Основы фильтра: Стоп, Блок и Ролл (выкл)

1. Что такое фильтр?
2. Аналоговые и цифровые фильтры
3. Общие типы фильтров
4. Технические характеристики фильтра
5. Затухание - положительное или отрицательное?
6. Фильтровать семьи и заказы
7. Кирпичная стена или идеальные фильтры
8. Общие применения фильтров
9. Ресурсы фильтров
10. Должны ли фильтры быть цепями?
11. Почему аналоговые фильтры все еще необходимы?
12. Проектирование фильтров с помощью ELSIE

Случайный наблюдатель может подумать, что беспроводные системы состоят в основном из фильтров, соединенных случайной цепью! Блок-схемы приемопередатчиков часто включают столько же фильтров, сколько и любая другая функция. Это верно на системном уровне, так же, как и на уровне цепей - и многие схемы ведут себя подобно фильтру, независимо от того, предназначены они для фильтра или нет! Это делает понимание основ фильтра важным для успеха беспроводной связи.

Что такое фильтр?

Поиск «фильтр» генерирует много записей! Наряду с электрическими определениями, существуют адаптивные фильтры и фильтры изображений и так далее. Общая идея, однако, заключается в том, чтобы работать с входным сигналом (или данными) так, чтобы выходной сигнал изменялся на основании некоторого предварительно определенного качества входного сигнала. Что касается электрических сигналов, фильтр - это схема или функция, эффект которой зависит от частоты, длины волны или фазы входного сигнала. Все три из этих характеристик в основном одно и то же: регулярное изменение во времени.

Аналоговые и цифровые фильтры

Как и во всем остальном в радиолюбительском радиофильтре, фильтры могут быть аналоговыми или цифровыми. Общий пассивный (без питания) аналоговый фильтр состоит из известных цепей индуктор-конденсатор (LC) или резистор-конденсатор (RC). Если используется какой-либо усилитель, схема становится активным фильтром. Большинство активных фильтров используют операционные усилители в различных цепях обратной связи. На рисунке 1 показан пример каждого типа схемы фильтра.

РИСУНОК 1. Фильтр A (вверху) - это пассивный высокочастотный LC-фильтр, используемый для подавления сигналов диапазона вещания AM. Фильтр B (внизу) - это активный фильтр низких частот операционного усилителя, обычно используемый для аудиосигналов.

Цифровой фильтр требует оцифровки аналоговых сигналов, создавая поток цифровых данных, представляющих исходный сигнал. После оцифровки любая математическая операция может быть выполнена с данными. Если результат должен быть просмотрен или прослушан человеком, цифровые данные преобразуются обратно в аналоговый сигнал. Электроника обработки и преобразования в настоящее время достаточно недорога для реализации того, что цифровые фильтры (и многие другие функции обработки сигналов) заменяют аналоговые радиосигналы. Этот столбец будет придерживаться традиционных аналоговых схем, но общие определения и спецификации поведения фильтра применяются ко всем фильтрам.

Общие типы фильтров

Почти все электрические фильтры (предположим, мы говорим об электрических фильтрах с этого момента) описываются и определяются их влиянием на амплитуду или величину сигналов, имеющих разные частоты. (Фазовый отклик также важен во многих приложениях.) Это частотный отклик фильтра, и поскольку он описывает амплитуду сигнала, это амплитудный отклик . Несколько типов ответов показаны на рисунке 2 . Фильтры также имеют фазовый отклик, который описывает фазовое соотношение между входным и выходным сигналами. (Существует также отклик во временной области, такой как на экране осциллографа.)

РИСУНОК 2. Четыре различных типа откликов фильтра: нижний проход (A) ; верхний проход (B) ; полосовой пропуск (С) ; и надрез или полоса (D) . (Рисунок любезно предоставлен Американской лигой радиопередач.)

Рисунки 2А и 2В показывают отклики верхних и нижних частот . Рисунок 2C - полосовой отклик, а рисунок 2D - полосовой или режекторный отклик. Каждый ответ имеет полосу пропускания (где сигналы не ослабляются) и полосу задержания, где сигналы отклоняются. У всех есть много использования в радио, главным образом в ослаблении нежелательных сигналов. Мы обсудим некоторые из этих применений позже в этой статье.

Технические характеристики фильтра

Перед использованием или выбором фильтров вы должны знать, как они указаны. Помимо широкого типа верхних или нижних частот, вы должны иметь возможность задавать конкретные частоты и конкретные уровни ослабления. Каждый из этих параметров имеет имя и точное определение. На рис. 3 показан отклик величины фильтра верхних частот.

РИСУНОК 3. Основные характеристики фильтра для его амплитудного отклика. Серые прямоугольники определяют основные характеристики (см. Текст).

Рисование серых квадратов на графике ответов определяет основное поведение фильтра.

• Частота среза: частота, ƒC, при которой выходной сигнал имеет половину мощности входного сигнала. Это полезно при указании, где заканчивается полоса пропускания и где начинается полоса задерживания. Частота среза также называется частотой –3 дБ, поскольку –3 дБ эквивалентно отношению мощности, равному половине.
• Полоса пропускания: если фильтр пропускает или отклоняет только диапазон частот, действующий как фильтр верхних и нижних частот, будет две частоты среза. Чем выше ƒH, тем ниже ƒL. На рисунке 2C две частоты среза составляют примерно 2 кГц и 4 кГц, поэтому фильтр имеет полосу пропускания 4-2 = 2 кГц.
• Пульсация: это изменение затухания, заданное в дБ, входного сигнала в полосе пропускания или в полосе пропускания фильтра. На рисунке 3 показан фильтр с пульсацией около 1,5 дБ в полосе пропускания. Изменение в полосе задержания также называют пульсацией.
• Снижение: наклон отклика фильтра в области перехода между полосой пропускания и полосой останова. Снижение дается в дБ / октава (удвоение частоты) или дБ / декада (в десять раз больше частоты). Если отклик быстро меняется с частотой, этот спад называется крутым .
• Insertion Loss (IL): минимальное затухание в полосе пропускания фильтра. Идеальный фильтр не будет иметь вносимых потерь вообще, но все практические фильтры имеют некоторые вносимые потери. Фильтр на рисунке 3 имеет IL около 1 дБ.
• Затухание в полосе затухания и глубина надреза: в полосе затухания от фильтра требуется минимальное затухание. Если фильтр отклоняет узкий диапазон частот с полосой останова между двумя полосами пропускания, глубина метки является максимальным ослаблением между этими двумя полосами пропускания. Оба эти параметра указаны в дБ.
• Входное и выходное сопротивление: Фильтры имеют характеристическое сопротивление, которое влияет на работу источника сигнала или нагрузки при подключении к фильтру. Чтобы фильтр имел только желаемый эффект, его сопротивление должно соответствовать сопротивлению того, к чему он подключен: генератора сигналов, микрофона, линии передачи или усилителя. Если импедансы не совпадают, производительность фильтра может отличаться от ожидаемой.

Затухание - положительное или отрицательное?

Если выходной сигнал меньше входного сигнала, отношение в дБ будет отрицательным. Например, если выходной сигнал в пять раз менее мощный, чем входной сигнал для фильтра, то есть отношение мощностей -7 дБ со знаком минус, указывающим отношение менее 1. Это означает ослабление или потерю 7 дБ, без знак минус

Правило состоит в том, что коэффициенты мощности в дБ имеют положительное или отрицательное значение, а потери или затухания даются без знака минус. Коэффициент мощности -7 дБ - это потеря или затухание в 7 дБ. Точно так же, если выходной сигнал будет в пять раз больше входного, это будет усиление на 7 дБ.

Знак минус не используется, если имя параметра подразумевает, присутствует он или нет.

Фильтровать семьи и заказы

Просматривая веб-сайты и книги конструкций фильтров, вы заметите, что наряду с типом частотного отклика, есть и другие категории: Баттерворт, Чебышев, Бессель, Эллиптический и другие. Они известны как семейства фильтров. Многие из семей названы в честь дизайнера, который разработал уравнения, описывающие их. (Эллиптические фильтры названы так потому, что решения описывающих их функций образуют эллипс в декартовых координатах.) Каждый набор уравнений имеет разные решения, которые переводятся в разные значения компонентов.

Каждое семейство фильтров имеет различную форму частотной характеристики. Все они могут быть спроектированы так, чтобы иметь одинаковую частоту среза, но количество пульсаций в полосах пропускания и стоп-сигнала, а также крутизна спада колебания немного различаются. (Фазовые отклики фильтра также сильно отличаются.)

Например, сравните кривые отклика фильтра низких частот Чебышева и Баттерворта на рисунке 4 . Оба являются фильтрами нижних частот с частотой среза 1000 Гц. Кривые имеют очень разные формы, хотя. У Баттерворта очень плавный отклик без пульсации - по этой причине фильтры Баттерворта часто называют максимально плоскими , но спад также плавный и постепенный. Фильтр Чебышева обеспечивает плавный отклик для более крутого отката, допуская различные колебания. Ответ фильтра на рисунке 4 известен как «Чебышевская пульсация 1 дБ».

РИСУНОК 4. Ответы фильтра для фильтра низких частот Баттерворта и Чебышева. Оба имеют одинаковую частоту среза 1000 Гц, но имеют существенные различия в спаде и пульсации в полосе пропускания. (Рисунок любезно предоставлен Американской лигой радиопередач.)

В зависимости от того, для чего вы используете фильтр, может быть приемлемо волновое или постепенное снижение. Различные семейства фильтров предлагают выбор того, как фильтр будет работать и какое влияние они оказывают на сигналы. Например, радиолюбители, пытающиеся сконструировать аудиофильтр для приема единичных тонов кода Морзе (CW), обнаруживают, что сильная рябь означает искажение и размытие точных штрихов и точек. На высоких скоростях это может сделать код «точной копией». В этом случае стоит разрешить более постепенный спад, чтобы вы могли слышать некоторые из соседних сигналов для четкого воспроизведения элементов Морзе. Каждое приложение немного отличается тем, что важно.

Кирпичная стена или идеальные фильтры

Отклики фильтра на рисунке 2 плавно изменяются между полосой пропускания и полосой останова. Так ведет себя настоящий фильтр. Тем не менее, вы встретите ссылки на «идеальные» или «кирпичные» фильтры, для которых отклики полосы пропускания и полосы пропускания полностью однородны или «плоски». Переходная область для такого фильтра - это вертикальная линия на отклике граф с бесконечным спадом. Излишне говорить, что эти фильтры на самом деле не могут быть построены, хотя некоторые сложные цифровые фильтры приближаются.

Как только семейство фильтров выбрано, следующая задача - определить, сколько «секций» фильтрации необходимо для удовлетворения требований к производительности. Количество секций является порядком фильтра - чем выше порядок, тем больше фильтрации применяется к входному сигналу. Порядок описывает количество пар LC или RC в пассивном фильтре, таком как на рисунке 1А, который является фильтром пятого порядка. На рисунке 5 показан эффект каскадирования трех секций фильтра активного фильтра низких частот на рисунке 1B . Вы можете увидеть увеличение фильтра по мере увеличения порядка.

РИСУНОК 5. Эффект увеличения порядка простого RC-фильтра с 1 до 3. Обратите внимание на увеличение крутизны спада фильтра при более высоких порядках. (Изображение предоставлено Spinningspark в Википедии, CC BY-SA 3.0, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=23488139 .)

В общем, по мере увеличения порядка производительность может более близко подходить к отклику идеального фильтра. Однако сложность фильтра повышается, настройка становится более критичной, а изменение компонентов и потери могут оказывать более выраженное влияние на производительность. Мы расскажем о заказе более подробно в следующий раз.

Общие применения фильтров

Давайте обсудим несколько приложений для фильтров. На рисунке 6 показана блок-схема, показывающая расположение этих фильтров в типичных радиоприемопередатчиках и аксессуарах.

РИСУНОК 6. Блок-схема приемопередатчика, показывающая типичные применения фильтров для различных функций. Фильтры используются на частотах от мощности переменного тока через передаваемые и принимаемые РЧ-сигналы.

Фильтры обработки сигналов с большей вероятностью будут выполняться программным обеспечением (DSP), но в радиосвязи все еще имеется много аналоговых фильтров.

• Аудиофильтры: Наряду с полосовым фильтром CW, упомянутым выше, аудиофильтры также используются для избавления от гула (сигналы 50 или 60 Гц, вызванные магнитными полями), гудения (вызванного выпрямленными переменными токами 120 Гц переменного и переменного тока), и высокочастотное шипение. ЧМ модуляторы и схемы подавления шума также используют фильтры предварительного выделения (верхних частот) и устранения выделения (нижних частот) для хорошего воспроизведения речи.
• Шумоподавление: способность DSP принимать решения «на лету» о том, какие сигналы являются шумом, позволяет создавать «умные динамики» и алгоритмы шумоподавления (NR), которые удаляют нежелательные части аудиовыхода приемника. Хотя они представляют некоторые слышимые «артефакты», результат намного чище и легче для понимания.
• Узкополосные фильтры: тип полосового фильтра, узкополосные фильтры, предназначенные для удаления очень узкого диапазона сигналов - часто только одночастотного тона, вызванного паразитным сигналом или воздушной несущей. Аналоговые режекторные фильтры требуют ручной настройки, но режекторные фильтры DSP могут автоматически определять наличие мешающего сигнала и «вырезать его» - даже для нескольких сигналов одновременно с использованием современной технологии.
• Сглаживание: при оцифровке аналоговых сигналов необходимо, чтобы сигналы содержали частотные составляющие не выше половины частоты дискретизации. Высокочастотные сигналы будут появляться в оцифрованных данных как низкочастотные побочные сигналы в процессе, известном как псевдонимы . Фильтр сглаживания - это фильтр нижних частот, который удаляет нежелательные высокочастотные сигналы. Точно так же, когда цифровой сигнал восстанавливается как аналоговый сигнал, цифровой «шаг», созданный в выходном сигнале, содержит высокочастотные сигналы, которые удаляются другим фильтром нижних частот .
• Предварительный отбор: настраиваемые аналоговые полосовые LC-фильтры на входе антенны, которые ослабляют сильные «внеполосные» сигналы, которые могут перегрузить приемник, вызывая появление ложных сигналов. Предварительные селекторы чаще всего используются на ВЧ любительских диапазонах, которые используются совместно или рядом с мощными коротковолновыми и военными станциями.
• Отклонение широковещательной рассылки: вместо полосового пропускания фильтры отбраковки «BC» обычно имеют метку или отклик полосы пропускания. Они используются в непосредственной близости от мощных станций с фиксированной частотой AM, FM или телевидения. Подобный фильтр можно использовать для ослабления коммерческих сигналов пейджинга или ретранслятора.
• Фильтр подавления гармоник: правила FCC требуют, чтобы паразитные выходы от любительских передатчиков были как минимум на 43 дБ (20 000x) менее мощными, чем предполагаемый выходной сигнал передатчика. Эти фильтры нижних частот расположены между выходом РЧ-усилителя и антенным соединением. Частота среза фильтра выбирается в соответствии с рабочей полосой приемопередатчика. Внешние фильтры нижних частот также используются для обеспечения дополнительного ослабления гармоник и других паразитных сигналов, которые могут мешать приему телевизионного вещания. (Поскольку телевизионные станции перешли на каналы УВЧ для передачи сигналов DTV, телевизионные помехи в настоящее время представляют собой гораздо меньшую проблему.)
• Сетевой фильтр переменного тока: фильтры нижних частот, которые ослабляют РЧ-сигналы на горячих и нейтральных линиях подключения питания переменного тока устройства. Сетевые фильтры уменьшают как РЧ-сигналы, генерируемые внутри прибора, которые не должны выходить из-за излучения, так и РЧ-сигналы, принимаемые на силовой проводке, которые могут нарушить работу прибора. Эти сетевые фильтры обычно не фильтруют заземление оборудования (иначе говоря, заземление третьего или зеленого провода), поэтому может потребоваться дополнительная фильтрация - например, от ферритового сердечника. (См . Колонки Ham's Wireless Workbench в июльских и сентябрьских выпусках 2015 года по ферриту и RFI для получения дополнительной информации об этом виде фильтрации.)

Ресурсы фильтров

Многие книги имеют «консервированные» конструкции фильтров для различных распространенных применений. Если вы будете осторожны в использовании одного и того же типа компонентов и схемы, вы, вероятно, получите приемлемые результаты. Начинающие должны начинать с заранее разработанных фильтров. По мере продвижения вы будете сталкиваться с необходимостью «свернуть свой собственный» фильтр. Наряду с программами Tonne Software, которые мы будем использовать в следующем столбце, есть несколько проверенных ресурсов для экспериментатора. Для серьезных читателей, различные издания Руководства по разработке фильтров Артура Уильямса широко доступны в виде используемых копий.

Если вы ищете больше решения «подключи и пускай», почитаемая Активная Фильтр Кулинарная книга Дона Ланкастера в ее различных печатных изданиях предоставит формулы дизайна и примеры для фильтров в звуковом диапазоне. Наконец, для радиочастотных фильтров в главе Справочника ARRL по аналоговой и цифровой фильтрации представлены теория и проекты в микроволновом диапазоне с длинным списком ссылок и дополнительной дополнительной информацией в Интернете.

Должны ли фильтры быть цепями?

Аналоговые фильтры с Ls, Cs и Rs очень распространены, но они не являются единственной электроникой, которая может выполнять функции фильтрации. Действительно, не существует идеальных схем, для которых частота не имеет значения, поэтому технически каждая схема является фильтром! Тем не менее, есть несколько известных фильтров без LCR, о которых вам следует знать:

• Кристаллические и механические фильтры: когда-то лучшие пассивные фильтры для приема РЧ сигналов, в этих фильтрах использовались кварцевые кристаллы и механические резонаторы с точной механической обработкой. Кристаллический кровельный фильтр до сих пор используется во многих конструкциях приемников для улучшения помех от помех в условиях скопления людей.
• Заглушки: Резонансные участки питающей линии могут действовать как полосовые и полосовые фильтры. Книги по линиям передачи и антенным системам объяснят, как они работают.
• Волноводы: секции волноводов с внутренними перегородками или регулировочными винтами могут быть очень эффективными фильтрами на микроволновых частотах.
• Антенны: Антенны могут действовать не только как частотно-зависимые фильтры с предпочтительными частотами, но и как пространственные фильтры!

Почему аналоговые фильтры все еще необходимы?

Несмотря на то, что цифровые фильтры занимают все больше и больше рутинных задач, аналоговые фильтры по-прежнему являются единственным практическим выбором для многих ролей. Очевидно, что при высоких уровнях мощности, таких как передатчики и дуплексеры, требуются катушки с малыми потерями (L) и конденсаторы (C). Выбор соответствующих компонентов сам по себе является искусством для этих цепей.

Менее очевидно, аналоговые фильтры также требуются при очень низких уровнях сигнала, когда цифровая схема может не иметь достаточного разрешения в битах для представления сигнала, и на очень высоких частотах, когда выборки не могут быть взяты достаточно быстро. Цифровые фильтры также требуют достаточного количества вспомогательной электроники и могут быть слишком дорогими.

Аналоговые фильтры будут с нами довольно долго!

Проектирование фильтров с помощью ELSIE

В этой колонке я представил некоторые основы фильтров, чтобы лучше понять, как фильтры работают и как их специфицировать. Однако было бы не очень приятно оставлять вас в покое без практики. Итак, в следующем столбце мы будем экспериментировать с очень мощным набором программного обеспечения для проектирования фильтров.

ELSIE (игра на «LC») предоставлена ​​Tonne Software (Джим Тонн W4ENE - давний участник Руководства ARRL и других радиолюбителей), а также несколько утилит для проектирования фильтров.

Вы обнаружите, что фильтры находятся в пределах вашей способности проектировать и строить! Невада

Похожие

Комментарии