Полосовой фильтр

При обработке сигналов полосовой фильтр или режекторный фильтр — это фильтр , который пропускает большинство частот без изменений, но ослабляет их в определенном диапазоне до очень низких уровней. ^{[ 1 ]} Это инверсия полосового фильтра . Режекторный фильтр — это полосовой заграждающий фильтр с узкой полосой задерживания (высокая добротность ).

Узкополосные режекторные фильтры ( оптические ) используются в рамановской спектроскопии , воспроизведении живого звука ( системы громкой связи или системы громкой связи) и в усилителях инструментов (особенно усилителях или предусилителях для акустических инструментов, таких как акустическая гитара , мандолина , усилитель басовых инструментов и т. д.). для уменьшения или предотвращения звуковой обратной связи , при этом оказывая мало заметное влияние на остальную часть частотного спектра ( электронные или программные фильтры). Другие названия включают «фильтр ограничения полосы», «фильтр с Т-образной решеткой», «фильтр исключения полосы» и «фильтр полосы пропускания».

Обычно ширина полосы задерживания составляет от 1 до 2 декад (т. е. самая высокая затухающая частота в 10–100 раз превышает затухающую самую низкую частоту). Однако в звуковом диапазоне режекторный фильтр имеет высокие и низкие частоты, которые могут отличаться друг от друга всего на полтона . Из рисунка частотной характеристики идеального полосового фильтра видно, что полосовой фильтр представляет собой просто инвертированный полосовой фильтр , в котором они имеют одинаковое определение полосы пропускания, полосы пропускания , полосы задерживания и центральной частоты . затухание должно быть бесконечным в полосе заграждения Для идеального полосового фильтра и равным нулю в двух полосах пропускания. Полосовые фильтры представляют собой комбинацию фильтра нижних частот и фильтра верхних частот в параллельной конфигурации. Перекрытие не происходит при суммировании фильтра верхних частот и фильтра нижних частот при проектировании полосового фильтра. Разница в начальной и конечной частотных точках приводит к тому, что два фильтра эффективно соединяются без перекрытия.

Математическое описание

Полосовой фильтр можно представить как комбинацию фильтров нижних и верхних частот, если полоса пропускания достаточно широка, чтобы два фильтра не слишком сильно взаимодействовали. нижних частот Более общий подход заключается в разработке прототипа фильтра , который затем можно преобразовать в полосовой заграждающий элемент. Показанный простой режекторный фильтр может быть непосредственно проанализирован. Передаточная функция – это

$H(s)={\frac {s^{2}+\omega _{z}^{2}}{s^{2}+{\frac {\omega _{p}}{Q}}s+\omega _{p}^{2}}}$

Здесь $\omega _{z}$ - нулевая круговая частота и $\omega _{p}$ — круговая частота полюса. Нулевая частота – это частота среза и $\omega _{p}$ устанавливает тип режекторного фильтра: стандартный режекторный, когда $\omega _{z}=\omega _{p}$ , вырез нижних частот ( $\omega _{z}>\omega _{p}$ ) и вырез верхних частот ( $\omega _{z}<\omega _{p}$ ) фильтры. $Q$ обозначает добротность. ^{[ 2 ]}

Для стандартного режекторного фильтра формулировку можно переписать как

$H(s)={\frac {s^{2}+\omega _{0}^{2}}{s^{2}+\omega _{c}s+\omega _{0}^{2}}},$

где $\omega _{0}$ - центральная отклоненная частота и $\omega _{c}$ – ширина отклоненной полосы.

Примеры

В сфере аудио

Противошумный фильтр

Для стран, использующих частотой 60 Гц линии электропередачи :

низкая частота: 59 Гц,
средняя частота: 60 Гц,
высокая частота: 61 Гц.

Это означает, что фильтр пропускает все частоты, кроме диапазона 59–61 Гц. Это будет использоваться для фильтрации шума сети от линии электропередачи частотой 60 Гц, хотя его высшие гармоники все равно могут присутствовать.

Для стран, где передача электроэнергии осуществляется на частоте 50 Гц, фильтр будет иметь диапазон 49–51 Гц.

В радиочастотной (РЧ) области

Нелинейности усилителей мощности

При измерении нелинейностей усилителей мощности очень полезен узкополосный режекторный фильтр, позволяющий избежать несущей частоты . Использование фильтра может гарантировать, что максимальная входная мощность анализатора спектра, используемого для обнаружения паразитного контента, не будет превышена.

Волновая ловушка

Режекторный фильтр, обычно представляющий собой простую LC-схему , используется для удаления определенной мешающей частоты. Этот метод используется с радиоприемниками, которые расположены настолько близко к передатчику, что подавляют все остальные сигналы. Волновая ловушка используется для удаления или значительного ослабления сигнала от ближайшего передатчика. ^{[ 3 ]}

Программно-определяемое радио

Большинство доступных программно-определяемых радиостанций сегодня на рынке (SDR) страдают от ограниченного динамического и рабочего диапазонов. Другими словами, в реальных условиях эксплуатации SDR может легко насыщаться сильным сигналом. В частности, сигналы FM-вещания очень сильны и присутствуют почти везде. Эти сигналы могут помешать SDR обрабатывать другие слабые сигналы. Режекторные FM-фильтры очень полезны для приложений SDR, и их популярность возросла.

Оптическая фильтрация (выбор длины волны)

В оптике существует несколько методов фильтрации выбранных длин волн от источника или до детектора. Они полагаются на рассеяние или деструктивное вмешательство .

Фильтрация путем рассеяния и дифракции

Дифракционная решетка ^{[ 4 ]} или дисперсионная призма может использоваться для выборочного перенаправления выбранных длин волн света внутри оптической системы.

В случае пропускающих решеток и призм полихроматический свет, проходящий через объект, будет перенаправляться в зависимости от длины волны. Затем можно использовать щель для выбора желаемых длин волн. Для этой же цели можно использовать и отражающую решетку, однако в этом случае свет скорее отражается, чем пропускается. Фильтры этой конструкции могут быть высокочастотными, полосовыми или низкочастотными, в зависимости от конфигурации системы.

Фильтрация по интерференции

При использовании оптики с реальными материалами свет на разных длинах волн будет ослабляться из-за интерференции со средой, через которую он проходит. В этом смысле выбор материала может использоваться для избирательной фильтрации света в соответствии с длинами волн, которые минимально ослабляются. В какой-то степени этим явлением страдают все реальные оптические системы.

В качестве альтернативы также можно использовать колеблющуюся отражающую поверхность, чтобы вызвать деструктивную интерференцию с отраженным светом на одном оптическом пути. Этот принцип лежит в основе интерферометра Майкельсона .

Полосовой сглаживающий фильтр

Сглаживающий фильтр необходим во многих областях, таких как обработка сигналов и изображений , компьютерное зрение , статистика , как заявил Руизи (2021). ^{[ 5 ]} Такие алгоритмы, как регуляризация квадратичных вариаций и априоры гладкости, являются наиболее распространенным способом шумоподавления сигнала. Эти алгоритмы реализованы в полосовых сглаживающих фильтрах и исследуются Руизи (2021). ^{[ 5 ]} Поднимается наивный полосовой сглаживающий фильтр, который создается путем соединения сглаживающего фильтра верхних частот и сглаживающего фильтра нижних частот. Эти две секции сглаживающего фильтра настроены параллельно. Более того, было высказано предположение, что положительная корреляция шума обещает получить лучший полосовой сглаживающий фильтр.

Телекоммуникации

Развитие телекоммуникационных приложений повышает спрос на радиочастотные и микроволновые фильтры , заявил Хадди (2019). ^{[ 6 ]} Эти фильтры обычно используются в системах громкой связи ( системах громкой связи ) и акустических системах для воспроизведения звука отличного качества. Фильтры СВЧ имеют высокую гибкость реализации и низкую стоимость. Полосовой фильтр в области телекоммуникаций занимает почетное место, которое крайне важно для микроволновых трансиверов. Например, в системах беспроводной связи используются полосовые фильтры для достижения требований миниатюризации.

Микрополосковый полосовой фильтр

Микрополосковый полосовой фильтр удобен в реализации, имеет низкую стоимость и малый вес. Се и Ван (2005) заявили, что обычные микрополосковые полосовые фильтры состоят из шунтирующих резонаторов с разомкнутой цепью . ^{[ 7 ]} Обычно они имеют узкую полосу задерживания . Однако чередование полосового фильтра с широкой полосой заграждения и специальной конструкцией может дать огромное преимущество по сравнению с обычными полосовыми фильтрами.

Преимущества микрополоскового полосового заграждающего фильтра, разработанного Се и Ваном (2005), заключаются в его компактном размере и простоте реализации. Этот улучшенный полосовой фильтр с широкой полосой задерживания имеет дополнительное количество нулей передачи . Целью этой конструкции является объединение шунтирующего четвертьволнового резонатора разомкнутой цепи с одной секцией четвертьволновой частотно-выбирающей структуры связи, как заявили Се и Ван (2005). В результате простой структурированный полосовой фильтр с простой реализацией может обеспечить преимущества резонаторов более низкого порядка и отличные характеристики полосы задерживания по сравнению с обычными микрополосковыми полосовыми фильтрами.

См. также

Параметрический эквалайзер

Ссылки

^ «Полосовой фильтр», Федеральный стандарт 1037C , по состоянию на 14 мая 2018 г.
^ «Глава 8: Аналоговые фильтры». Базовый линейный дизайн . США: Analog Devices Inc., 2006 г.
^ Карр, Джозеф Дж. (2001). Справочник радиотехника: Беспроводные и телекоммуникационные технологии , с. 282. Ньюнес. ISBN 0-7506-7319-2 .
^ Терраччано, Энтони (2018). «Датчик обнаружения опасных газов с использованием широкополосной абсорбционной спектроскопии на основе светодиодов для космических применений» . Новое пространство . 6 (1): 28–36. Бибкод : 2018NewSp...6...28T . дои : 10.1089/space.2017.0044 . ОСТИ 1435270 .
^ Jump up to: ^а ^б Рунизи, Арман Хейрати; Юттен, Кристиан (2021). «Разработка полосового сглаживающего фильтра» . Транзакции IEEE по обработке сигналов . 69 : 1797–1810. Бибкод : 2021ИТСП...69.1797Р . дои : 10.1109/TSP.2021.3060619 . ISSN 1941-0476 . S2CID 233137801 .
^ Хадди, Сухайла Бен; Зугари, астма; Захария, Илия; Ахрау, Суфиан (01 января 2020 г.). «Проектирование планарного полосового фильтра для телекоммуникационных приложений» . Производство Процедиа . 46 : 788–792. дои : 10.1016/j.promfg.2020.04.006 . ISSN 2351-9789 . S2CID 219444573 .
^ Се, Мин-Ю; Ван, Ши-Мин (июль 2005 г.). «Компактный и широкополосный микрополосковый полосовой фильтр» . Письма IEEE о микроволновых и беспроводных компонентах . 15 (7): 472–474. дои : 10.1109/LMWC.2005.851572 . ISSN 1558-1764 .

[1] «Полосовой фильтр», Федеральный стандарт 1037C , по состоянию на 14 мая 2018 г.

[2] «Глава 8: Аналоговые фильтры». Базовый линейный дизайн . США: Analog Devices Inc., 2006 г.

[3] Карр, Джозеф Дж. (2001). Справочник радиотехника: Беспроводные и телекоммуникационные технологии , с. 282. Ньюнес. ISBN 0-7506-7319-2 .

[[1]-4] Терраччано, Энтони (2018). «Датчик обнаружения опасных газов с использованием широкополосной абсорбционной спектроскопии на основе светодиодов для космических применений» . Новое пространство . 6 (1): 28–36. Бибкод : 2018NewSp...6...28T . дои : 10.1089/space.2017.0044 . ОСТИ 1435270 .

[:0-5] Jump up to: ^а ^б Рунизи, Арман Хейрати; Юттен, Кристиан (2021). «Разработка полосового сглаживающего фильтра» . Транзакции IEEE по обработке сигналов . 69 : 1797–1810. Бибкод : 2021ИТСП...69.1797Р . дои : 10.1109/TSP.2021.3060619 . ISSN 1941-0476 . S2CID 233137801 .

[6] Хадди, Сухайла Бен; Зугари, астма; Захария, Илия; Ахрау, Суфиан (01 января 2020 г.). «Проектирование планарного полосового фильтра для телекоммуникационных приложений» . Производство Процедиа . 46 : 788–792. дои : 10.1016/j.promfg.2020.04.006 . ISSN 2351-9789 . S2CID 219444573 .

[7] Се, Мин-Ю; Ван, Ши-Мин (июль 2005 г.). «Компактный и широкополосный микрополосковый полосовой фильтр» . Письма IEEE о микроволновых и беспроводных компонентах . 15 (7): 472–474. дои : 10.1109/LMWC.2005.851572 . ISSN 1558-1764 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]