抗混叠滤波射频电路设计的重要性

在设计RF电路的过程中，需要考虑很多方面的问题最后才能设计出一个我们需要的理想的射频电路，在这个过程中，滤波器是非常高频使用的，这个大家都知道，但是抗混叠滤波这个概念却不是一定都很熟悉。抗混叠滤波器本质上是一个低通滤波器它的作用是输出电平中把混叠频率分量降低到微不足道的程度。滤波是一种我们往往视为当然的常见过程。

我们在打电话时，接收器滤除其它所有信道，使我们仅仅接收到特定的信道。当我们调节立体声系统的均衡器时，利用带通滤波器选择性增大或降低特定频带的音频信号。在数据采样系统中，高于二分之一采样率的频率成分“混叠”(搬移)到有用频带。大多数时间，混叠是有害的副作用，所以在模/数(AD)转换级之前，将“欠采样”的较高频率简单滤除。但有时候，特意设计利用欠采样，混叠使得AD系统作为混频器工作。 本文讨论数据采样系统的不同滤波要求，介绍混叠以及用于抗混叠的不同类型滤波器。滤波器在几乎所有数据采样系统中扮演着重要角色。大多数模/数转换器(ADC)都安装有滤波器，滤除超出ADC范围的频率成分。有些ADC在其结构本身上就具有滤波功能。今天我们就从数据采样系统、滤波要求以及与混叠的关系中来了解一下抗混叠滤波为什么如此重要。受限让我们来了解一下采样的相关概念。欠采样欠采样是一种功能强大的工具，可有效用于所选应用。欠采样允许ADC作为一个混频器，能够接收调制高频载波信号并产生较低频率的镜像。这种方式下，就像下变频器。另一种主要优点是允许ADC的采样率低于奈奎斯特频率，一般具有较明显的成本优势。由于所有处理都在数字域完成，如果需要对电路的性能和特性进行更改，只需修改软件即可。相对而言，对于模拟设计，如果需要更改电路性能，需要改变电路硬件元件和布局，并且成本相当高。欠采样的一项缺点是有用频带内可能出现有害信号，您不能将其与有用信号区分开。此外，欠采样时，ADC输入的频率范围往往非常宽。

欠采样示例

欠采样数字化的镜像信号(1阶和2阶)

过采样

过采样提供所谓的处理增益。在过采样时，以较高采样频率获得多出实际需要的采样数量，然后对数据滤波，从而有效降低系统的噪底(假设噪声为宽带白噪声)。这不同于平均，后者是获取很多采样，噪声被平均。可以这么理解过采样：如果输入信号来自于扫描频率的信号源，频谱则可以分为多个范围或“容器”，每个容器的带宽固定。宽带噪声分散在整个有用频率范围内，所以每个容器具有特定量的噪声。现在，如果提高采样率，那么频率容器的数量也增多。在这种情况下，出现的噪声量仍相同，但我们有更多的容器可供容纳噪声。然后我们利用滤波器滤除超出有用频带的噪声。结果就是每个容器的噪声减少，所以就通过过采样有效降低了系统的噪底。有了以上的采样相关背景知识后，我们就可以开始讨论抗混叠滤波器了。

抗混叠滤波

在选择滤波器时，目标是提供一个截止频率，能从ADC输入中消除有害信号或至少将其衰减至不对电路形成负面影响。抗混叠滤波器是满足这一要求的低通滤波器。如何选择正确的滤波器？需要考虑的关键参数是在通带内的衰减量(或纹波)、阻带内的预期滤波器滚降、过渡区域的陡度，以及不同频率通过滤波器时的相位关系。

实际滤波器理想滤波器具有“砖墙”响应，也就是说其过渡比是无限大的。然而，在实际应用中不可能存在这种情况。滚降越陡，滤波器的“Q”或品质因子越高；Q因子越高，滤波器的设计就越复杂。较高的Q因子会造成滤波器不稳定以及在相应的拐点频率下自振。选择滤波器的关键是了解干扰信号的频率及对应幅值。例如，对于手机，设计者知道邻近信号的最差工作条件幅值和位置，从而有针对性地进行设计。并不是所有信号都能在频域预测，甚至有些已知干扰信号太大，不能足够地衰减。但是，根据环境和应用，您可考虑已知干扰和设计，最大程度降低随机干扰，确保工作更可靠。

理想滤波器已知有用信号频率后，利用简单的滤波程序确定所需的滤波器结构，以满足通带、阻带和过渡区域要求。在四种基本滤波器类型中，每种都有其各自的优势。

四种基本的滤波器类型例如，巴特沃斯(Butterworth)滤波器的通带区域最平坦，意味着在相应频率范围内的衰减最小；贝塞尔(Bessel)滤波器的滚降较平缓，但其主要优势是线性相位响应，意味着每种频率成分在通过滤波器时的延时是相等的；由于群延迟定义为相位响应相对于频率的偏差，所以线性相位响应通常指的是固定群延迟。切比雪夫(Chebyshev)滤波器的滚降较陡，但在通带内纹波较大。椭圆(Elliptic)滤波器的滚降最陡。对于最简单的抗混叠滤波器，简单的单极点无源RC滤波器往往是可以接受的。在其它情况下，有源滤波器(即使用运放)比较合适。有源滤波器的一项优势是多阶滤波器，滤波器对外部元件值不太敏感，特别是滤波器的“Q”值。抗混叠滤波器通常不必严格对应拐点频率的位置，所以设计时具有一定余地。例如，如果您需要最大平坦度，但在通带内仍然有太大衰减，只需将拐点频率移远即可解决问题。如果阻带衰减太小，则可提高滤波器的极点数。另一种方案是在滤波后将信号放大，提高信号相对于有害信号的幅值。总之，抗混叠滤波在射频技术中是非常重要的。

审核编辑 黄昊宇