Полосовой фильтр или полосовой фильтр ( BPF ) — это устройство, пропускающее частоты в определенном диапазоне и подавляющее ( ослабляющее ) частоты за пределами этого диапазона. Это противоположность полосового фильтра .
В электронике и обработке сигналов фильтр обычно представляет собой двухпортовую схему или устройство , которое удаляет частотные компоненты сигнала ( переменное напряжение или ток). Полосовой фильтр пропускает компоненты в определенной полосе частот, называемой полосой пропускания , но блокирует компоненты с частотами выше или ниже этой полосы. Это контрастирует с фильтром верхних частот , который пропускает компоненты с частотами выше определенной частоты, и фильтром нижних частот , который пропускает компоненты с частотами ниже определенной частоты. При цифровой обработке сигналов , при которой сигналы, представленные цифровыми числами, обрабатываются компьютерными программами, полосовой фильтр представляет собой компьютерный алгоритм , выполняющий ту же функцию. Термин полосовой фильтр также используется для оптических фильтров , листов цветного материала, которые пропускают определенную полосу световых частот, обычно используемых в фотографии и театральном освещении, и акустических фильтров , которые пропускают звуковые волны определенной полосы частот.
Примером аналогового электронного полосового фильтра является схема RLC (цепь резистор – катушка индуктивности – конденсатор ). Эти фильтры также можно создать путем объединения фильтра нижних частот с фильтром верхних частот . [1]
Полосовой сигнал — это сигнал, содержащий полосу частот, не прилегающую к нулевой частоте, например сигнал, выходящий из полосового фильтра. [2]
Идеальный полосовой фильтр должен иметь полностью плоскую полосу пропускания: все частоты внутри полосы пропускания будут передаваться на выход без усиления или ослабления и полностью ослаблять все частоты за пределами полосы пропускания.
На практике ни один полосовой фильтр не является идеальным. Фильтр не подавляет полностью все частоты за пределами желаемого диапазона частот; в частности, существует область за пределами предполагаемой полосы пропускания, где частоты ослабляются, но не подавляются. Это явление известно как спад фильтра и обычно выражается в дБ затухания на октаву или декаду частоты. Как правило, конструкция фильтра стремится сделать спад как можно более узким, что позволяет фильтру работать как можно ближе к его предполагаемой конструкции. Часто это достигается за счет пульсаций в полосе пропускания или полосе задерживания .
Полоса пропускания фильтра — это просто разница между верхней и нижней частотой среза . Коэффициент формы — это соотношение полос пропускания, измеренное с использованием двух разных значений затухания для определения частоты среза, например, коэффициент формы 2:1 при 30/3 дБ означает, что полоса пропускания, измеренная между частотами при затухании 30 дБ, в два раза больше, чем измеренная между частотами. при затухании 3 дБ.
Полосовой фильтр можно охарактеризовать его добротностью . Q - фактор является обратной величиной дробной ширины полосы . Фильтр высокой добротности будет иметь узкую полосу пропускания, а фильтр низкой добротности — широкую полосу пропускания. Их называют соответственно узкополосными и широкополосными фильтрами.
Полосовые фильтры широко используются в беспроводных передатчиках и приемниках. Основная функция такого фильтра в передатчике — ограничение полосы пропускания выходного сигнала полосой, выделенной для передачи. Это предотвращает помехи передатчика другим станциям. В приемнике полосовой фильтр позволяет слышать или декодировать сигналы в выбранном диапазоне частот, предотвращая при этом прохождение сигналов на нежелательных частотах. Сигналы на частотах вне диапазона, на который настроен приемник, могут либо насытить, либо повредить приемник. Кроме того, они могут создавать нежелательные продукты смешивания, которые попадают в полосу частот и мешают интересующему сигналу. Широкополосные приемники особенно чувствительны к таким помехам. Полосовой фильтр также оптимизирует соотношение сигнал/шум и чувствительность приемника.
Как в приложениях передачи, так и в приложениях приема хорошо спроектированные полосовые фильтры, имеющие оптимальную полосу пропускания для используемого режима и скорости связи, максимизируют количество передатчиков сигналов, которые могут существовать в системе, сводя при этом к минимуму помехи или конкуренцию между сигналами.
Помимо электроники и обработки сигналов, одним из примеров использования полосовых фильтров является наука об атмосфере . Обычно последние метеорологические данные используют полосовую фильтрацию с диапазоном периодов , например, от 3 до 10 дней, так что в виде колебаний в полях данных остаются только циклоны .
Электрический полосовой фильтр 4-го порядка можно смоделировать с помощью вентилируемого короба, в котором излучение от задней поверхности диффузора динамика улавливается в герметичном ящике, а излучение от передней поверхности конуса поступает в камеру с отверстиями. Это изменяет резонанс драйвера. В простейшей форме составной корпус состоит из двух камер. Перегородка между камерами удерживает водителя; обычно портируется только одна камера.
Если в корпусе с каждой стороны низкочастотного динамика есть порт, то корпус имеет полосовую характеристику 6-го порядка. Их значительно сложнее спроектировать, и они, как правило, очень чувствительны к характеристикам водителя. Как и в других зеркальных корпусах, при желании порты обычно можно заменить пассивными излучателями.
Полоса пропускания восьмого порядка — еще один вариант, который также имеет узкий частотный диапазон. Они часто используются в соревнованиях по уровню звукового давления , и в этом случае вместо чего-либо музыкального используется басовый тон определенной частоты. Их сложно построить, и их нужно делать очень точно, чтобы они работали почти так, как задумано. [3]
Полосовые фильтры также могут использоваться за пределами инженерных дисциплин. Ярким примером является использование полосовых фильтров для извлечения компонента экономического цикла из экономических временных рядов. Это более четко показывает рост и сокращение экономической активности, которые доминируют в жизни общества и деятельности различных фирм, и поэтому представляют интерес, среди прочего, для широкой аудитории экономистов и политиков.
Экономические данные обычно имеют совершенно другие статистические свойства, чем данные, скажем, в электротехнике. Исследователь очень часто напрямую применяет традиционные методы, такие как «идеальный» фильтр, который имеет совершенно четкую функцию усиления в частотной области. Однако при этом могут возникнуть существенные проблемы, которые могут вызвать искажения и сделать выходной сигнал фильтра чрезвычайно вводящим в заблуждение. Яркий и простой случай: использование «идеального» фильтра белого шума (который может отражать, например, изменения цен на акции) создает ложный цикл. Использование номенклатуры «идеал» неявно предполагает весьма ошибочное предположение, за исключением редких случаев. Тем не менее, использование «идеального» фильтра остается распространенным, несмотря на серьезные ограничения фильтра и вероятность ключевых обманов.
К счастью, доступны полосовые фильтры, которые избегают таких ошибок, адаптируются к имеющимся рядам данных и дают более точные оценки колебаний бизнес-цикла в основных экономических рядах, таких как реальный ВВП, инвестиции и потребление, а также их динамика. субкомпоненты. Ранняя работа, опубликованная в «Обзоре экономики и статистики» в 2003 году, более эффективно обрабатывает данные (стохастические, а не детерминированные), возникающие в макроэкономике. В этой статье, озаглавленной «Общие фильтры на основе моделей для извлечения тенденций и циклов в экономических временных рядах», Эндрю Харви и Томас Тримбур разрабатывают класс адаптивных полосовых фильтров. Они успешно применялись во многих ситуациях, связанных с движением делового цикла во многих странах международной экономики.
Полосовые фильтры могут быть реализованы в системах беспроводной связи 4G и 5G . Хуссаини и др. (2015) заявили, что при использовании беспроводной связи радиочастотный шум является серьезной проблемой. [4] В ходе текущего развития технологии 5G для подавления радиочастотных шумов и удаления нежелательных сигналов используются полосовые фильтры .
Комбинация, шпилька, параллельная линия, ступенчатый импеданс и шлейфовый импеданс — это эксперименты с полосовым фильтром для достижения низких вносимых потерь при компактном размере. [5] Необходимость принятия асимметричной частотной характеристики связана с уменьшением количества резонаторов , вносимых потерь , размера и стоимости производства схемы .
4-полюсный полосовой фильтр с перекрестной связью разработан Хуссаини и др. (2015). [4] Этот полосовой фильтр предназначен для покрытия спектра 2,5–2,6 ГГц и 3,4–3,7 ГГц для приложений беспроводной связи 4G и 5G соответственно. Он разработан и расширен от 3-полюсного однополосного полосового фильтра, в котором к 3-полюсному однополосному полосовому фильтру применен дополнительный резонатор . Усовершенствованный полосовой фильтр имеет компактные размеры и простую структуру, удобную для реализации. Более того, подавление полосы задерживания и селективность обеспечивают хорошие характеристики подавления радиочастотного шума . Вносимые потери очень низкие при покрытии спектра 4G и 5G , обеспечивая при этом хорошие обратные потери и групповую задержку .
Поглотители энергии — это устройства, которые эффективно ищут энергию из окружающей среды. Полосовые фильтры можно использовать для поглотителей энергии путем преобразования энергии, генерируемой вибрацией, в электрическую энергию. Полосовой фильтр, разработанный Шахрузом (2005), представляет собой ансамбль консольных балок [6] , который называется системой луч-масса. Ансамбль систем пучок-масса может быть преобразован в полосовой фильтр при выборе соответствующих размеров пучков и масс. Хотя процесс разработки механического полосового фильтра продвинулся вперед, все еще необходимы дальнейшие исследования и работа для разработки более гибких полосовых фильтров, подходящих для больших частотных интервалов. Этот механический полосовой фильтр можно использовать в источниках вибрации с разными частотами пиковой мощности.
В нейробиологии Дэвид Хьюбел и Торстен Визель впервые показали, что простые клетки зрительной коры обладают свойствами реакции, напоминающими фильтры Габора , которые являются полосовыми. [7]
В астрономии полосовые фильтры используются для пропускания в инструмент только одной части светового спектра. Полосовые фильтры могут помочь в определении расположения звезд на главной последовательности , выявлении красных смещений и во многих других приложениях.
СМИ, связанные с полосовыми фильтрами, на Викискладе?