更具有優(yōu)勢，同時其噪聲較小。本設(shè)計(jì)擬采用LTC1068-25開關(guān)電容模塊，時鐘采用直接數(shù)字頻率合成器AD8932實(shí)現(xiàn)。其總體設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 總體設(shè)計(jì)圖

LTC1068-25內(nèi)整合了4個相同的二階開關(guān)電容濾波器，濾波器的帶寬范圍為0～140kHz。通過外部時鐘來調(diào)整每個二階濾波器的中心頻率，其外部時鐘與濾波器中心頻率之比為25：1［8］。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 LTC1068內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其中HPA、HPB、HPC、HPD分別表示四個濾波器的高通輸出端口；LPA、LPB、LPC、LPD分別表示四個濾波器的低通輸出端口；BPA、BPB、BPC、BPD分別表示四個濾波器的帶通輸出端口；INV A、INV B、INV C、INV D分別表示四個濾波器的高通輸出端口；由于四個2階通道在內(nèi)部是分離的，因此高階的濾波器是有四個通道的濾波器級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的［9］。

在實(shí)際應(yīng)用中可以通過不同級聯(lián)方式以及不同的外圍電路來設(shè)置開關(guān)電容濾波器工作模式，從而實(shí)現(xiàn)階數(shù)可調(diào)、類型可變的濾波器，甚至可以調(diào)整時鐘與濾波器中心頻率之比［10］。以工作模式3為例，其外圍配置圖如圖5所示。

圖5 工作模式3示意圖

通過外圍電阻R2與R4的控制可以使外部時鐘頻率與中心頻率的比值調(diào)整為大于或小于25：1，調(diào)整后濾波器的中心頻率的值與Q值分別為

通信過程中工頻諧波會給通信帶來干擾，通過設(shè)置3dB帶寬值和中心頻率之間的第一倍數(shù)的大小可以濾除工作頻率低頻段內(nèi)的工頻諧波干擾信號，減小高頻段內(nèi)工頻諧波干擾信號的影響，提高接收電路輸出的通信信號的信噪比。

直接數(shù)字頻率合成芯片AD9832通過串行端口設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，接口簡單，相關(guān)功能易于實(shí)現(xiàn)，最高時鐘頻率可達(dá)25MHz，可以滿足本設(shè)計(jì)的需求［11～13］。其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

其內(nèi)部包括兩個32位的頻率寄存器FREQ0和FREQ1，每組頻率寄存器都可以控制產(chǎn)生不同的頻率，通過外部引腳FSELECT或者命令字中的PSE?LECT位控制，改變頻率寄存器數(shù)值，就可以產(chǎn)生不同的頻率。

4 仿真結(jié)果

使用filterCAD軟件對電路進(jìn)行仿真［14］，設(shè)置開關(guān)電容濾波濾波器為8階bessel帶通濾波器，其時鐘頻率由AD9832分頻產(chǎn)生輸入至LTC1068-25的flck，其電路原理圖如圖7所示。仿真結(jié)果為調(diào)整3次時鐘頻率對應(yīng)產(chǎn)生三種不同中心頻率帶通濾波器的特性曲線。

當(dāng)fclk=500kHz時，帶通濾波器中心頻率為20kHz，濾波器帶寬為550Hz，阻帶衰減50dB，四個二階帶通濾波器的Q值分別為29.4、29.4、40.5、40.5，其濾波器特性曲線如圖8所示。

圖6 AD9832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖7 LTC1068-25電路原理圖

圖8 中心頻率為20kHz濾波器特性曲線

當(dāng)fclk=750kHz時，帶通濾波器中心頻率為30kHz，濾波器帶寬為610Hz，阻帶衰減55dB，四個二階帶通濾波器的Q值分別為36.1、36.1、49.8、49.8，其濾波器特性曲線如圖9所示。

圖9 中心頻率為30KHZ濾波器特性曲線

當(dāng)fclk=1000kHz時，帶通濾波器中心頻率為40kHz，濾波器帶寬為820Hz，阻帶衰減55dB，四個二階帶通濾波器的Q值分別為35.8、35.8、49.4、49.4，其濾波器特性曲線如圖10所示。

圖10 中心頻率為40KHZ濾波器特性曲線

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過LTC1068-25開關(guān)電容濾波芯片以及AD9832進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，根據(jù)仿真結(jié)果可知：通過調(diào)整時鐘頻率，可以利用開關(guān)電容濾波器實(shí)現(xiàn)可變中心頻率的帶通濾波器，說明了本設(shè)計(jì)的可行性。除此之外，仿真結(jié)果顯示，當(dāng)帶通濾波器的中心頻率較高時，具有高Q值的窄帶濾波器將會變得難以實(shí)現(xiàn)。