濾波器知識科普

濾波器簡介：

濾波器是一種用于信號處理的設(shè)備或系統(tǒng)，用于改變信號的頻率特性，以實現(xiàn)信號的濾波、增強、去噪或降噪等功能。

濾波器根據(jù)其工作方式可以分為數(shù)字濾波器和模擬濾波器。數(shù)字濾波器處理數(shù)字信號，通常通過數(shù)字信號處理器(DSP)或嵌入式系統(tǒng)中的軟件算法實現(xiàn)。模擬濾波器處理連續(xù)時間的信號，通常使用電路元件實現(xiàn)。

濾波器的頻率響應是指它對不同頻率信號的響應情況。根據(jù)頻率響應，濾波器可以分為低通、高通、帶通、帶阻等類型。低通濾波器允許低于截止頻率的信號通過，而高于截止頻率的信號被抑制;高通濾波器則相反，它允許高于截止頻率的信號通過，而抑制低于截止頻率的信號。

模擬濾波器的實現(xiàn)方法(無源濾波器和有源濾波器)：

有源濾波器和無源濾波器都是用于信號處理和濾波的電路，但它們使用的元件和原理略有不同。

無源濾波器是只由被動元件(如電阻、電容、電感)組成的濾波器。它們不能提供增益，因為它們沒有任何放大器或其他主動元件。它們的設(shè)計和性能受限于被動元件的特性，因此它們通常用于較低頻率的應用。其中最常見的無源濾波器是RC濾波器和LC濾波器。RC濾波器通常用于低頻應用，而LC濾波器則適用于高頻應用。

有源濾波器則包含主動元件，如運放(放大器)、晶體管、場效應管等，可以在電路中提供放大增益。它們通常用于高頻應用，可以提供比無源濾波器更高的增益和更陡峭的濾波特性。有源濾波器可以使用各種不同的拓撲結(jié)構(gòu)和元件組合，例如Sallen-Key、Butterworth和Chebyshev濾波器等。

總的來說，無源濾波器比較簡單且適用于較低頻率的應用，而有源濾波器則可以提供更高的增益和更陡峭的濾波特性，適用于更高頻的應用。

濾波器的形態(tài)分類：

低通濾波器(Low-pass Filter，LPF)：允許低頻信號通過，阻止高頻信號通過。

高通濾波器(High-pass Filter，HPF)：允許高頻信號通過，阻止低頻信號通過。

帶通濾波器(Band-pass Filter，BPF)：允許一定范圍內(nèi)的頻率信號通過，阻止其他頻率信號通過。

帶阻濾波器(Band-stop Filter，BSF)：阻止一定范圍內(nèi)的頻率信號通過，允許其他頻率信號通過。

全通濾波器(All-pass Filter，APF)：通過所有頻率的信號，但改變其相位響應，所以也可以稱為“相移濾波器”。

這些濾波器形態(tài)可以用各種不同的電路實現(xiàn)，例如RC濾波器、LC濾波器、活塞濾波器、巴特沃斯濾波器等。濾波器的形態(tài)分類和電路實現(xiàn)方式通常根據(jù)具體應用需求來選擇。

模擬濾波器的傳遞函數(shù)和階數(shù)：

一階高通濾波器：

二階低通濾波器：

二階高通濾波器：

二階窄帶通濾波器：

總之，濾波器就是圍繞著傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)的選擇，演變出形形色色的濾波器形態(tài)，濾波器的階數(shù)越高，其傳遞函數(shù)的表達式就越復雜，相對應的電路也同樣會更復雜，但其帶來的濾波效果更理想。

模擬濾波器的關(guān)鍵頻率點和品質(zhì)因素：

1. 截止頻率(Cutoff Frequency)

是指在這個頻率以下或以上，濾波器的輸出信號的功率或振幅被衰減到原輸入信號的一半(即-3dB)的點。對于低通濾波器和高通濾波器，截止頻率是非常重要的參數(shù)。截止頻率越高，濾波器的通帶范圍就越窄，對高頻信號的抑制也越強。

2.中心頻率(Center Frequency)

通常是指帶通濾波器和帶阻濾波器的中心頻率。對于帶通濾波器來說，中心頻率是指通過濾波器的頻率范圍的中心點，也就是通帶的中心頻率。而對于帶阻濾波器來說，中心頻率則是指在濾波器的阻帶內(nèi)通過的頻率范圍的中心點。

3. 特征頻率

是指在濾波器響應曲線上具有特殊意義的頻率點，通常用于描述濾波器的特性和性能。

對于一階、三階等奇數(shù)階濾波器，傳遞函數(shù)分母上實部和虛部相等的頻率點稱為特征頻率。其特征是奇數(shù)階濾波器的相移依次為±45°，±135°。

對于二階、四階等偶數(shù)階濾波器，傳遞函數(shù)分母上，實部為0的點，或者虛部為0的點稱為特征頻率。其特征是偶數(shù)階濾波器的相移依次為±90°，±180°。

特征頻率點的引入，給濾波器分析帶來了非常大的便利。因為，只依靠截止頻率的話，由于截止頻率的表達式的模式0.707倍，是對其開根號，對于整個求解方程會非常的困難，然后特征頻率點的求解會很方便。

在大多數(shù)的濾波器中，特征頻率并不等于截止頻率，一般來說，僅在巴特沃斯濾波器中，兩者才相等。

4. 通帶增益(Passband Gain)

是指在濾波器的通帶內(nèi)，輸出信號的增益相對于輸入信號的增益。對于一些需要放大信號的應用，通帶增益非常重要，可以通過調(diào)整濾波器的放大倍數(shù)來控制輸出信號的幅度。

5. 阻帶衰減(Stopband Attenuation)

是指在濾波器的阻帶內(nèi)，輸出信號的振幅被衰減的程度。阻帶衰減越大，表示濾波器能夠更好地抑制阻帶內(nèi)的頻率信號。

6. 通帶帶寬(Passband Bandwidth)

是指濾波器的通帶內(nèi)的頻率范圍，一般用截止頻率的差值來表示。通帶帶寬越大，表示濾波器能夠通過更多的頻率信號。

7. 濾波器的品質(zhì)因素(Quality Factor，Q Factor)

是一個用于描述濾波器性能的參數(shù)。它通常用于評估濾波器的選擇性能，即濾波器的帶寬與中心頻率的比例。

品質(zhì)因素越高，表示濾波器的選擇性能越好，帶寬越窄，阻帶和通帶之間的過渡區(qū)域越陡峭。品質(zhì)因素的計算公式為：Q = f0 / Δf。

其中，f0為濾波器的中心頻率，Δf為濾波器的帶寬?？梢钥闯觯攷捲秸?，品質(zhì)因素越高;當帶寬越寬，品質(zhì)因素越低。

品質(zhì)因素還可以用于評估濾波器的損耗和穩(wěn)定性能。例如，在無線電通信中，品質(zhì)因素高的濾波器可以減少干擾和雜波，提高接收信號的質(zhì)量和距離;而在聲音處理中，品質(zhì)因素高的濾波器可以保持音頻信號的清晰度和準確性，避免失真和噪聲。