滤波器的基础知识解析

滤波器是有选择地通过“喜欢”的和阻止“不喜欢”的组件。当我们谈论滤波器的特性时，我们通常在频域中对其进行描述。

在大多数情况下，滤波器将属于以下四种可能的理想类型之一（可能存在其他一些滤波器变体，例如具有多个通带的滤波器等，但是您可以看到超过99％的滤波器会是以下类型之一）。

四种主要的滤波器类型

低通滤波器是一种使低频信号通过并阻止高频信号的滤波器。通过的频率应该有多低取决于滤波器的规格。

高通滤波器是一种使高频信号通过并阻止低频信号的滤波器。通过的频率应该有多高取决于滤波器的规格。

带通滤波器是一种通过一定频率范围的滤波器，它可以阻挡比指定频率范围低的区域和高的区域。通过滤波器的频率范围由规格确定。

带阻滤波器是通过大多数频率的滤波器，但阻止的频率范围很窄。其他类型的滤波器的目的是使一定范围内的信号通过，但是带阻滤波器的目的是阻止选定频率范围内的信号。

理想与实际的滤波器

理想的过滤器是如上所述的过滤器。它会通过一定范围的信号，并在该范围旁边开始阻塞信号。但是，正如人们总是说的那样，没有任何设备可以像理想概念那样工作。滤波器也一样。

让我们以带通滤波器为例。每个人都想拥有的理想滤波器是如下面左图所示的滤波器，但是您永远不会得到这种滤波器。即使在滤波器的理论设计中，您也会看到中间列中所示的几种类型，但是即使这种理论滤波器也不如理想滤波器那样好。

第一理论类型在通带区域中具有一些波动（波纹），并且相对陡峭地落入阻塞区域（阻带）中，并且在阻带中不具有波动。

第二种理论类型在通带和阻带中均没有波动。虽然没有波纹非常好。。但是在这种类型的滤波器中，它会慢慢落入阻塞区域。

第三种理论类型在通带和阻带中都有波动，这不好，但能陡峭地落入阻带中则是好的特性。

实数滤波器的一些示例显示在右列，这显然比理论特性差。这些只是几个真正的滤波器。在现实世界中，您将拥有多种多样的滤波器类型和特征。

理想滤波器 vs 实际滤波器

滤波器的典型实现

实现滤波器的方法有很多，很难列出滤波器的所有可能实现方法。我将列出几种我认为在许多领域中最常用的实现方式。以下是一些滤波器实现的示例。

电气滤波器：这是一种使用基本电气组件（例如R / L / C）实现滤波器的方法，我认为这将是最常见且使用最广泛的滤波器类型。根据应用的不同，只有单个组件（如单个电感器或单个电容）可以作为滤波器，在某些其他应用中，您会看到这些组件的非常复杂的组合用作滤波器。

不同的滤波器及其实现方法

SAW滤波器（表面声波滤波器）：这是一种将电能转换为声能并进行滤波，然后将滤波后的能量转换回电能的滤波器。这种类型的滤波器的优势在于，它可以以相对较小的尺寸实现非常高的质量（非常高阶的滤波器）。这种类型的缺点是难以处理高功率，并且通常会导致较大的插入损耗。在大多数手机中，您至少会在射频级中看到至少一个或两个SAW滤波器。他们过去也曾在IF阶段使用SAW滤波器，但现在在大多数手机中，整个IF级都已消失，IF SAW滤波器也消失了。

腔体滤波器：当我看到这种类型的滤波器时，我惊讶于如此简单的大型金属物体可以充当滤波器。 （内部结构并不像我想的那么简单，但是至少从外观上看，它看起来像是金属块-：）。就滤波器特性而言，我不会称其为高性能，但是它可以处理非常高的功率，并且它可以覆盖的频率范围可以达到极高的频率，并且与其他类型的滤波器相比，插入损耗通常很小。

数字滤波器

数字滤波器：您可能会猜到，它是一种基于数值算法执行滤波的滤波器。要使用这种滤波器，首先必须将输入的模拟信号转换为数字信号，然后处理数字化数据。这种滤波器的优势在于您可以获得与理论设计几乎相同的滤波器性能。缺点是主要由于AD转换器采样率的限制而难以处理高频。当然，您可以将高频率下变频为低频，以便可以使用数字滤波器，但这意味着您需要额外的电路进行滤波。另一个缺点是由于每个数字门部件引起的延迟，将导致相对较长的延迟。

设计目标

不管您要设计哪种滤波器，基本设计目标都将如下所示。

（1）陡峭的过渡阶段：要实现的第一个也是最重要的特征是过渡阶段，该过渡阶段应尽可能清晰，如下面的 图（1）所示。每个人都希望从实线到虚线改善此属性。通常，我们会增加滤波器的阶数来实现此目的，但是这个阶数的增加会使滤波器更大或更复杂。在无源滤波器的情况下，这种阶数的增加也会导致较大的插入损耗。

SAW滤波器是过渡阶段最陡的滤波器之一，不会增加太大的尺寸，但是SAW滤波器的插入损耗与其他类型的滤波器相比相对较大。尤其是中频声表面波滤波器具有非常尖锐的过渡阶段，但插入损耗却非常大。

（2）插入损耗小：如今，每个人都希望使插入损耗尽可能小，但是要改善插入损耗并不容易，尤其是当损耗是由滤波器的材料特性（例如， SAW滤波器）引起的。

（3）相位线性度：每个人都希望在通带区域内具有不变的或至少线性的相位特性，如虚线所示，但实际上，大多数滤波器将具有波动的，有时甚至更为复杂的相位特性。不幸的是，优化相位特性极其困难。

滤波器的设计目标