Полосовой фильтр или полосовой фильтр ( ПФ ) — это устройство, которое пропускает частоты в определенном диапазоне и отклоняет ( ослабляет ) 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 указанной полосе частот, называемой его 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. В цифровой обработке сигналов , в которой сигналы, представленные цифровыми числами, обрабатываются компьютерными программами, полосовой фильтр представляет собой компьютерный алгоритм , который выполняет 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 могут быть созданы путем объединения фильтра нижних частот с фильтром верхних частот . [1]
Полосовой сигнал — это сигнал, содержащий полосу частот, не смежную с нулевой частотой, например, сигнал, выходящий из полосового фильтра. [2]
Идеальный полосовой фильтр имел бы абсолютно плоскую полосу пропускания: все частоты в пределах полосы пропускания передавались бы на выход без усиления или ослабления и полностью ослабляли бы все частоты за пределами полосы пропускания.
На практике ни один полосовой фильтр не является идеальным. Фильтр не ослабляет все частоты за пределами желаемого диапазона частот полностью; в частности, есть область сразу за предполагаемой полосой пропускания, где частоты ослабляются, но не отклоняются. Это известно как спад фильтра , и обычно выражается в дБ ослабления 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 пульсации в полосе пропускания или полосе задерживания .
Полоса пропускания фильтра — это просто разница между верхней и нижней частотами среза . Коэффициент формы — это отношение полос пропускания, измеренных с использованием двух различных 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 с помощью его Q -фактора . Q -фактор является обратной величиной дробной полосы пропускания . Фильтр с высокой добротностью будет иметь узкую полосу пропускания, а фильтр с низкой добротностью — широкую. Они соответственно называются узкополосными и широкополосными фильтрами.
Полосовые фильтры широко используются в беспроводных передатчиках и приемниках. Основная функция такого фильтра в передатчике — ограничить полосу пропускания выходного сигнала до полосы, выделенной для передачи. Это предотвращает помехи передатчика другим станциям. В приемнике полосовой фильтр позволяет слышать или декодировать сигналы в выбранном диапазоне частот, одновременно предотвращая прохождение сигналов на нежелательных частотах. Сигналы на частотах за пределами полосы, на которую настроен приемник, могут либо насыщать, либо повреждать приемник. Кроме того, они могут создавать нежелательные продукты смешивания, которые попадают в полосу и мешают интересующему сигналу. Широкополосные приемники особенно восприимчивы к таким помехам. Полосовой фильтр также оптимизирует отношение сигнал/шум и чувствительность приемника.
Как в передающих, так и в приемных приложениях хорошо спроектированные полосовые фильтры, имеющие оптимальную полосу пропускания для используемого режима и скорости связи, максимизируют количество передатчиков сигналов, которые могут существовать в системе, одновременно сводя к минимуму помехи или конкуренцию между сигналами.
За пределами электроники и обработки сигналов, одним из примеров использования полосовых фильтров является атмосферная наука . Обычно полосовые фильтры фильтруют последние метеорологические данные с периодом , например, от 3 до 10 дней, так что только циклоны остаются в качестве колебаний в полях данных.
Электрический полосовой фильтр 4-го порядка можно смоделировать с помощью вентилируемого ящика, в котором вклад от задней поверхности конуса драйвера улавливается в герметичном ящике, а излучение от передней поверхности конуса попадает в камеру с портами. Это изменяет резонанс драйвера. В своей простейшей форме составной корпус имеет две камеры. Разделительная стенка между камерами удерживает драйвер; обычно только одна камера имеет порты.
Если корпус с каждой стороны вуфера имеет порт, то корпус обеспечивает полосовой отклик 6-го порядка. Их значительно сложнее проектировать, и они, как правило, очень чувствительны к характеристикам драйвера. Как и в других корпусах с рефлекторами, порты обычно можно заменить пассивными излучателями, если это необходимо.
Полосовой ящик восьмого порядка — еще одна вариация, которая также имеет узкий частотный диапазон. Они часто используются в соревнованиях по уровню звукового давления , в этом случае басовый тон определенной частоты будет использоваться против чего-либо музыкального. Их сложно построить, и они должны быть сделаны довольно точно, чтобы функционировать почти так, как задумано. [3]
Полосовые фильтры могут также использоваться вне инженерных дисциплин. Ярким примером является использование полосовых фильтров для извлечения компонента делового цикла из экономических временных рядов. Это более четко показывает расширения и сокращения экономической активности, которые доминируют в жизни общественности и производительности различных фирм, и поэтому представляет интерес для широкой аудитории экономистов и политиков, среди прочих.
Экономические данные обычно имеют совершенно иные статистические свойства, чем данные, скажем, в электротехнике. Очень часто исследователь напрямую переносит традиционные методы, такие как «идеальный» фильтр, который имеет идеально острую функцию усиления в частотной области. Однако при этом могут возникнуть существенные проблемы, которые могут вызвать искажения и сделать выход фильтра крайне вводящим в заблуждение. Как яркий и простой случай, использование «идеального» фильтра на белом шуме (который может представлять, например, изменения цен на акции) создает ложный цикл. Использование номенклатуры «идеальный» неявно подразумевает крайне ошибочное предположение, за исключением редких случаев. Тем не менее, использование «идеального» фильтра остается распространенным, несмотря на его ограничения.
К счастью, доступны полосовые фильтры, которые избегают таких ошибок, адаптируются к имеющимся рядам данных и дают более точные оценки колебаний делового цикла в основных экономических рядах, таких как реальный ВВП, инвестиции и потребление, а также их подкомпоненты. Ранняя работа, опубликованная в Review of Economics and Statistics в 2003 году, более эффективно обрабатывает тип данных (стохастических, а не детерминированных), возникающих в макроэкономике. В этой статье под названием «Общие фильтры на основе моделей для извлечения тенденций и циклов из экономических временных рядов» Эндрю Харви и Томас Тримбур разрабатывают класс адаптивных полосовых фильтров. Они успешно применялись в различных ситуациях, связанных с движениями делового цикла во множестве стран в международной экономике.
Полосовые фильтры могут быть реализованы в системах беспроводной связи 4G и 5G . Хусаини и др. (2015) заявили, что при применении беспроводной связи радиочастотный шум является серьезной проблемой. [4] В текущем развитии технологии 5G для подавления радиочастотных шумов и удаления нежелательных сигналов используются плоские полосовые фильтры .
Комбинированный, шпильковый, параллельно-связанный, ступенчатый импеданс и шлейфовый импеданс являются конструкциями экспериментального полосового фильтра для достижения низких вносимых потерь при компактном размере. [5] Необходимость принятия асимметричной частотной характеристики обусловлена необходимостью уменьшения количества резонаторов , вносимых потерь , размера и стоимости производства схемы .
4-полюсный перекрестно-связанный полосовой фильтр разработан Hussaini et al. (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 из 3-полюсного однополосного полосового фильтра, где дополнительный резонатор применяется к 3-полюсному однополосному полосовому фильтру. Усовершенствованный полосовой фильтр имеет компактный размер с простой структурой, что удобно для внедрения. Более того, подавление полосы заграждения и селективность демонстрируют хорошие характеристики в подавлении радиочастотного шума . Вносимые потери очень низки при покрытии спектра 4G и 5G , при этом обеспечивая хорошие обратные потери и групповую задержку .
Поглотители энергии — это устройства, которые эффективно ищут энергию из окружающей среды. Полосовые фильтры могут быть реализованы в поглотителях энергии путем преобразования энергии, генерируемой вибрацией, в электрическую энергию. Полосовой фильтр, разработанный Шахрузом (2005), представляет собой ансамбль консольных балок, [6], который называется системой балка-масса. Ансамбль систем балка-масса может быть преобразован в полосовой фильтр, если выбраны соответствующие размеры балок и масс. Хотя процесс проектирования механического полосового фильтра продвинут, все еще требуются дальнейшие исследования и работа для проектирования более гибких полосовых фильтров, подходящих для больших частотных интервалов. Этот механический полосовой фильтр может использоваться на источниках вибрации с различными частотами пиковой мощности.
В нейронауке Дэвид Хьюбел и Торстен Визель впервые показали, что простые зрительные клетки коры обладают свойствами реагирования, которые напоминают фильтры Габора , которые являются полосовыми фильтрами. [7]
В астрономии полосовые фильтры используются для пропускания только одной части светового спектра в инструмент. Полосовые фильтры могут помочь в поиске расположения звезд на главной последовательности , определении красных смещений и во многих других приложениях.
Медиафайлы, связанные с полосовыми фильтрами на Wikimedia Commons