滤波器1 (1).doc

一、 定义：凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器二、滤波器的分类按元件分类，滤波器可分为：有源滤波器、无源滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、锁相环滤波器、开关电容滤波器等。 按信号处理的方式分类，滤波器可分为：模拟滤波器、数字滤波器。 按通频带分类，滤波器可分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。按通带滤波特性分类，有源滤波器可分为：最大平坦型（巴特沃思型）滤波器、等波纹型（切比雪夫型）滤波器、线性相移型（贝塞尔型）滤波器等。 按运放电路的构成分类，有源滤波器可分为：无限增益单反馈环型滤波器、无限增益多反馈环型滤波器、压控电源型滤波器、负阻变换器型滤波器、回转器型滤波器等 除此之外，还有一些特殊滤波器，如满足一定频响特性、相移特性的特殊滤波器，例如，线性相移滤波器、时延滤波器、音响中的计杈网络滤波器、电视机中的中放声表面波滤波器等。特殊元件构成的无源滤波器：这类滤波器诸如：机械滤波器、压电陶瓷滤波器、晶体滤波器等。 三、几种滤波器 1、FIR滤波器FIR(Finite Impulse Response)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。工作原理在进入FIR滤波器前，首先要将信号通过A/D器件进行模数转换，使之成为8bit的数字信号，一般可用速度较高的逐次逼进式A/D转换器，不论采用乘累加方法还是分布式算法设计FIR滤波器，滤波器输出的数据都是一串序列，要使它能直观地反应出来，还需经过数模转换，因此由FPGA构成的FIR滤波器的输出须外接D/A模块。FPGA有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行性和可扩展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法，可以设计出高速的FIR数字滤波器。特点(1) 系统的单位冲激响应h (n)在有限个n值处不为零(2) 系统函数H(z)在|z|0处收敛，极点全部在z = 0处（因果系统）(3) 结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有反馈的递归部分。设FIR滤波器的单位冲激响应h (n)为一个N点序列，0 n N 1，则滤波器的系统函数为H(z)=h(n)*z-n就是说，它有（N1）阶极点在z = 0处，有（N1）个零点位于有限z平面的任何位置。基本结构（1）横截型（2）级联型(3)频率抽样型2、IIR数字滤波器IR(Infinite Impulse Response)数字滤波器，又名“无限脉冲响应数字滤波器”，或“递归滤波器”。递归滤波器，也就是IIR数字滤波器，顾名思义，具有反馈，一般认为具有无限的脉冲响应。特点：（1）封闭函数IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。（2）IIR数字滤波器采用递归型结构IIR数字滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。由于运算中的舍入处理，使误差不断累积，有时会产生微弱的寄生振荡。（3）借助成熟的模拟滤波器的成果IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。在设计一个IIR数字滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。（4）需加相位校准网络IIR数字滤波器的相位特性不好控制，对相位要求较高时，需加相位校准网络。IIR数字滤波器与FIR数字滤波器的区别1、单位响应IIR数字滤波器单位响应为无限脉冲序列，而FIR数字滤波器单位响应为有限的；FIR滤波器，也就是“非递归滤波器”，没有引入反馈。这种滤波器的脉冲响应是有限的。2、幅频特性IIR数字滤波器幅频特性精度很高，不是线性相位的，可以应用于对相位信息不敏感的音频信号上；FIR数字滤波器的幅频特性精度较之于IIR数字滤波器低，但是线性相位，就是不同频率分量的信号经过fir滤波器后他们的时间差不变，这是很好的性质。3、实时信号处理FIR数字滤波器是有限的单位响应也有利于对数字信号的处理，便于编程，用于计算的时延也小，这对实时的信号处理很重要。选取具有最大幅度的极点以及距离它最近的零点，使用它们组成一个二阶基本节的传递函数；对于剩下的极点和零点采用与3.2相类似的步骤，直至形成所有的二阶基本节。通过上面三步法进行的设计可以保证IIR数字滤波器中N位乘法器产生的量化舍入误差最小。3、卡尔曼滤波器卡尔曼滤波器是一种由卡尔曼（Kalman）提出的用于时变线性系统的递归滤波器。这个系统可用包含正交状态变量的微分方程模型来描述，这种滤波器是将过去的测量估计误差合并到新的测量误差中来估计将来的误差。1卡尔曼滤波的一个典型实例是从一组有限的，包含噪声的，对物体位置的观察序列（可能有偏差）预测出物体的位置的坐标及速度。在很多工程应用(如雷达、计算机视觉)中都可以找到它的身影。同时，卡尔曼滤波也是控制理论以及控制系统工程中的一个重要课题。例如,对于雷达来说，人们感兴趣的是其能够跟踪目标。但目标的位置、速度、加速度的测量值往往在任何时候都有噪声。卡尔曼滤波利用目标的动态信息，设法去掉噪声的影响，得到一个关于目标位置的好的估计。这个估计可以是对当前目标位置的估计(滤波)，也可以是对于将来位置的估计(预测)，也可以是对过去位置的估计(插值或平滑)。4、自适应滤波器四种类型：（1） 辨识系统辨识，如给定一个未知的动态系统，系统辨识目的是设计一个自适应滤波器以逼近该动态系统。（2） 逆模型分层地球建模均衡，例如在地震探测中，开发研究地球的分层模型，以解释地球表面的复杂问题一个未知脉冲响应的信道，自适应均衡器的用途是通过操作信道输出，使得信道与均横器的级联提供理想传输媒介的一个良好逼近（3） 预测预测编码，例如自适应预测用来对感兴趣信号（语音信号）建模，而不是直接对信号编码。在编码过程中，预测误差被编码以便传输与储存。典型地，预测误差具有比原信号更小的方差，从而作为改进编码的基础。（4） 干扰消除噪声消除， 如自适应噪声消除器的目的从接收信号中去除噪声以改善信燥比。电话电路中遇到的回音消除是噪声消除的一种特殊形式。噪声消除也用在心电图学中5、小波滤波器四、滤波器选择和使用注意事项1. 如何选择电源线干扰滤波器？有的顾客以为EMI滤波器的插入损耗越高越好，滤波网络的级数越多越好。其实这并不是选择滤波器的正确方法。此外，级数越多的滤波网络，价格越贵，体积和重量也越大。其实选择和评估电源线滤波器的唯一办法是将其装到设备上进行试验。正如上面所提到的滤波器，性能很大程度上取决于设备负载阻抗。而不能单一从阻抗（50）插入损耗数据来推导，它是一项滤波元件阻抗与设备阻抗的复杂函数，其量值及相位在频率范围内有变化。滤波器选择试验所要求的传导辐射控制（FCC，VDE）及灵敏性控制的不同性能等级在设备上进行。2. 是不是所有具有相同电路及元件值的滤波网络,性能都相同?所有具有相同电路及元件值的滤波网络,性能并不一样.元件值是在某一频率(通常为1KHz)时指定和测得的,而滤波器的性能是在整个频率范围内都需要的,而不仅仅在元件测量时的频率。元件的结构形式及接入滤波器的方法，对滤波器的性能都是相当重要的。3. 安装对滤波器的性能重要吗？安装及接线对滤波器的性能影响较大。电源线滤波器最好安装在设备的电源线输入端。滤波器是高频信号的障碍，其作用决不能因离散电容耦合电源输入线与电源输出线或受保护设备的任何其它导体而失效。在安装电源滤波器时，要注意以下几点：1） 电源滤波器的外壳与设备地之间必须有良好的电气连接。不要把滤波器安装在绝缘材料板或喷漆表面上，要安装在金属机壳上。还要避免使用长接地线，这样会大大增加接地电感和电阻，从而严重降低滤波器的共模抑制性能。比较好的方法是：用金属螺钉与弹簧（星行）垫圈将滤波器的金属屏蔽外壳牢牢固定在系统电源入口处的机壳上，或用铜编织麻花接地带与地点相连。2） 在捆扎设备电缆时，严禁将滤波器的输入输出电缆捆扎在一起。因为这样加剧了滤波器输入输出之间的电磁耦合，严重破坏滤波器对EMI信号的抑制能力。3） 不要将滤波器安装在设备屏蔽的内部。因为这样，设备内部电路及元件上的EMI信号会因辐射在滤波器的端引线上生成EMI信号而直接耦合到设备外面去，使设备屏蔽丧失对内部电路和元件产生的EMI辐射的抑制。4） 建议利用设备原有的屏蔽，将滤波器的输入输出端有效的隔离开来，将滤波器输入输出端间可能存在的电磁耦合控制到最低程度。一般滤波器的壳体是接到所保护设备的框架或机壳上，线侧导线应保持短小并与负载侧导线很好地隔离。理想的隔离系统是壁装滤波器，带有进线插座。五、滤波器的主要参数中心频率（Center Frequency）： 滤波器通带中心频率f 0 ，一般取f 0 =（f 1 +f 2 ）/2，f 1 、f 2 为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。 截止频率（Cutoff Frequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为：低通以DC处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。通带带宽（BWxdB）：（下图）指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征滤波器通带带宽参数。分数带宽（fractional bandwidth）=BW3dB/f0100%，也常用来表征滤波器通带带宽。插入损耗（Insertion Loss）：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征，如要求全带内插损需强调。纹波（Ripple）：指1dB或3dB带宽（截止频率）范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。带内波动（Passband Riplpe）：通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。带内驻波比（VSWR）：衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1：1，失配时VSWR1。对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR1.5：1的带宽一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。回波损耗（Return Loss）：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝（dB）数，也等于|20Log10|，为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。回波损耗（Return Loss）：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法：一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB，计算方法为fs处衰减量As-IL；另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标矩形系数（KxdB1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可为40dB、30dB、20dB等）。滤波器阶数越多矩形度越高即K越接近理想值1，制作难度当然也就越大。延迟（Td）：指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即Td=df/dv。带内相位线性度：该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度，但频率选择性很差，限于脉冲、或调相信号传输系统应用。六、滤波器的主要特性指标1、特征频率：通带截频fp=wp/(2p)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频fr=wr/(2p)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。转折频率fc=wc/(2p)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。固有频率f0=w0/(2p)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。2、增益与衰耗滤波器在通带内的增益并非常数。对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益；高通指w时的增益；带通则指中心频率处的增益。对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。3、阻尼系数与品质因数阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。阻尼系数的倒数称为品质因数，是*价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= w0/w。式中的w为带通或带阻滤波器的3dB带宽， w0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。4、灵敏度滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为： Sxy=(dy/y)/(dx/x)。该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。5、群时延函数当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d(w)/dw*价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d(w)/dw越接近常数，信号相位失真越