濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經典濾波和現代濾波。
基本介紹
- 中文名：信號濾波器
- 外文名：Signal filter
- 學科：物理學
- 分類：典濾波和現代濾波
信號濾波器原理,信號濾波器作用,
信號濾波器原理
濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經典濾波和現代濾波。經典濾波的概念，是根據傅立葉分析和變換提出的一個工程概念。根據高等數學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率範圍內的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經典濾波器或濾波電路。
實際上，任何一個電子系統都具有自己的頻頻寬度（對信號最高頻率的限制），頻率特性反映出了電子系統的這個基本特點。而濾波器，則是根據電路參數對電路頻頻寬度的影響而設計出來的工程套用電路。
用模擬電子電路對模擬信號進行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實現對信號中頻率成分的選擇。根據頻率濾波時，是把信號看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號，通過選擇不同的頻率成分來實現信號濾波。
當允許信號中較高頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做高通濾波器。
當允許信號中較低頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做低通濾波器。
當只允許信號中某個頻率範圍內的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做帶通濾波器。
當不允許信號中某個頻率範圍內的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做帶阻濾波器。
圖示：
理想濾波器的行為特性通常用幅度-頻率特性圖描述，也叫做濾波器電路的幅頻特性。理想濾波器的幅頻特性如圖所示。圖中，w1和w2叫做濾波器的截止頻率。 濾波器頻率回響特性的幅頻特性圖 對於濾波器，增益幅度不為零的頻率範圍叫做通頻帶，簡稱通帶，增益幅度為零的頻率範圍叫做阻帶。
例如對於LP，從-w1當w1之間，叫做LP的通帶，其他頻率部分叫做阻帶。通帶所表示的是能夠通過濾波器而不會產生衰減的信號頻率成分，阻帶所表示的是被濾波器衰減掉的信號頻率成分。通帶內信號所獲得的增益，叫做通帶增益，阻帶中信號所得到的衰減，叫做阻帶衰減。在工程實際中，一般使用dB作為濾波器的幅度增益單位。低通濾波器低通濾波器的基本電路特點是，只允許低於截止頻率的信號通過。
（1）一階低通Butterworth濾波電路下圖a和b是用運算放大器設計的兩種一階Butterworth濾波電路的電路。圖a是反相輸入一階低通濾波器，實際上就是一個積分電路，其分析方法與一階積分電路相同。 基本濾波電路 演示圖b是同相輸入的一階低通濾波器。根據給定的電路圖可以得到 對濾波器來說，更關心的是正弦穩態是的行為特性，利用拉氏變換與富氏變換的關係，有 下圖是上式RC=2時的幅頻特性和相頻特性波特圖。RC=2時一階Butterworth低通濾波器的頻率回響特性
（2）二階低通Butterworth濾波電路下 圖是用運算放大器設計的二階低通Butterworth濾波電路。 二階Butterworth低通濾波電路 直接採用頻域分析方法得到 其中k = 1+R1/R2 。令Q=1/（3-k），w0=1/RC，則可以寫成 其中k相當於同相放大器的電壓放大倍數，叫做濾波器的通帶增益，Q叫做品質因數，w0叫做特徵角頻率。下圖是二階低通濾波器在RC=2時的波特圖，其中圖a是Q>0.707時的效果，圖b是Q=0.707時的效果，圖c是Q<0.707時的效果。 (a) Q>0.707 (b) Q=0.707 (c)Q<0.707二階低通濾波器在RC=2時的波特圖 從圖中可以看出，當Q>0.707 或Q<0.707時，通帶邊沿處會出現比較大的不平坦現象。因此，品質因數表明了濾波器通帶的狀態。一般要求Q=0.707。由此可以得到 這就是二階Butterworth濾波器電壓增益得計算0.707公式。令Q=0.707，得0.414R2 = 0.707R1 通常把最大增益倍所對應的信號頻率叫做截止頻率，這時濾波器具有3dB的衰減。利用濾波器幅頻特性的概念，可以得到截止頻率w0 =w =1/RC，即 f =1/2pRC 高通濾波器的特點是，只允許高於截止頻率的信號通過。下圖是二階Butterworth高通濾波器電路的理想物理模型。 直接採用頻域分析方法，並令k = 1+R1/R2 ，Q =1/（3-k），w0=1/RC，則可以得到二階Butterworth高通濾波電路的傳遞函式為 二階Butterworth高通濾波電路 演示高通濾波器 考慮正弦穩態條件下，s=jw，得 二階BButterworth高通濾波器在頻率回響特性與低通濾波器相似，當Q>0.707或Q<0.707時，通帶邊沿處會出現不平坦現象。有關根據品質因數Q計算電路電阻參數R1 和R2的方法與二階低通濾波器的計算相同。同樣，利用濾波器幅頻特性的概念，可以得到截止頻率w0 =w =1/RC，即 f =1/2pRC
信號濾波器作用
信號線濾波器的主要作用是解決空間電磁干擾問題，例如設備向空間輻射較強的電磁干擾，或者設備對空間的電磁干擾敏感等問題。前面看到的信號線電纜與電源線電纜之間的耦合導致傳導發射在高頻超標的現象，就是由於信號線上的高頻干擾通過空間耦合到了電源線上造成的。出現這種現象是因為信號電纜本身就是一條效率很高的輻射和接收天線，它造成的危害如下：
1)造成很強的超標輻射：機箱內的電磁能量在電纜上感應出共模電壓和電流，共模電流在電纜上流動，產生了共模輻射。這種輻射往往是設備產生超標輻射的主要原因。
2)設備周圍環境空間中的電磁能量被電纜接收到後，形成共模電流，沿著導線傳進機箱，一方面對與電纜直接連線的電路產生干擾，另一方面藉助導線再次輻射，對機箱內的其它電路（沒有直接與電纜連線的電路）造成干擾。
3)造成禁止體或隔離層被破壞，產生這種作用的原因也是電纜的對電磁波的接收和再次輻射，導致電磁能量通過電纜泄漏，從現象上看就是禁止體的禁止效能將低。
理論和實驗均表明：設備上的電纜是電磁兼容上最薄弱的環節。信號線濾波器的作用就是解決上述三個方面的問題。下面的結論是十分重要的：
任何穿過禁止體或隔離體的導線或電纜都會破壞原有的禁止效果和隔離效果，對這些導線，必須採取濾波措施。
信號線濾波以共模濾波為主。這是因為電纜上感應的電流一般都是共模形式的，而對信號電纜上傳輸的差模信號，希望不產生任何影響。
