设计(论文)题目: 50G标准具型光梳状滤波器（Interleaver）的设计
设计（论文）主要内容：
光梳妆滤波器因具有将输入的频率间隔变为两倍输出的强大功能，可以实现更加密集的波分复用，从而为光纤通信系统传输容量的的进一步升级带来了曙光。论文要求分析标准具实现梳状滤波的原理，并借助mathcad仿真计算，设计出比较优化的interleaver制作方案，最后制作出样品，对设计方案进行论证。
要求完成的主要任务:
1、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇，完成开题报告。
2、研究各种光梳状滤波器的工作原理
3、提出比较理想的光梳状滤波器设计方案并成功实现仿真。
4、制作出光梳状滤波器样品并通过实验验证样品的可靠性。
5、完成不少于5000字的英文文献翻译。
6、完成毕业设计论文。
必读参考资料：
1、标准具型interleaver的性能研究。
2、
指导教师签名：系主任签名：
院长签名(章)____________ _
武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告
目录
摘要 (7)
Abstract ................................................. 错误！未定义书签。
1 绪论 (8)
1.1 光纤通信发展概况 (8)
1.2 密集波分复用技术简介 (8)
1.3 光梳状滤波器的技术特点和应用前景 (9)
1.4 本文研究的主要内容 (10)
2 Interleaver的基本滤波原理和研究现状 (10)
2.1 交叉滤波原理 (10)
2.2 Interleaver研究现状 (11)
2.3 Interleaver的研究方向 (16)
3 标准具滤波原理分析 (17)
3.1 多光束干涉基本原理 (18)
3.2 偏振光干涉基本原理 (19)
3.3 双折射G-T腔滤波原理 (21)
3.4 本章小结 (24)
4 设计方案的mathcad仿真分析 (24)
4.1 mathcad软件简介 (25)
4.2 Interleaver的参数说明 (25)
4.3 G-T腔交叉滤波的仿真实现 (27)
4.4 方案设计与可行性研究 (28)
5.5 本章小结 (32)
5 50G标准具型Interleaver的实现方案研究 (33)
5.1 实现方案研究 (33)
5.2 元件参数设计 (35)
5.3 样品制作过程中需要考虑得几个关键问题 (39)
5.4 本章小结 (40)
6 Interleaver样品的测试与分析 (41)
6.1 测试原理 (41)
6.2 测试结果 (41)
6.3 测试结果分析 (44)
6.4 标准具型Interleaver的优越性验证 (46)
6.5 本章小结 (46)
7 总结 (47)
7.1 结论 (47)
7.2 心得体会 (47)
7.3 结束语 (48)
参考文献 (49)
致谢 (50)
光纤通信信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高，给光纤通信网络带来极大的压力。光梳状滤波器能在信道间隔密集的情况下实现分波和合波, 实现信道间隔减半，从而提高通信系统容量，使通信系统升级。本文旨在研究制作光梳状滤波器的意义、设计出50G标准具样品,验证标准具型光梳状滤波器的优越性。
本次毕业设计论文主要涉及到以下方面:
1) 简述光纤通信概况,介绍梳状滤波技术研究现状和发展趋势。
2) 利用光的多光束干涉原理和偏振光琼斯矩阵原理分析双折射G-T腔的滤波特性。
3) 设计出比较理想的标准具型滤波器的整体结构,利用mathcad对输出光谱进行模拟仿真,分析改设计方案的可行性,使设计方案更加优化。
4) 根据设计方案制作出几只标准具型光梳状滤波器的样品,通过实验对设计方案进行论证。并通过对比分析,验证标准具型光梳状滤波器的优越性。
本文的特色在于：提出大小标准具级联方案成功设计出梳状滤波器样品,既提高了相邻信道间的隔离度又再一定程度上减小了腔长不一致性对样品性能的影响。
关键词：梳状滤波器；干涉；双折射；标准具
1.1 光纤通信发展概况
随着国民经济的增长，信息通信呈爆炸式的发展，语音、图像、数据的信息交流的日益增多，尤其是因特网的广泛应用，给目前的光纤通信网络带来极大的压力，人们对宽带通信的要求不断提高，增大光通信网络的传输容量已刻不容缓。现阶段，扩大光纤通信容量的主要技术方案有电时分复用(ETDM )、光时分复用(OTDM )、波分复用(WDM )、光孤子等。其中，ETDM 技术方案的实用化水平已达到10Gb/s，由于受电子器件处理速度的限制，很难实现大于20Gb/s 的商用ETDM; TDM 和光孤子技术对扩大光纤通信容量具有极大的潜力，但因其涉及的技术很复杂，关键技术还有待解决尚未达到实用化。利用密集波分复用（DWDM）技术扩大光纤通信系统容量已经成为现代高速大容量光纤通信系统的潮流[1]。
1.2 密集波分复用技术简介
波分复用技术（WDM :wavelength-division multiplexing）是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合在一起，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同终端，因此将此项技术成为波长分割复用技术，简称波分复用技术。同一窗口中信道间隔较小的波分复用技术成为密集波分复用技术(DWDM :Dense wavelength-divisionmultiplexing)。
目前密集波分复用(DWDM )系统已广泛应用于长途干线、城域网，并扩展至接入网，其技术技术特点与优势如下:
1)充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱(1310nm-1550nm)极少一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz，传输带宽充足。
2)具有在同一根光纤中，传送2个或数个非同步信号的能力，有利于数字信号和模拟信号的兼容，与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活取出或加入信道。
3)对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，具有较强的灵活性。
4)由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本、由于光纤数量少，当出现故障时，恢复起来也迅速方便。
5)有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。
6)系统中有源设备得到大幅减少，这样就提高了系统的可靠性。目前，由于多路载波
的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高，技术实施有一定难度，同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现特别紧缺的局面，因而WDM的实际应用还不多。但是，随着有线电视综合业务的开展，对网络带宽需求的日益增长，各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等，WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来，表现出广阔的应用前景，甚至将影响CATV网络的发展格局[2]。
密集波分复用技术虽然问世不长，但由于它具有很多的有点而得到推广和广泛的应用，并向全光网络的方向不断发展。随着光纤通信信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高，对DWDM系统的性能提出了更加严格的要求。
1.3 光梳状滤波器的技术特点和应用前景
随着密集波分复用技术的进一步发展，光纤中传播的波长间隔也越来越小，对带宽的需求也越来越大。为了满足迅速增长的带宽需求，更有效地使用当前技术成熟的掺铒光纤放大器(EDFA)的增益带宽，密集型波分复用(DWDM)系统必须提供更多的复用波道数，由此波道间隔变得越来越窄。采用镀膜工艺生产的介质薄膜滤波器件是性能良好的窄带滤波器，具有透射谱顶部较平、相邻信道和非相邻信道隔离度高、插入损耗较小和温度稳定性好等特性。但是镀膜工艺很难将介质薄膜型器件的信道间隔做到50GHz 以下，因为信道间隔压窄一半，就要多镀上百层薄膜，蒸镀误差增加，成品率下降，产品价格上升，不能满足市场需求[3]。于是，一种新的器件——光梳状滤波器(Interleaver)被提上日程，这种器件可以将输入的波长间隔变为两倍输出，这样它回避了传统镀膜工艺的局限，以奇偶信道交叉复用方式压缩了信道间隔输出光，从而提高通信的容量，使系统升级。
光梳状滤波器是一种新型的复用/解复用器件，英文名称Interleaver。与通常的DWDM 技术不同，Interleaver采取的是一种交叉滤波方案。这种器件可以将一列输入频率间隔为f 的光信号分成两列频率间隔为2f的光信号输出，反过来又可以将两列频率间隔为2f的光信号复用为一路间隔为f的密集光信号输出。也就是说，Interleaver不象DWDM 那样，把一串信号流中的某个单独信道给过滤出来，而是按照奇偶分配的原则，把这串信号分解为两组信号流，分解后的每组信号频道间隔比原来增大了一倍。在数学上，这样的滤波函数有一个很形象的专用名词，叫做“梳状滤波函数”[4]。意思是说，该函数可以象一把梳子，对信号的频谱进行梳理和分叉。因此，在DWDW中使用Interleaver技术可以使光纤通信系统奇偶信道的信号光作为两组分开或合成，从而实现信道间隔减半。这种Interleaver 与DWDM级联方案就回避了传统镀膜工艺的局限，降低了后面密集波分复用的难度，以奇偶信道交叉复用方式压缩了信道间隔输出光，从而提高通信的容量，使系统升级。
Interleaver的结构简单、设计方便、灵活，加工工艺比较成熟，通过优化设计和精细加工，各项性能指标良好、稳定，器件尺寸小巧。实践证明，利用Interleaver升级系统容量要比直接升级DWDM本身经济，随着全光网络的进一步发展及通信市场的恢复，Interleaver 能为社会带来更大的经济效益和社会效益。
1.4 本文研究的主要内容
本文研究的内容是标准具型Interleaver 的设计方案和样品的性能。标准具型Interleaver 是一种基于光的多光束干涉和偏振干涉原理制成的光梳状滤波器，适用于50G 以下的通信系统，是比较理想的设计方案。
本文的主要工作包括以下几个方面：
1） 通过对目前市场上比较成熟和正在研究探索中的Interleaver 制造技术进行分析和比较，提出标准具型Interleaver 的优越性，并利用偏振光学理论和光的多光束干涉原理对标准具型Interleaver 的滤波过程做详尽的理论分析。
2） 在充实的理论分析基础上，利用mathcad 对标准具滤波特性进行仿真分析，提出较理想的设计方案，进行方案可行性研究， 提出改进方案，验证改进方案，最后得出最终实现方案。
3） 根据设计方案制作出实验样品，整理实验数据，分析输出波形，论证实验方案，并进行样品可靠性研究。最后通过分析比较验证标准具型Interleaver 的优越性。
2 Interleaver 的基本滤波原理和研究现状
2.1 交叉滤波原理
Interleaver 的基本工作原理是利用光的干涉进行滤波， 由于干涉产生了周期性的原来信号波长重复整数倍的输出，通过控制干涉的边缘图案就可以选择合适的频率组输出，即通过控制两束光的光程差或是相位差来实现梳状滤波。 因此设计梳状滤波器的关键就是要使相干的两条光束或多束光之间产生光程差，根据光程的定义，光程等于折射率和光路长度的乘积，要产生光程差，就可以通过产生折射率之差或光路长度之差来实现。
可以用更加清晰的数学公式来加以描述交叉滤波的过程，即满足：
/0.5odd L m λ?=+ (2.1) /even L m λ?= (2.2) 其中odd 指奇数通道，even 指偶数通道，m 是干涉级次，取正整数；0.5表示了奇偶通道的互补性，△L 表示光程差。
相邻的奇、偶通道的分波间隔为?λ=λ/(2m)，当干涉级次m 很高的时候，分波间隔就越窄。貌似复杂的光学运算功能所依赖的核心原理其实却是非常简单，就是高阶的光学干涉效应。
我们可以用傅立叶变换的方法来描述Interleaver 的频率响应与基本的余弦型响应函数以及理想的方波响应函数的关系。
余弦型响应函数表示为
cos()y a x =? (2.3) 我们可以定义常数a 为入射光波的振幅，x 为入射光波的频率，y 为出射光波的振幅，则从公式(2.3)可以看成是基本的频率域内振幅关于频率的响应函数。如果表示成光强则为： 2
[1cos(2)]2
a I x =?+ 理想的方波响应函数可表示为
,/20,/2(1)a nT x nT T y nT T x n T <<+?=?+<<+?
(2.4) 其中n 为大于等于零的整数，T 是方波函数的最小周期。同样可以按照类似与余弦型函数的方法定义其中的变量含义，使其表达和通信系统响应函数相关的物理意义。
我们可以对方波进行傅立叶级数的展开，以便在频率里分析系统的响应。如此可以为后继的设计及优化建立数学模型。方波的傅立叶级数展开式为[5]：
cos3cos5cos(21)()1cos ...23521a f f n f S f f n -??=++++ ?-??
(2.5) 可见方波函数是由无穷多项余弦函数叠加而成，它包括直流量，基波分量，三次谐波分量以及更高的奇次谐波分量叠加项愈多，波形愈接近方波。 可见方波函数是由无穷多项余弦函数叠加而成，它包括直流量，基波分量，三次谐波分量以及更高的奇次谐波分量。叠加项愈多，波形愈接近方波，另一方面，当我们改变谐波项的权重（或者说谐波项前面的系数），一样可以改变合成后波形的特征。大部分类型的Interleaver ，光束干涉后的波形只是上式前三项的和，所以波形并不是很接近于方波。
2.2 Interleaver 研究现状
随着光纤通信中间隔越来越小。信道间隔为50GHz(0.4nm)的密集波分复用系统已经商用化。25GHz 的系统也已经被提上日程，Interleaver 技术的产生正是为了使密集波分复用系统升级，提高系统的传输容量。
按工作频率的不同，Interleaver 可以分为100GHz 的Interleaver ， 50GHz 的Interleaver ， 25GHz 的Interleaver 等等。
100GHz/200GHz 的Interleaver ，即能将间隔为100GHz 的一路光信号分为两束间隔各为200GHz 的信号；50G 和25G Interleaver 的功能跟100G 一致，只是信道间隔变窄了。
以下是Interleaver 与DWDM 组合运用的示意图如下:
如图2.1所示[6]，假设有一路频率间隔为50GHz 的多波长光信号(λ1λ2λ3λ4…) 通过50GHz/100GHz 的Interleaver ，则该路光信号将分成波长间隔为100GHz 的两路光信号，每一路再分别经过一个100GHzDWDM 即可实现信道间隔为100GHz 的解复用。100GHz/200GHz 、25GHz 、50GHz Interleaver 的工作过程与此一样。
目前100GHz/200GHz 、50GHz/100GHz Interleaver 技术已经比较成熟， 25GHz/50GHz Interleaver 技术尚在研究阶段。
就制作工艺方面考虑，目前市场上比较成熟并且具有发展潜力的Interleaver 大致有一下几种:马赫—曾德尔(M －Z)型、双折射晶体型、迈克尔逊G －T 干涉仪型以及双折射G －T 型等。 本节将讨论这几种Interleaver 的器件结构、原理性能，并分析这些器件在开发高端产品时的困难及相应的解决途径。
2.2.1 马赫泽德(Mach-Zehnder)干涉仪型
Wavesplitter 公司首先开发出基于单模光纤的Mach-Zehnder 干涉仪型Interleaver 。它是以非对称的Mach-Zehnder 干涉仪为基本单元构造的，如图2.2所示。Mach-Zehnder 干涉结构是由两个3dB 耦合器串联而成的， 由于两个耦合器之间的光纤长度相差△L ，被称为非对称Mach-Zehnder 干涉仪。其基本结构如图3所示。由激光器发出的相干光，分别送入两根长度不同的单模光纤中，从两光纤输出的激光束叠加后将产生干涉效应。分光和和光是由两个3dB 耦合器C1和C2构成。输出端口3，4功率函数由下试给出[7]:
[][]23024011cos()211cos()2P E L P E L λλββ=
-?=+? (2.6)
λ1λ2λ3λ4 图2. 1 Interleaver 工作示意图
其中，△L 代表两干涉臂L 1和L 2的长度差，βλ=2πn/λ为波锨在光纤中的传播常数。
单个干涉仪的输出谱为正弦函数，为了改善器件的输出谱形状，使之平坦化，需要用多个MZ 干涉仪串联。正弦函数可以看作傅立叶级数的基函数，所以设计时通常是把所需的输出谱线按傅立叶级数展开，通过调节每一个单元干涉仪的臂长差，确定所需的单元数，也就是傅里叶级数的项数。并可以通过调节每个单元中耦合器的耦合比来改善隔离度。因此这类的器件可根据选用的傅里叶级数的项数或MZI 单元数来分类，如用三个单元构成的称为F3T 型Interleaver ，用四单元构成的称为F4T 型Interleaver 等。
这类Interleaver 器件的优越型有：采用全光纤形式，易于与现有的光纤传输网络连接：插入损耗较小；偏振特性较好；色散较小；通过多个单元串联可改善通道谱形状；优化隔离度和串扰等。
但是，在目前工艺条件下，3dB 耦合器的分光比很难精确控制；器件中有很多弯曲结构，光纤的曲率半径不能太小， 因此△L 值不能太大，决定着器件频率间隔不能太窄；而且每个单元MZI 的两臂差的公差必须控制在nm 量级，因而使光纤器件的制作工艺难度极大而不适用。若采用波导结构，则存在着对偏振、温度敏感性的控制和补偿，以及器件稳定性等问题，因此在目前工艺条件下，这类器件远达不到成熟商品化阶段，尤其是窄频率间隔的Interleaver 困难更大。相比之下，波导结构的MZI 型Interleaver 具有较为广阔的发展潜力[8]。
2.2.2 双折射晶体型
双折射型Interleaver 是由能使偏振光进行干涉的双折射晶体组成，偏振光干涉需要偏振光在经过晶体的快和慢轴时产生相位差。
在晶体型梳状滤波器中，其核心是晶体滤波片，而晶体滤波片的基本原理简单地说就是波片的原理，是不同波长的光在双折射晶体中传播时，由于其波长的不同而在相同长度的光程差上，产生不相同的相位延迟，从而造成偏振方向的改变，将DWDM 光纤通信系统奇偶信道信号光分开为偏振态正交的两组。
λλ2 图2. 2 M-Z Interleaver 的干涉结构示意图
考虑最简单的情况，入射光为平面偏振光，此时的Interleaver 由两块双折射晶体构成，入射光先后穿过两块晶体A 和B ，两个晶体的光轴方向成夹角θ，入射平面偏振光振幅为Al ，振动方向与波片B 的光轴方向一致，入射到波片A ，在波片A 内分为o 光和e 光，波片A 的厚度为d ，从波片A 射出o 光和e 光的相位差为
=2(-)d/e o n n πλ? (2.7) 进入波片B 后，按与光轴垂直及平行方向，在B 中A o 分解为A o ⊥和A o ∥，Ae 分解成A e ⊥和A e ∥。这样，A o ⊥与A e ⊥将发生干涉，由于A o ⊥和A e ⊥的方向相反，表明晶片B 对两束光引入了相位差π。同样，A o ∥与A e ∥将发生干涉，由于A o ∥和A e ∥的方向相同，晶片B 对两束光未引入相位差，两束光总的相位差保持不变[9]。根据双光束干涉原理当θ=45度时，在B 中满足条件V=(2m+1)c/2(-)d o e n n 的光波以o 光在B 中传播；频率满足V=mc/(-)d o e n n 的光波以e 光在B 中传播。相邻奇通道（或偶通道）频率间隔为
=c/(-)d e o f n n ? (2.8)
晶体型Interleaver 的一种实现形式，如图2.3所示[10]：光进入双折射晶体后变成两束光（分别用实线和虚线表示），然后同时经过位相延迟单元，使得两束光之间有位相差，再经过双折射晶体2形成4束光，最后通过双折射晶体3合光并进行干涉。
图2. 3 晶体Interleaver 的原理示意图
半波片
位相延迟单元
图2. 4一种晶体型Interleaver的实现形式
基于偏振光干涉的双折射晶体型Interleaver插入损耗和偏振相关损耗很大[11]，对光源波长漂移和环境温度比较敏感，因此需要精确控制光传播方向和偏振方向等，对角度的加工精度要求较高，且因属于传统光学器件，体积较大，成本较高。
2.2.3 迈克尔逊G-T干涉仪型(MGTI)
如图2.5所示[12]，其结构只是对传统迈克尔逊干涉仪的一种改进，即将其中一个反射镜用平面镜M1和M2构成的谐振腔代替，Ml的反射率小于1，M2的反射率为1。两个平面镜间距为d，腔中介质的折射率为n。这种代替反射镜的谐振腔被称为Gires-Tournois(GT)腔镜。具有GT腔镜的迈克尔逊干涉仪简称MGTI。
G-T腔
输出光1
图2. 5 MGTI的结构示意图
MGTI的工作过程为：振幅为E in的入射光经过环行器后被分束器BS（50：50）分为分别沿L1和L2传播的两路光B1和B2。沿L1传播的光经G-T镜相位调制后重新回到BS，再次被透射反射均分，1/2（总光强的1/4）的光反射沿原始入射光路返回，经环行器从E stop 口输出，另外1/2的光透射从E trans输出；同样沿L2传播的光经全反射镜反射后返回到BS，也是被再次透射反射均分，1/2的光透射沿原始入射光路返回，经环行器从E stop口输出，另外1/2的光反射沿E trans输出。从而E stop和E trans都是双光束干涉输出，二者的光强相等，
但相位差不同。 由于GT 谐振腔代替了平面反射镜，Micheslon 干涉仪的输出谱形状由正弦型改进成为近似矩形，时GT 腔的非线性相位特性也补偿了Micheslon 干涉仪的色散 。只需要通过改变两个长度：干涉仪两臂差DL 和GT 谐振腔厚度d ，就可以得到任意频率间隔，不需要多个单元器件串联，因而这种器件在制作高端产品时具有很大的优越性。但是消光比低;波长间隔大，与光纤耦合困难，并且臂长受温度影响较大，所以此类型Interleaver 温度特性较差，很难得到商用化[13]。
2.2.4 双折射G-T 标准具型(BGTI )
标准具型结构Interleaver 是由C.L.i 等人在MGTI 和晶体双折射Interleaver 工作原理基础上提出， 其结构如图 2.6所示[14]。与迈克尔逊干涉仪类似;50：50 分束器由偏振分束（PBS ）代替，两个全反镜均由G-T 镜代替，此外还包括4个双折射晶体波片，G-T1 反射的腔间距为G-T2反射腔的一半， 因此G-T 反射镜1的相位相应周期为G-T 反射镜2的两倍。反射镜1的相移与在G-T 反射镜2经历的相移相接近或相差π时，光信号以极小损耗通过输出端口。它用同一臂的光波S 分量和P 分量相互干涉代替了干涉仪两臂中的光的相互干涉，干涉输出分别得到奇偶信道的输出。这种结构避免了MGTI 中对光程差敏感的问题，其臂长对性能影响不大，所以器件的温度和振动稳定性得到了提高，但却引入了偏振模式色散（PMD ），而且制作两个完全相同的G-T 镜在技术上也很困难。
图2. 6 具有两个GTI 的Interleaver
标准具型Interleaver 是以体光学元件为主，可以选用相同的玻璃材料，插入损耗和偏振相关损耗较小，带内波动小，并且对光程差的敏感程度低，加上目前色散补偿技术已经相当成熟，标准具型Interleaver 更适用于50G 或更窄通信信道的应用。
2.3 Interleaver 的研究方向
以上讨论了近来的制作Interleaver 的方案，每种制作方法都有它的优点和不足之处。G-T
总的来说，马赫泽德干涉仪型Interleaver 于结构简单， 插入损耗低;一致性好; 但是当信号所含波长数较多时，需要较多的马赫泽德干涉仪级联，从而导致结构庞大，复杂，难以协调; MGTI 干涉仪型的特点是技术成熟;插入损耗低，但消光比低;波长间隔大，与光纤耦合困难;由于干涉仪臂长受温度影响较大，所以此类型Interleaver 的温度稳定性不是很好。双折射晶体型Interleaver 由于它的低散射、高可靠性、低成本和成熟的制造技术等特点，可适用于50Ghz 以上的系统， 但存在偏振相关损耗大;插入损耗大;成本高等缺点。G-T 标准具型除色散比较大之外，具有低插入损耗、频带宽和体积小等众多优点，更适用于50GHz 或窄通信信道的应用。随着色散补偿技术的进一步成熟，标准型Interleaver 的研究和设计给50 GHz 及以下信道间隔的更为密集的波分系统的成熟和商用化带来了曙光，引领着Interleaver 制造技术的发展方向。
本次毕业论文依托Interleaver 发展的时代背景， 通过对Interleaver 的基本类型的了解和分析比较，选取50G 标准具型Interleaver 作为设计和研究对象，深入研究标准具型Interleaver 交叉滤波的工作原理，达到成功设计Interleaver 并进行性能优化的目的。
3 标准具滤波原理分析
双折射G-T 标准具型结构是在迈克尔逊G-T 干涉仪型和晶体双折射Interleaver 工作原理基础上提出的， 双折射G-T 标准具型结构核心元件是Gires-Tournois 腔和波片。Gires-Tournois 腔是大家所熟知的一种结构，它由两个间距极小的平行平板构成。其中一个平板的一面上镀有反射率为10 %～20 %的部分反射膜，另一平板的一面上镀有近似100 %的高反膜[15]。双折射G-T (BGTI) 腔是在G-T 腔内、外各置一1/ 4 、1/ 8 波片构成。下面为双折射G-T 标准具结构图和基本工作原理图
:
R 1=10 %～20 %R2=100%
图3. 1 双折射G-T 标准具工作原理图
如图3.1所示，一偏振光入射到双折射Gires-Tournois 腔，偏振光将在Gires-Tournois 腔内多次反射，使出射光含有多束平行光束。利用偏振光干涉和多光束干涉原理，将出射的多束偏振光叠加，可发现出射光中含有偏振态相垂直的两种光，而且两束光频谱互补，进而实现梳状滤波。本节将对光的多光束干涉和偏振光干涉原理做简要介绍，并进一步深入
分析标准具梳状滤波原理。
3.1 多光束干涉基本原理
多光束干涉的在空间某区域相遇时，也会发生合强度不等于各个分量波强度之和现象。产生多光束干涉的物理基础和双光束干涉相同，即都是基于光波的叠加原理和强度与振幅之间的非线性关系。
以平行板为例，介绍平行板透射光的强度分布。如下图所示，设第一束透射光复振幅11t E a =，初相位为零，光波在平行板内两内表面的反射系数为r ，由于光波在平板内传播引起的相邻相干光束的相位差为??，于是各投射光的复振幅可表示为：
11,t E a = (3.1) 221exp(),t E r a j ?=? (3.2)
431exp(2),t E r a j ?=? (3.3)
……
2(1)1exp((1))k tk E r a j k ?-=-? (3.4) 1,r <干涉条纹定域面上的合振幅为：
n n n E 0 E 0
图3. 2 平行平板的光程差
1211exp()
T tk k a E E r j ?∞===
-?∑ (3.5) 干涉场强为：
2*
12412cos T T T
a I E E r r ?=?=-?+ (3.6) 在上式中，设211,a I =表示第一束透射光的强度。设光波在平板内表面的透射率
12τττ==，于是1I 和入射光强度0I 之间的关系是210I I τ=。再设平板内表面的反射率
2r ρ=，在不计吸收损失时，有1ρτ+=，于是透射光的多光束干涉强度可表示为：
2
022(1)(1)4sin (/2)
T I I ρρρ?-=-+? (3.7) 在不考虑各种光能损失的前提下，利用反射光和透射光多光束干涉强度R I 和T I 的互补关系，可求得：
200224sin (/2)(1)4sin (/2)
R T I I I I ρ?ρρ??=-=-+? (3.8) 分析上式可知，N 束光干涉，当2(0,1,2)k k ?π?==时，总光强是每束光光强的2N 倍，干涉光强度最大，当22(0,1,2)k k ?ππ?=+=，总光强下降到零[16]。
3.2 偏振光干涉基本原理
为了普遍性起见，考虑斜椭偏光通过偏振片的光强变化，而将圆偏光和正椭偏光做为特例考虑。如图所示在设定的坐标架（xy ）中，已知两个正交振动的振幅分别为x A 、y A ，以及相位差()x y δ??=-，试分析透射光强()P I α，这里角α为透射方向P 与x 轴之夹角。
y
图3. 3 偏振干涉示意图
我们分别将两个光矢量()x E t ，()y E t 向透振方向P 投影，从而获得两个方向、同频率的振动，其振幅分别为
cos x A α、sin y A α，
这两个振动之间又有确定的相位差δ，故他们完全满足相干条件。就是说，透射光强等于这两个振动相干叠加的强度，
()()2
2()cos sin 2sin cos cos P x y x y I A A A A αααααδ=++ (3.9) 借用三角公式，
()()2211cos 1cos 2,sin 1cos 2,2cos sin sin 222
ααααααα=+=-= (3.10) 又利用三角函数中的公式
)00cos sin cos cos sin sin a b θθθθθθ+=+
()00,tan b a
θθθ=-= (3.11) 进一步化简上式得
01()()cos(2)2P x y I I I ααθ=+- (3.12)
0x y θ= (3.13)
或者表达为
001()cos(2)2P I I ααθ=- (3.14) 这里，0()x y I I I =+，正是入射椭圆光的总光强。
数字梳状滤波器 梳状滤波对于画面质量是非常重要的一个技术，因此我们有必要对其进行详细刨析。 那么具体什么是梳状滤波器呢？这就要从源头（信号源）开始讲起了，一开始，接收视频的Video端子是Composite端子（比如RF射频接口和AV接口），它所能接收的信号叫Composite Video Signal，即混合视频信号（也称复合信号），什么意思呢？因为这个Composite（混合）信号包括了亮度（Luminance，用字母Y表示）和色度/彩度（Chrominace）两方面的信号，视频电路要做的工作就是Y/C进行分离处理，目前的梳状滤波器是在保证图像细节的情况下解决视频信号亮色互窜的唯一方法，其内部有许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过，因为其特性曲线象梳子一样，故人们称之为梳状滤波器（Comb Filtering）。 梳状滤波器一般由延时、加法器、减法器、带通滤波器组成。对于静止图像，梳状滤波在帧间进行，即三维梳状滤波。对活动图像，梳状滤波在帧内进行，即二维梳状滤波。高档数字电视机采用行延迟的梳状滤波器与带通滤波器级联，构成Y/C分离方案就可获得满意的图像质量。使用梳状滤波器能使图像质量明显提高。解决了色串亮及亮串色造成的干扰光点、干扰花纹；消除了色度正交分量U、V色差信号混迭造成的彩色边缘蠕动；消除了亮、色镶边，消除了高频信号的色彩错误和灰度值表示错误。有一段时期国内很多工厂（为了节省成本）使用模拟的方式实现梳状滤波器，实际上效果很不好，原因有两个，一是延迟器件的带宽很难保证，二是解决行相关性差问题的自适应电路很复杂。而在数字电路里，只要有足够的存储器，就可以保证足够的延迟时间与信号带宽，且复杂的自适应电路很容易集成在芯片中硬件固化。 梳状滤波器原理及发展历史： 梳状滤波器采用频谱间置技术，理论上可以保证亮度和色度的无失真分离。如果我们好好回顾一下梳状滤波器的发展历程，将对其有个清醒的认识。 第一阶段：采用频率分离法将Y/C信号分开。这种方法是利用色度信号以副载波方式传输这一特点（PAL制副载波为4.43MHz，NTSC制副载波为3.58MHz），用选频电路将Y/C 信号分开。 内部由LC带通滤波器和陷波器组成，将视频信号通过一个中心频率（fsc）为色度信号窄带（比如PAL制式4.43MHz频率副载波）带通滤波器，取出色度信号。再将亮度信号经过一个中心频率为色度信号副载波4.43MHZ的色度陷波器，吸收色度信号，从而得到亮度信号。这种方法简单易行，采用元器件少且成本低，所以在早期彩电中应用得比较广泛。
NANHUA University 课程设计(论文) 题目梳状滤波器 学院名称电气工程学院 指导教师陈忠泽 班级电子091班 学号 20094470128 学生姓名周后景 2013年 1 月
摘要 现如今随着电子设备工作频率范围的不断扩大，电磁干扰也越来也严重，接收机接收到的信号也越来越复杂。为了得到所需要频率的信号，就需要对接收到的信号进行过滤，从而得到所需频率段的信号，这就是滤波器的工作原理。对于传统的滤波器而言，如果滤波器的输入，输出都是离散时间信号，则该滤波器的冲激响应也必然是离散的，这样的滤波器定义为数字滤波器。它通过对采样数据信号进行数学运算来达到频域滤波的目的。滤波器在功能上可分为四类，即低通（LP）、高通（HP）、带通（BP）、带阻（BS）滤波器等，每种又有模拟滤波器（AF）和数字滤波器（DF）两种形式。对数字滤波器，从实现方法上，由有限长冲激响应所表示的数字滤波器被称为FIR滤波器，具有无限冲激响应的数字滤波器增称为IIR滤波器。在MATLAB工具箱中提供了几种模拟滤波器的原型产生函数，即Bessel低通模拟滤波器原型，Butterworth滤波器原型，Chebyshev（I型、II型）滤波器原型，椭圆滤波器原型等不同的滤波器原型。本实验需要产生滤除特定频率的梳状滤波器 关键字： MATLAB,，梳状滤波器
引言 随着社会的发展，各种频率的波都在被不断的开发以及利用，这 就导致了不同频率的波相互之间的干扰越来越严重，因此滤波器的市 场是庞大的。所以各种不同功能滤波器的设计就越来越重要，在此要 求上实现了用各种不同方式来实现滤波器的设计。本设计通过MATLAB 软件对IIR 型滤波器进行理论上的实现。 设计要求 设计一个梳状滤波器，其性能指标如下，要求阻带最小衰减为 dB As 40=，N=8..0=ω?8rad π 手工计算 因为梳状滤波器的转移函数公式为H(Z)=b N N eZ Z ----11 ，现已知N=8，As=40dB, 2498.0=ω?rad π， H(jw e )=b jwN jwN e e ---- 11,b=21 +因为As=60Db,故)(jw e H =0.01 H(jw e )=b jwN e e --- 11 = 21 +)sin (cos 1)sin (cos 1wN j wN wN j wN ---- =
梳状滤波器工作原理 梳状滤波器对于画面质量是非常重要的一个技术。一开始,接收视频的Video端子是Composite端子(比如RF射频接口和AV接口),它所能接收的信号叫Composite VideoSignal,即混合视频信号(也称复合信号)。因为这个Composite(混合)信号包括了亮度(Luminance,用字母Y表示)和色度/彩度(Chrominace)两方面的信号,视频电路要做的工作就是Y/C进行分离处理,目前的梳状滤波器是在保证图像细节的情况下解决视频信号亮色互窜的唯一方法,其内部有许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带,只让某些特定频率范围的信号通过,因为其特性曲线象梳子一样,故人们称之为梳状滤波器。 图2-6-1 梳状滤波器框图 梳状滤波器主要由延迟线和相加电路、相减电路构成的，用以分离FU 和±FV。一个实际的梳状滤波器电路如图2-6-1所示。其中V1为延时激励放大器，DL为延迟线，T1为裂相变压器、L1为调谐电感，C2为耦合电容。 色度信号F经电容C1耦合加于V1基极，经放大后由集极输出，再经延迟线由A点加至裂相变压器T1上端，取自Rw的直通信号经C2耦合加至T1中点，这样可在输出端分别得到相加和相减输出。将直通信号和延迟信号分别以un和un-1表示，其输出电压的合成原理图如图4-32等效电路所示。调节Rw可保证两信号幅度严格相等，输出分离更彻底。 延迟线DL多为超声延迟线，它由输入、输出压电换能器和延迟介质组成。压电换能器由多晶压电陶瓷薄片制成，当信号加到输入压电换能器两端面的电极上时，输入信号在延迟介质中激起机械振动，形成超声波。延
迟介质多为熔融石英或玻璃，超声波在玻璃中传播速度较低，再将其制作 成如图4-33形式，经多次反射超声波方到达输出换能器还原为电信号，这 样使可大大地缩小延迟线体积。为使超声波按规定的路径传播，减少不规 则反射引起的干扰杂波，在延迟线表面涂有若干吸声点，吸声点所涂吸声 材料为橡胶、环氧树脂和钨粉配制而成。最后用塑料外壳封装，以减小外 界的影响。 2.6.2 PAL 解码器的梳状滤波器 PAL 的特殊电路是梳状滤波器.为使它 能够有效的分离两个色度分量,延时线的 延时时间要有准确的数值. 延时线延迟时 间τd 应选择得既非常接近行周期(64μ s)，以便相加、减时是相邻行相应像素间 的加或减；而又必须为副载波半周期的整 数倍，以保证延时前、后色度信号副载波相位相同(0°)或相反(180°)。由 fSC=283.75fH+25Hz 的关系，则行周期TH 与副载波TSC 之间的关系为： τd 可选为副载波半周期TSC/2的567倍或568倍。通常为567, τd 略小于行周期,若为568则略大于行周期 梳状滤波器：作用是将色度信号分离出两个色差分量FU 、FV ，组成包 括一行延时线、加法器和减法器。 传统的色度延时电路采用64μs 超声波玻璃延时线，其原理是利用输 入、输出换能器实现电—超声波—电信号间的转换。 在梳状滤波器中，延时线的精确延时时间为63.943μs ，延时后的信号 与直通信号在加法器和减法器中运算，完成色度分量的分离任务。 设输入到梳状滤波器的第n 行色度信号为 F(n)=Usin ωSCt+Vcos ωSCt=FU+FV (2―35) 则第n+1行色度信号必然为
梳状滤波器的设计与应用 梳状滤波对于画面质量是非常重要的一个技术，因此我们有必要对其进行详细刨析。 那么具体什么是梳状滤波器呢？这就要从源头（信号源）开始讲起了，一开始，接收视频的Video端子是Composite端子（比如RF 射频接口和AV接口），它所能接收的信号叫CompositeVideoSignal，即混合视频信号（也称复合信号），什么意思呢？因为这个Composite （混合）信号包括了亮度（Luminance，用字母Y表示）和色度/彩度（Chrominace）两方面的信号，视频电路要做的工作就是Y/C进行分离处理，目前的梳状滤波器是在保证图像细节的情况下解决视频信号亮色互窜的唯一方法，其内部有许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过，因为其特性曲线象梳子一样，故人们称之为梳状滤波器（CombFiltering）。 梳状滤波器一般由延时、加法器、减法器、带通滤波器组成。对于静止图像，梳状滤波在帧间进行，即三维梳状滤波。对活动图像，梳状滤波在帧内进行，即二维梳状滤波。高档数字电视机采用行延迟的梳状滤波器与带通滤波器级联，构成Y/C分离方案就可获得满意的图像质量。使用梳状滤波器能使图像质量明显提高。解决了色串亮及亮串色造成的干扰光点、干扰花纹；消除了色度正交分量U、V色差信号混迭造成的彩色边缘蠕动；消除了亮、色镶边，消除了高频信号的色彩错误和灰度值表示错误。有一段时期国内很多工厂（为了节省成本）使用模拟的方式实现梳状滤波器，实际上效果很不好，原因
有两个，一是延迟器件的带宽很难保证，二是解决行相关性差问题的自适应电路很复杂。而在数字电路里，只要有足够的存储器，就可以保证足够的延迟时间与信号带宽，且复杂的自适应电路很容易集成在芯片中硬件固化。 梳状滤波器原理及发展历史：梳状滤波器采用频谱间置技术，理论上可以保证亮度和色度的无失真分离。如果我们好好回顾一下梳状滤波器的发展历程，将对其有个清醒的认识。 第一阶段：采用频率分离法将Y/C信号分开。这种方法是利用色度信号以副载波方式传输这一特点（PAL制副载波为4.43MHz，NTS C制副载波为3.58MHz），用选频电路将Y/C信号分开。内部由LC 带通滤波器和陷波器组成，将视频信号通过一个中心频率（fsc）为色度信号窄带（比如PAL制式4.43MHz频率副载波）带通滤波器，取出色度信号。再将亮度信号经过一个中心频率为色度信号副载波4. 43MHZ的色度陷波器，吸收色度信号，从而得到亮度信号。这种方法简单易行，采用元器件少且成本低，所以在早期彩电中应用得比较广泛。
视听研究所 主页：https://www.doczj.com/doc/f85598295.html, 论坛：https://www.doczj.com/doc/f85598295.html,/forum 所有资料均收集于各网站。 若您认为有关资料不适合公开，请联系newvideo@https://www.doczj.com/doc/f85598295.html, 我们会第一时间删除。 感谢各位网友的无私奉献和支持！ 加密时间：2008-2-1
视听研究所 主页：https://www.doczj.com/doc/f85598295.html, 论坛：https://www.doczj.com/doc/f85598295.html,/forum 所有资料均收集于各网站。 若您认为有关资料不适合公开，请联系newvideo@https://www.doczj.com/doc/f85598295.html, 我们会第一时间删除。 感谢各位网友的无私奉献和支持！ 加密时间：2008-2-1
数字梳状滤波器 梳状滤波对于画面质量是非常重要的一个技术，因此我们有必要对其进行详细刨析。 那么具体什么是梳状滤波器呢？这就要从源头（信号源）开始讲起了，一开始，接收视频的Video端子是Composite端子（比如RF射频接口和AV接口），它所能接收的信号叫Composite Video Signal，即混合视频信号（也称复合信号），什么意思呢？因为这个Composite（混合）信号包括了亮度（Luminance，用字母Y表示）和色度/彩度（Chrominace）两方面的信号，视频电路要做的工作就是Y/C进行分离处理，目前的梳状滤波器是在保证图像细节的情况下解决视频信号亮色互窜的唯一方法，其内部有许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过，因为其特性曲线象梳子一样，故人们称之为梳状滤波器（Comb Filtering）。 梳状滤波器一般由延时、加法器、减法器、带通滤波器组成。对于静止图像，梳状滤波在帧间进行，即三维梳状滤波。对活动图像，梳状滤波在帧内进行，即二维梳状滤波。高档数字电视机采用行延迟的梳状滤波器与带通滤波器级联，构成Y/C分离方案就可获得满意的图像质量。使用梳状滤波器能使图像质量明显提高。解决了色串亮及亮串色造成的干扰光点、干扰花纹；消除了色度正交分量U、V色差信号混迭造成的彩色边缘蠕动；消除了亮、色镶边，消除了高频信号的色彩错误和灰度值表示错误。有一段时期国内很多工厂（为了节省成本）使用模拟的方式实现梳状滤波器，实际上效果很不好，原因有两个，一是延迟器件的带宽很难保证，二是解决行相关性差问题的自适应电路很复杂。而在数字电路里，只要有足够的存储器，就可以保证足够的延迟时间与信号带宽，且复杂的自适应电路很容易集成在芯片中硬件固化。 梳状滤波器原理及发展历史： 梳状滤波器采用频谱间置技术，理论上可以保证亮度和色度的无失真分离。如果我们好好回顾一下梳状滤波器的发展历程，将对其有个清醒的认识。 第一阶段：采用频率分离法将Y/C信号分开。这种方法是利用色度信号以副载波方式传输这一特点（PAL制副载波为4.43MHz，NTSC制副载波为3.58MHz），用选频电路将Y/C 信号分开。 内部由LC带通滤波器和陷波器组成，将视频信号通过一个中心频率（fsc）为色度信号窄带（比如PAL制式4.43MHz频率副载波）带通滤波器，取出色度信号。再将亮度信号经过一个中心频率为色度信号副载波4.43MHZ的色度陷波器，吸收色度信号，从而得到亮度信号。这种方法简单易行，采用元器件少且成本低，所以在早期彩电中应用得比较广泛。
基于谐波小波的梳状滤波器设计及应用 针对数字滤波器设计问题，利用谐波小波在频域具有良好的盒形特性，以及傅里叶变换的尺度、线性、频移特性，研究了一种通过叠加多个具有不同中心频率的谐波小波，在频域构建出平顶滤波器的方法；结果表明：基于谐波小波设计的梳状滤波器设计方法易于理解和编程实现，通过合理选择带宽参数即可设计出工程应用所需的高性能多通带滤波器。 标签：信号处理；梳状滤波；滤波器设计；谐波小波 滤波是信号分析中较为常用的手段之一，它的目的主要在于信号选频，将所需要的频率选取出来，而将不需要的频率成分衰减掉。当信号在复杂系统中传输时，每通过其中的一个环节，都会受到该环节传输特性的影响，使信号有所变化（衰减、放大、延迟等），这就形成了更为广泛的滤波和滤波器的概念。 按照信号处理的性质，滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器。数字滤波器的实现不但比模拟滤波器容易的多，而且还能获得较理想的滤波器性能，在数字信号处理中应用非常广泛。在经典数字滤波器设计中包括无限冲激响应滤波器（IIR，Infinite Impulse Response）设计和有限冲激响应滤波器（FIR，Finite Impulse Response）设计两大类。FIR滤波器可实现线性相位，为获得较好的性能，常需要较高的阶次，若对信号处理的实时性没有特殊要求，FIR滤波器是较好的选择。 经典滤波器的设计原理和方法都很成熟。笔者利用谐波小波在时域、频域都具有良好集中性的特点，以及傅里叶变换的尺度、线性、频移特性，研究了一种通过多个具有不同中心频率的谐波小波时域叠加，在频域构建出平顶滤波器的设计方法。利用MATLAB软件编写了应用程序，并结合仿真信号进行了验证。 1 谐波小波 1993年由英国剑桥大学D.E.Newland教授首先提出的谐波小波概念，这种小波有优秀的紧支性以及完全”盒形”的频域特性，具有更为广泛意义的正交性，可以更为灵活的实现时频分解，没有二进限制。 2 梳状滤波 广义谐波小波实质上等价于一个可以任意调节通带位置的理想带通滤波器，在实际应用中，由于存在时域截断，所以其频谱会有严重的Gibbs现象，即纹波现象。为了压制纹波，常用的做法是叠加边瓣较小的窗函数，比如汉宁窗、海明窗或高斯窗。其中，汉宁窗和海明窗由于无法调节衰减频率，因此在实际应用中较为受限，而高斯窗可以通过调节带宽参数来调节衰减频率从而可以适用于各种场合。引入高斯因子而构造的复解析带通滤波器的时域表达式为： 其中，a为高斯窗的带宽参数。通过设置不同的带宽参数a就可以达到调节
累积梳状（CIC ）滤波器分析与设计 1、累积梳状（CIC ）滤波器的分析 所谓累积梳状滤波器，是指该滤波器的冲激响应具有如下形式： ?? ?-≤≤=其它 ,01 0,1)(N n n h （1） 式中N 为梳状滤波器的系数长度（后面将会看到这里的N 也就是抽取因子）。根据Z 变换的定义，滤波器的Z 变换为： ∑-=-?=1 )()(N n n z n h z H 1 11----=z z N ) 1(111 N z z ---?-= )()(21z H z H ?= （2） 式中， 1 111)(--= z z H （3） N z z H --=1)(2 （4） 其实现框图如图1所示： 可见，CIC 滤波器是由两部分组成：累积器)(1z H 和梳状滤波器)(2z H 的级联，这就是为什么称之为累积梳状滤波器的原因。下面分析一下梳状滤波器的幅频特性。 把ωj e z =代入可得)(2z H 的频率响应为： N j j e e H ωω--=1)(2 ]2 [ 22 /2 /2 /N j N j N j e e e ωωω-??--?= )2/s i n (22/N e N j ωω?=?- （5） )(2z H )(1z H 图1、累积梳状滤波器的实现框图
其幅频特性为： )2/s i n (2)(2N e H j ωω?= （6） 若设N ＝7，就可以得到如图2所示的相应的频谱特性曲线： 由图2可以清楚地看到： ) (2ω j e H 的形状犹如一把梳子，故把其形象地称之为梳 状滤波器。同样可以求得累积器) (1 z H 的频率响应为： ω j e z H --= 11)(1 1 2 /2 /2 /]2 [ 2---=ωωωj j j e e e 1 2 /) 2 (s i n 2 -?= ω ωj e （7） 故CIC 滤波器的总频率响应为： )()()(21ωωωj j j e H e H e H ?= )2/s i n (/)2/s i n (ωω N = ) 2 ( )2 ( 1 ω ω-??=Sa N Sa N （8） 式中，x x x Sa /)sin()(=为抽样函数，且1)0(=Sa ，所以CIC 滤波器在0=ω处的幅度值为N ，即： N e H j =)(0 （9） CIC 滤波器的幅频特性如图3所示： 图2、N=7的梳状滤波器幅频特性曲线 图3、CIC 滤波器的幅频特性曲线
本科生毕业论文设计 题目： 3.4GHz 梳状线腔体滤波器的设计 系 部 学科门类 工 学 专 业 电子信息工程 学 号 姓 名 指导教师 年 月 日 装 订 线
3.4GHz梳状线腔体滤波器的设计 摘要 在当今通信领域中，微波滤波器在通信设备中占有重要的地位，在微波毫米波通信、卫星通信、雷达、导航、制导、电子对抗、测试仪表等系统中，有着广泛的应用。梳状线滤波器具有小体积、高Q值、高功率容量等优点，是微波滤波器中常见的腔体形式，工程实用性较强，广泛应用于通信及其它领域。本文从滤波器的工作原理出发，分析了梳状线带通滤波器的结构特征，并利用软件Ansoft HFSS进行仿真，最后基于仿真结果制作出实物并进行了调试，使其最终达到预期的指标。 关键词：梳状线滤波器仿真调试
ABSTRACT In the field of current communication, Comb-line filters occupies an important position in communication equipment. Microwave filters has a wide range of applications in microwave communication, millimeter wave communication, satellite communication, radar, navigation, guidance, electronic against, testing instruments system. Comb-line filters have small size, high Q value, high power capacity etc, and is common in microwave filters of the recessed forms, therefore it widely used in communications and other fields . Based on the theory of filters, the structure characters of comb-line band-pass filter have been analyzed and the typical parameters have been calculated. Then the filter is simulated with software Ansoft HFSS. At last, I have manufactured a practicality based on the results of simulation and debugged it for the purpose of achieving anticipative targets. Key words：Comb-line Filter Simulation Debug
第31卷 第1期2004年1月 中 国 激 光 CHI NESE JOURNA L OF LASERS V ol.31,N o.1 January ,2004 文章编号:025827025(2004)0120074203法布里2珀罗型光学梳状滤波器的设计 邵永红,姜耀亮,郑 权,钱龙生 (中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130021) 摘要 提出了一种新型光学梳状滤波器,它由双G ires 2T ournois 谐振腔代替Michels on 干涉仪的两个全反射镜构成。基于Michels on 干涉原理,给出了零畸变、高信道隔离度、宽平坦带宽、高一致性、结构简单、性能稳定的光学梳状滤波器的设计原理。设计了信道间隔为50G H z ,畸变<0105dB ,1dB 带宽大于0138nm ,相邻信道间隔离度大于23dB 的光学梳状滤波器。 关键词 光电子学;光学梳状滤波器;G ires 2T ournois 谐振腔;Michels on 干涉仪中图分类号 T N 929111 文献标识码 A Design of I nterleaver Using F abry 2Perot I nterferometer SHAO Y ong 2hong ,J I ANG Y ao 2liang ,ZHE NG Quan ,QI AN Long 2sheng (Changchun Institute o f Optics ,Fine Mechanics and Physics ,The Chinese Academy o f Sciences ,Changchun ,Jilin 130021,China ) Abstract A novel Interleaver using a m odified Michels on interferometer in which its reflecting mirrors are replaced by tw o G ires 2T ournois res onators is presented.On basis of the theory of Michels on interference ,a designing principle of the interleaver which has square 2like frequency response with zero ripple ,wide flat 2top ,unity contrast ,simple structure ,and stable performance is given.The device which possesses channel spacing of 50G H z ,ripple less than 0.05dB ,1dB bandwidth m ore than 0.38nm ,and close channel is olation m ore than 23dB has been designed. K ey w ords optoelectronics ;interleaver ;G ires 2T ourn ois res onator ;M ichels on interferometer 收稿日期:2002205216;收到修改稿日期:2002207208 基金项目:国家863计划项目(8632307222252)和中国科学院光电科技集团项目(KG CX 22405)资助课题。 作者简介:邵永红(1972— ),男,吉林省德惠市人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学专业博士研究生,主要从事光通讯器件和全固态激光器的研究。E 2mail :yhs 201@https://www.doczj.com/doc/f85598295.html, 随着信息通信的迅猛发展,语音、图像、数据的信息交流的日益增多,尤其是因特网的广泛应用,人们对宽带通信提出了更高的要求,采用波分复用(W DM )和密集型波分复用(DW DM )技术已成为扩大通信容量的最佳方案之一,并被广泛应用[1]。然而由于受到制造工艺及材料方面的限制,目前已商品化的几种器件很难做到信道间隔100GH z 以下,而且随着复用信道数的增加,器件的整体性能降低而成本提高。为了能够进一步扩大带宽,更好地利用现有的掺Er 光纤放大器(E DFA )带宽系统,同时避免器件技术的过分复杂化和太高的成本,在2000年3月OFC 展览上,人们提出一种群组滤波器,称之为Interleaver 即光学梳状滤波器,它的作用是将一路波 长光信号分成两路,分别包含奇数路波长和偶数路波长,信道间隔倍增,其功能如图1。可见利用这种技术既可以减轻现有DW DM 器件复用/解复用对波长间隔要求的负担,又能提高系统传输容量。目前实现Interleaver 的技术有很多[2～4],如光纤 马赫2曾德尔(fiber Mach 2Z ehnder ,FM 2Z )干涉仪型、偏振光干涉型、光纤光栅组合型和单G 2T 腔Michels on 干涉型[5]等。FM 2Z 干涉仪型属于全光纤设计,插入损耗小,信道均匀性高,偏振相关损耗低。但光纤耦合器在拉制工艺方面难度大。偏振型Interleaver 是利用晶体的双折射效应和偏振光干涉原理,其插入损耗大,并且由于双折射晶体较长,温度补偿、加工尺寸控制及封装难度大。利用光纤光栅与环形器构
Application Note Using Serenade Wireless Design Suite to Design a Microstrip Hairpin Filter for the 1900MHz Wireless PCS Band. by Luigi Greco, Ph.D. Applications Engineer Abstract This application note discusses the design procedure for a 1900MHz PCS microstrip hairpin filter using Serenade Wireless Design Suite. The design procedure includes entering the schematic of the filter, simulation, optimization and layout. Introduction In today’s fast-growing wireless industry, time to market is critical. Smaller and less expensive units are becoming the norm and the use of CAD tools to quickly and accurately simulate the behavior of wireless components becomes more important as designs become more complex and prototyping cycles become shorter. Serenade combines all the tools necessary to decrease time to production by utilizing an intuitive schematic capture interface, efficient and accurate linear and non-linear simulators and an integrated layout tool to view and export the design in a wide range of formats without repeated attempts at bench prototyping. In this application note, a 3-section microstrip hairpin filter tuned for the 1900MHz PCS band is used as an example to demonstrate the capabilities of Serenade in the design of distributed element passive devices for microwave frequencies.Background Lumped element filters are impractical for compact designs of wireless communications equipment, especially hand-held devices. Distributed element filter design offers a much smaller area and profile. With the advent of advanced substrate materials offering very high dielectric constants with low loss, the size reduction with preserved efficiency is greatly enhanced. The microstrip hairpin filter is ideal for microwave frequencies thus facilitating fabrication. The theory governing coupled distributed element filters will not be discussed here, but the details can be found elsewhere [1]. The length of the coupled lines to provide a bandpass response at the frequency of interest is a half wavelength. At a half-wavelength the coupled lines need not be connected to the ground plane, which simplifies its fabrication. Initial values for the microstrip filter dimensions can be calculated with Serenade’s Transmission Line Designer. These values are entered into the circuit design and subsequently optimized, as will be discussed later. Three hairpin structures in the filter will provide sufficient flatness over the 1850MHz to 1990MHz band.
实验题目3：梳状滤波器的应用 实验目的： 录制一段自己的话音，时间长度及取样频率自定；对该段声音加入一次反射、三次反射和无穷多次反射。 试验内容： 1、对试验原理的说明 回声可以认为是由原始声音衰减后的多个延迟叠加组成的，因此回声可以用延迟单元来生成。x(n)表示原始声音信号，a为衰减系数，T为延迟周期，回声信号Y(n)=X(n)+a*x(n‐T）+a^2*x(n‐2T)+……+a^k*x(n‐kT)。Z变换后的系统函数H(z)可由梳状滤波器实现。本实验用MATLAB中的filter(b,a,x)函数可用来仿真差分方程 a(1)*y(n)=b(1)*x(n)+b(2)*x(n‐1)+...+b(nb+1)*x(n‐nb)‐a(2)*y(n‐1)‐...‐a(na+1)*y(n‐na)。 2、在同一张图上，绘制原声音序列x(n)、加入一次反射后的声音序列x1(n)、加入三次反射后的声音序列x3(n)和加入无穷多次反射后的声音序列x I(n)。 [x, fs] = wavread('a.wav'); % sound(x, fs); a = 0.6; T = 0.2; y1 = filter([1, zeros(1,T*fs-1), a], 1, x); % sound(y1, fs); wavwrite(y1, fs, 'echo1.wav'); y2 = filter([1, zeros(1,T*fs-1), a, zeros(1,T*fs-1), a^2, zeros(1,T*fs-1), a^3], 1, x); % sound(y2, fs); wavwrite(y2, fs, 'echo2.wav'); y3 = filter(1, [1, zeros(1,T*fs-1), a], x); % sound(y3, fs); wavwrite(y3, fs, 'echo3.wav'); plot(y3, 'm'); hold on; plot(y2, 'r'); hold on; plot(y1, 'g'); hold on; plot(x, 'b');
一抽头式梳状滤波器的设计 董利芳 王锡良 朱庆福 （电子科技大学电子工程学院 成都 610054） 【摘要】利用提取有载品质因数e Q 的方法来得到输入输出的单元初值，比传统的等效电路法方便快捷，并且实践证明 这种方法比较准确，为抽头式滤波器的设计提供了一种更有效的方法。 关 键 词 有载品质因数e Q ； 群时延； 抽头式 1. 引言 微波滤波器在微波毫米波通信，卫星通信，雷达，导航，制导，电子对抗，测试仪表等系统中有着广泛的应用，由于小型滤波器在高频器件中体现出许多优点,如体积小,重量轻,插损小,而且在宽频带中对谐振有很好的抑制作用，精确而又快速地设计各种滤波器成为人们普遍关注的问题。梳状滤波器由于采用了较大的加载电容，使其谐振线小于八分之一波长，其结构紧凑，体积小，强度高，应用范围广，其理论部分已在参考文献 [1] 中有详细的阐述。圆杆梳状线滤波器由于谐振杆采用了圆杆因而其加工难度降低，容易 保证技术指标的实现，其功率容量比矩形杆梳状滤波器高，具有比矩形杆梳状滤波器优良的性能。 本文主要论述了抽头式输入输出结构的梳状滤波器，在结构上更加紧凑，并且抽头单元对滤波器整体性能的影响较大，所以传统基于等效电路法所设计的微波滤波器调试难度大，研制周期长。在滤波器设计中，有载品质因数e Q 起到了至关重要的作用，因为e Q 提供了滤波器和外部电路的关系，保证了输入\输出的阻抗匹配，决定了输入输出单元。本文利用提取有载品质因数的办法来得到输入输出单元的初值，比传统的等效电路法更方便快捷。 2. 梳状滤波器的设计 所谓有载品质因数e Q ，就是终端电阻反射到第一个串联（或并联）谐振器中所得的[1] Q 值，按此定义以及倒置变换器的定义，如图1所示，左端的终端电阻反射到第一个串联谐 Z 1 n Z + 图1带有倒置变换器的低通原型滤波器 振器中的电阻是 /2 01k z 0（由J 变换器构成的并联谐振器回路定义方法相同） ，由低通到带通的频率变换，可以求得带通滤波器中串联谐振器的感抗为 10s L ω=1x ，故其有载品质因数e Q 值是 [2]e Q = 2 011 /z k x =BW g g c Ω10 同样得出第n 个谐振器的有载品质因数值是 e Q = 1 2 1,/++n n n n z k x =BW g g c n n Ω+1 （c Ω为归一化的频率，BW 为相对带宽）
梳状滤波器实现 摘要 本文中根据实际使用产生回声的“梳状滤波器”进行MATLAB 实现。分别从时域和频域两个角度仿真模拟梳状滤波器的效果。时域采用“延时拼凑”的方法，直观地产生回声效果。频域模拟典型梳状传输函数来实现。 关键字 梳状滤波器 时域 频域 传输函数 MATLAB 提出问题 梳状滤波器它是由许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过。梳状滤波器其特性曲线象梳子一样，故称为梳状滤波器。 那么如何在MATLAB 环境下实现梳状滤波器呢？ 解决方案 1.差分方程仿真梳状滤波器 回声可以认为是由原始声音衰减后的多个延迟叠加组成的， 因此回声可以用延迟单元来生成。 x(n)表示原始声音信号，x(n-N)是原始信号在时间轴上 延时N 后的信号，a 为衰减系数，T 为延迟周期，回声信 号[][][]...[]k y n x n ax n T a x n kT =+-++-。 图解如右： 因此，构建差分方程能从时域的角度实现梳状滤波的效果。 2.构建递归数字滤波器的传输函数 按照书中P190提供的传输函数81()10.5e j H -ΩΩ=-进行试验取一段音频文件（hello.wav ）作为输入x[n]，观察检测输出效果y[n]。 具体实现 1. 差分方程仿真
MATLAB代码如下： [x, fs] = wavread('hello.wav');% sound(x, fs); a = 0.6; T = 0.2; y1 = filter([1, zeros(1,T*fs-1), a], 1, x);% sound(y1, fs); wavwrite(y1, fs, ''hello.wav '); y2 = filter([1, zeros(1,T*fs-1), a, zeros(1,T*fs-1), a^2, zeros(1,T*fs-1), a^3],1, x); y3 = filter(1, [1, zeros(1,T*fs-1), a], x);% sound(y3, fs); wavwrite(y3, fs, ''hello.wav '); plot(y3, 'm'); hold on; plot(y2, 'r'); hold on; plot(y1, 'g'); hold on; plot(x, 'b'); *代码引入函数解释： 1.y=filter(p,d,x)用来实现差分方程d表示差分方程输出y的系数， p表示输入x的系数， x表示输入序列。 实现差分方程，先从简单的说起： filter([1,2],1,[1,2,3,4,5])，实现y[k]=x[k]+2*x[k-1] y[1]=x[1]+2*0=1 (x[1]之前状态都用0) y[2]=x[2]+2*x[1]=2+2*1=4 2. zeros(M,N)生成M行N列的0矩阵 3. [y,fs,nbits]= wavread(wavFile1); y就是被载入的音频信号； fs是采样频率，比如说16000就是每秒16000次； nbit是采样精度，比如说16就是指16位精度的采样； 4.hello.wav 为事先用Cool Edit录制好的发音为“hello”的音频文件，并导入进document/MATLAB中 *绘图结果：