通信系统中滤波器的应用及分析 本文关键词：滤波器，通信系统，分析
通信系统中滤波器的应用及分析 本文简介：摘要随着数字革命的出现，使得万维网、卫星广播、移动和长途电话等服务成为可能，但对于现代卫星通信和陆地移动通信系统来说，有限的频谱已满足不了人们的需求。而滤波器就作为了现代通信系统必不可少的选频器件,其作用日益突出,滤波器性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。当今无线通信技术的发展对微波电路的性能要求
通信系统中滤波器的应用及分析 本文内容：
摘
要
随着数字革命的出现，使得万维网、卫星广播、移动和长途电话等服务成为可能，但对于现代卫星通信和陆地移动通信系统来说，有限的频谱已满足不了人们的需求。而滤波器就作为了现代通信系统必不可少的选频器件,其作用日益突出,滤波器性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。当今无线通信技术的发展对微波电路的性能要求越来越高、种类越来越多，新的工艺和设计方法也相应层出不穷。而带通滤波器作为其中的一个重要器件其相关技术也得到了广泛而深入的研究和长，足的发展。传统的数字滤波器设计计算繁琐，尤其是设计高阶滤波器时工作量大，利用Matlab可以快速有效地实现数字滤波器的设计与仿真。本文介绍了有限长单位冲激响应FIR数字滤波器的传统设计思想和步骤，同时也介绍了利用MATLAB对FIR数字滤波器进行设计的方法、设计的操作步骤以及对设计的滤波器的仿真。
关键词
：现代通信；滤波器；MATLAB；仿真；
目录
摘要1
引言3
第一章
现代通信系统与滤波器4
1.1通信领域滤波器的发展历史4
1.2现代通信对滤波器的要求4
1.3微波滤波器的现状及发展趋势4
1.4
数字滤波器在通信中的应用4
第二章
Matlab及其组件介绍5
2.1
Matlab简介5
2.2
simulink简介5
2.3
FDATool简介6
第三章
FIR数字滤波器设计的Matlab设计8
3.1
窗函数法8
3.2
频率采样法8
3.3
仿真函数9
3.4
FIR数字滤波器仿真10
3.5
利用simulink进行通信系统仿真11
3.5.1
利用FDATool进行设计11
3.5.2
FIR滤波器仿真12
3.5.3
改变参数12
3.5.4
结果分析13
第四章
IIR带通滤波器14
4.1
设计任务14
4.2
IIR设计方法14
4.3利用simulink进行通信系统仿真16
4.3.1
利用FDATool进行设计16
4.3.2
IIR滤波器仿真17
4.3.3
改变参数17
4.3.4
结果分析18
第五章
总结与心得19
5.1设计总结19
5.2自我总结19
致
谢20
参考文献21
引言
随着人类无线通信技术的快速发展，现如今相距遥远的人们随时随地保持联络已经不再是不可能。无线电信号的自由飞翔带来了无限的便利与温暖，同时也带来了有限频谱资源的紧缺与不足。微波频带出现了相对拥挤的状况，为了合理利用频带资源，相关部门对频带作了更细的划分。所以，作为选频器件的微波滤波器在现代通信系统中的地位和作用显而易见，其广泛应用于卫星通信、移动通信、雷达系统、导航系统、电子对抗、无限遥测等领域。而随着电磁环境越来越复杂和频率拥挤越来越严重，这对无源微波滤波器的性能指标提出更高的要求，如何设计出性能优异的滤波器，以降低系统对信号的衰减，更好的选择所需信号，抑制各种干扰信号，已成为了一个当今的热点话题。
现如今，微波滤波器的高阻带抑制、宽频带、带内平坦度、群时延和窄过度带等技术指标已成为了人们主要关心的问题。为了提高通信容量和避免相邻信道间的干扰，要求滤波器有陡峭的带外抑制；为了减小信号的失真度，要求通带内有平坦的幅频特性和群时延；为了提高信噪比，要求滤波器有较低的插入损耗；而为了满足现代通信终端的小型化趋势，要求滤波器要有更小的体积和重量。因此，为了满足设计需要，新结构、新材料和新的设计方法需要引入到滤波器的设计中来，以求设计出满足现代通信系统要求的滤波器。
随着我国数字通信技术的快速发展，尤其是第三代移动通信与卫星通信技术的快速发展，对高性能的微波滤波器的需求也越来越迫切。近些年来国际上对微波滤波器的研究也越来越广泛和深入，而国内的研究却并不是很多，国内更多关注于应用。国内滤波器开发成本高，效率低，调试周期长，也影响到了通信系统的快速发展。随着无线通信的迅猛发展,通讯设备逐渐向着便携化、多功能化、高集成化和低成本的方向发展,促使电子元器件也要朝着高集成度、小型化与高可靠性的方向发展而如何高效、快速的设计出满足要求的滤波器，同时降低生产成本，也推动了滤波器综合理论研究和实现技术研究的开展。随着科技不断进步，无线通信前所未有地融入到生活中，尤其以贴近日常应用的短距离无线数据业务更是迅速发展。例如
GPS、WLAN、WiFi、UWB、Bluetooth等短距离无线通信等广泛应用，极大地推动了滤波器技术的快速发展。
第一章
现代通信系统与滤波器
1.1通信领域滤波器的发展历史
从电信发展的早期，滤波器在电路中就扮演着重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断进展。新的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术，而这种新技术的发展进一步加速了滤波器技术的研究和发展。
在滤波器发展的早期，滤波器的设计主要集中在以电感电容组合为主的无源电路上，这是一种线性谐振腔系统。然而许多早期的研究人员认为基于分布元件电路物理原理的谐振器系统也能达到滤波性能。
1.2现代通信对滤波器的要求
现代通信系统所能提供的各种服务给人们的生活带来了极大便利，人们都渴望能够随时随地的收发所需信息，而这些信息所包含的数据量正迅猛增长，这势必要求移动通信系统能提供更宽的带宽。不同应用领域对微波滤波器有着不同的要求，移动通信基站设备需要小型化、低损耗、低生产成本、高功率容量的微波滤波器，于是同轴滤波器、介质滤波器、超导滤波器的设计取得了长足的进步。
1.3微波滤波器的现状及发展趋势
在微波技术突飞猛进的发展中，微波滤波器是一个极其重要的分支，近年来也取得了一些主要进展，如：从个别应用到一般应用；形式多样化和元件化、标准化；设计方法从繁到简，从粗超到精确；调谐的高速和自动化；以及与其他有源或无源微波元件和器件的结合日益密切等等。
如今微波滤波器的主要是朝着低功耗，高精度，高可靠性和稳定性，小体积，多功能以及低成本、高效等方向努力发展，以满足现代通信领域在各种情况下的要求。
1.4
数字滤波器在通信中的应用
在现代通信技术领域内，几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。信源编码、信道编码、调制、多路复用、数据压缩以及自适应信道均衡等，都广泛地采用数字滤波器，特别是在数字通信、网络通信、图像通信、多媒体通信等应用中，离开了数字滤波器,几乎是寸步难行。
电视数字电视取代模拟电视已是必然趋势，雷达雷达信号占有的频带非常宽，数据传输速率也非常高，因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。
第二章
Matlab及其组件介绍
2.1
Matlab简介
Matlab是
MATHWORK公司推出的一套面向科学和数值计算的可视化语言，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，是一个高度集成系统具有友好的用户界面和良好的帮助功能。
Matlab自带的信号处理工具箱（Signal
Processing
Toolbox）具有强大的信号处理和分析功能，利用Matlab软件优越的数字分析及仿真功能，对理解数字滤波器及数字滤波具有一定参考价值。
图2-1
Matlab主界面
2.2
simulink简介
Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
图2-2
Simulink
Library
Browser界面
仿真界面，新建立一个model
，就可以进入仿真界面。可以把Simulink
Library
Browser里面的功能模块拖动到model中，也可以在FDATool滤波器设计界面把设计好的滤波器导入到model中，然后对仿真框图进行编辑，仿真。
FIR滤波器仿真步骤：打开Simulink
Library
Browser；新建一个model；在Simulink
Library
Browser中找到DSP离散正弦信号源、加法器以及示波器并拖到model中；再在FDATool界面把设计好的FIR滤波器导入到model中；在model中编辑仿真框图；在DSP离散信号模块中设定相关参数；最后进行仿真。
2.3
FDATool简介
FDATool是Matlab信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具，其界面为滤波器的设计提供了一个交互式的设计环境，用户进行参数设置后，可以设计几乎所有的基本常规滤波器，包括IIR和FIR
的各种设计方法，操作简单，方便灵活。
FDATool界面总共分两大部分，一部分是Design
Filter，在界面的下半部，用来设置滤波器的设计参数；另一部分则是特性区，在界面的上半部分，用来显示滤波器的各种特性。
图2-3
FDATool界面
Design
Filter部分主要分为：
A、
Response
Type(滤波器类型)选项，包括Lowpass(低通)、Highpass(高通)、Bandpass(带通)、Bandstop(带阻)和特殊的FIR滤波器。
B、Design
Method(设计方法)选项，包括IIR滤波器的Butterwotth(巴特沃思)法、Chebyshev
Type
I(切比雪夫I型)法、Chebyshev
Type
II(切比雪夫II型)法、Elliptic(椭圆滤波器)法和FIR滤波器的Equiripple法、Least-Squares(最小乘方)法、Window(窗函数)法。
C、Filter
Order(滤波器阶数)选项，定义滤波器的阶数，包括Specify
Order(指定阶数)和Minimum
Order(最小阶数)。在Specify
Order中填入所要设计的滤波器的阶数(N阶滤波器，Specify
Order=N-1)。如果选择Minimum
Order，则MATLAB根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数；
D、Frequency
Specifications选项，可以详细定义频带的各参数，包括采样频率和频带的截止频率。它的具体选项由Filter
Type选项和Design
Method选项决定。例如Bandpass(带通)滤波器需要定义Fstop1(下阻带截止频率)、Fpass1(通带下限截止频率)、Fpass2(通带上限截止频率)、Fstop2(上阻带截止频率)，而Lowpass(低通)滤波器只需要定义Fstop1、Fpass1。采用窗函数设计滤波器时，由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定，所以只需定义通带截止频率，而不必定义阻带参数。
第三章
FIR数字滤波器设计的Matlab设计
FIR滤波器设计的任务是选择有限长度的，使传输函数满足一定的幅度特性和线性相位要求。由于FIR
滤波器很容易实现严格的线性相位，所以FIR
数字滤波器设计的核心思想是求出有限的脉冲响应来逼近给定的频率响应。
设计过程一般包括以下三个基本问题：
（1）
根据实际要求确定数字滤波器性能指标。
（2）
用一个因果稳定的系统函数去逼近这个理想性能指标。
（3）
用一个有限精度的运算去实现这个传输函数。
3.1
窗函数法
设计FIR数字滤波器的最简单的方法是窗函数法，通常也称之为傅立叶级数法。FIR数字滤波器的设计首先给出要求的理想滤波器的频率响应,设计一个FIR数字滤波器频率响应，去逼近理想的滤波响应。FIR数字滤波器的单位取样响应去逼近的设计过程如下：
窗函数主要用来减少序列因截断而产生的Gibbs效应。但当这个窗函数为矩形时，得到的FIR滤波器幅频响应会有明显的Gibbs效应，并且任意增加窗函数的长度Gibbs效应也不能得到改善。为了克服这种现象,应该使设计的滤波器：
（1）
频率特性的主瓣宽度应尽量窄,且尽可能将能量集中在主瓣内。
（2）
窗函数频率特性的旁瓣ω趋于π
的过程中，其能量迅速减小为零。
3.2
频率采样法
频率采样法是从频域出发,根据频域采样定理，对给定的理想滤波器的频率响应加以等间隔的抽样
，得到：
k=0,1,…,N-1
再利用可求得FIR滤波器的系统函数及频率响应。
选取w∈[0,2π]内N个采样点的约束条件为：
（1）增大阻带衰减三种方法：
1）加宽过渡带宽，以牺牲过渡带换取阻带衰减的增加。
2）过渡带的优化设计。
利用线性最优化的方法确定过渡带采样点的值，得到要求的滤波器的最佳逼近（而不是盲目地设定一个过渡带值）。
3）增大N。如果要进一步增加阻带衰减，但又不增加过渡带宽，可增加采样点数N。代价是滤波器阶数增加，运算量增加。
典型应用：用一串窄带滤波器组成多卜勒雷达接收机，覆盖不同的频段，多卜勒频偏可反映被测目标的运动速度。
3.3
仿真函数
利用数字信号处理工具箱中的
remezord
和
remez函数可以实现
FIRDF的最优化设计。在此先介绍这两个函数:
(1)n,fo,ao,weights
=remezordf,a,dev
功能:利用
remezord
函数可以通过估算得到滤波器的近似阶数
n,归一化频率带边界fo,频带内幅值ao
及各个频带内的加权系数weights。输入参数f为频带边缘频率,a
为各个频带所期望的幅度值,dev是各个频带允许的最大波动。
(2)h
=remez(n,fo,ao,weights‘,ftype’)
功能:利用
remez
函数可以得到最优化设计的FIR
DF的系数,输入参数
n
是滤波器的阶数,fo,ao,weights参数含义说明同
(1)。实等波纹切比雪夫逼近法设计FIR数字滤波器的步骤是：
①给出所需的频率响应，加权函数和滤波器的单位取样响应
的长度N。
②由①中给定的参数来形成所需的、和的表达式。
③根据Remez算法,求解逼近问题。
④利用傅立叶逆变换计算出单位取样响应
。
3.4
FIR数字滤波器仿真
窗函数法仿真结果：
图3-1
窗函数设计的FIR低通滤波器频率响应
频率采样法：
图
3-2
FIR的单位取样响应
图3-3
FIR的低通衰减幅频特性
3.5
利用simulink进行通信系统仿真
FIR滤波器仿真步骤：打开Simulink
Library
Browser；新建一个model；在Simulink
Library
Browser中找到DSP离散正弦信号源、加法器以及示波器并拖到model中；再在FDATool界面把设计好的FIR滤波器导入到model中；在model中编辑仿真框图；在DSP离散信号模块中设定相关参数；最后进行仿真。
3.5.1
利用FDATool进行设计
①打开FDATool面板在Matlab主界面：点击左下角“Start”选项点击弹出界面的“Toolboxes”选项点击弹出界面“DSP
System”选项点击弹出界面“Filter
Designs2=sin(pi*0.2*n);s=s1+s3;即s为含有2个频率成分的信号（归一化频率（w/2p）分别为0.05、0.1）。可用此信号来用所设计的滤波器滤除归一化频率为0.05的成分，以此检测滤波器的滤波效果。则需要改变参数如下：
a、修改仿真配置参数Configuration
Parameter
点击菜单中的Simulation
并打开Configuration
Parameter，在弹出界面中更改仿真时间Simulation
time为0.0到1000.0；
b、器件SineWave
双击SineWave，在弹出界面中，修改参数sine
type为time
based，修改frequency为0.2*pi，sample
time改为1；
c、器件SineWave
双击SineWave1，在弹出界面中，修改参数sine
type为time
based，修改frequency为0.6*pi，sample
time改为1；
仿真
改变参数继续仿真
所有环节都布置完成后，点击model中工具start
simulation的图标进行仿真。根据仿真，查看scope示波器中的波形，分析仿真结果，并再次改变输入信号，改变SineWave、SineWave1的参数，再次进行仿真，分析直到了解了设计的IIR滤波器的滤波效果为止。
4.3.4
结果分析
图4-3
IIR滤波器性能分析图
由上图可以看出信号S经过滤波后，即滤波后的信号与S2大致相同。
第五章
总结与心得
5.1设计总结
在通信技术迅速发展的今天，滤波器越来越受到人们的重视。滤波器的主要功能是频率选择和分离，因此滤波器性能的好坏，直接关系到通信系统的性能的优劣。本文着重介绍了微波滤波器的基本理论，主要是交叉耦合及广义切比雪夫滤波器的综合理论，并对超宽带滤波器进行了详细的介绍和研究，最后给出了各种滤波器在现代通信系统中的应用情况。
由于滤波器种类多，范围广，还存在许多有待于研究和解决的问题。3G
和
4G
已经走进我们的生活，随着通信技术的发展对滤波器的要求也越来越高，需求量也越来越大，因此微波滤波器的研究还将继续发展下去。
如何能够较快的实现微波滤波器的整体结构的调试，如何较好的实现机械调谐也成为各大生产商面临的一大难题。就目前而言由于经济等各方面的原因
3G
和4G
的网络建设尚不完善,这就决定了
2G、3G
和
4G
将同时存在，如何将它们合成一路信号，就成为下一步滤波器发展的主要问题。因此，合路器也将会是下一步滤波器发展的主要方向，合路器的基本原理就是将两路或者多路信号合成在一起同在一个网络中传输，在网络输出端根据要求将不同频率的信号分离，合路器与单个滤波器比起来其结构更复杂，设计难度更大。其参数主要是端口隔离度要高，否则信号相互干扰,系统将无法正常工作。对于这方面的问题将是下一步重点的研究方向。
5.2自我总结
通过这次的的论文设计我学会了很多首先这是我第一次正式写论文，从格式到内容很多不懂的我都要去问老师问同学问百度。当我开始设计论文时才晓得其中的酸甜苦辣，老师给的题目我选的是FIR滤波器，对于它我是一点都不了解感觉无从下手。但是功夫不怕有心人，我在网上下了大量资料慢慢的去研究它，终于有了些领悟。对于这次的这次的设计使用了MATLAB软件仿真，对于这个软件我很久以前就安装了，用起就相对好点。现在我对滤波器有了很深入的了解，从原理到应用，从设计到实现。
致
谢
在本文即将完成的时刻，我衷心地感谢曾经给予我重要支持和帮助的老师和同学。
首先特别感谢刘老师的精心指导。刘老师渊博的知识、开阔的学术视野，严谨的治学态度和对学科发展方向的敏锐眼光给我留下了深刻的印象，为我以后的发展奠定了坚实的基础。同时感谢刘老师对我生活上无微不至的关心和照顾。在此，我向刘老师表示最诚挚的谢意和最崇高的敬意。
同时也感谢在我大学期间给予我帮助的所有老师和同学，谢谢他们给予我的无私的关怀和帮助，当然还要特别要感谢我的家人和宿舍好友，正是他们的支持与鼓励，使我得以潜心于学业，顺利的完成了本论。
参考文献
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[2]
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[3]
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国防工业出版社,1980，17-37.
[4]
张肇仪,周乐柱,吴德民等译.微波工程[M].电子工业出版社,2009.
[5]
何英杰.高性能波导低通滤波器的设计[D].南京邮电大学硕士论文,2011,9-11.
[6]陈怀琛，吴大正,高西全.MATLAB及在电子信息课程中的应用.北京：电子工业出版社.2009年2月第三版
[7]张亮，郭仕剑等.MATLAB7.X系统建模与仿真.人民邮电出版社.2006.11
[8]程佩青.数字信号处理教程.北京:清华大学出版社，2003
[9]丁吉，姜涛.基于Matlab
的FIR数字滤波器的设计.长春工业大学学报(自然科学版).2006，9
[10]罗敏，刘嵩，刘忠兵.基于MATLAB的IIR数字滤波器的设计.山西电子术.2007年第3期
[11]姜献忠.MATLAB在数字滤波器设计中的应用.南京工业职业技术学院学报.2003年12月第3卷第4期
21
篇2：声表面波滤波器在通信电路中的应用
声表面波滤波器在通信电路中的应用 本文关键词：表面波，滤波器，电路，通信
声表面波滤波器在通信电路中的应用 本文简介：《《通信电路》课程设计声表面波滤波器在通信电路中的应用院（系）名称信息工程学院专业班级2008电子信息工程（2）班学号080102502学生姓名指导教师2010年12月25日课程设计任务书2010—2011学年第一学期专业：电子信息工程学号：080102502姓名：课程设计名称：通信电路设计题目：声
声表面波滤波器在通信电路中的应用 本文内容：
《《通信电路》课程设计
声表面波滤波器在通信电路中的应用
院（系）名称
信息工程学院
专
业
班
级
2008
电子信息工程（2）班
学
号
080102502
学
生
姓
名
指
导
教
师
2010
年
12
月
25
日
课程设计任务书
2010—2011
学年第一学期
专业：
电子信息工程
学号：
080102502
姓名：
课程设计名称：
通信电路
设计题目：
声表面波滤波器在通信电路中的应用
完成期限：自
2010
年
12
月
13
日至
2010
年
12
月
25
日共
2
周
一、设计依据
集中参数滤波器不仅性能优良，指标先进，而且调试简单（或不需调试）
组装方便，正在迅速进入各类通信电路中。特别是当整机的频率特性具有特殊
性能指标时，利用专门设计的滤波器，可以满足，高挡次的性能要求。当今是
新材料、新器件倍增的时代，及时的将新技术领域成果引入通信系统，以提高
通信质量，是当前紧迫的重要任务。同时，由于受各专业基本概念理论的制约，
必须拓宽知识面，才能适应当今科学技术发展的要求。
二、要求及主要内容
1.
掌握超外差接收设备的工作原理与中放电路的作用与功能。
2.
掌握通信电路中各参数等效电路的分析方法。
3.
设计声表面波滤波器应用电路，并对电路性能进行分析计算，给出元器
表。
主要技术指标：
1.
中心频率
37KHZ
2.
通频带
8KHZ
3.
输入阻抗
1k?
4.
输出阻抗
1k?
三、途径和方法
1.
课题调研：查阅通信接收机声表面波滤波器电路的原理、设计与调试资
料并了解科技文献有关的文章。
2.
以通信电路、模拟电子技术与数字电子技术课程为依据提出设计方案
3.
对单元电路进行设计。
4.
对整机电路进行设计，画出原理电路图，绘出元器件表。
四、时间安排
课题讲解：2
小时
阅读资料：12
小时
撰写设计说明书：12
小时
修改设计说明书：4
小时
五、主要参考资料
[1]
沈伟慈
通信电路［M］.
西安：西安电子科技大学出版社.
2008.6
[2]
张肃文
高频电子线路［M］.
北京：高等教育出版社.
1984
[3]
罗伟雄
通信电路与系统［M］.
北京：北京理工大学出版社.
2007.9
[4]
杨素行
模拟电子技术基础简明教程［M］.
北京：高等教育出版社.
2002.2
[5]
Ferrel
G.
Stremler.
Introduction
Communication
Systems
［M］.
1997
[6]
杨素行
模拟电子技术基础简明教程［M］.
北京：高等教育出版社.
2002.2
[7]
董在望
通信电路原理［M］.1989.11
[8]
张桂花
无线通信电路基础教程［M］.1988.4
指导教师（签字）：
教研室主任（签字）：
批准日期：*年*月*日
电子技术电子技术
课程设计评阅书课程设计评阅书
题目声表面波在通信电路中的应用
学生姓名学号080102502
指导教师评语及成绩
指导教师签名：*年*月*日
答辩评语及成绩
答辩教师签名：*年*月*日
教研室意见
总成绩：
教研室主任签名：*年*月*日
课程设计说明书
第I
页
声表面滤波器在通信电路中的应用
摘
要
随着半导体工艺的迅速发展，光刻精度进一步提高，使得声表面波滤波器
超小型化成为现实，而通信技术的快速发展，对声表面波滤波器提出的性能要
求也越来越高。声表面滤波器简称
SAWF
或
SAW，是利用压电陶瓷、铌酸锂、
石英等压电晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种
换能式无源带通滤波器，它用于电视机和录像机的中频输入电路中作选频元件，
取代了中频放大器的输入吸收回路和多级调谐回路。它是在一块具有压电效应
的材料基片上蒸发一层金属膜，然后经光刻，在两端各形成一对叉指形电极组
成。当在发射换能器上加上信号电压后，就在输入叉指电极间形成一个电场使
压电材料发生机械振动（即超声波）以超声波的形式向左右两边传播，向边缘
一侧的能量由吸声材料所吸收。在接收端，由接收换能器将机械振动再转化为
电信号，并由叉指形电极输出。声表面波器件因其体积小、抗辐射能力强、高
速、低功耗和高可靠性等优点，在通信、雷达和电子对抗中得到了广泛的应用，
尤其是它独有的高频特性，越来越受到重视。在追求高效率、低插入损耗、高
温度稳定的同时，中心频率和通带宽度的可调节性也成为研究热点之一。
关
键
词
：声表面波;
声表面波滤波器；
单端对声表面波谐振器;
无线通信
课程设计说明书
第II
页
目
录
1
绪论.1
2
SAW
滤波器基本理论.1
2.1
SAW
滤波器的简介.1
2.2
SAW
滤波器的结构及原理.2
2.3
SAW
波滤波器的特点.3
2.4
SAW
滤波器的应用.3
3
无线通信中用
SAW
滤波器.5
3.1
等效电路分析5
3.2
滤波器的设计6
总结8
致谢9
参考文献10
1
绪论
随着无线移动通信技术的发展，人们对移动电话的需求直线上升。为规范
移动通信市场，国际上建立了几种公用通信系统标准，如美国移动通信系统
(AMPS)、扩展总路线通信系统(ETACS)、全球移动系统(GSM)等。以上各通信
系统所使用的频率范围均不相同，但为扩大通信容量，与传统的通信系统相比，
它们的射频频率都较高，使用带宽较宽，且发射端和接收端的间隔较窄。因此，
各系统对关键器件即滤波器的滤波频率性能都有严格的要求。声表面波(Surface
Acoustic
Wave，SAW)滤波器是一种新型的信号处理器件，可以实现任意精度
的频率特性，这是其他射频滤波器难以实现的,故
SAW
滤波器在电子信息领域，
特别在通信中得到了越来越广泛的应用。随着
SAW
滤波器朝着小型片式化、
高频宽带化、低插损、高可靠性和表面贴装等方向的发展，更将使
SAW
滤波
器技术在各种信号处理、通信等领域越来越具有吸引力。
2
SAW
滤波器基本理论
2.1
SAW
滤波器的简介
声表面波
SAW（SuRFace
Acoustic
Wave）就是在压电基片材料表面产生并
传播、且其振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。SAW
滤波器
的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器——*指
换能器（IDT）
。它采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定
厚度的铝膜，再把设计好的两个
IDT
的掩膜图案，利用光刻方法沉积在基片表
面，分别用作输入换能器和输出换能器。其工作原理是：输入换能器将电信号
变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输
出。
2.2
SAW
滤波器的结构及原理
SAW是在压电基片材料表面产生并传播，且振幅随着深入基片材料的深度
增加而迅速减少的一种弹性波。SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基
片材料抛光面上制作两个声电换能器－叉指换能器(Interdigital
Transducer,IDT)，
分别用作发射换能器和接收换能器，如图1所示。
图1
SAW滤波器机构图
发射换能器将RF信号转换为声表面波，在基片表面上传播，经过一定的延
迟后，接收换能器将声信号转换为电信号输出。滤波过程是在电到声和声到电
的转换中实现，所以可以将SAW滤波器等效为一个两端口的无源网络，如图2
所示。图中H1(ω)是发射(或输入)叉指换能器IDT1的频率响应,H2(ω)是接收(或
输出)叉指换能器IDT2的频率响应,H3
(ω)是SAW在两叉指换能器间的传输特性。
设声表面波的波速是Vs，由于Vs是非色散性的，显然H3(ω)可等效为一个具有
一定延时t0的全通时延网络。若输入和输出叉指换能器中心间的距离为L，则有
t0=L/Vs
(1)
H3(C)
=A3
exp(-jωL0/VS)
式中
A3为常数，一般记为1。于是，SAW滤波器总的传输函数（或频率响
应）是
H(ω)=H1(ω)H3(ω)H2(ω)
应用傅里叶变换特性，在分析中考虑|H3
(ω)
|≈1，因此，可以不计入)
(3ωH。声表面波滤波器的频率响应为H
(ω)
=
H1(ω)H2(ω)，相应的脉冲响应h(t)
为h
(t)=h1(t)?h2
(t)。
图2
SAW滤波器的等效图
2.3
SAW
波滤波器的特点
SAW
滤波器的主要特点是设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏
差和频率选择性优良（可选频率范围为
10MHz～3GHz）、输入输出阻抗误差
小、传输损耗小、抗电磁干扰（EMI）性能好、可靠性高、制作的器件体小量
轻，其体积、重量分别是陶瓷介质滤波器的
1/40
和
1/30
左右，且能实现多种复
杂的功能。SAW
滤波器的特征和优点，适应了现代通信系统设备及便携式电话
轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之处是
所需基片材料的价格昂贵，对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求
高。受基片结晶工艺苛刻和制造精度要求严的影响，日本富士通、三洋电器、
丰田等少数几家掌握压电基片生产技术的制造商垄断了世界
SAW
滤波器市场。
富士通公司控制了移动电话用小型射频
SAW
滤波器全球市场
40％左右的份额，
目前其年产量在
1.5
亿只以上，最小的产品尺寸已达到
2.5mm×2mm，重
22mg，集倒装式组件和专利谐振器型滤波器设计于一体，使滤波器性能突破性
飞跃。三洋电器公司是世界最大的视听家电用
SAW
滤波器制造商之一，为保
持其价格上的优势，该公司在我国深圳设有组装厂，年产
5000
万只。丰田公司
主要生产移动通信用
SAW
滤波器，可提供
30
多种标准型产品，均适用于表面
安装。
2.4
SAW
滤波器的应用
SAW
滤波器在抑制电子信息设备高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及
各类寄生杂波干扰等方面起到良好的作用，可以实现任意所需精度的幅频和相
频特性的滤波，这是其它滤波器难以完成的。近年来国外已将
SAW
滤波器片
H1(ω)
H3(ω)
H2(ω)
H(ω)
式化，重量只有
0.2g；另外，由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，
使
SAW
器件上使用上限频率提高到
2.5GHz～3GHz。从而促使
SAW
滤波器在
抗
EMI
领域获得更广泛的应用。
SAW
滤波器以极陡的过渡带使
CATV
的邻频传输得以实现，与隔频传输
相比，频谱利用率提高了
1
倍。电视接收机如果不采用
SAW
滤波器，不可能
稳定可靠地工作。事实上，早期
SAW
滤波器的主要应用领域就是以电视机为
代表的视听家电产品，20
世纪
80
年代末，由于电子信息特别是通信产业的高
速发展，为
SAW
滤波器提供了一个广阔的市场空间，致使其产量和需求呈直
线上升趋势。目前世界
SAW
滤波器的年产量在
6
亿只以上，其中移动通信等
用小型化
RFSAW
滤波器就达
4.3
亿只。
移动通信系统的发射端（TX）和接收端（RS）必须经过滤波器滤波后才能
发挥作用，由于其工作频段一般在
800MHz～2GHz、带宽为
17MHz～30MHz，
故要求滤波器具有低插损、高阻带抑制和高镜像衰减、承受大功率、低成本、
小型化等特点。由于工作频段、体积和性能价格比等方面的优势，SAW
滤波器
在移动通信系统的应用中独占鳌头，这是压电陶瓷滤波器和单片晶体滤波器望
尘莫及的。
在无线寻呼系统中，BP
机接收到的
RF
信号需先经滤波再进行放大。滤波
器的电气特性直接影响到接收信号的灵敏度和精确度，早期生产的
BP
机一般
采用
LC
滤波器，但由于
LC
滤波器的调试复杂，选择性和稳定性又较差，因此
现在逐渐被
SAW
滤波器所取代。
随着
Internet
的迅猛发展，全球上网用户愈来愈多，但目前通过电话上网的
最大缺点是带宽太窄（几十千赫），下载速度极慢，而
CATV
网络频率资源丰
富，不少商家因此均在开发基于
CATV
网的宽带多媒体数据广播系统（如
VOD
等），通过
CATV
上网可使信息传输速度提高几十倍以上，在这些系统
中都要用到高性能的
SAW
滤波器来解决邻频抑制问题。可见，SAW
滤波器的
市场前景十分可观。
3
无线通信中用
SAW
滤波器
在移动通信系统中，无论是数字式还是模拟式，其发射和接收信号的功能
模块电路结构基本相同，如图3所示。在Tx端，在载波上对信号进行调制,通过
放大电路将功率放大，然后经过SAW滤波器滤波后由天线将信号发出，本通道
要求滤波器损耗低，可承受大功率；在Rx端通道，天线接收到的微弱信号经
SAW滤波器过滤后，进行放大解调，最终获得所要的信息，要求滤波器损耗低，
阻带抑制高。
图3
GSM系统的发射和接收模块
传统的介质滤波器一般具有损耗低、大带宽以及较高的功率承受能力等特
点。但其致命的弱点是体积太大，难以适应移动电话向微型化方向发展的趋势。
而SAW滤波器具有体积小，适合于微型封、一致性好、无须调整的优点。本文
以无线通信系统中移动电话用SAW滤波器(其技术要求为：Tx端中心频率f
0为
902.5
MHz，带宽为25
MHz；Rx端f
0为947.5
MHz，带宽为25
MHz)为例，介绍
梯型结构SAW滤波器的等效电路分析，并给出设计结果。
3.1
等效电路分析
采用电网络分析与综合理论，将梯型结构的SAW滤波器由单端对SAW谐振
器来代替网络中的各个单元。此结构具有电感电容(LC)滤波器低损耗的优点，
而且可承受大功率，体积较小。这种结构一般用来设计射频滤波器，工作频率
范围为300～2400
MHz，相对带宽为2％～6％,插入损耗小于5
dB,SAW谐振器
及其等效电路如图4所示。
图4
SAW谐振器及等效电路图
图4中C0为静电容，C1、L1分别为动态电容、动态电感，等效电路忽略了
动态电阻。梯型SAW滤波器基本结构如图5所示。
图5
梯形滤波器结构
设计单端对谐振器时，使并臂谐振器的反谐振频率与串臂谐振器的谐振频
率相同。其中frp、fap、frs、fas分别为并臂、串臂谐振器的谐振频率和反谐振
频率。根据梯型滤波器传输函数截止条件可知，串臂谐振器阻抗Zs和并臂谐振
器阻抗ZP性质相同时，形成阻带；Zs、ZP性质相反，且Zs/ZP－1时，形成通
带；Zs/ZP－1时，形成过渡带；Zs/ZP=－1时的频率点为截止频率。
3.2
滤波器的设计
设计梯型结构滤波器，主要是对单端谐振器的设计，并协调好串臂和并臂谐振
器的相互关系。谐振器的阻抗可用其谐振频率和反谐振频率来表示，即
ZS=(ω2-ωrs2)/[jωCos(ω2-ωas2)]
ZP=(ω2-ωrp2)/[jωCop(ω2-ωap2)]
式中
ω
rs=2πfrs,ω
rp=2πfrp分别为串臂、并臂谐振角频率；ω
ra=2π
fra,ω
ap=2π
fap分别为串臂、并臂反谐振角频率；为使梯型滤波器的匹配阻抗为线性
阻抗Rp，串、并臂阻抗应满足
Zs
Zp=R02
谐振器的频率关系为fap≈frs，f0=frp=fas－f0。在通带频率范围内，Δ
f=(fas－frp)/2，将式(4)、(5)代入式(6)，可化为
R02=1/(4π2
f
0s2
C0p)
式中
一般取为50
Ω。单端对谐振器的静电容可由下式获得
C0=N(εr+ε0)W
式N中为IDT电极对数；W为IDT有效孔径；εr为基片材料的有效介电常数。
由上述C0p/C0s的取值范围，根据上式取C0p、C0s的最优值，从而确定串、并臂
谐振器的孔径和指条对数。根据电网络理论分析和SAW滤波器的传输函数，设
计出了无线通信系统中移动电话用射频滤波器，基片采用具有高机电耦合系数
的LiNbO3晶片。为提高滤波器阻带抑制特性，采用了多节串联的方法，并对各
单端对谐振器进行了优化设计，其基本电路结构如图6所示。
图6梯型SAW滤波器电路结构示意图
图7梯型SAW滤波器频率特性
设计得到的SAW滤波器频率特性如图7所示，其中心频率为947.5
MHz，3
dB带宽＞30
MHz，插损≤4.0
dB，SS＞30
dB，匹配阻抗为50
Ω，取得了较为满
意的结果。
总结
通过这次通信电路的课程设计，我掌握和了解了许多关于声表面波滤波器、
放大器与超差技术的有关知识，使我知识面展宽了，同时更让我坚信，学好电
子技术方面的知识，对以后的发展是有很大的益处的，在这条路上一直走下去
是前途无量的。
在声表面波滤波器的设计中，单元电路的设计是其中的基础，只有对各部
分的作用有深刻的了解，才可以设计出符合设计要求的电路。超差技术在设计
中是关键的关键，通过放大输入信号、减少干扰等完成整个设计。各个部分的
相互联系，缺少了任何一部分，直接影响到整个设计的最终结果。
在这次的设计过程中，对于如何进行电路的设计，我还存在着许多的不足
之处，把握电路的连接方式上还过于稚嫩，但是，在以后的学习中，我会不断
地自我完善，争取能在电子技术这一方面能有所发展。
致谢
经过近两周的努力，终于将通信电路的课程设计完成了。在整个完成课程
设计的过程中司老师给予了我很多的帮助，教会我如何去分析课题，如何去查
找资料和检索文献，怎么充分利用手中的资源。司老师很和蔼，平易近人，很
有耐心，
她对我们严格要求，让我们不敢有半丝的马虎，即使是一个标点符号的错误都
让我们立刻改正，对于我不懂得知识和原理司老师都耐心认真给我讲解。通过
此次的课程设计，在司老师的认真指导下，我不仅对我的各门专业基础课有了
一次大致的复习，更加深了我对我们电子专业的认识。衷心地谢谢司老师的指
导
参考文献
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