詳解五種常見(jiàn)的濾波器

在電子工程領(lǐng)域，濾波器是信號(hào)處理中不可或缺的一環(huán)。它們被廣泛應(yīng)用于通信、音頻處理、圖像處理以及控制系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域，用于濾除不需要的頻率成分，保留或增強(qiáng)所需信號(hào)。

與天線一樣，濾波器正成為聯(lián)網(wǎng)混頻器中一個(gè)日益重要的部分。

移動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)和 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)的快速增長(zhǎng)也導(dǎo)致了對(duì)新頻段以及通過(guò)載波聚合來(lái)組合頻段的需求不斷增長(zhǎng)，以容納無(wú)線流量。3G 網(wǎng)絡(luò)只使用了大約五個(gè)頻段，LTE 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在使用的頻段有 40 多個(gè)，隨著 5G 的到來(lái)，頻段的使用數(shù)量還會(huì)進(jìn)一步增加。

濾波器作為一種重要的選頻裝置，在電子領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它能夠允許特定頻率成分通過(guò)，同時(shí)衰減其他頻率成分。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其基本作用就像是一個(gè)頻率的 “篩選器”，對(duì)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行區(qū)分處理。

在通信系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用廣泛，它可以有效去除信號(hào)干擾，具備優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。例如，在基站中，濾波器能夠確保特定頻率的信號(hào)順利傳輸，而將干擾信號(hào)濾除，從而提高通信質(zhì)量。

濾波器的作用主要體現(xiàn)在多個(gè)方面。一方面，它可以將有用的信號(hào)與噪聲分離，提高信號(hào)的抗干擾性及信噪比。在復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境中，濾波器能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出所需的信號(hào)頻率，并將其與各種噪聲干擾區(qū)分開(kāi)來(lái)，使得接收端能夠獲得更清晰、更可靠的信號(hào)。另一方面，濾波器還可以濾掉不感興趣的頻率成分，提高分析精度。在頻譜分析等應(yīng)用中，通過(guò)選擇特定的頻率范圍進(jìn)行分析，可以更準(zhǔn)確地了解信號(hào)的特征和性質(zhì)。此外，濾波器還能從復(fù)雜頻率成分中分離出單一的頻率分量，滿足特定的信號(hào)處理需求

濾波器是 RF 設(shè)計(jì)工程師必不可少的工具，但它們也面臨著諸多挑戰(zhàn)。對(duì)于起動(dòng)器來(lái)說(shuō)，濾波器的性能會(huì)隨著溫度的變化而變化。如今各種設(shè)備中的濾波器所承受的平均溫度可達(dá) 60 攝氏度(140 華氏度)或更高，而室內(nèi)濾波器所承受的平均溫度為 25 攝氏度(77 華氏度)。鯊魚(yú)鰭或車(chē)頂中嵌入的濾波器所承受的溫度甚至更高。

濾波器的溫度越高，就越難過(guò)濾掉特定頻率，信號(hào)因而就越有可能“漂移”至相鄰頻段。

“我特別喜歡靜態(tài)白噪聲、電話合用線，還有通話掉線”，從來(lái)沒(méi)人會(huì)這樣說(shuō)。

由于新分配的很多頻段與現(xiàn)有頻段十分接近，管理溫度漂移便顯得尤為重要。與此同時(shí)，載波聚合 (CA) 也在迅速發(fā)展，蜂窩服務(wù)提供商最多可將 5 個(gè)載波信道組合在一起來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能，其中精確濾波是必備條件。

為了解決溫度問(wèn)題，RF 行業(yè)正在開(kāi)發(fā)低漂移和無(wú)漂移的濾波器技術(shù)。表面聲波 (SAW) 和體聲波 (BAW) 濾波器在溫度發(fā)生變化時(shí)依然能保持性能高度穩(wěn)定，可滿足新興設(shè)備嚴(yán)苛的性能要求。

如上文所述，下一代的高端智能手機(jī)同樣需要配備更多濾波器。與 RF 的所有其他組件類(lèi)似，留給濾波器的空間十分有限。工程師必須要能將多個(gè)濾波器整合進(jìn)更小的空間內(nèi)，才能發(fā)揮出更高性能。

一、低通濾波器(Low-Pass Filter，LPF)

1. 定義：低通濾波器允許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)，而高于截止頻率的信號(hào)則被削弱或阻止。

2. 作用：低通濾波器常用于去除高頻噪聲，平滑信號(hào)波形，例如音頻信號(hào)的平滑處理、圖像中的細(xì)節(jié)模糊處理等。

二、高通濾波器(High-Pass Filter，HPF)

1. 定義：高通濾波器允許高于截止頻率的信號(hào)通過(guò)，而低于截止頻率的信號(hào)則被削弱或阻止。

2. 作用：高通濾波器常用于提取信號(hào)中的高頻成分，如音頻信號(hào)中的高音部分、圖像中的邊緣信息等。在通信系統(tǒng)中，高通濾波器也被用于分離低頻干擾信號(hào)。

三、帶通濾波器(Band-Pass Filter，BPF)

1. 定義：帶通濾波器允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而該范圍之外的信號(hào)則被削弱或阻止。

2. 作用：帶通濾波器常用于選頻電路中，如無(wú)線電接收機(jī)中的調(diào)諧電路、頻分復(fù)用系統(tǒng)中的信道選擇等。通過(guò)設(shè)定合適的頻率范圍，帶通濾波器可以濾除不需要的頻率成分，提高信號(hào)質(zhì)量。

四、帶阻濾波器(Band-Stop Filter，BSF)

1. 定義：帶阻濾波器阻止一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而該范圍之外的信號(hào)則可以通過(guò)。

2. 作用：帶阻濾波器常用于消除特定頻率的干擾信號(hào)，如無(wú)線電通信中的雜散信號(hào)、電力系統(tǒng)中的諧波干擾等。通過(guò)設(shè)定需要阻止的頻率范圍，帶阻濾波器可以有效地抑制干擾信號(hào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

五、全通濾波器(All-Pass Filter，APF)

1. 定義：全通濾波器對(duì)所有頻率的信號(hào)都有相同的增益和相位延遲。

2. 作用：全通濾波器主要用于調(diào)整信號(hào)的相位而不改變其幅度。在音頻處理中，全通濾波器常被用于調(diào)整不同頻率成分之間的相位關(guān)系，以達(dá)到特定的音效效果。

六、結(jié)論

濾波器作為電子工程中的重要元件，在信號(hào)處理中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)選擇合適的濾波器類(lèi)型和參數(shù)設(shè)置，可以有效地濾除不需要的頻率成分，保留或增強(qiáng)所需信號(hào)，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景選擇合適的濾波器類(lèi)型，并合理設(shè)置其參數(shù)以達(dá)到最佳效果。