什么是模擬濾波器
編輯模擬濾波器是信號處理的基本組成部分,廣泛用于電子學中。當中其許多應用的音頻信號施加到前分離低音、中音和高音揚聲器?;?將多個電話對話合并和分離到一個通道上;在無線電接收器中選擇選定的廣播電臺并拒絕其他廣播電臺。
無源線性電子模擬濾波器是可以用線性微分方程描述的濾波器。它們由電容器、電感器,有時還包括電阻器組成,并且設計為在連續變化的模擬信號上運行。有很多線性濾波器在實現上不是模擬的(數字濾波器),并且有很多電子濾波器可能沒有無源拓撲-兩者可能具有相同的傳遞函數本文介紹的過濾器。模擬濾波器最常用于波形濾波應用中,也就是說,需要通過特定的頻率分量并拒絕模擬(連續時間)信號中的其他頻率分量。
模擬濾波器在電子學的發展中起著重要的作用。尤其是在電信領域,濾波器在許多技術突破中都至關重要,并且已成為電信公司獲得巨額利潤的來源。因此,濾波器的早期開發與傳輸線緊密相連就不足為奇了。傳輸線理論引起了濾波器理論,該濾波器理論最初采用非常相似的形式,濾波器的主要應用是在電信傳輸線上使用。但是,網絡綜合技術的出現極大地增強了設計人員的控制程度。
如今,通常首選在易于實現復雜算法的數字域中進行濾波,但是模擬濾波器仍然可以找到應用,特別是對于低階簡單濾波任務,并且在數字頻率較高的頻率下通常仍然是常態技術仍然不切實際,或者至少成本效益不高。只要有可能,特別是在低頻率下,模擬濾波器現在在一個實現濾波器拓撲這是活性,以避免傷口部件(即電感器、變壓器等)需要通過被動拓撲。
可以使用過濾機械振動或聲波的機械組件來設計線性模擬機械濾波器。雖然此類設備本身在機械上的應用很少,但可以將它們用于電子設備中,并添加換能器以與電子域進行轉換。確實,一些濾波器的最早想法是聲諧振器,因為當時對電子技術的了解很少。原則上,此類濾波器的設計可以完全通過機械量的電子形式實現,包括動能、勢能和熱能分別對應于電感器、電容器和電阻器中的能量。
其他值得注意的發展和應用
編輯機械過濾器
愛德華·諾頓(Edward Norton),大約在1930年,設計了一種機械濾波器,用于留聲機錄音機和播放器。諾頓在電氣領域設計了濾波器,然后使用機械量與電氣量的對應關系來實現使用機械組件的濾波器。質量對應于電感、剛度,以倒電容和阻尼到阻力。該濾波器設計為具有xxx平坦的頻率響應。
在現代設計中,通常使用石英晶體濾波器,尤其是在窄帶濾波應用中。信號在晶體中時以機械聲波的形式存在,并由換能器在晶體終端的電域和機械域之間轉換。
分布式元素過濾器
分布元件濾波器由傳輸線的長度組成,該傳輸線的長度至少是波長長度的很大一部分。最早的非電氣濾波器都是這種類型。?例如,威廉·赫歇爾(William Herschel,1738–1822)構造了一種具有兩個不同長度的管的設備,該設備會衰減某些頻率,但不會衰減其他頻率。?約瑟夫·路易斯·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange,1736–1813年)研究了定期加載重物的弦上的波浪。拉格朗日或后來的研究者(如查爾斯·戈弗雷)從未研究過該裝置,也從未將其用作過濾器。但是,坎貝爾以類比的方式使用了戈弗雷的結果來計算他的負載線上所需的負載線圈數量,該設備導致了他的電濾波器的發展。拉格朗日,戈弗雷和坎貝爾在計算中都做出了簡化的假設,忽略了儀器的分布式特性。因此,他們的模型沒有顯示出所有通帶濾波器都具有的多個通帶。最早由分布式元素原理設計的電濾波器是沃倫·P·梅森(Warren P. Mason)于1927年創立的。
橫向過濾器
橫向濾波器通常不與無源實現相關聯,但是該概念可以在1935年的Wiener和Lee專利中找到,該專利描述了由級聯的全通部分組成的濾波器。各個部分的輸出按需要的比例相加,以得出所需的頻率函數。這是基于這樣的原理,即某些頻率在不同部分將處于或接近反相,并且在添加時趨于抵消。這些是濾波器拒絕的頻率,可以產生截止頻率非常高的濾波器。這種方法沒有發現任何直接的應用,并且在無源濾波器中并不常見。然而,該原理發現許多應用作為寬帶的有源延遲線實現離散時間濾波器應用,例如電視、雷達和高速數據傳輸。
匹配的過濾器
匹配濾波器的目的是以犧牲脈沖形狀為代價來最大化信噪比(S / N)。與許多其他應用不同,脈沖形狀在雷達中并不重要,而信噪比則是對性能的主要限制。
控制系統過濾器
控制系統需要在其反饋回路中對濾波器進行平滑處理,以使機械系統移至規定標記的速度xxx并同時使過沖和噪聲引起的運動最小化的標準。這里的關鍵問題是從嘈雜的背景中提取高斯信號。早在第二次世界大戰期間,諾伯特·維納(Norbert Wiener)就發布了有關此問題的論文,該論文專門應用于防空火控模擬計算機。魯迪·卡爾曼(Rudy Kalman)(卡爾曼濾波器)隨后根據狀態空間平滑和預測對它進行了重新表述,這被稱為線性二次高斯控制問題。卡爾曼開始對狀態空間解決方案產生興趣,但據達林頓稱,這種方法也可以在Heaviside及其更早的工作中找到。
現代實踐
編輯低頻LC濾波器變得笨拙;組件,尤其是電感器、變得昂貴、笨重且不理想。實用的1 H電感器需要在高磁導率磁芯上繞很多匝;該材料將具有高損耗和穩定性問題(例如,較大的溫度系數)。對于電源濾波器之類的應用,必須容忍笨拙。對于低電平、低頻應用,可以使用RC濾波器,但它們無法實現極點或零點復數的濾波器。如果應用可以使用電源,則可以使用放大器制作具有復數極點和零點的RC有源濾波器。在1950年代,Sallen–Key有源RC過濾器是用真空管制成的放大器?這些濾波器用笨重的熱真空管代替了笨重的電感器。晶體管提供了更節能的有源濾波器設計。后來,廉價的運算放大器實現了其他有源RC濾波器設計拓撲。盡管有源濾波器設計在低頻情況下很常見,但在放大器不理想的高頻情況下卻不可行。LC(和傳輸線)濾波器仍在射頻下使用。
逐漸地,低頻有源RC濾波器被在離散時域而不是連續時域中工作的開關電容器濾波器所取代。所有這些濾波器技術都需要用于高性能濾波的精密組件,并且通常需要對濾波器進行調整。可調組件很昂貴,進行調整的工作量可能很大。調整7階橢圓濾波器的極點和零點并非易事。集成電路使數字計算變得便宜,因此現在低頻濾波是通過數字信號處理器完成的。這樣的數字濾波器實現超精確的值沒有問題,因此不需要調整或調整。數字濾波器也不必擔心雜散耦合路徑以及將各個濾波器部分彼此屏蔽。缺點是數字信號處理可能比等效的LC濾波器消耗更多的功率。廉價的數字技術已在很大程度上取代了濾波器的模擬實現。但是,它們在偶發之類的較簡單應用中仍然偶爾需要使用,而不需要復雜的頻率功能。無源濾波器仍然是微波頻率下的首選技術。
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