滤波器知识科普

滤波器简介：

滤波器是一种用于信号处理的设备或系统，用于改变信号的频率特性，以实现信号的滤波、增强、去噪或降噪等功能。

滤波器根据其工作方式可以分为数字滤波器和模拟滤波器。数字滤波器处理数字信号，通常通过数字信号处理器(DSP)或嵌入式系统中的软件算法实现。模拟滤波器处理连续时间的信号，通常使用电路元件实现。

滤波器的频率响应是指它对不同频率信号的响应情况。根据频率响应，滤波器可以分为低通、高通、带通、带阻等类型。低通滤波器允许低于截止频率的信号通过，而高于截止频率的信号被抑制;高通滤波器则相反，它允许高于截止频率的信号通过，而抑制低于截止频率的信号。

模拟滤波器的实现方法(无源滤波器和有源滤波器)：

有源滤波器和无源滤波器都是用于信号处理和滤波的电路，但它们使用的元件和原理略有不同。

无源滤波器是只由被动元件(如电阻、电容、电感)组成的滤波器。它们不能提供增益，因为它们没有任何放大器或其他主动元件。它们的设计和性能受限于被动元件的特性，因此它们通常用于较低频率的应用。其中最常见的无源滤波器是RC滤波器和LC滤波器。RC滤波器通常用于低频应用，而LC滤波器则适用于高频应用。

有源滤波器则包含主动元件，如运放(放大器)、晶体管、场效应管等，可以在电路中提供放大增益。它们通常用于高频应用，可以提供比无源滤波器更高的增益和更陡峭的滤波特性。有源滤波器可以使用各种不同的拓扑结构和元件组合，例如Sallen-Key、Butterworth和Chebyshev滤波器等。

总的来说，无源滤波器比较简单且适用于较低频率的应用，而有源滤波器则可以提供更高的增益和更陡峭的滤波特性，适用于更高频的应用。

滤波器的形态分类：

低通滤波器(Low-pass Filter，LPF)：允许低频信号通过，阻止高频信号通过。

高通滤波器(High-pass Filter，HPF)：允许高频信号通过，阻止低频信号通过。

带通滤波器(Band-pass Filter，BPF)：允许一定范围内的频率信号通过，阻止其他频率信号通过。

带阻滤波器(Band-stop Filter，BSF)：阻止一定范围内的频率信号通过，允许其他频率信号通过。

全通滤波器(All-pass Filter，APF)：通过所有频率的信号，但改变其相位响应，所以也可以称为“相移滤波器”。

这些滤波器形态可以用各种不同的电路实现，例如RC滤波器、LC滤波器、活塞滤波器、巴特沃斯滤波器等。滤波器的形态分类和电路实现方式通常根据具体应用需求来选择。

模拟滤波器的传递函数和阶数：

一阶高通滤波器：

 

二阶低通滤波器：

 

二阶高通滤波器：

 

二阶窄带通滤波器：

 

总之，滤波器就是围绕着传递函数的结构、参数的选择，演变出形形色色的滤波器形态，滤波器的阶数越高，其传递函数的表达式就越复杂，相对应的电路也同样会更复杂，但其带来的滤波效果更理想。

模拟滤波器的关键频率点和品质因素：

1. 截止频率(Cutoff Frequency)

是指在这个频率以下或以上，滤波器的输出信号的功率或振幅被衰减到原输入信号的一半(即-3dB)的点。对于低通滤波器和高通滤波器，截止频率是非常重要的参数。截止频率越高，滤波器的通带范围就越窄，对高频信号的抑制也越强。

2.中心频率(Center Frequency)

通常是指带通滤波器和带阻滤波器的中心频率。对于带通滤波器来说，中心频率是指通过滤波器的频率范围的中心点，也就是通带的中心频率。而对于带阻滤波器来说，中心频率则是指在滤波器的阻带内通过的频率范围的中心点。

3. 特征频率

是指在滤波器响应曲线上具有特殊意义的频率点，通常用于描述滤波器的特性和性能。

对于一阶、三阶等奇数阶滤波器，传递函数分母上实部和虚部相等的频率点称为特征频率。其特征是奇数阶滤波器的相移依次为±45°，±135°。

对于二阶、四阶等偶数阶滤波器，传递函数分母上，实部为0的点，或者虚部为0的点称为特征频率。其特征是偶数阶滤波器的相移依次为±90°，±180°。

特征频率点的引入，给滤波器分析带来了非常大的便利。因为，只依靠截止频率的话，由于截止频率的表达式的模式0.707倍，是对其开根号，对于整个求解方程会非常的困难，然后特征频率点的求解会很方便。

在大多数的滤波器中，特征频率并不等于截止频率，一般来说，仅在巴特沃斯滤波器中，两者才相等。

4. 通带增益(Passband Gain)

是指在滤波器的通带内，输出信号的增益相对于输入信号的增益。对于一些需要放大信号的应用，通带增益非常重要，可以通过调整滤波器的放大倍数来控制输出信号的幅度。

5. 阻带衰减(Stopband Attenuation)

是指在滤波器的阻带内，输出信号的振幅被衰减的程度。阻带衰减越大，表示滤波器能够更好地抑制阻带内的频率信号。

6. 通带带宽(Passband Bandwidth)

是指滤波器的通带内的频率范围，一般用截止频率的差值来表示。通带带宽越大，表示滤波器能够通过更多的频率信号。

7. 滤波器的品质因素(Quality Factor，Q Factor)

是一个用于描述滤波器性能的参数。它通常用于评估滤波器的选择性能，即滤波器的带宽与中心频率的比例。

品质因素越高，表示滤波器的选择性能越好，带宽越窄，阻带和通带之间的过渡区域越陡峭。品质因素的计算公式为：Q = f0 / Δf。

其中，f0为滤波器的中心频率，Δf为滤波器的带宽。可以看出，当带宽越窄，品质因素越高;当带宽越宽，品质因素越低。

品质因素还可以用于评估滤波器的损耗和稳定性能。例如，在无线电通信中，品质因素高的滤波器可以减少干扰和杂波，提高接收信号的质量和距离;而在声音处理中，品质因素高的滤波器可以保持音频信号的清晰度和准确性，避免失真和噪声。