7. Фильтры электрических сигналов
7.1. Основные понятия и определения
В современных многоканальных системах связи широко используется частотный принцип разделения сигналов. Он состоит в том, что каждому сигналу отводится своя полоса частот. Важнейшую роль при обработке таких сигналов играют фильтры электрических сигналов.
Фильтры – это устройства, которые предназначены для пропускания сигналов в определенной полосе частот и подавления сигналов за пределами этой полосы частот. Обычно фильтр – это четырехполюсник (рис. 7.1.).
Передача сигнала через фильтр характеризуется двумя способами.
1
)
Комплексным коэффициентом передачи по
напряжению:
K
u(j)
= U2m/U1m
или его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ):
K u() = |U2m/U1m|.
Коэффициент передачи – это относительная безразмерная величина. Иногда его характеризуют относительной логарифмической величиной Ku[дБ] = 20 lgKu, ее размерностью является децибел (дБ). Коэффициент передачи показывает, какая доля входного сигнала проходит через фильтр.
2) Коэффициентом затухания по напряжению:
(jω) = U1m /U2m = 1/ Ku(j); (ω) = |U1m /U2m|, [дБ] = –20 lg Ku().
Он показывает долю сигнала, которая затухает, проходя через фильтр.
Избирательные свойства фильтра тем лучше, чем ближе форма АЧХ к прямоугольной. Идеальный фильтр имеет прямоугольную АЧХ.
3) Полоса пропускания (ПП) идеального фильтра – это диапазон частот, в котором K(ω) = 1, = 1.
4) Полоса задержания, или заграждения (ПЗ), – это диапазон частот, в котором K(ω) = 0, .
5) Частота, являющаяся границей между полосой пропускания и полосой задержания, называется граничной частотой, или частотой среза (fгр или fср).
У реальных фильтров
нет четкой границы между ПП и ПЗ, поэтому
в них за значение граничной частоты fгр
принимают частоту, определяемую из
соотношения
≈ 0,707.
Скорость спада АЧХ коэффициента передачи Ku в полосе заграждения рассчитывается из выражения
V=
– 20 lg
.
Его скорость спада идеального фильтра бесконечна.
На рис. 7.2. изображены амплитудно-частотные характеристики фильтра низких частот (ФНЧ) в логарифмическом масштабе при разных скоростях спада.
7.2. Классификация фильтров электрических сигналов
1) В зависимости от характера входного сигнала фильтры делятся:
- на аналоговые,
- цифровые.
2) В зависимости от наличия в схеме активных элементов:
– пассивные, состоящие только из пассивных элементов,
–активные – устройства, содержащие усилительные элементы и пассивные фильтры.
3) В зависимости от элементов, составляющих фильтр:
– LC-, RC-, и RL-типа,
– АRC-типа (активные RC-фильтры).
4) По характеру математического выражения аппроксимирующего АЧХ фильтра:
– фильтры Бесселя, Баттерворта, Золотарева, Чебышева и др.
5) По расположению полосы пропускания на оси частот фильтры делятся:
– на фильтры низких частот (ФНЧ). Их АЧХ коэффициента передачи приведена на рис. 7.3а. АЧХ идеального фильтра имеет прямоугольный характер, а у реального нет четкой границы между полосой пропускания и полосой заграждения.
– Фильтры высоких частот (ФВЧ). Их АЧХ коэффициента передачи приведена на рис.7.3б:
– Полосно-пропускающие фильтры (ППФ). Их АЧХ коэффициента передачи приведена на рис. 7.3в, где ω0 – средняя частота полосы пропускания; ωв.гр, ωн.гр – соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания. Если ω0/(ωв.гр–ωн.гр) >> 1, то фильтры называют избирательными, такие фильтры пропускают сигналы в узком диапазоне частот.
– Полосно-заграждающие фильтры (ПЗФ). Их АЧХ коэффициента передачи приведена на рис. 7.3 в, где ω0 – средняя частота полосы задержания; ωв.гр, ωн.гр – соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы задержания. Если ω0/(ωв.гр – ωн.гр) >>1, то фильтры называют режекторными, они подавляют сигнал в узком диапазоне частот.
а б в г Рис. 7.3