濾波器

科學知識 9547 360 2014-11-24

濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件,將輸入或輸出經過過濾而得到純淨的交流電。您可以通過基本的濾波器積木塊——二階通用濾波器傳遞函數,推導出最通用的濾波器類型:低通、帶通、高通、陷波和橢圓型濾波器。

傳遞函數的參數——f0、d、hHP、hBP 和hLP,可用來構造所有類型的濾波器。轉降頻率f0為s項開始占支配作用時的頻率。設計者將低於此值的頻率看作是低頻,而將高於此值的頻率看作是高頻,並將在此值附近的頻率看作是帶內頻率。阻尼d用於測量濾波器如何從低頻率轉變至高頻率,它是濾波器趨向振蕩的一個指標。實際阻尼值從0至2變化(表1)。高通係數hHP是對那些高於轉降頻率的頻率起支配作用的分子的係數。帶通係數hBP是對那些在轉降頻率附近的頻率起支配作用的分子的係數。低通係數hLP是對那些低於轉降頻率的頻率起支配作用的分子的係數。設計者只需這5個參數即可定義一個濾波器。

濾波器的過去、現在與未來

凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信裝備和各類控制系統中,濾波器應用極為廣泛;在所有的電子部件中,使用最多,技術最複雜要算濾波器了。濾波器的優劣直接決定產品的優劣,所以,對濾波器的研究和生產歷來為各國所重視。

濾波器的發展過程

1917年美國和德國科學家分別發明了LC濾波器,次年導致了美國第一個多路復用系統的出現。50年代無源濾波器日趨成熟。自60年代起由於計算機技術、集成工藝和材料工業的發展,濾波器發展上了一個新台階,並且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩定可靠和價廉方向努力,其中小體積、多功能、高精度、穩定可靠成為70年代以後的主攻方向,導致RC有源濾波器、數字濾波器、開關電容濾波器和電荷轉移器等各種濾波器的飛速發展。到70年代後期,上述幾種濾波器的單片集成被研製出來並得到應用。80年代致力於各類新型濾波器性能提高的研究並逐漸擴大應用範圍。90年代至今在主要致力於把各類濾波器應用於各類產品的開發和研製。當然,對濾波器本身的研究仍在不斷進行。

我國廣泛使用濾波器是50年代後的事,當時主要用於話路濾波和報路濾波。經過半個世紀的發展,我國濾波器在研製、生產應用等方面已有一定進步,但由於缺少專門研製機構,集成工藝和材料工業跟不上來,使許多新型濾波器的研製應用與國際水平有一段距離。

濾波器分類

按處理信號類型分類

濾波器可分為模擬濾波器和離散濾波器兩大類。其中模擬濾波器又可分為有源、無源、異類三個分類;離散濾波器又可分為數字、取樣模擬、混合三個分類。當然,每個分類又可繼續分下去,總之,它們的分類可以形成一個樹形結構。

按選擇物理量分類

濾波器可分為頻率選擇、幅度選擇、時間選擇(例如PCM制中的話路信號)和信息選擇(例如匹配濾波器)等四類濾波器。

按頻率通帶範圍分類

濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通五個類別,而梳形濾波器屬於帶通和帶阻濾波器,因為它有週期性的通帶和阻帶。

濾波器種類繁多,下面著重介紹近年來發展很快的幾種濾波器。

有源濾波器

有源濾波器由下列一些有源元件組成:運算放大器、負電阻、負電容、負電感、頻率變阻器(FDNR)、廣義阻抗變換器(GIC)、負阻抗變換器(NIC)、正阻抗變換器(PIC)、負阻抗倒置器(NII)、正阻抗倒置器(PII)、四種受控源,另外,還有病態元件極子和零子。

1965年單片集成運算放大器問世後,為有源濾波器開闢了廣闊的前景,到70年代初期,有源濾波器發展最為注目,1978年單片RC有源濾波器問世,為濾波器集成邁進了可喜的一步。由於運放的增益和相移均為頻率的函數,這就限制了RC有源濾波器的頻率範圍,一般工作頻率為20KHz左右,經過補償後,工作頻率也限制在100KHz以內。1974年產生了有源濾波器,使工作頻率可達GB/4(GB為運放增益與帶寬之積)。由於R(電阻)的存在,給集成工藝造成困難,於是又出現了有源C(電容)濾波器:就是說,濾波器由C和運放組成。這樣容易集成,更重要是提高了濾波器的精度,因為有源C濾波器的性能只取決於電容之比,與電容絕對值無關。但它有一個主要問題:由於各支路元件均為電容,所以運放沒有直流反饋通道,使穩定性成為難題。1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用連續的開關電阻(SR)去替代有源RC濾波器中的電阻R,就構成了SRC濾波器,它仍屬於模擬濾波器。但由於採用預置電路和複雜的相位時鐘,這種濾波器發展前途不大。

總之,以RC有源濾波器為原型的各類變種有源濾波器去掉了電感器,體積小,Q值可達1000、克服了RLC無源濾波器體積大、Q值小的缺點。但它仍有許多課題有待進一步研究:理想運放與實際特性的偏差;由於有源濾波器混合集成工藝的不斷改進,單片集成有待進一步研究;應用線性變換方法探索最少有源元件的濾波器需要繼續探索;元件的絕對值容差的存在,影響濾波器精度和性能等問題仍未解決;由於R存在,占芯片面積大、電阻誤差大(20~30%)、線性度差等缺點,大規模集成仍然有困難。

開關電容濾波器(SCF)

80年代技術改造一個重大課題是實現各種電子系統全面大規模集成(LSI),使用最多的濾波器成為"攔路虎",RC有源濾波器不能實現LSI,無源濾波器和機械濾波器更不用說。人們只能另辟新徑。50年代有人提出SCF的概念,由於當時集成工藝不過關,並沒有引起人們的重視,直到72年,美國一個叫Fried的科學家用開關和電容模擬電阻R,說SCF的性能只取決於電容之比,與電容絕對值無關,這樣才引起人們的重視。1979年一些發達國家單片SCF已成為商品(屬於高度保密技術),現在SC技術已趨成熟。SCF並用MOS工藝加以實現公認為80年代網絡理論與集成工藝的一大突破。當前MOS電容值一般為幾PF~100PF之內,它具有(10~100)10-6/V的電壓係數與(10~100)10-6/℃的溫度係數,這兩個係數幾乎接近理想的境界。SCF具有下列一些優點:可以大規模集成;精度高;功能多,幾乎所有電子部件和功能均可以由SC技術來實現;比數字濾波器簡單,因為不需要A/D,D/A轉換;功能小,可以做到。

SCF的應用情況:以聲頻範圍應用為主體,工作頻率在100KHz之內;在信號處理方面的應用有:程控SCF、模擬信號處理、振動分析、自適應性濾波器、音樂綜合、共振譜、語言綜合器、音調選擇、語聲編碼、聲頻分析、均衡器、解調器、鎖相電路、離散傅氏變換……。總之,SCF在儀表測量、醫療儀器、數據或信息處理等許多領域都有廣泛的應用前景。

在我國,1978年,有的導師和在校研究生開始進行這項研究工作,真正引起人們重視是80年以後。83年清華大學已製成單片SCF,成都工程學院與工廠聯合,也研製成單片SCF。現在關鍵是MOS工藝實現SCF及推廣應用問題,由於用戶還不瞭解它,SCF的應用還沒有普及。

SCF還有許多課題有待研究:1、由於運放和控制MOS開關的採樣頻率所限制,SCF只能在音頻範圍內應用。近年雖然出現無運放的SC電路,但由於採樣頻率的限制,工作頻率最高只在1MHZ之內。2、非零的MOS開關的溝道電阻以及非理想的運放特性,均可使SCF造成誤差。3、開關電容本身的寄生電容將使SCF的頻響發生畸變。4、MOS開關與MOS運放的熱噪聲將使SCF的動態範圍受到限制。5、最終要以MOS工藝來實現的SCF,由於它是時變網絡,想用分立元件精確模擬是不可能的,因此,設計完善的CAD技術是解決這一問題的唯一手段。此外,在靈敏度分析、噪聲分析等方面均有許多課題有待研究。

幾種新型數字濾波器(DF)

大家對DF並不陌生,這裡不作系統綜述,但對一些新型DF做一些介紹:

1.自適應DF

最優控制、自適應控制和自學習控制都涉及到多參數、多變量的複雜控制系統,都屬於現代控制理論研究的課題。自適應DF具有很強的自學習、自跟蹤功能。它在雷達和聲納的波束形成、緩變噪聲干擾的抑制、噪聲信號的處理、通信信道的自適應均衡、遠距離電話的回聲抵消等領域獲得了廣泛的應用,促進了現代控制理論的發展。

自適應DF有如下一些簡單算法:W-LMS算法;M-LMS算法;TDO算法;差值LMS算法和C-LMS算法。

2.複數DF

在輸入信號為窄帶信號處理系統中,常採用複數DF技術。為了降低採樣率而保存信號所包含的全部信息,可利用正交雙路檢波法,取出窄帶信號的復包絡,然後通過A/D變換,將復包絡轉化為複數序列進行處理,這個信號處理系統即為複數DF。它具有許多功能。MTI雷達中抑制具有卜勒頻移的雜波干擾;數字通信網與模擬通信網之間多路TDM/FDM信號變換復接等等。

3.多維DF

在圖像處理、地震、石油勘探的數據處理中都用到多維DF(常用是二維DF),多維DF的設計,往往將一維DF優化設計直接推廣到多維DF中去。對於模糊和隨機噪聲干擾的二維圖像的處理,多維DF也能發揮很好的作用。

此外,還有波DF,它便於實現大規模集成;便於無源和有源濾波網絡的數字模擬。

對於DF有待研究的課題有:係數靈敏度;捨入噪聲和極限環;多維逆歸濾波器的穩定性;各種硬件和軟件實現DF的研究等等。

其它新型濾波器

介紹幾種已得到廣泛應用的新型濾波器:

1.電控編程CCD橫向濾波器(FPCCDTF)

電荷耦合器(CCD)固定加權的橫向濾波器(TF)在信號處理中,其性能和造價均可與數字濾波器和各種信號處理部件媲美。這種濾波器主要用於自適應濾波;P-N序列和Chirp波形的匹配濾波;通用化的頻域濾波器以及作相關、褶積運算;語音信號和相位均衡;相陣系統的波束合成和電視信號的重影消除等。

2.晶體濾波器

它是適應單邊帶技術而發展起來的。在70年代,集成晶體濾波器的產生,使它發展產生一個飛躍,近十年來,對晶體濾波器致力於下面一些研究:實現最佳設計,除具有優良的選擇



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