采樣處理電路的抗混疊仿真分析

冉令峰

摘 要：采樣電路中經常出現頻率混疊現象。為了能有效地提取有用信號，分析混疊現象產生的原因，本文對采樣電路進行抗混疊濾波器設計與仿真。通過仿真結果可知，該設計可以有效避免混疊現象發生，為采樣電路設計提供了可靠的理論指導。

關鍵詞：混疊;濾波器;仿真分析

中圖分類號：TN99 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0131-03

Simulation Analysis of Anti-aliasing of Sampling Processing Circuit

RAN Lingfeng

（China Institute of Air-to-air Missile，Luoyang Henan 471000）

Abstract： Frequency aliasing often occurs in sampling circuits. In order to effectively extract useful signals and analyze the causes of aliasing， this paper designed and simulated anti-aliasing filter for sampling circuit. The simulation results show that the design can effectively avoid the aliasing phenomenon and provide reliable theoretical guidance for the design of sampling circuit.

Keywords： alias;filter;simulation analysis

采樣電路中的混疊現象是指對連續信號進行等間隔采樣時，如果不能滿足采樣定理，采樣后就會有頻率重疊現象，即高于和低于采樣頻率的信號混雜在一起，導致失真現象的出現，這種失真就是混疊失真[1，2]。當混疊發生時，原始采樣信號無法從取樣信號還原。而混疊發生在時域上，叫做時間混疊;發在頻域上，叫做空間混疊[3]。

濾波是指從混雜的信號中提取有用信息的過程?？够殳B濾波器一般指低通濾波器。濾波器可以分為低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器、高通濾波器和高阻濾波器?？够殳B濾波器可提高采樣頻率，使之達到最高信號頻率的兩倍以上，可限制信號的帶寬，使之符合采樣定理的條件。

1 抗混疊濾波器

根據香農采樣定理，在對帶限模擬信號進行離散化采樣時，當采樣頻率的頻域大于信號帶寬的2倍時，利用這些離散的采樣點就可以完全表示原模擬信號。

因此，如果信號帶寬[fh]小于采樣頻率[fs2]（奈奎斯特頻率），此時，信號的離散采樣點可以完全表示原信號，其頻率分量與原信號的頻率分量一樣;如果信號帶寬高于奈奎斯特頻率，則高于奈奎斯特頻率的頻率成分將以[fs2]為對稱軸，等幅度地疊加到0～[fs]的頻段上，即離散采樣點的頻率分量會出現混疊現象，這樣離散采樣點的頻率分量和原信號頻率分量不再相同，此時，離散采樣點不能完全表示原信號。采樣信號混疊原理如圖1所示。

因此，為了避免離散采樣信號的混疊現象，在模擬信號進入AD變換器采樣前先進行濾波，將大于奈奎斯特頻率的頻率成分濾掉，從而達到抗混疊的目的。而該濾波器就稱為抗混疊濾波器。

2 采樣處理電路

采樣處理電路如圖2所示。采樣處理電路包括控制信號和反饋信號，經過148組成的有源濾波電路進行濾波調理，通過AD變換器（TLC3578模數轉換）部分進行數模變換，將輸入的模擬信號轉變為數字信號，最后將數字信號輸入數字信號處理器DSP部分進行處理。

在數字信號處理器DSP內部，DSP信號綜合運算處理的周期為500μs。在一個運算周期內，DSP驅動控制ADC連續進行3次模數變換，其中1次AD變換的周期為3.6μs。去掉最大和最小值，取中間值為有效的變換值。

對有效的變換數字量進行6點滑窗濾波，每進行一次信號處理運算，窗口進入一個新數，同時舍棄一個舊數。6點滑窗濾波處理算法如圖3所示。

3 電路的數字仿真

3.1 控制和反饋信號中濾波調理電路的頻域分析

在控制和反饋信號中，148信號濾波調理電路的仿真模型如圖4和5所示。

從圖6和圖7可以看出，控制和反饋信號中濾波調理電路的輸入信號頻率小于10kHz時，濾波調理電路幅頻曲線為直線，此時電路實際上為比例電路。

3.2 增加采樣處理算法后采樣電路的頻域特性分析

將滑窗濾波算法加入仿真分析模型，得到濾波調理電路的幅頻特性如圖8所示。

從結果可以看到，經過AD采樣、滑窗濾波后，當信號頻率小于100Hz時，控制信號和反饋信號中的濾波調理電路幅頻曲線為直線。此時，電路實際上為比例電路，小于100Hz的信號可以無衰減地通過;當輸入信號頻率大于100Hz小于300Hz時，輸出信號幅值隨著頻率增加而衰減;而當輸入信號頻率大于300Hz時，采樣系統開始出現混疊現象。

在采樣處理電路中，輸入信號頻率分別為50Hz和200Hz時，經過處理后的電路結果如圖9所示。

從結果可以看到，輸入信號200Hz時，輸出信號的幅值相對于50Hz有所衰減;當輸入信號頻率分別為500Hz時，經過舵機信號處理電路后的結果如圖10所示。

從圖10可以看到，在輸入信號為500Hz時，在500Hz處輸出信號幅值有所衰減，在1.5、2.5kHz和3.5kHz處，輸出信號已經混疊入高頻干擾信號。

4 結論

經過分析，可以得到以下結論。

①當信號頻率小于100Hz時，采樣電路中的濾波調理電路幅頻曲線為直線。此時，電路實際上為比例電路，小于100Hz的信號可以無衰減地通過;當輸入信號頻率大于100Hz小于300Hz時，輸出信號幅值隨著輸入信號頻率增加而衰減;而當輸入信號頻率大于300Hz時，采樣系統開始出現混疊現象。

②通過抗混疊濾波器及濾波算法的設計和仿真，可以有效避免混疊現象的發生，為采樣電路設計提供了可靠的理論指導。

參考文獻：

[1]文智江，朱名日.高頻信號直接采樣系統中的抗混疊濾波器設計[J].微型機與應用，2013（2）：28-33.

[2]彭永勝，王太勇，范勝波.高品質抗混疊濾波器設計[J].西南交通大學學報，2003（5）：596-601.

[3]林祥金，張志利，朱智.Butterwort有源抗混疊濾波器設計[J].電子測量技術，2008（2）：66-69.