数字幅频均衡功率放大器设计

李强 梁鹏 曹迦号

摘要：在信号传输中常有小信号传输，但是小信号的传输又常常受到其他干扰，本文提出了一种基于小信号的提取系统，目的就是将传输过程中将有用的小信号从干扰信号中分离出来。采用幅频均衡消除或者减小码间串扰，利用滤波放大将小信号提取放大至到达要求。整个系统是基于FPGA的数字信号处理技术的幅频均衡功率放大器，主要由前置放大电路、带阻网络、数字幅频均衡电路和功率放大四个部分组成。采用NE5532芯片进行两级放大，带阻网络加以滤波，通过反复调整带阻网络参数以达到论文滤波要求，使用MATLAB设计相应带通FIR滤波器，将返回系数在FPGA中实现，达到幅频均衡。

关键词：数字幅频均衡;功率放大;前置放大

中图分类号：TP3      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）24-0237-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

生活中涉及的事物只要开始进行传播就会承载信息，这类信息我们都可以称为信号，在我们还没有意识的时候信号处理就成了我们生活中不可或缺的一部分。科技的发展使得我们获取信息的途径越来越多，当今社会衍生出的电子产品种类繁多，能容易被我们了解接收直接利用的大多属于模拟信号，本系统研究的小信号放大，人们所日常了解的可能就是各类音乐播放器，传播的就是模拟信号，但其中涉及的还有供电路转换的数字信号。提及这类需要进行信号处理的电子产品就需要用到集成电路技术。但是通信信道的传输特性的不稳定性限制了其发展的速度，信号传输过程之间的码间串扰是的传输的误码率大幅增加，如何消除或者说减小码间串扰就是本系统中的数字均衡，均衡是指对信道特性的均衡，均衡器就是一种起到补充作用的滤波器，这种可以调节的滤波器能减小信息传输中的互相干扰，校正和补偿系统特性，数字均衡器是指输入和输出都是数字信号，能对一段输入信号中包含的信息进行分配各信息段所占百分比或通过理删除其中不需要的频段的设备[1]。数字功率放大器的幅频平衡能更好地用于信号处理、信号高保真度、高功率转换效率，使产品具有更好的技术含量，提高产品的竞争强度。数字滤波器在当今通信工具和各类电子控制系统中被泛应用于电视、语音处理、通信、生物医学信号处理等领域，在制导、导航、战场侦察和电子对抗等领域中也会存在数字滤波器的身影，还可以应用于电力系统的能量分配规划和自动检测。

1 系统组成

系统大体框图结构体系定为：前置放大电路、带阻网络，数字幅频均衡以及功率放大部分组成[2]，系统结构图如图1所示。前置放大器放大来自信号源的微弱电压小信号，需要对小信号进行第一次处理，将一级输出信号作为二级带阻网络的输入信号。

前置放大作为一级处理系统缺点是在放大信号是不会分辨有用和无用信号，所以在放大所需小信号的同时也会同时将噪声信号放大，当噪声信号对小信号影响过大时就要考虑消除噪声[3]。前置小信号放大倍数在400倍以上，输出电阻达到600Ω，-1dB通频带为20Hz-20kHz。位于第二级的带阻网络对前置放大器电路的输出信号U1进行滤波，10 kHz输出时U2的电压幅度为作为参考，最大衰减不小于10db[4]。第三部分以数字信号处理技术为基础进行设计制作数字幅频均衡电路，对带阻网络输出的20Hz-20kHz信号进行幅频均衡。均衡处理之后输出电压U3在1.5dB的幅度内波动。U3经过数字幅频均衡处理后再由功率放大器进行功率放大，输出功率大于10w，正弦信号Ui输入的有效值为5mv，功率放放大器接8Ω的电阻，在-3db的通频带20hz-20khz，功率放大电路的效率要达到60%以上[5]。

2 系统硬件设计

2.1 前置放大电路设计

前置放大电路，使采用NE5532芯片进行两级放大，600Ω电阻串联接到输出端以确保输出端能达到600Ω阻抗，如图所示。

其目的就是提高系统前置放大增益，达到放大要求。在第一级放大中R5是一个500Ω的可调变阻器，可调节的放大幅度大致在二十三倍左右，第二级是一个同相比例运算电路，放大倍数大致在二十一倍左右，电路使用的了电容耦合和滤波，接有源低通滤波器和跟随放大器，低通滤波器1dB通频带为20Hz～20kHz，跟随器起到阻抗匹配和级间隔离的作用。

[T1=T1+T2G1+T3G1×T2+T4G1×G2×G3]

上述公式中T1、G1、T2、G2、T3、G3表示各级放大器的噪声温度和增益，T表示前置放大器电路的总噪声温度。通过上式可知，在与放大器相连的多级放大电路中，前两级的噪声溫度影响较大，之后的对噪声各个层次影响都很小[6]。所以在本次设计中采用两级放大，主要需要解决噪声问题。

2.2 带阻网络

首先，设计信号能通过的最低频率在20Hz至20kHz的低通滤波器，将各个元件的振荡频率调到能够发生谐振，低通滤波器对直流的响应和带通滤波器对中心频率的响应等同，把低通滤波器转化成高通滤波器当成带阻滤波器使用，截止频率为要求的带宽，然后将高通元件间振荡频率能够发生谐振到滤波器的中间频率[7]。

高通滤波器对直流的应答变换成带阻网络对滤波器中间频率的应答，带阻滤波的带宽响应效果等于高通滤波器的频率响应，负频率没有现实意义，所以，这次参照的是正频率的应答图像。和带通滤波器一样，响应曲线具有几何对称性。

其设计步骤为：第一步使带阻滤波器技术指标归一变成相对值，选择归一化低通滤波器要提供所需的衰减，使陡度系数不超过求出的数值。第二步把归一化低通滤波器转化为归一化高通滤波器，之后再把高通滤波器标定到截止频率和规定的阻抗值。第三步电感与电容串联，电容与电感并联，使每个并联支路调谐都处于滤波器的中间频率[8-9]。

2.3 数字幅频均衡电路

FIR滤波器是只存在一个零点的有限单元脉冲响应滤波器，是一个稳定的系统。除了原点之外，Z平面中没有极点，它的有限单位脉冲响应不是前后对应关系。要得到对应关系的单位脉冲响应可以通过位移调整。不只有稳定和可实现性，它还可以在符合一定对称条件时同时实现标准的线性相位，对比IIR滤波器这非常占优势。经过A/D转换器对信号进行模数转换，将模拟信号转化成数字信号之后，输入到FIR滤波器，采样时信号要符合香农公式，也就是说采样的频率要是取样信号的四到五倍左右才可能使处理的信号不会与理想状态差别过大，造成失真。

2.4 功率放大电路

功率放大分为：三角波发生器，比较器，驱动电路。先用积分器对信号进行积分，然后通过比较得到三角波。将得到的三角波与输入信号进行比较以通过比较器获得调制波形。使用IR2110做驱动最后一级功率场效应晶體管，IR2110结合了光耦隔离（小尺寸）和电磁隔离（快速）的优势，是中小功率转换设备驱动器件的首选。内部由三部分组成：逻辑输入，电平转换和输出保护。末级功率管使用IRF3205，IRF3205具有开关速率快，导通电阻低的特点，适合高效率，高开关频率的功率放大[10-11]。三角波发生电路和末级功率放大电路如图所示。

3 实验结果分析

3.1 数字均衡处理部分性能测试

这部分测试所需示波器，将示波器模式调为排除杂斥和取平均16次，观察在接入前置放大器，带阻网络，数字均衡电路部分后，输入电压有效值仍为5mV的情况下，示波器所能观察到的信号幅度值见表1所示。

3.2功率放大电路测试

将电路正负极电压设置为[±]15V，在其中接入一个8Ω大小电阻做负载，前面前置放大电路带阻网络和均衡网路都接入测试电路。用示波器观察末级功率放大输出电压幅度，串联接入两台四位半万用表，测试电源正负极电流值变化，观察示波器显示波形是否有明显失真，结果见表2所示。

4 结语

利用FPGA的数字信号处理技术的幅频均衡功率放大器，经过前置放大部分放大的信号以及带阻网络加以滤波，通过反复调整带阻网络参数，使用MATLAB设计相应带通FIR滤波器，将返回系数在FPGA中实现，达到幅频均衡，从而将传输过程中将有用的小信号从干扰信号中分离出来。

参考文献：

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[9] 应启珩，冯一云，窦维蓓.离散时间信号分析和处理[M].北京：清华大学出版社，2007.

[10] 董在望主编.通信电路原理.第2版.北京：高等教育出版社，2002.

[11] 王振红，刘随强，刘杰林，赵树新，林志彬，丁子瑜.基于FPGA的数字幅频均衡功率放大器[J].中国科技信息，2012（15）：111.

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

【通联编辑：张薇】