基于matlab的saw濾波器的設計及實現-資料下載頁

　　

【正文】 有 SAWF 濾波器的設計均采用 Remez 交換算法。 FIR 數字濾波器的設計過程主要包括兩個步驟。第一步，根據給定的指標，估計濾波器階數。第二步，利用估計的階數和濾波器指標確定傳輸函數的系數。 根據叉指換能器（ IDT）的特性和聲表面波濾波器（ SAWF）的結構和工作原理，SAW 濾波器畢業論文 28 我們知道，（ 1）一般來講，中心頻率一定時，帶寬取決于 IDT 的指條對數 N, N 越大， IDT 換能器的帶寬越窄。（ 2） IDT 的脈沖響應直接與其加權系數和結構有關，可通過改變 IDT 叉指指長重疊大小、位置等方法來實現加權，得到不同的頻率響應特性及復雜的信號處理功育旨。（ 3） SAW 器件性能主要由其叉指換能器決定，可以通過改變叉指參數 :位置、相互距離、指條寬度、孔徑大小等等，從而得到各種不同特性的時域或頻域響應。在實際運用中廣泛采用的方法有指條重疊加權、抽指加權、相位加權，此外還有一些不常用的加權方法，如串聯加權、電容加權等。 本文中的程序就是通過設置聲表面波濾波器（ SAWF）的機械指標和性能 指標，得到其位置、相互距離、指條寬度、孔徑大小，并分析其頻譜性能和相位性能。最后比較理想的和實際的頻譜性能和相位性能。 Matlab 的信號處理工具箱中包括許多可用于設計 FIR 數字濾波器的 M 文件。本文的設計主要使用 remez 函數來實現濾波器。 具體算法實現 程序分為一個函數子程序 freqz_m（ b,a） ,和主程序。 子程序參數為濾波器的分子和分母的表達式，分別用 b、 a 表示。返回值是 N 點復頻響應向量、 N 點抽樣頻率向量、絕對幅值響應向量、相對幅值響應、相位響應、組延遲。 主程序又分為四部分。 第 一部分，包括聲表面波濾波器（ SAWF）的機械指標和性能指標的輸入及計算。1）輸入機械指標包括：表面為自由表面的 SAW 波速 Vs （ m/s） 、機電耦合系數 Ks叉指間靜態電容 Cs （ F） 、基片材料的質量密度 pm （ kg/m3） 、金屬化率，然后利用（ ）式和 Vs、 Vm 的關系式計算出表面為金屬化表面時的 SAW 速度 Vm（ m/s）和壓電基片上產生的 SAW 速度 Vt（ m/s） 。 2）輸入性能指標包括：中心頻率 Fo（ Hz） 、通帶最大衰減 Rp（ dB） 、阻帶最小衰減 Rs（ dB） 、帶寬 BBo（ Hz） 、過渡帶 S1（ Hz），然 后利用公式計算出通帶波紋峰值 delta阻帶波紋峰值 delta2 和指條寬度 d（ m） 。 第二部分，根據輸入計算出分界點的歸一化頻率，以便確定邊界向量 f、理想幅頻特性 m和加權向量 weights，根據 SAW 濾波器畢業論文 29 ?????2 13lo g202110psffM????? ??? 求插值出數目 N=M+1。 第三部分，先應用 Matlab 軟件中的雷米茲函數 remez（ M,f,m,weights） 返回得出想要得濾波器 h。再利用自定義的函數 freqz_m（ b,a）得到濾波器的幅頻響應。最后利用如下的一系列公式： ? ?? ?2_20_02204)(24/e x ps i nNZWCfKAfffNXVLWZdVfVLjXXAHRsosooNsmRosNN??????????? ??????? 加上機械指標對濾波器的影響，得到實際的濾波器幅頻響應。 第四部分，畫圖。第一幅圖像是 IDT 的實際幾何圖形，第二幅圖像是 IDT 的理想幅頻響應圖像和實際幅頻圖像的比較，第三幅圖像是 IDT 的理想線性相位響應和IDT 的實際線性相位響應的比較。 流程圖與實現代碼 本論文程序流程相對簡單，流程圖如下： SAW 濾波器畢業論文 30 圖 仿真程序流程圖 具體的實現代碼見附錄 A。 仿真結果分析 仿真 結果是得到五個圖形和兩個數字。五個圖形是 （ 1） IDT 的實際幾何圖形 （ 2） IDT 的理想幅頻響應圖像 （ 3） IDT 的實際幅頻響應圖像 （ 4） IDT 的理想線性相位響應 （ 5） IDT 的實際線性相位響應 仿真圖形如下 （以中心頻率 .fo= 0B =，其中 1? = . 2? = 和過渡帶寬 S=0. 95MHz ） 圖 IDT幾何結構示意圖（叉指條數 N=238） 開始提示 輸入機械和性能指標并計算出叉指寬度 計算出理想和現實的幅頻和相位響應 畫出圖像 程序結束 算出叉指個數 SAW 濾波器畢業論文 31 圖 IDT的理想和實際幅頻響應圖像比較 圖 . SAW濾波器 理想和現實 相頻特性 比較 SAW 濾波器畢業論文 32 還得到兩個數字是叉指寬度 d= ，叉指對數 N=238 個，決定帶寬。 SAW 器件性能主要由其叉指換能器決定，可以通過改變叉指參數 :位置、相互距離、指條寬度、孔徑大小等等，從而得到各種不同特性的時域或頻域響應 ，所以 這是設計聲表面波濾波器必須的兩個指標。 其中，通過圖形的比較我們可以看出理想和現實的濾波器在幅頻響應和相位相應上的差別。實際的響應是考慮到機械指標對濾波器 的影響后得出的，其性能較理想濾波器減低許多，這一點顯而易見的體現在圖形上。 需要指出的是，在 IDT 的實際幾何圖形中，橫軸上下的每一根線條分別代表上下的每一根叉指的長度，確切的說是 IDT 的孔徑，即上下叉指重疊的長度。它決定加權系數的大小。 實踐證明，改變所輸入的任意一樣指標，無論機械指標還是性能指標，都會改變得到的圖形和數字。本論文對聲表面波濾波器的敏感性不做深入研究，只用來形象的表現一下實際的響應。 SAW 濾波器畢業論文 33 結 論 SAW 濾波器應用越來越廣泛，它的市場前景十分可觀。所以本文關于它的研究，無論是對現在的 學習和今后的進一步研究都具有很大的現實意義。 Matlab 應用軟件平臺，是當今最實用、 最流行的計算機輔助設計工具，對它的掌握也是今后科技人才的必備素質。所以對它的應用，也是本論文的價值的體現。 論文由聲波方程引出聲表面波理論，而后才是聲表面波的設計。 但是， 前面關于聲波及聲表面波的理論性敘述，只作為以下關于聲表面波濾波器的工作原理研究和設計實現的理論依據，并不做深入性研究。 另外， SAW 濾波器頻率穩定性和敏感性的研究，本文只在程序中用到，為的是更真實的了解聲表面波濾波器的性能，也不涉及在研究范圍以內。 本 論 文 的 任務是應用 Matlab 軟件平臺上的仿真技術設計出 SAW 濾波器，并得到仿真圖形。本研究課題主要有兩個重點： 一、 SAW 濾波器的設計研究。包括聲表面波叉指換能器、聲表面波濾波器（ SAWF） 和 FIR 設計的最佳一致逼近理論 二、 Matlab 軟件的操作應用。包括基本的操作命令，和函數概念的應用。 通過數月的學習和實踐，逐漸攻克難題，任務基本完成。但還有很多地方還不甚了解，需要進一步學習和研究。 SAW 濾波器畢業論文 34 致 謝 首先感謝我的畢業設計指導老師 ——沈老師。在攻讀學士學位期間，沈老師對我悉心指導無論在學業上還是在對待生活態度 上，給了我很多的幫助。他們以其淵博精深的學術知識、勤奮嚴謹的治學態度、誨人不倦的長者風范贏得了他們所有學生的欽佩。他們獨特的思維方式對我的影響尤為深刻。本論文的完成凝聚了他們的無數心血。我在此向 兩位 老師致以誠摯的謝意。 感謝學校、院、系的各位領導、班主任老師。在系統的設計開發過程中得到他們的大力支持和幫助， 他們為我提供了完成論文所必要的良好的設計環境以及各方面的支持。 感謝各門任課老師。在大學學習期間，在生活和學習上我得到了師長們的教導，師恩浩蕩，我必將銘記在心 。 感謝愛我的和我愛的親人們。 感謝 學術 前輩 。論文中的研究是在前人研究的基礎上完成的，他們的許多研究成果給我的研究工作帶來啟發和幫助，對論文的最終成稿起到了關鍵作用。 感謝同學。他們給我學習和生活上的幫助和鼓勵，他們和我有深厚的友誼和心靈的默契 。 最后，再次感謝沈老師！ SAW 濾波器畢業論文 35 參 考 文 獻 [1] 肖尚輝 .SAW濾波器設計實現及其頻率穩定性的研究（碩士論文， ） .電子科技大學 [2] 飛思科技產品研發中心 .MATLAB7輔助信號處理技術與應用 .電子工業出版社 , [3] 陳亞勇 等 .MATLAB 信號處理祥解 . [4] 叢玉良， 王宏志 .數字信號處理及其 MATLAB 實現 . [5] 徐繼麟，周先敏 .特種固態模擬器件原理及應用 .北京 :電子工業出版社，1995 [6] 武以立，鄧盛剛，王永德 .聲表面波原理及其在電子技術中的應用 .北京 :國防工業出版社， 1983 [7] 徐繼麟 .SAW 器件的匹配 .宇航計測技術， [8] 楊朝斌，徐繼麟，黃香腹 .SAW 濾波器等效電路模型參數的精確計算法 .電子科大學報， 1997, [9] 楊朝斌，徐繼麟，黃香腹 . 波傳播分析 .電波科學學報， 1998. 1 [10] 楊朝斌，徐繼麟，黃香 腹 .SAW 濾波器優化研究 .電路與系統學報， [11] 楊朝斌 .聲表面波器件建模與優化研究 :（博士論文）成都 :電子科技大學電子工程學院， 1997 [12] 徐繼麟，周先敏 .脈沖 PM 信號檢測的 SAW 技術 .中國電子科技報道，1993, [13] 徐繼麟，周先敏 .SAW 器件實現多普勒頻率的實時測量 .超聲電子學會論文， 1991 [14] 胡廣書 .數字信號處理理論、算法與實現，北京 :清華大學出版社， 1999 [15] 樓順天，李博菌 .基于 MATLAB 的系統分析與設計 .西安電子科技大學出版社， 1999 [16] 樓順天，陳生潭 . MATLAB 程序設計語言 .西安 :西安電子科技大學出版社， 2021SAW 濾波器畢業論文 36 附錄 A 代碼全文 下面是用 Matlab 和 C 軟件語言實現 SAW 濾波器（以中心頻率 .fo= 帶寬 0B = 為例，其中 1a = . 2a = 和過渡帶寬 S=0. 95MHz ）的完全代碼文本。 %====================================子程序 函數 freqz_m（ b, a）開始 function[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m（ b, a） 。 % b= H（ z） 的 分子多項式（ 對于 FIR:b=h） % a = H（ z） 的 分母多項式（ 對于 FIR:a=1） [H,w]=freqz（ b,a,1000,39。whole39。） 。 % 返回 H,w H=（ H（ 1:501）） 39。%N 點復頻響應向量 w=（ w（ 1:501）） 39。% N 點 抽樣頻率 向量 mag=abs（ H） 。%求絕對值 ， 絕對幅值響應 db=20*log10（（ mag+eps） /max（ mag）） 。% 相對幅值響應（分貝） pha=angle（ H） 。%求相角 ， 相位響應 grd=grpdelay（ b,a,w） 。 組延遲 return。 %==========================================函數 freqz_m（ b, a）結束 %.......................................................以下主程序 ................... clear。%清理內存 input（ 39。按回車鍵即輸入 帶通濾波器的參數： 39。） 。%輸入提示 Vs=3488。%（ m/s）波速 Ks2=。%機電耦合系數 Cs=455*10^（ .12） 。%（ pF）叉指間靜態電容 pm=4640。%（ kg/m3）基片材料的質量密度 p=。%金屬化率 Vm=Vs*（ ） /2。%表面為金屬化表面時的 SAW 速度 SAW 濾波器畢業論文 37 Vt=2*Vs*Vm/（ Vs+Vm） 。%壓電基片上產生的 SAW 速度 Fo=*10^7。%中心頻率 Rp=。%通帶最大衰減 Rs=60。%阻帶最小衰減 BBo=*10^6。%帶寬 S1=*10^6。%過渡帶（ MHz） delta1=（ 10^（ Rp/20） .1） /（ 10^（ Rp/20） +1） 。%通帶波紋峰值 delta2=（ 1+delta1） *（ 10^（ .Rs/20）） 。%阻帶波紋峰值 Lantaro=Vt/Fo。%周期 L=Lantaro/2。%半周期長度 d=L*p。%指條寬度 wp1o=。%通帶下限頻率 ws1o=。%低阻帶上限頻率 wp2o=Fo+BB