一种音频带通滤波器的制作方法

本实用新型涉及语音通信系统中的一种甚高频通信中的语音通信系统，包括民航、军用、林业、教学、渔业等甚高频通信指挥领域，具体涉及其中的模拟话音信号的音频处理，涉及到这一处理过程的音频响应以及邻道功率抑制技术这两个指标部分，尤其涉及一种音频带通滤波器。

背景技术：

现在的甚高频通信主要以语音通信为主，语音通信就涉及到话音音频处理这一技术。人耳能够听到的话音频率范围为100Hz～5000Hz，而人们平时讲话时话音的主要能量是集中在300～3400Hz的频率之间。

而甚高频通信设备多采用交流供电，交流50Hz的干扰信号会混入话音信号之中；另外超过3400Hz的一些高频噪声也会干扰到正常的话音通信，尤其是飞行员在佩戴耳机通信时，不希望听到刺耳高频噪声。

另外，现在的甚高频通信多采用AM调制的方式，而AM调制传送的是模拟话音信号，当该话音信号中有较多的噪声信号时，会影响以下三个方面：首先，整个话音信号的失真会受到严重影响，话音通信的质量就会受到影响，发射出的话音信号里可能会有杂音；其次，载波的调制度也会受到影响，导致收听到的信号声音十分微弱，进一步恶化了通信质量；最后，如果其中混有幅度较强的干扰信号，也会对载波形成调制，从而在相邻的信道里产生杂波，干扰相邻信道的话音通信。

关于最后一点，补充说明如下：以民航甚高频通信为例，多采用25KHz为一个信道，如果不对发射的话音进行音频处理，若有超过25KHz的干扰信号混入话音信号中，就会在载波的左右两个距离25KHz的旁瓣中产生杂散，如果该信道相邻的两个信道有其他的话音通信在同时进行，就会干扰到这两个邻道的通信话音质量。

在此背景下，甚高频话音通信必须加入音频处理部分，以达到提高话音通信质量，抑制干扰的目的。

由于不同的应用场合下，对于话音信号的处理要求不一样，这就要求话音处理能够适应不同的要求，具有一定的灵活性；并且由于行业对于话音信号质量要求较高，要求话音处理不能恶化原有的话音质量，话音信号失真度要很低；其次，为保证对干扰信号的抑制度，话音处理对于带外信号的抑制度要尽可能的高；最后，话音处理对带内有用信号的平坦度也要较为平坦，满足行业和国际标准。综上，这就导致了完全满足标准要求的甚高频话音通信音频处理具有一定的难度。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种体积小、元件少、失真地的音频带通滤波器，以解决现有技术存在的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种音频带通滤波器，包括依次相连的高通滤波器Ⅰ、低通滤波器Ⅰ、低通滤波器Ⅱ、低通滤波器Ⅲ、高通滤波器Ⅱ。

获取原始信号中频率信号范围为mHZ~nHZ的信号时，

所述高通滤波器Ⅰ为滤除频率不高于aHZ频率的信号的高通滤波器，所述a不大于m；

所述低通滤波器Ⅰ为滤除频率不低于bHZ频率的信号的低通滤波器，所述b小于n；

所述低通滤波器Ⅱ为滤除频率不低于cHZ频率的信号、且对低通滤波器Ⅰ滤除的频率具有增益作用的低通滤波器，所述c大于n;

所述低通滤波器Ⅲ为滤除频率不低于dHZ频率的信号、且对低通滤波器Ⅰ滤除的频率具有增益作用的低通滤波器，所述d大于c；

所述高通滤波器Ⅱ为滤除频率不高于eHZ频率的信号、且对经过高通滤波器Ⅰ的原始信号具有增益作用的高通滤波器，所述e小于a；

所述a、b、c、d、e、m、n均为自然数。

所述高通滤波器Ⅰ和高通滤波器Ⅱ均包括：

一个放大器、两个电阻、两个电容，输入信号与放大器的同相输入端之间依次连接电容Ⅰ和电容Ⅱ，电容Ⅱ与同相输入端之间的导线上连接电阻Ⅰ的一端，电阻Ⅰ的另一端接地，；两个电容Ⅰ和电容Ⅱ之间的到线上连接电阻Ⅱ的一端，电阻Ⅱ的另一端连接放大器的反相输入端和放大器的输出端；

所述低通滤波器Ⅰ包括：

一个放大器、三个电阻、两个电容，前一级滤波器输出端与放大器的同相输入端之间依次连接有电阻Ⅲ、电阻Ⅳ，电阻Ⅴ的一端连接在在电阻Ⅲ和电阻Ⅳ之间，另一端同时连接在电容Ⅲ的一端和放大器的输出端，电容Ⅲ的另一端连接在电阻Ⅳ和放大器的同相输入端之间；电容Ⅳ的一端连接在电阻Ⅲ和电阻Ⅳ之间，另一端接地；放大器的反向输入端接地；

所述低通滤波器Ⅱ包括：

一个放大器、三个电阻、两个电容，前一级滤波器输出端与放大器的反相输入端之间依次连接有电阻Ⅵ、电阻Ⅶ，电阻Ⅷ的一端连接在在电阻Ⅵ和电阻Ⅶ之间，另一端同时连接在电容Ⅴ的一端和放大器的输出端，电容Ⅴ的另一端连接在电阻Ⅵ和放大器的反相输入端之间；电容Ⅵ的一端连接在电阻Ⅵ和电阻Ⅶ之间，另一端接地；放大器的同向输入端接地；

所述低通滤波器Ⅲ包括：

一个放大器、四个电阻、两个电容，前一级滤波器输出端与放大器的同相输入端之间依次连接有电阻Ⅸ、电阻Ⅺ、电阻Ⅻ，电阻Ⅹ的一端连接在在电阻Ⅸ和电阻Ⅺ之间，另一端同时连接在电容Ⅷ的一端和放大器的输出端，电容Ⅷ的另一端连接在电阻Ⅻ和放大器的同相输入端之间；电容Ⅶ的一端连接在电阻Ⅸ和电阻Ⅹ之间，另一端接地；放大器的反向输入端接地。

所述放大器为TL074ID的集成芯片，所述电阻和电容采用陶瓷贴片式的电阻和陶瓷贴片式的电容。

本实用新型的有益效果：（1）该滤波器可以单独设计成模块工作，也可以在设计甚高频通信设备时一并设计在电路之中；（2）该滤波器具有体积小、元件少、发热量低、一致性好、可调方便简单、失真小、不引入干扰、故障率极低、部分指标领先国内外甚高频设备等众多特点；（3）话音信号经过该滤波器处理后，话音质量有明显提升，音频响应及带外抑制指标均有明显提升。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的电路图。

具体实施方式

下面结合附图1~2和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

本发明提供一种音频带通滤波器，包括依次相连的高通滤波器Ⅰ、低通滤波器Ⅰ、低通滤波器Ⅱ、低通滤波器Ⅲ、高通滤波器Ⅱ。它们共同组成了一个带通滤波器，用于滤除无用的干扰信号，保留有用的话音信号。话音信号依次通过这五个滤波器，分别滤除相应的无用部分，最终达到满足指标的话音信号，完成话音信号的处理。

如果需要获取原始信号中的频率信号范围为mHZ~nHZ的信号时，上述的五个滤波器的设置如下：

高通滤波器Ⅰ用于滤除频率不高于aHZ频率的信号，此时a不大于m，优选a小于m；

低通滤波器Ⅰ用于滤除频率不低于bHZ频率的信号，此时b小于n，优选b位于m和n的中间数值附近；

低通滤波器Ⅱ用于滤除频率不低于cHZ频率的信号，并且对低通滤波器Ⅰ滤除的频率段的信号具有增益作用，具体来说，是对低通滤波器Ⅰ滤除的频率段的部分信号具有较大的增益，用于补偿低通滤波器Ⅰ对这段频率的衰减，此时c大于n；

低通滤波器Ⅲ用于滤除频率不低于dHZ频率的信号，并且对低通滤波器Ⅰ滤除的频率具有增益作用，具体来说，是对低通滤波器Ⅰ滤除的频率段的部分信号具有较大的增益，用于补偿低通滤波器Ⅰ对这段频率的衰减，此时d大于c；

低通滤波器Ⅱ和低通滤波器Ⅲ所补偿的频率段可以具有交集，但是需要覆盖低通滤波器Ⅰ造成衰减的全部频率段。

高通滤波器Ⅱ用于滤除频率不高于eHZ频率的信号，并且对经过高通滤波器Ⅰ造成衰减的原始信号的频段具有增益作用，e小于a；上述a、b、c、d、e、m、n均为自然数。

本发明中的带通滤波器采用纯硬件电路设计，无需软件控制，可靠性强，话音信号时延非常低，不存在漏话音或者丢失话音的可能性。

具体电路设计中，高通滤波器Ⅰ和高通滤波器Ⅱ的电路结构相同，均包括：

一个放大器、两个电阻、两个电容，输入信号与放大器的同相输入端之间依次连接电容Ⅰ和电容Ⅱ，电容Ⅱ与同相输入端之间的导线上连接电阻Ⅰ的一端，电阻Ⅰ的另一端接地，；两个电容Ⅰ和电容Ⅱ之间的到线上连接电阻Ⅱ的一端，电阻Ⅱ的另一端连接放大器的反相输入端和放大器的输出端。

低通滤波器Ⅰ包括：

一个放大器、三个电阻、两个电容，前一级滤波器输出端与放大器的同相输入端之间依次连接有电阻Ⅲ、电阻Ⅳ，电阻Ⅴ的一端连接在在电阻Ⅲ和电阻Ⅳ之间，另一端同时连接在电容Ⅲ的一端和放大器的输出端，电容Ⅲ的另一端连接在电阻Ⅳ和放大器的同相输入端之间；电容Ⅳ的一端连接在电阻Ⅲ和电阻Ⅳ之间，另一端接地；放大器的反向输入端接地。

低通滤波器Ⅱ包括：

一个放大器、三个电阻、两个电容，前一级滤波器输出端与放大器的反相输入端之间依次连接有电阻Ⅵ、电阻Ⅶ，电阻Ⅷ的一端连接在在电阻Ⅵ和电阻Ⅶ之间，另一端同时连接在电容Ⅴ的一端和放大器的输出端，电容Ⅴ的另一端连接在电阻Ⅵ和放大器的反相输入端之间；电容Ⅵ的一端连接在电阻Ⅵ和电阻Ⅶ之间，另一端接地；放大器的同向输入端接地。

低通滤波器Ⅲ包括：

一个放大器、四个电阻、两个电容，前一级滤波器输出端与放大器的同相输入端之间依次连接有电阻Ⅸ、电阻Ⅺ、电阻Ⅻ，电阻Ⅹ的一端连接在在电阻Ⅸ和电阻Ⅺ之间，另一端同时连接在电容Ⅷ的一端和放大器的输出端，电容Ⅷ的另一端连接在电阻Ⅻ和放大器的同相输入端之间；电容Ⅶ的一端连接在电阻Ⅸ和电阻Ⅹ之间，另一端接地；放大器的反向输入端接地。

该带通滤波器主要由运算放大器和电阻、电容组成，运算放大器采用集成芯片TL074ID，电阻电容采用分立的陶瓷贴片式电阻电容。整个滤波器共采用5个运算放大器，14个电容以及14个电阻所组成，即只需要2块TL074ID(每块集成4个运放)和电阻电容即可，电阻电容可选用0603或者更小的封装，这就保证了该带通滤波器体积小，便于安装的特点。同时该滤波器在供电部分只需要提供±10V即可，所需总电流不超过100mA，既经济又低功耗。

该滤波器电路所采用的电路结构在各种通用的软件仿真环境下都可以得出非常接近于实际的波形结果，在电路焊装贴片前，根据具体场合对于话音处理的不同要求，通过仿真确定出不同的阻值和容值，直接焊装即可，无需过多调试，在电阻电容满足一定精度的条件下，电路的一致性非常好。

该滤波器设计思想在电路的基础上经过严密的数学以及物理推算，能够从理论上保证不会对话音信号引入新的干扰或者产生自激效应。并且消耗的功率非常小，由此保证了发热量很低，无需专门的散热措施。

该滤波器对输入话音信号幅度要求较低，在600Ω阻抗下只需提供50mV～100mV电压的话音信号即可保证电路正常工作。输入输出都采用单端的不平衡模式。

该滤波器可以单独设计成模块工作，也可以在设计甚高频通信设备时一并设计在电路之中。

该滤波器具有体积小、元件少、发热量低、一致性好、可调方便简单、失真小、不引入干扰、故障率极低、部分指标领先国内外甚高频设备等众多特点。

话音信号经过该滤波器处理后，话音质量有明显提升。音频响应及带外抑制指标均有明显提升。

最常见的音频处理方式为：保留话音信号300Hz～3400Hz的频率成分，滤除其他的频率成分，并对100Hz和5000Hz的频率点作了专门的要求。所以以该种处理方式为一个实施例，具体阐述该带通滤波器的工作工程。

如图1所示：

单端不平衡话音信号首先进入高通滤波器Ⅰ之中，高通滤波器Ⅰ是一个截止频率为230Hz的高通滤波器，将话音信号中低于230Hz的频率成分滤除掉，由于对于带外的抑制较高，会对300Hz～600Hz的频率部分造成一定的衰减，靠后级的滤波器进行补偿。

话音信号经过高通滤波器Ⅰ之后，再进入低通滤波器Ⅰ中。低通滤波器Ⅰ是一个截止频率为1500Hz的低通滤波器，滤除话音信号中高于1500Hz的频率成分，于是不可避免的将对1500Hz～3400Hz的频率成分造成一定的衰减，这可以通过后级的滤波器进行补偿。但该滤波器的截止频率是三个低通滤波器之中距离5000Hz最远的，于是保证了对5000Hz频率点以及更高的频率点有足够的抑制性，从而达到消除高频噪声，抑制干扰的目的。

话音信号经过低通滤波器Ⅰ之后，再进入低通滤波器Ⅱ中。低通滤波器Ⅱ是一个截止频率为3700Hz的低通滤波器，用于滤除话音信号中高于3700Hz的频率成分。但是这个滤波器不同于高通滤波器Ⅰ、低通滤波器Ⅰ，对1500Hz到3000Hz的频率成分有较大的增益，也就是补偿而来低通滤波器Ⅰ对于这段频率的衰减。这样设计的目的是由于行业及国际标准对于300Hz～3400Hz的频率范围内的话音信号增益和插损都作出了明确规定。

话音信号经过低通滤波器Ⅱ之后，再进入低通滤波器Ⅲ中。低通滤波器Ⅲ是一个截止频率为5000Hz的低通滤波器，用于滤除话音信号中高于5000Hz的频率成分。这个滤波器对1900Hz到3400Hz的频率成分进行了补偿。通过低通滤波器Ⅱ和d的共同补偿作用，抵消了低通滤波器Ⅰ对于1500Hz～3400Hz内话音信号的衰减，同时保证了对高于3400Hz频率成分的话音信号的抑制作用。

话音信号经过低通滤波器Ⅲ之后，最后进入高通滤波器Ⅱ中。高通滤波器Ⅱ是一个截止频率为230Hz的高通滤波器，将话音信号中低于230Hz的频率成分滤除掉，同时该滤波器对300Hz～600Hz的频率部分进行了补偿，这就抵消了高通滤波器Ⅰ对于300Hz～600Hz内话音信号的衰减。

话音信号经过高通滤波器Ⅱ之后，就完成了带通滤波过程。之后仍然以单端不平衡的方式输出。经过这一处理过程后，可以完全滤除话音信号中高频和低频干扰信号，得到纯净的话音信号。

如图2所示，为本发明的实施例电路示意图。

高通滤波器Ⅰ包括放大器N1A，输入信号AF-IN与放大器N1A之间依次连接电容C1和电容C2，电阻R1的一端连接在电容C1和电容C2之间，另一端分别连接在放大器N1A的输出端和放大器N1A反相输入端，电阻R2的一端连接在电容C2与放大器N1A的输入端之间，另一端接地。

低通滤波器Ⅰ包括放大器N1B、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4，低通滤波器Ⅰ接收上一级放大器N1A的输出端的输出信号，输出信号依次通过电阻R3和电阻R5输入到放大器N1B的同向输入端，电阻R4的一端连接在电阻R3和电阻R5之间，另一端通过电容C4连接在电阻R5和放大器N1B之间，电阻R4的另一端同时还连接放大器N1B的输出端，电容C3的一端连接在电阻R3和电阻R5之间，另一端接地。

低通滤波器Ⅱ包括放大器N1C、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C5、电容C6，低通滤波器Ⅱ接收上一级放大器N1B的输出端的输出信号，输出信号依次通过电阻R6和电阻R8输入到放大器N1C的反向输入端，电阻R7的一端连接在电阻R6和电阻R8之间，另一端通过电容C6连接在电阻R8和放大器N1C之间，电阻R7的另一端同时还连接放大器N1C的输出端，电容C5的一端连接在电阻R6和电阻R8之间，另一端接地。

低通滤波器Ⅲ包括放大器N1D、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C7、电容C8，低通滤波器Ⅰ接收上一级放大器的输出端的输出信号，输出信号依次通过电阻R9和电阻R11、电阻R12输入到放大器N1D的同向输入端，电阻R10的一端连接在电阻R9和电阻R11之间，另一端通过电容C8连接在电阻R12和放大器N1D同相输入端之间，电阻R10的另一端同时还连接放大器N1D的输出端，电容C7的一端连接在电阻R9和电阻R11之间，另一端接地。

高通滤波器包括放大器N2A，上一级的信号输入端与放大器N2A之间依次连接电容C9和电容C10，电阻R13的一端连接在电容C9和电容C10之间，另一端分别连接在放大器N2A的输出端和放大器N2A反相输入端，电阻R14的一端连接在电容C10与放大器N2A的输入端之间，另一端接地。

上述中的电路是根据运算放大器的积分、微分运算原理以及电容的交流特性基础上设计的。

根据电容对交流的容抗与其频率成反比的特性，将电容C1、电容C2、电容C9、电容C10放置于电路通路中，起到高通的作用，将电容C3、电容C5、电容C7旁路，起到低通的作用。

运算放大器N1B、运算放大器N1C、运算放大器N1D则根据积分运算电路的低通特性原理设计的。而积分运算电路与微分运算电路之间有对偶性，据此设计出了运算放大器N1A和运算放大器N2A这两个高通滤波器。

将高通和低通滤波器级联在一起，就构成了带通滤波器。其中电阻和电容的参数是根据带外抑制度及带内平坦度的要求计算出来的。

该带通滤波器采用有源滤波的方式，在原有话音信号失真的基础上，基本不引入新的失真；采用十阶滤波器，可以有效的抑制带外干扰信号的幅度，同时保证了带内信号的平坦度。该滤波器总体指标皆满足行业及国际标准，部分指标甚至超过了国内外甚高频设备的指标。

该滤波器需要外供±10V电压，若话音信号幅度较低只需提供±5V电压即可，总电流不超过100mA，对输入信号幅度要求不高。

当在其他应用场合，需要调整话音处理的频率范围时，只需要对照最常见的音频处理方式，对相应截止频率的电阻电容进行些许调整，即可很好的满足要求。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。