窄带滤波技术（精选七篇）
窄带滤波技术 篇1
扩展频谱通信(Spread Spectrum Communications)技术是一种信息传输方式。它是将要发送的信号扩展到一个很宽的频带上,使射频带宽比信息带宽宽得多,然后再发送出去。在接收端通常通过相干解扩将信号恢复出来[1]。这种通信系统以占用比原始信号带宽宽得多的射频带宽为代价,来获得更强的抗干扰能力和更高的频谱利用率。按照扩频方式的不同,扩频通信系统主要分为直接序列扩展频谱系统(DS-SS)、跳频扩频系统(FH-SS)和跳时扩频系统(TH-SS)。其中,直接序列扩频系统应用得最为广泛[2]。
在通信中采用扩展频谱技术有许多优点:具有较强的抗干扰能力;具有很强的隐蔽性和抗测向、侦察的能力;具有多址能力,可实现码分多址;抗频率选择性衰落能力很强;抗多径干扰;可进行高分辨率的测向、定位等。因此,扩展频谱通信系统广泛地应用在通信、雷达、导航、测距、定位等领域。
扩频通信应用伪随机序列将信号频谱展宽,从而使其对频谱范围内的窄带干扰有一定的抗干扰能力,当这种抗干扰能力不足以消除功率较大的窄带干扰,或者抑制干扰的性能指标达不到要求时,常用的方法是在接收机中使用自适应滤波器来抑制窄带干扰。本文提出基于最小二乘格型(LSL)自适应算法[3]的滤波器在扩频通信系统中的应用。通过计算机仿真实验验证,它不仅能有效抑制窄带干扰,降低扩频通信系统的误码率,而且具有很好的数值稳定性和更快的收敛速度,易于数字实现。
1 自适应滤波器抑制窄带干扰及其算法
通常用来估计和抑制窄带干扰的算法可分为两类:第一类是快速傅立叶变换算法(FFT),用以完成对接收信号的谱估计,在谱估计的基础上用一个横向滤波器来抑制干扰。第二种是线性预测的方法,这种算法是把干扰模拟成为白噪声,通过一个全极点滤波器,用线性预测器来估计全极点模型的相关系数。这些算法的最终目的是设计一个自适应滤波器,能够大幅度地抑制强的窄带干扰而接收有用信号[4]。
本文所采用的是线性预测的干扰抑制算法,窄带干扰的估计和预测是在对接收信号解调之前进行的[5]。如图1所示的具有自适应干扰抑制的直接序列扩频通信系统模型,接收到的信号为:
式中s(t)是有用的扩展频谱信号,i(t)是窄带干扰,n(t)为高斯白噪声。假设x(t)以伪随机序列的chip速率来抽样,则式(1)变为:
x(k)=s(k)+i(k)+n(k) (2)
且s(k),i(k)相互独立。假设i(k)的统计特性为平稳,就可以从x(k-1),x(k-2),…,x(k-m)中预测到i(k),即
式中{al}是线性预测器的系数。由于以chip速率抽样的结果,因此s(k)与x(k-1)(l=1,2,…,m∈p)是不相关的。这样,式(3)中系数al由x(k)和i(k)=的均方误差决定,该均方误差ε (m)为:
对于采用LSL自适应算法的格型滤波器[6,7,8],其前向预测误差和后向预测误差分别为:
其中、km+1f、km+1b分别为阶前向反射系数和后向反射系数。如图2所示的是2阶预测误差滤波器的格型结构,每一级有两个参数,即前向和后向反射系数。参数的模值小于1,可保证滤波器稳定。
LSL自适应算法的计算流程如下:
(1)初始化
(2)迭代计算(按时间n=1,2,…)
(3)迭代计算(按阶m=0,1,…,M-1)
各阶前向和后向反射系数可分别由以下二式计算:
对于2阶格型滤波器,LSL自适应算法对信号模型参数的预测值由以下2式计算:
一旦预测系数决定后,从接收信号x(k)中减去干扰估计 ),便获得了有用信号的数字信息。
3 计算机仿真实验结果
为了分析LSL自适应算法的性能,采用MATLAB对具有自适应干扰抑制的直接序列扩频通信系统进行了实验仿真。窄带干扰选取为一个二阶自回归(AR)模型信号,它的信号模型为:
窄带干扰是由单位方差的高斯白噪声 ω(n)激励一个线性移不变全极点系统产生的。该系统在0.99处有两个极点,可充分考察LSL算法的数值稳定性。
如图3所示的是计算机模拟的LSL自适应算法的收敛性能曲线。从图上可以看到,经过大约50次迭代运算后,预测参数值1、2分别快速稳定收敛于1.98和0.9801。
为了进一步考察基于LSL自适应算法的格型滤波器应用于直接序列扩频通信系统后,对整个系统抗窄带干扰性能的改善,在计算机上分别模拟出有自适应滤波和无自适应滤波两种条件下,接收机的误码率(BER)性能曲线,然后进行对比。仿真结果如图4所示,虚线所示的是无自适应滤波的扩频接收机的BER性能曲线,实线是采用格型滤波器后的BER性能曲线。结果证实,采用基于LSL自适应算法的格型滤波器后,能大大降低扩频系统的误码率。
4 结论
超窄带滤光技术研究进展 篇2
超窄带滤光技术研究进展
对自适应光学中激光导星的基本原理及系统中所需的超窄带滤光技术作了简单的.介绍.重点介绍了一些有望应用于激光导星系统上的滤光技术,如:原子共振光学滤光器、双折射滤光器、法拉第反常色散滤光器、法布里-珀罗滤光器等.针对以上滤光技术各自的特点,阐明了它们的基本原理,给出了部分主要参数,并且对各滤光技术的发展现状和不足作了简要阐述.
作 者：王锋 胡晓阳 叶一东 WANG Feng HU Xiaoyang YE Yidong 作者单位：中国工程物理研究院应用电子学研究所,绵阳,621900 刊 名：激光与光电子学进展 ISTIC PKU英文刊名：LASER & OPTOELECTRONICS PROGRESS 年，卷(期)： 44(6) 分类号：O439 关键词：激光技术 滤光器 窄带 激光导星窄带滤波技术 篇3
所谓窄带滤波器就是在电磁波的某些波长位置透过率很大, 而相应的通频带却很窄, 品质因素Q值很高的一种光学滤波器。目前实现这一技术的通常有光学介质薄膜窄带滤波器 (TFF) 、阵列波导光栅 (AWG) 、光纤布拉格光栅 (FBG) 和其他干涉型滤光器件[1]。光子晶体 (PC) [2]是一种介质在另一种介质中周期排列所形成的人造光电材料, 根据周期维数不同可以分为一维、二维和三维PC。光子在这类材料中的作用类似于电子在普通电子晶体中的作用, 存在类似于电子半导体能带结构中的禁带, 频率落在光子带隙内的电磁波不能在PC中传播, 人们称之为带隙或禁带。一维光子晶体 (1D PC) [3]是介质只在一个方向上呈周期性排列的结构, 在结构上没有薄膜光学多层膜系中的λ/4波片之说, 只要存在周期性结构即可, 传统光学膜体系只是PC的一个特例。PC传输特性的研究方法有多种, 常用的有转移矩阵法[4]、时域有限差分法 (FDTD) [5,6]等。本文对通常意义上的1D PC概念进行扩充, 使折射率有严格的周期变化而厚度呈递减或递增, 形成所谓的准周期1D PC, 然后将一维时域有限差分法 (1D FDTD) [7,8]用于此类PC耦合, 实现窄带滤波。数值研究了耦合层参数、光入射角等对窄带滤波特性的影响, 得到了一些有意义的结果, 这种“准周期”结构比通常的周期性结构的滤波性能更好 (例如品质因子或带宽) , 可为制作该类器件提供理论依据。
1 镜像耦合准周期1D PC数值模型
在数值研究中构造如图1所示数值模型, 图中阴影部分为镜像耦合层, 其对应的折射率和厚度分别为nc、dc。两边对称放置二元1D PC, 每边各有25层, 由折射率分别为na=1.45 (SiO2) 、nb=2.29 (TiO2) 的电介质材料周期交替构成, 但每层厚度并不像通常认为的1D PC那样具有严格周期性, 各层厚度取值如下:d1=290 nm, d2=285 nm, 依次减小5 nm, 直到第25层的d25=170 nm。可类比于半导体理论中的准周期超晶格, 暂称之为准周期二元1D PC。以通信常用波长λ0=1 550 nm为中心, 波长范围从1 300 nm到1 700 nm的连续单色光沿图示X轴方向入射。
2 数值结果与讨论
2.1 高阻带及窄带滤波的实现
要实现窄带滤波先要找出高阻带位置及波长范围, 为了了解阻带情况, 我们先对准周期1D PC的透射特性进行数值研究。让电磁波 (为了实用考虑, 这里取通信波长范围为1 300～1 700 nm) 垂直入射 (沿X轴方向) , 我们发现在无耦合层时 (即图1中dc=0 nm的情形) 出现较平坦的高阻带。找到实现高阻带结构图1后, 使中间耦合层为空气, 即nc =1.0, 调节厚度dc, 当dc=500 nm时, 发现在1 550 nm处出现带宽较窄、透过率近85%的透过峰, 从而实现窄带滤波的目的。
2.2 窄带滤波调节因素研究
2.2.1 耦合层介质对窄带滤波的调节
在1 550 nm处实现窄带滤波, 耦合层为空气时厚度要求为500 nm, 若要在同一处实现窄带滤波, 并把耦合层换成其他介质, 则对应的厚度应发生变化, 具体见表1。由表1中的参数经拟合得出图2所示的曲线。
2.2.2 耦合层厚度对窄带滤波的调节
下面进一步数值研究耦合层厚度对窄带滤波的调节作用。在耦合层为空气的条件下, 让其厚度dc在500 nm左右作步长为20 nm的变化, 发现透射峰同样会在1 550 nm左右两侧移动, 如图3 (a) 所示, 在1 550 nm两侧等间隔排列, 仔细观察发现带宽在1 550 nm左侧的变宽, 右侧的变窄。图4 (a) 所示为其对应的透射峰波长位置与耦合层厚度之间的关系, 从图中看出两者近似为线性关系。把耦合层换成LaF3 (n=1.57) 和ZrO2 (n=2.05) , 作同样计算, 得到图3 (b) 、 (c) 和图4 (b) 、 (c) 所示的结果, 透射峰波长位置与耦合层厚度之间的关系都近似为线性关系。与耦合层是空气时相比, 不同的是在厚度步长同为20 nm的变化时, 耦合层介质的折射率越大, 相对1 550 nm的偏移越大。
2.2.3 入射角对窄带滤波的调节
以上数值结果都是在电磁波垂直入射 (图1中X方向) 的条件下得到的, 当电磁波入射方向与X轴有一定夹角时, 要考虑偏振问题, 由于篇幅原因, 本文只研究P偏振。以偏离X轴5°为步长, 耦合介质分别是空气、LaF3和ZrO2, 进行计算得到窄带中心位置波长与角度的关系如图5所示。从图中可以看出, 随着入射角的增大, 窄带中心位置从1 550 nm向短波长方向移动, 更详细的情况如图6所示 (耦合层是空气) 。从图6可以看出, 窄带中心位置波长随角度增大向短波长方向偏移, 而且透过率呈振荡特性, 即某些角度透过率大, 某些角度透过率小。
3 结束语
本文提出了准周期1D PC的概念, 指出它不同于通常意义上的1D PC, 更不同于传统意义上的光学多层膜, 并由此构造出所谓镜像耦合准周期1D PC纳米膜, 从而实现了光学窄带滤波。把一维时域有限差分法用于此结构构成窄带滤波器的设计研究, 数值结果表明, 用此结构实现光学窄带滤波是可能的;进一步研究表明, 要实现同一波长的滤波, 耦合层的折射率越大, 在其他条件不变时, 耦合层的厚度越小;在同一耦合介质时, 耦合层厚度决定窄带的中心位置与带宽;在其他条件一定时, 入射角大小决定窄带的位置, 入射角越大, 窄带中心位置越向短波长方向移动。上述结论只是理论计算结果, 还有待进一步的实验验证。
参考文献
[1]刘军, 孙军强, 付永安, 等.低插入损耗多通道介质膜型光波分复用器[J].光通信研究, 2005, (2) :56-58.
[2]Yablonovitch E.Inhited spontaneous emissionin solid-state physics and electionics[J].Phys Dec Lett, 1987, 58 (20) :2 059-2 062.
[3]Fink Yoel, Winn Joshua N, Fan Shanhui, et al.Adie-lectric omnidirectional reflector[J].Science, 1998, 286 (5 394) :1 679-1 682.
[4]汤炳书, 沈廷根.无序对二维光子晶体透射谱的影响TMM数值研究[J].红外与毫米波学报, 2007, 26 (1) :73-76.
[5]汤炳书, 沈廷根.碳纳米管组成二维光子晶体的有效介电常数FDTD数值模拟[J].计算物理, 2006, 23 (3) :375-378.
[6]Qiu M.Effective index method in heterostructure slabwaveguide based two-di mensional photonic crystals[J].Appl Phys Lett, 2002, (810) :1 163-1 165.
[7]葛德彪, 闫玉波.电磁波时域有限差分方法[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.
窄带滤波技术 篇4
目前用于成像光谱仪的分光技术主要有色散型、干涉型、二元器件和滤波型。色散型主要是棱镜或光栅分光,利用色散元件将复色光色散分成序列谱线,然后利用探测器测量每一谱线元的强度。干涉型基本上是基于麦克尔逊干涉仪,可以同时测量所有谱线元的干涉强度,然后对干涉图进行傅立叶变换,得到目标的光谱图。二元器件是比较新颖的分光技术,发展较晚,主要是利用二元光学透镜独特的色散特性实现分光[3]。前三种分光技术的分光光路复杂、可靠性差、体积庞大、不适合小型化设计;滤波型分光技术属于光学薄膜技术,是一种多通道滤波平面微型元件,可以有效的克服前三种分光技术的缺点,而且具有光谱分辨率高、尺寸小性能稳定的特点[4]。这种技术在光纤通信、空间工程、工业检测和环境科学等领域获得了广阔的应用
本文所采用的多通道窄带滤波阵列,属于滤波型分光技术,是上海技术所物理室研制的,具有集成度高(达128个通道)、可同时获得不同波段的光谱数据、器件尺寸与CCD相匹配以及性能稳定等优点,可用于微型和小型化多光谱成像仪[5]。它的主要缺点是滤波阵列的总光谱范围受限,最大光谱范围为150nm,因此不适合用于大范围光谱测量,只适用于特定窄光谱段的光谱成像和光谱数据分析。
本文介绍的是作者研制的一种基于多通道窄带滤波阵列进行分光的小型化多光谱成像仪。该系统利用多通道窄带滤波阵列对目标的像进行分光,然后由CCD采集图像;通过高精度的自动扫描平台在光谱维上进行扫描,得到整个视场的光谱图像和每个空间点的光谱曲线。
1多光谱成像原理
本文介绍的多光谱成像仪的光路非常简单,无需复杂的透镜组,抗震性能好,尺寸小。采用宽光谱的白光LED照射样品,由普通光学镜头进行成像,然后多通道窄带滤波阵列在像平面上进行分光,最后由CCD系统进行图像采集。其中,多通道窄带滤波阵列和CCD光敏面用玻璃胶直接粘贴,要求玻璃胶厚度均匀,无空气泡存在,以消除干涉现象。由于多通道窄带滤波阵列的滤波特性随入射角变化而变化(见图1),因此需要选择长焦距的光学镜头或安装专用光路系统使到达滤波片的光的入射角控制在5°以下。
分光元件采用上海技术物理研究所物理室研制的多通道窄带滤波阵列。它是采用组合刻蚀技术研制的,可与探测器阵列匹配的一种微型集成滤波片,能够准确获取各光谱通道位置,并且具有集成度高、分光系统可靠、光谱分辨率高等优点,可以大大促进光谱仪器的微小型化[5]。若应用到航天遥感和深空探测仪器上,将大大减轻其有效载荷和降低发射成本。
由于光学滤波阵列采用线列结构,因此CCD所拍摄到的图像是由不同波长光谱图像条组成的。通过载物台自动装置对样品进行光谱维推扫,就可以得到整个视场的二维图像以及光谱数据。
2 主要技术指标
由于成像光谱仪器的一些指标参数之间是相互影响和相互制约的,因此,对于多光谱成像而言,其主要指标的确定,需要考虑目标光谱特性,系统的综合性能以及分系统器件的各种参数的制约等因素。
2.1 光谱范围
该系统采用反射式被动成像,可用于研究目标的反射光谱特性。由于多通道窄带滤波阵列的制造工艺的限制,色散器件的有效滤波范围在150 nm左右,因此多应用于特定目标的窄光谱范围研究。同时由于受CCD量子效应的限制,可选波长范围在400～900 nm之间。
本成像光谱仪主要用于获取目标样品特定波长的荧光图像和反射光图像,以此分析判断目标的生长状态。根据不同的研究需求,选择不同的波段。为了分析植物目标的生长速度、部位和方式,选择可见光近红外波段作为目标光谱波段,光谱范围760 nm～900 nm[6]。
2.2 波段数
波段数的选择主要依据CCD的光谱维像元数目的多少、多通道窄带滤波单元的制造工艺和光强大小,在实验中我们采用16个通道。
2.3 光谱分辨率
光谱分辨率主要由多通道窄带滤波片的滤波特性和前端光路决定。理论上,多通道窄带滤波阵列光谱分辨率可以在1 nm,但此时的制造难度会非常大,同时通道之间相互干扰会加剧。在本实验中,多通道窄带滤波阵列的光谱分辨率在5 nm左右,然后考虑入射角引起的滤波特性偏移,所以系统的光谱分辨率可以控制在10 nm以下。
3 系统设计
3.1 总体结构设计
本多光谱成像仪采用在成像光速中进行光谱分光的结构形式。利用高精度步进电路驱动载物台进行微米级平动,实现推扫成像。
3.2 分光系统设计
目前,用于成像光谱仪器的光谱分光方法主要有棱镜、光栅、声光可调谐滤波器,二元光学器件、滤波片等方法。目前的应用情况看,棱镜光栅分光技术应用广泛且相对成熟,但是其分光系统复杂、可靠性差、体积庞大、不适合微型化和小型化应用。
采用多通道滤波阵列的分光系统,可同时获得不同波段的光谱信息,而且设备尺寸小,能和CCD很好的契合,非常适合小型化应用。
利用多通道窄带滤波单元和DSP的辅助控制,将其应用于成像系统,就可以实现光谱图像的实时采集和处理。由于多通道窄带滤波单元的滤波特性随入射角变化而变化,因此需要额外光路消除这种影响。
3.3 载物台自动装置设计
由于采用线列滤波阵列,要获得整个视场内观测目标的二维图像就必须对另一维进行推扫。本系统将载物台安装到一维平动装置上,然后利用步进电机来控制载物台的运动。步进电机的控制由CPLD完成,由CPLD为步进电机提供四相的驱动信号和驱动电压,其中四相驱动信号的频率决定电机的步进速度。
3.4 CCD驱动和图像采集系统设计
CCD驱动和图像采集系统主要包括CCD驱动电路、CCD输出信号处理电路、图像采集和处理单元和电机驱动,系统框图如图2所示。其中CCD传感器采用Dalsa公司的FT18,1 k×1 k的帧转移CCD,由SAA8103和TDA9991为其提供驱动电压和驱动信号,CPLD模拟I2C总线时序对其进行内部寄存器配置。信号处理单元主要用来处理由CCD输出的电信号,它包括前置放大、相关双采样、嵌位、滤波,增益控制和模数转换等部分,在本设计中采用专用集成芯片TDA9965实现图像的预处理。采用这种基于专用芯片和CPLD的CCD驱动方案,具有很大灵活性,可以使该系统适用于不同类型的CCD。
图像采集和处理单元由DSP完成。ADC与DSP之间采用双口RAM进行高速缓存,其中双口RAM的读写控制由CPLD完成。CPLD和DSP采用乒乓模式读写双口RAM,提高数据的吞吐率。
当一帧结束后,DSP接收CPLD的中断信号,对采集到的图像进行非均匀校正、透射率校正和滤波后,然后通过USB端口将数据发送给PC机。其中非均匀性校正主要是消除CCD的非均匀性和光学系统的非均匀性,透射率校正主要是消除工艺原因造成的单个滤波通道各个点的透射率不一致的问题。
3.5 光谱图像处理系统设计
光谱图像处理系统主要包括图像的实时接收、显示和相关处理。PC端通过监控USB端口、实时接收来自DSP的图像数据,将其合成为目标视场16个不同波长的图像,采用小波变化将其融合并显示,同时允许计算目标视场上每一个点的对应光谱曲线。
4 系统性能测试及其结果
在完成系统集成后,需要对系统进行光谱定标和系统非均匀性校正。
光谱定标的方法是在光学镜头上方安装一个反射镜,利用一台高精度单色仪,通过平行光管照亮反射镜。连续改变单色仪的波长,得到不同波长对应的光谱图像,从而确定每个通道对应的CCD像素位置;再计算每个通道位置像素的光谱曲线,确定各个通道的中心波长和宽度[7]。
其次是非均匀性校正,主要克服多通道窄带滤波片同带通滤波片的透射率的非均匀性,方法是在未安装滤波片组时,以各个通道的中心波长照射,得到每个通道中心波长处的光强。然后获得安装滤波片后的相应光强数据,两者相除的商作为透射率校正表。将其存在DSP上,由DSP完成对采集图像的非均匀性校正。
性能测试和校正参数测定后,利用该成像光谱仪对牵牛花植株进行拍摄。图3是将16个通道的单波段灰度图像融合得到的图像。
5 结束语
本文通过将成像技术和光谱技术相结合,设计了一种基于多通道窄带滤波阵列的多光谱成像仪,可获取目标在可见光近红外光谱段16个不同波段的光谱图像和整个光谱段的合成图像,可用于植物在近红外波段的生长状况研究。相对于其他分光技术,多通道滤波阵列具有结构紧凑、可靠性强、小型化、低成本和质量轻等特点,适合应用于微型化和小型化多光谱成像仪。
参考文献
[1]许洪,王向军.多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用.红外与激光工程,2007;36(1):13—15
[2]叶昱程,应义斌.多光谱图像技术在食品品质检测中的应用和发展.中国食品学报,2003;3(4):89—92
[3]杨新军,王肇,母国光.折衍混合多光谱红外成像光谱仪离轴系统设计.红外与激光工程,2005;34(4):379—382
[4]江益,曾立波,吴琼水,等.基于声光可调谐滤波器的显微光谱成像技术.光学技术,2005;31(2):193—195
[5]Wang S W,Chen X S,Lu W.Integrated optical filter arrays fabrica-ted by using the combinational etching technique.Optics Letters,2006;31(3):332—335
[6]Lenk S,Chaerle L.Multi-spectral fluorescence and reflectance ima-ging at the leaf level and its possible applications.Journal of Experi-mental Botany,2007;doi:1093/jxb/erl207
窄带滤波技术 篇5
矩形波导E面插入金属膜片的滤波器是由空波导和平行于波导E面的金属膜片交叉连接而成。膜片的长度 (d1, d2, d3) 对带内差损起着决定性作用, 相邻膜片之间则构成谐振腔, 腔体长度 (主要是l2) 决定了中心频率f0。类似于纯金属膜片结构的鳍线滤波器[3][4], 是由矩形波导和基于光刻技术印制的双面鳍线并接而成。
(一) 设计原理
滤波器分析方法有变分法、留数法、功率守恒法和模式匹配法等。模式匹配法是一种严格的场分析方法, 它通过考虑不连续结构两边的场分布, 然后在分界面上匹配切向场分量, 从而准确地分析出波导不连续性结构对场的影响。
E面波导滤波器的膜片宽度为l、厚度为t, 敷铜厚度为h, 置于波导的中央, 波导只能传输TE10模, 膜片等效T型网络如图3所示:
我们将波导分成三部分 (ν=Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ) , 不连续性只发生在x方向上。沿Z方向将各场量叠加:
其中,
为传播常数, 为归一化因子, 是波导纳项。和未知的前行和后行波幅度归一化值, 可通过两边乘以正交函数然后做耦合积分得到, 从而可以得到三端口网络的散射矩阵 (S) z=0
由上述分析可得出E面金属膜片的散射矩阵[2], T型等效电路的参数便可通过散射参量计算出。
相应的阻抗变换系数以及相角[5]为:
对应滤波器原型阻抗变换参数, 对多个K进行插值, 得到半波长谐振腔的实际电长度
(二) 带通滤波器的设计
波导带通滤波器的中心频率为f0=38.17GHz, 带宽为ΔW=340MHz, 工作在Ka频段, 故适用正规矩形波导WR28 (a=7.112mm, b=3.556mm) 。
1.金属膜片滤波器
金属膜片的厚度对滤波器的性能影响是巨大的, 频率越高影响越大。图4为固定膜片 (l=4mm) 及波导长度位置, 不同厚度膜片对反射系数的影响。随着膜片厚度的增加, 滤波器通带发生漂移, 带宽减小, 插损增大, 但膜片越薄, 对加工工艺的要求相应增加, 而且放置不对称的可能性也就越大。
做上述考虑, 设计了铜片厚度为0.4mm的金属膜片滤波器, 切比雪夫响应, 阶数n=4, 经计算得归一化的耦合系数为:K01=K45=0.1658, K12=K34=0.0216, K23=0.016。
最后得出的最佳膜片尺寸如下。
级数:n=4;
腔体长度:;膜片长度:。
仿真结果如图5所示, 通带 (38GHz～38.34GHz) 内的插入损耗均小于0.02dB, 带内波纹0.01dB, 回波损耗小于-14dB。并且0.5GHz外的带外抑制均小于-40dB, 相对带宽达到0.89%。
2.E面鳍线滤波器
设计鳍线滤波器时应注意敷铜厚度对滤波性能的影响。敷铜厚度越小, 敷铜工艺引起的中心频率偏移越小, 商业上通常采用17.5µm这样一个值。因此, 构成滤波器的鳍线由介电常数rε=2.22, 厚度t=0.02in的基片两面敷以对称的厚度为h=17.5µm的铜箔组成, 再将鳍线嵌入与E面平行的正规矩形波导中间。
通过软件Ansoft-HFSS对5阶等波纹切比雪夫带通滤波器的理论计算值进行设计分析、优化, 得如下尺寸:
级数:n=5;
腔体长度:;膜片长度:。
仿真结果如图6所示, 通带 (38.1GHz～38.32GHz) 内插入损耗小于0.3dB, 带内波纹0.18dB, 通带回波损耗小于-16dB, 并且1GHz外带外抑制小于-25dB, 各项指标均符合设计要求。
(三) 分析
由于金属膜片的加工精度不容易控制, 容易造成通带的中心频率偏移。并且金属膜片不容易与固态电路集成, 所以在高集成度、小型化的要求下很难满足。再则金属膜片的安装精度也很难保证。基于上述原因, 这类滤波器在移动设备中的应用有所受限。
集成鳍线滤波器使用光刻工艺加工, 加工容易, 精度高, 易于集成, 适用于大批量生产。但是, 鳍线滤波器中间加了介质, 插损较大, 矩形系数相应变差。两种滤波器的性能比较如表1所示。
随频率增高, 滤波器尺寸对结果的影响越大, 所以高端的带外抑制比低端略差, 频率越高滤波性能也越差。这可通过增加滤波器的级数, 增大通带带宽, 改善矩形系数, 使滤波具有更好的滤波特性, 但相应损耗增大, 器件长度增加。
(四) 结论
模式匹配法分析了波导滤波器的不连续性, 通过对Ka频段金属膜片和E面鳍线波导窄带带通切比雪夫滤波器的设计, 比较分析了两种滤波器的优缺点。
这两种滤波器均满足工程设计要求, 实现了<0.9%的窄带带通滤波。四阶金属膜片滤波器带内差损 (0.02dB) 比五阶鳍线滤波器 (0.3dB) 要小的多, 带外抑制也好许多, 但在尺寸上鳍线滤波器 (11.928mm) 更为小型化, 更易于集成, 重复性好, 适用于大批量生产。
参考文献
[1]Y.Konishi and K.Uenakada.The design of a bandpass filter with inductive strip-Planar circuit mounted in waveguide[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech., vol.MTT-22, Oct.1974.
[2]Rüdiger V, Jens B, Fritz A.et al.Optimized waveguide e-plane metal insert filters for millimeter-wave applications[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech., vol.31, Jan.1983.
[3]Fritz A., Jens B., Dietrich G., Rüdiger V.Theory and Design of Low-insertion loss fin-line filters[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech., vol.MTT-30, Feb.1982.
[4]叶建芳.鳍线滤波器的计算机辅助设计及研制[J].东华大学学报 (自然科学版) , 2003, 29 (2) .
窄带散射通信数据传输纠错技术设计 篇6
FEC (Forward Error Correction) , 为一种数据编码技术, 在通信数据传输中纠错是通过接收方来验证的。在FEC方式中, 接收端不但能发现差错, 而且能确定二进制码元发生错误的位置, 从而加以纠正。
1.1 散射信道的概念
散射信道具有变参与功率受限的双重特征:变参是信道误码率波动的有效体现;功率受限则是要求信道平均误码标准的设计值应有门限, 通常为1*10-4。这就使得数据用户界面要拥有良好的服务质量, 要想做到这一点, 就必须对FEC技术在散射通信中应用加以综合研究分析。
1.2 散射信道数字码流纠错技术的应用措施
这种应用可包含以下两个方面:一方面, 将业务码流信息经有效整合后进行纠错, 也就是群纠错;另一方面, 对部分业务码流信息数据开展对应的纠错操作, 即路纠错。在通信技术高速发展的形势下, 低俗语音编码的抗误码性能也在不断增强, 如果处在平均误码率保持1*10-4的情况下, 不进行语音纠错也可以确保能够使用户满意的语音质量。所以, 在窄带散射通信中应用FEC, 只局限于群或路信息流中数据业务当中, 并未涉及到语音信息情况。
2 方案确定
2.1 话音不纠错与数据纠错
根据多年的工程经验, 如果恒参信道处于1*10-3时, 低速语音编码所生成的语音也具有较高的质量, 达到了用户要求的语音清晰标准, 并不需要进行纠错处理;在数据传输过程中, 就会遇到滑码或者丢包问题, 并未达到雷达一步数据与网络数据的相关要求, 对数据业务性能造成诸多不利, 这就需要应用有效技术手段对数据加以纠错。
2.2 纠错编码的确定
散射信道误码同时具备零星以及突变的特征, 因此, 在确定纠错编码时, 就可以选用具有抗零星与突变误码作为纠错编码, 也就是RS纠错编码。这种编码为多进制BCH类型, 其最小单位是以符号所表示的;各个符号包含m个bit, 其纠错编码的确定公式如下:
n= (2m-1) *m (n就是RS的码长)
2.3 加交织
为削弱由信道时变形所造成的突变误码对通信数据传输的影响作用, 就应该运用交织解交织技术。这项技术可以划分为bit与字两种交织方式, 应该统一采用字交织所用符号, 使得其包含的bit在交织前后不会发生改变;所谓帧间交织, 就是将一帧包含的突发误码在多个帧中加以分散处理, 从而缩短突发误码的码长, 达到RS纠错能力增强的目的。因此, RS纠错编码加交织技术能够大幅度增强RS编码的纠错能力。
3 RS纠错技术对通信数据传输性能的效果分析
可以设置两种信道, 将它们的数据传输速率规定为17kb/s, 一种不加RS码, 所以不必进行编码开销;另外一种施加8 kb/s的编码开销, 数据传输速率最终为25 kb/s。在窄道散射通信传输中, 信道速率的减少意味着码元能量的增加, 由25 kb/s减少到17 kb/s时, 对应增加的信嗓比就是10*log25/17=1.7d B, 在8重分级相干检测最适当合并下, 只能对一个量级的误码进行改善, 也就是说, 误码率减少到1*10-4;而在25 kb/s信道速率1*10-3的误码形势下, 通过采取RS码加交织能够使得数据误码率降至1*10-6, 所以说这一技术措施能够发挥良好的改善效果。
4 用户复接器设计实例分析
4.1 组成原理
用户复接器通常有2路话音与2路数据构成, 话音可以确定为8 kb/s G.729a编码, 窄带散射通信数据传输速率设定为4.8 kb/s, 并合成为32kb/s群路速率。其组成原理框图如图1所示。
4.2 设计内容
在窄带散射信道通信中, 对RS纠错编码以及帧间交织技术应该使得二者具备较强的帧同步性能, 从而规避码流错位引发的性能恶化现象, 这就需要对帧定位信息进行详细设计, 并要掌握帧定位信息的应用方法。4.2.1帧定位与帧同步。窄带散射用户复接器含有帧定位、话音、数据、RS编码纠错等多种信息内容, 将复接器帧频设定为100Hz。在按照相关的帧定位长度计算公式n=ln (Lsln2/2Pe) /ln2, 其中Ls是帧长设计, 为320bit, Pe为设计误码率, 通常为0.05, 进而获取帧定位长度的竖直, n大小约为11;应用具有良好自相关性的巴克码11100010010和反码当做帧定位信号;在充分考虑抗衰落同步方式的基础上, 使得帧抗误码能力达到0.05时正常运行的标准。4.2.2在帧交织中的应用情况。在4帧间交织过程中, 应该确保交织数据为1包, 有利于在解交织的过程中获取较为精确的数据;可在帧交织数据保重融入相关的标志信息, 在无需增设数据开销的形势下, 采取反帧定位信息当成标志信号, 反帧头的产生就意味着帧交织数据包的开始;数据包不但能够进行高误码下的信息识别, 而且能够保证其判别的正确性, 否则就会引发解交织错位, 导致传输数据的错误。选用连续8次帧头识别的措施, 包含3次正帧头、1次反帧头, 且重复一遍, 认为1次有效的信号, 方可对解交织加以重新置位, 这样即便在误码率高达1%的情况下检测不到有效的标志信号, 也不会对接交织性能造成不良影响。
4.3 性能测试
应该在恒参信道上对数据举措性能开展相应的测试操作, 在测试过程所应用到的设备装置包括:误码仪1台、电话机2部、用户复接器1台、调制解调器1台、噪声源1台、衰减器1台。经过正确的测试操作, 能够在调制解调器显示出不同嗓比下的信道误码率, 并在误码仪上显出不同嗓比下的纠正结果, 便于对纠错技术性能进行有效判别。
结束语
综上所述, 在窄带散射通信数据传输信道中, 其门限误码为1*10-4, 由变参而导致的误码波动保持在1*10-3左右。采用RS纠错编码交织技术后, 可以有效将数据误码率调节至1*10-6, 当低速语音编码处于1*10-3时, 语音清晰, 质量良好, 进而达到用户的业务需求与话音业务的通信需求, 因而扩展了窄带散射业务的适用范围。
参考文献
[1]孙宏林, 陈元清.短波组网通信数据传输效率实验与研究[J].中国电子科学研究院学报, 2011 (3) .
[2]黄志才.MSTP技术在电力通信数据传输的应用[J].北京电力高等专科学校学报:自然科学版, 2012 (3) .
[3]潘伟峰, 夏洲.无线通信数据传输技术在宁夏红寺堡流量测量管理系统的应用[J].水电自动化与大坝监测, 2010 (5) .
窄带滤波技术 篇7
1971年FOLKMAN研究表明所有肿瘤的形成都会伴有血管增生。这不仅是后来血管研究方面的基本原理,而且促进了世界范围内各个医学领域血管研究的发展[1,2]。消化道的早期病变,无论是早期胃癌,大肠恶性息肉以及食道黏膜异生(Barrett's esophagus,BE)或多或少都伴有血管增生的情形,和周围的正常组织不同,所以颜色会有所差异,同时因为是不正常组织,病灶表面的纹理也会和周围不同。
近年来由日本国立癌中心医院和OLYMPUS公司共同开发的内镜窄波光成像技术[3](Narrow Band Imaging,NBI)和日本富士能公司开发的智能分光比色技术[4](Fuji Intelligent Chromo Endoscopy,FICE),它们都能够显著地提高毛细血管形态的对比度和清晰地对浅表赘生物微血管形态改变及纹理进行可视化分析,并且具有染色内镜图像效果,因此称之为“电子染色”。本文通过对比电子内镜窄带成像技术与智能分光比色技术系统结构原理、临床应用及优缺点,分析两种“电子染色”技术对消化道病变的特异性及敏感性,以供广大内镜工作者学习和参考,也可以作为医院配备“电子染色”内镜系统选型的依据。
1 材料与方法
1.1 仪器设备
日本奥林巴斯公司EVIS LUCERA SPECTRUM及富士能公司FUJINON EPX-4400电子内镜系统。
1.2 技术方法
在介绍了普通电子内镜系统组成原理的基础上,通过对比分析法比较OLYMPUS EVIS LUCERA SPECTRUM及FUJINON EPX-4400电子内镜系统分别具备的NBI与FICE技术成像特点,并分别对比应用NBI和FICE技术诊断具有可比性消化道病变的临床应用研究,分析得出NBI和FICE技术各自的优缺点。
1.2.1 电子内镜系统结构原理。
电子内镜系统主要由电子内镜、图像处理中心、冷光源及监视器组成[5,6],如图1所示。而NBI和FICE技术的主要区别在于图像处理中心和冷光源。图像处理中心又称电子内镜主机,处理从电子内镜传来的光电信号,使光电信号转成彩色图像,再显示在监视器屏幕上。高质量的图像处理中心都有测光的平均/高峰值的切换、白平衡及色彩调节等功能。
1.2.2 NBI与FICE的成像原理。
普通电子内镜的成像原理是:氙灯产生白光并透过以20~30r/s速度旋转的红/绿/蓝(RGB)三原色滤光片照射到被摄物体上,由先端部电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)获取RGB的顺次信号,通过记忆装置变换成同时信号,在内镜的前端形成高品质的图像,再经过图像处理中心进行图像处理,最后传送至监视器上供操作者观看[7]。
普通电子内镜采用的是广谱滤光片,覆盖了可见光400~800nm波谱范围,与普通照明光类似,图像逼真清晰,但是不能提高毛细血管和皮下微血管的对比度。NBI和FICE成像系统的问世解决了这一难题。有研究表明,可见光谱中,光子渗透到胃肠黏膜组织的深度取决于光源的波长,即波长越短,黏膜渗透深度越浅。此外,血红蛋白是吸收可见光的主要物质,对蓝光,绿光吸收率很高,而对红光基本上不吸收[8,9,10,11]。因此,消化道黏膜表面的浅表毛细血管对415nm的蓝光吸收率高,而皮下微血管对540nm的绿光吸收率高。
奥林巴斯公司研制的NBI系统和普通电子内镜不同的是采用了窄带干涉蓝/绿滤光片,产生中心波长分别为415nm、540nm,带宽为30nm的蓝绿窄带光波作为光源照明,如图2所示。而富士能FICE系统,又称最佳谱带成像系统,与NBI系统的区别在于没有安装特殊的窄带干涉滤光片,而是将普通电子内镜图像分解成单一波长的分光图像,通过光谱估计与电子分光技术选用任意波长红(R)、绿(G)、蓝(B)三色光组合,产生独立波长的频谱图像,并通过光谱估计算法处理器重建得到FICE图像,如图3所示。它可以在400~600nm之间以5nm间隔任意选择波长,最多可有50种波长组合,富士能EPX-4400系统具有十种波长的光组合预设,以达到电子染色的目的。
1.2.3 NBI与FICE的临床研究进展。
应用NBI和FICE技术诊断消化道疾病方法是:首先按照常规内镜检查方法将内镜插入回盲部,退镜时将内镜切换为NBI或FICE模式,再以较远的视野发现可疑病变,并确定病变组织范围,然后在近距离下联合放大内镜识别黏膜微细血管形态和毛细血管网的改变,从而鉴别良、恶性病变[12]。
多项研究表明,NBI系统联合放大内镜可以清晰地观察到Barrett食管黏膜腺管开口及浅表微血管形态[13];对呈现出淡蓝色的嵴样结构(Light Blue Crest,LBC)的胃肠化病灶,能够高度提示该处为肠化黏膜,其诊断特异性、敏感性及阳性预测值分别为93%、89%、91%[14];NBI在结肠镜中的应用[15],主要是在实时检查过程中分辨肿瘤性与非肿瘤性病变。NBI可观察黏膜表层毛细血管的结构,在结肠肿瘤性病灶周围的正常黏膜表层的毛细血管延伸至病灶边缘处即终止,使得肿瘤性病变与周围正常黏膜的边界更为清晰。同时肿瘤性病灶内的血管密度高,结构紊乱,在窄波光照射下,病灶色调更深,在视野中更为突出。
FICE技术应用于诊断消化道疾病的研究报道较少,但仍有研究表明,FICE系统有利于诊断凹陷型早期胃癌,诊断Barrett食管,鉴别慢性萎缩性胃炎肠化生类型,可增加内镜诊断乳糜泻的准确性,诊断复杂胃食管反流病(GERD)等。
2 结果
通过对电子内镜NBI、FICE技术的系统结构原理、成像特点、临床应用进行比较,NBI系统主要是通过NBI或Filter功能键切换普通广谱滤光片至窄带滤光片,并通过消化道组织黏膜对窄带光的吸收与反射作用进行成像的;而FICE系统是通过FICE功能键激活图像处理中心的光谱估计处理器及相应算法和程序进行重建图像的,具体区别如表1所示。
3 讨论
电子内镜窄带成像技术与智能分光比色技术,都是近年来开发并投入临床使用的,代表了最先进的“电子染色”技术。NBI系统是基于光学原理基础上研究突破的,而FICE则是利用不同波长的光与组织的吸收和反射光谱在CCD上成像,并通过图像处理功能实现“窄带成像”的。NBI图像由于缺少红光成分,故提高了观察微血管和毛细血管的对比度,血管与黏膜组织的边界较清晰;而FICE图像是独立波长光图像重建之后得到的,图像较NBI更逼真,同样能达到色素内镜的效果。
