滤波器的介绍，滤波器常见应用介绍

很多朋友对滤波器的介绍，滤波器常见应用介绍不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

滤波是信号处理中一项基本且重要的技术。通过滤波技术可以从各种信号中提取出所需信号，并滤除不需要的干扰信号。滤波器是信号频域分析中的重要组成部分。

过滤器的类型有很多种，每种过滤器都有不同的性能特点。因此，在选择过滤器时，通常需要综合考虑客户的实际使用环境和客户的性能要求，做出正确、有效、可靠的选择。

滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器用于处理模拟信号或连续信号，数字滤波器用于处理离散数字信号。

模拟滤波器可广泛应用于工业、商业和机构的配电网络，如：电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石油化工企业、大型商场和写字楼、精密电子企业、机场/港口供电系统、医疗机构等

通讯行业

为了满足大型数据中心机房的运行需求，通信配电系统中的UPS使用容量正在大幅增加。据调查，通信低压配电系统的主要谐波源设备是UPS、开关电源、变频空调等。

其产生的谐波含量较高，这些谐波源设备的位移功率因数极高。使用有源滤波器可以提高通信系统和配电系统的稳定性，延长通信设备和电力设备的使用寿命，使配电系统更符合谐波环境的设计规范。

大多数半导体行业的三次谐波非常严重，主要原因是企业大量使用单相整流设备。 3次谐波属于零序谐波，具有汇聚到中性线上的特点，导致中性线压力过大，甚至着火，存在很大的生产安全隐患。

谐波还会导致断路器跳闸，从而延迟生产时间。三次谐波在变压器中形成环流，加速变压器的老化。严重的谐波污染必然影响配电系统中设备的效率和寿命。

石油化学工业

由于生产的需要，石化行业存在大量的泵类负载，很多泵类负载都配备了变频器。变频器的大量应用，使得石化行业配电系统谐波含量大大增加。

目前逆变整流环节大多采用6个脉冲将交流电变换为直流电，因此产生的谐波主要是5次、7次、11次。其主要危害是对电气设备的危害和测量偏差。使用有源滤波器可以很好地解决这个问题。

化纤行业

为了大幅度提高熔化速度，提高玻璃熔化质量，延长熔炉使用寿命，节约能源，化纤行业普遍采用电增压加热设备，将电直接送至燃料-通过电极加热玻璃槽炉。这些设备会产生大量的谐波，且三相谐波的频谱和幅值差异较大。

钢铁/中频加热行业

钢铁行业常用的中频炉、轧机、电弧炉等设备会对电网的电能质量产生重大影响，造成电容补偿柜频繁过载保护动作，设备发热严重。变压器和供电线路、保险丝频繁熔断等，甚至造成电压下降、闪烁。

汽车制造

焊机是汽车制造业不可缺少的设备。由于电焊机具有随机性、快速性、冲击性等特点，电焊机的大量使用造成了严重的电能质量问题，导致焊接质量不稳定，机器人自动化程度高。由于电压不稳定而无法工作、无功补偿系统无法正常使用等。

直流电机的谐波治理大型直流电机现场需要先通过整流设备将交流电转换为直流电。由于此类工程负荷容量较大，交流侧谐波污染严重，导致电压畸变。严重时会引发事故。

使用自动化生产线和精密设备

对于自动化生产线和精密设备来说，谐波会影响其正常使用，并导致智能控制系统和PLC系统出现故障。

医院系统医院对供电的连续性和可靠性要求非常严格。 0类场所自动供电恢复时间T15S，1类场所自动供电恢复时间0.5ST15S，2类场所自动供电恢复时间T0.5S，电压总谐波畸变率THDu3%，X光机、CT机、核磁共振等属于谐波含量极高的负载。

剧院/体育场

晶闸管调光系统和大型LED设备都是谐波源，运行时会产生大量三次谐波，不仅会造成配电系统中电力设备效率低下，还会造成灯光闪烁，这是有害于通讯、有线电视等弱电电路产生噪音甚至误动作。

在现代电信设备和各种控制系统中，数字滤波器也得到广泛应用。以下是一些最成功的应用领域。

语音处理

语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一，也是最早推动数字信号处理理论发展的领域之一。该领域主要包括五个方面：

首先，语音信号分析。即分析计算语音信号的波形特征、统计特征、模型参数等；

第二，语音合成。即使用专用数字硬件或在通用计算机上运行的软件来生成语音；

第三，语音识别。也就是说，使用专门的硬件或计算机来识别一个人所说的话或谁在说话；

第四，语音增强。即，从噪声或干扰中提取被掩蔽的语音信号。

第五，语音编码。主要用于语音数据压缩，目前已制定了一系列语音编码国际标准，广泛应用于通信和音频处理领域。

图像处理

数字滤波技术已成功应用于静止图像和运动图像的恢复和增强、数据压缩、噪声和干扰消除、图像识别和断层扫描，还成功应用于雷达、声纳、超声波和红外信号。可见光图像成像。

在现代通信技术领域，几乎没有一个分支不受数字滤波技术的影响。数字滤波器广泛应用于信源编码、信道编码、调制、复用、数据压缩和自适应信道均衡等领域，特别是在数字通信、网络通信、图像通信和多媒体通信等应用中。如果没有数字滤波器，几乎不可能移动一英寸。其中，被认为是通信技术未来发展方向的软件无线电技术是基于数字滤波技术的。

电视、雷达

数字电视取代模拟电视是必然趋势。高清电视的普及指日可待，与之相伴的视盘技术已经形成了一个拥有巨大市场的产业；可视电话和会议电视产品不断更新。

视频压缩和音频压缩技术的成就和标准化促进了电视产业的蓬勃发展，而数字滤波器及相关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。

雷达信号占用的频段很宽，数据传输速率也很高。因此，压缩数据量、降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。高速数字器件的出现推动了雷达信号处理技术的进步。

在现代雷达系统中，数字信号处理是不可或缺的，因为信号的产生、滤波、处理、目标参数的估计和目标成像显示都离不开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波器是当今非常活跃的研究领域之一。声纳信号处理分为两类，即主动声纳信号处理和被动声纳信号处理。主动声纳系统涉及的许多理论和技术与雷达系统相同。

音乐数字滤波器为音乐领域开辟了新的局面。数字滤波器技术在编辑、合成音乐信号，以及给音乐添加混响、合唱等特殊效果方面显示出了强大的威力。数字滤波器还可用于作曲、录音和回放，或恢复旧磁带的音质。

有源电力滤波器在机场的应用

电力系统谐波产生的根本原因是一些具有非线性伏安特性的输配电和用电设备。当电流流过非线性负载时，与施加的电压不成线性关系，形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波污染日益威胁着电力系统的安全、稳定、经济运行，对线性负荷及同网其他用户造成较大影响。

飞机作为便捷的交通工具，给人们的日常交通和生活带来了多样化的选择，机场也在逐年扩建。然而，在机场低压配电系统中，存在着大量的谐波源，如机场助航灯、直流电机、电炉、轧机、电焊机等，这些谐波源的电流较大。畸变、谐波频谱范围宽、无功功率需求变化快等。

此类负载产生的谐波危害配电系统的正常运行，甚至造成严重的电气事故。其中，以机场助航照明系统为例，助航照明负载设备不断增加，机场照明站大量采用晶闸管调光装置，产生大量谐波电流，污染电能质量。同时，附加电流和附加热效应也对各种电气设备和电缆线路的安全造成一定危害。因此，对机场助航照明站电源谐波问题进行分析和控制显得极为重要。

目前，电力系统谐波治理的主流方法有两种：无源滤波技术和有源滤波技术。机场照明站使用的大功率功率半导体调光设备会产生大量的高次谐波（主要是除3次谐波以外的所有奇次谐波），无源滤波器在设计单台时必须将各次谐波分开。 -谐振滤波器，设计参数必须与系统阻抗相关（计算系统阻抗非常繁琐，而且系统逐年扩大，系统阻抗也会发生变化）；无源滤波不能完全消除谐波，但存在放大谐振的危险；电容器的老化也会使原来设计的谐振点发生偏移，无法滤除目标谐波；无源滤波系统适用于负载稳定的场合一、

与无源滤波器相比，有源滤波器系统可控性高、响应速度快（1ms），可补偿谐波、抑制闪变、补偿无功，并具有一机多能的特点；性价比更加合理；滤波特性不受系统阻抗影响，可消除与系统阻抗谐振的风险；它具有自适应功能，可以自动跟踪和补偿变化的谐波。

其基本原理是检测来自谐波源（被补偿对象）负载电路的谐波电流，补偿装置产生与谐波电流相等、相位相反的补偿电流波形，以抵消谐波源负载。产生谐波电流，使网侧电流只含有基波成分。

治理效果：

FIR滤波器在音响系统中的应用

通常，我们使用IIR EQ来修改音频系统或某个通道的频率响应曲线，这就是使用此均衡器的目的。事实上，在大多数情况下，它可以帮助我们实现这个目标。 PEQ和GEQ在实际使用中存在一定的差异，但无论是哪一种EQ，只要其功能足够强大，基本都能达到我们预期的目的。

但不幸的是，IIR EQ在按照我们个人意愿修正系统或通道的频率响应曲线的同时，也带来了一个副产品——，它破坏了音频系统或通道的相位响应。而且，一般规律是：IIR EQ对频率响应的改变越大，对相应系统或通道相位响应的损害就越严重。

高通滤波器（也可以被视为一种IIR EQ）对音频系统中相位的影响

不过，在科学技术高度发达的今天，FIR这种已经广泛应用于通信等领域的技术能够应用到音频系统中，确实是一件好事。

因为它解决了IIR EQ无法解决的问题，即作为另一种类型的EQ，它只能修改音频系统的频率响应，而不会影响其相位响应；它也可以只对音频系统的相位进行修正，而不影响频率响应（这不是类似于“全通滤波器”吗？是的，但是它的灵活性和功能性比AP强大得多）；它还可以同时校正系统的频率响应和相位响应。

这样看来，FIR EQ除了没有能力修正系统的脉冲响应之外，几乎是万能的？确实如此，但是它也有副作用！

使用FIR 处理器对500 Hz 以上信号进行频率响应和相位处理前后的比较结果

由于FIR滤波器是数字滤波器，无法用模拟电路来实现，因此在处理信号时，会需要或多或少的时间成本。也就是说，使用FIR滤波器的音频系统会有额外的延迟，而IIR可以用模拟电路来实现，所以不存在这样的批评。所谓凡事都有两面，有好的一面，也有坏的一面。另一方面，虽然时间成本也是我们必须考虑的因素，但至少对于中高频信号来说，我们不需要太担心那几毫秒的时间成本。

具体的时间成本主要由需要FIR处理的频率范围决定。频率较低的声音的周期较长。这很简单。我们可以认为，FIR作为一种数字信号处理器，至少需要一个下限频率对应的声音信号周期才能对其进行处理。例如，在理想情况下，对于500Hz的声音信号，FIR滤波器至少需要2ms来处理。当然，这个时间滞后对于我们来说一般都是可以接受的。但如果要处理低至50Hz的信号，可能需要20ms甚至更长的时间，这对于现场表演来说将成为一个非常烦人的问题。

一般来说，音响行业必须不断地做出选择。因为，从来没有最好的解决方案，只有根据当前情况更适合的解决方案。如果我们想要更好的频率响应和相位响应，我们会考虑使用FIR滤波器，但同时我们不希望系统中有太多的时间延迟。因此，现实中很多厂商选择使用FIR来处理系统的中高频部分，并有IIR EQ和经典分频电路来处理低频和超低频部分。

自适应滤波在信号处理中的应用

自适应滤波器的各种应用主要包括：

1、使用自适应滤波器作为估计未知系统属性的模型进行系统建模。

2、自适应噪声消除器，其中自适应滤波器用于估计并消除期望信号中的噪声分量；

3、数字通信接收器，其中自适应滤波器用于信道识别并提供用于码间串扰的均衡器；

4、自适应天线系统，其中自适应滤波器用于波束方向控制，并且可以在波束图案中提供零点以消除不需要的干扰。

系统识别或系统建模

对于一个真实的物理系统，人们主要关心的是它的输入输出特性，即信号的传输特性，而不需要完全了解其内部结构。一个系统可以有一个或多个输入和一个或多个输出。通信系统的识别问题是通信系统中一个非常重要的问题。所谓系统辨识，本质上是根据系统的输入输出信号估计或确定系统的特性以及系统的单位脉冲响应或传递函数。

系统辨识与建模是一个非常广泛的概念，在控制、通信和信号处理等领域具有重要意义。事实上，系统识别与建模并不局限于传统的工程领域，还可以用于研究社会系统、经济系统和生物系统等。

本节仅讨论通信和信号处理中的系统识别和建模问题。以滤波器作为通信信道的模型，采用自适应系统辨识的方法来识别通信信道，从而可以进一步均衡通信信道。

如果将通信通道视为“黑匣子”，则只知道“黑匣子”的输入和输出；采用自适应滤波器作为“黑匣子”的模型，该滤波器具有与“黑匣子”相同的输入和输出。自适应滤波器通过调制自身参数来将滤波器的输出与“黑匣子”的输出“匹配”。

这里的“匹配”通常是指最小二乘意义上的匹配。通过这种方式，滤波器模拟了通信信道对信号的传输行为。尽管自适应滤波器的结构和参数与真实通信信道的结构和参数不同，但它们的输入和输出响应高度一致。

因此，从这个意义上说，自适应滤波器是这种未知“黑匣子”系统的模型。并且还可以发现，如果自适应滤波器有足够的自由度（可调参数），那么自适应滤波器就可以对这个“黑匣子”进行任意程度的模拟。

假设未知通道是有限脉冲响应（FIR）结构，构造一个FIR结构的自适应滤波器，使用伪随机序列作为系统的输入信号x(n)，发送到未知通道系统，同时自适应滤波器。

调整自适应滤波器的系数，使误差信号e(n)的均方误差最小，则自适应滤波器的输出y(n)近似等于通信系统的输出d(n)。可以证明，加性噪声v(n)的存在并不影响自适应滤波器最终收敛到最优维纳解。

可以说，具有相同输入和相似输出的两个FIR 系统应该具有相似的特性。因此，可以利用自适应滤波器的特性或其单位脉冲响应来近似未知系统的特性或单位脉冲响应。

FBAR滤波器在智能手机中的应用

现代智能手机的一个非常重要的部分是射频(RF) 滤波器。事实上，滤波器主要用于通过所需的频率并拒绝不需要的频率，以便手机中的众多接收器只能处理所需的信号。

过去，手机通常只能在世界特定地区的少数频段工作。然而，对于现代手机来说，它们基本上同时工作在多个无线频段，包括移动通信、蓝牙（Bluetooth）、WiFi和GPS。制造商还希望设计出能够在全球不同地区、不同电信运营商服务下工作的产品。让手机工作在更多的频段和地区，意味着手机对射频滤波的要求越来越高。

在前几代无线技术中，滤波要求并不难实现，可能只需要使用表面声波滤波器。然而，随着运营商网络逐渐演进到CDMA和3G，为了利用当前的4G/LTE服务，智能手机本身变得更加复杂，因此手机制造商开始扩大采用FBAR技术来解决独特的问题4G/LTE 面临的问题如下所述。

可工作于多频段的4G/LTE手机

最新的智能手机产品必须设计为能够在全球多个频段工作。多频智能手机的整体尺寸不会比上一代更大。因此，如果要在为射频前端电路保留的相同空间中添加更多滤波器，那么很明显滤波器本身必须非常小。借助Microcap微封装技术，FBAR滤波器可以通过芯片级封装满足大多数空间受限的应用。

由于FBAR是一种基体材料，因此它可以提供非常好的功率处理能力，而无需使用SAW滤波器中常用的并联结构。此外，FBAR器件的尺寸会随着频率的提高而缩小，这使得FBAR非常适合当前的2300MHz至2700MHz以及未来3.5GHz的新4G/LTE频段应用。

以更高数据速率运行的4G/LTE 智能手机

与3G服务相比，4G/LTE在相同数据量下的下载速度可以达到10倍左右，这意味着同一时间内可以下载的数据量达到10倍。有多种方法可用于实现更高的数据速率，4G/LTE将根据检测到的信号强度使用不同的调制方法。简单来说，信噪比越高，数据速率就越高，比如从QPSK转换为QAM16/64调制。

在具有单刀多掷开关和多个双工器的多频段4G/LTE 手机上，检测到的信号可能太低而无法影响数据速率。 FBAR的低插入损耗有助于最大化输入信号强度，带来更高的数据吞吐量，从而带来更好的用户体验和更高的数据容量。

使用频分复用调制的手机使用允许同时发送和接收信号的双工器。由于发送和接收滤波器连接到同一天线端口，因此滤波器彼此之间的隔离非常重要。更高的隔离度可以最大限度地减少接收频带中的噪声，从而提高SNR 和数据速率。

提高数据速率的另一种方法是通过载波聚合。载波聚合同时适用于多个频段，以提高下载数据速率。一些新的LTE频段占用的频谱相对较小，因此这是网络运营商可以有效提高通信容量的方法。

由于每个频段的发射和接收将同时工作，因此不可能使用开关，因此使用复用器将各种发射和接收滤波器组合到同一天线端口。当与多路复用器配置结合使用时，Avago 的FBAR 滤波器可提供低信号损耗路径，以帮助最大限度地提高数据速率。

同时使用多个无线信号的智能手机

目前，很难找到一款没有Wi-Fi连接功能的智能手机。根据手机的工作频率，如果手机发送的信号没有经过适当的过滤，手机发送的信号可能会干扰Wi-Fi的正常工作。

当使用智能手机作为Wi-Fi热点时，Wi-Fi和4G/LTE无线信号将同时工作。如果没有出色的滤波能力，Wi-Fi 收发器可能会受到Band 7 频段上LTE 信号传输的阻塞或影响。

如今大多数手机还支持GPS 甚至GLONASS 服务。由于GPS/GLONASS信号通常功率非常低，约为-125dBm ~ -150dBm，所有接近GPS频率的发射信号都可能影响GPS/GLONASS接收器。灵敏度方面，AGPS-F001预滤波器加上LNA模块，由于其陡峭的滤波和宽带衰减能力，可为移动网络、PCS和WiFi信号提供优异的带外掩蔽能力和良好的线性性能。

FBAR技术的优点

电池寿命是一个重要的特性，经常被用来测试手机的性能并相互比较。在接收端，我们讨论了如何通过补偿射频前端中多个频段组合造成的较高损耗来支持FBAR 的较低插入损耗。 4G/LTE手机更高数据速率的另一个好处是，通过使手机能够检测较弱的信号，可以扩大移动通信的覆盖范围，避免接收不良甚至掉线。

在发射侧，发射滤波器较低的插入损耗意味着在相同天线发射功率下，功率放大器所需的输出功率较低。与其他滤波器技术相比，Avago 的Band 4 双工器带来的插入损耗改善约为0.2dB ~ 0.5dB，相当于节省高达50mA 的电流消耗，从而提供更长的电池寿命和通话时间。

当大多数应用仍然基于3G服务时，只有少数频段可以从FBAR技术中受益。随着4G/LTE多频段智能手机的普及，FBAR技术的插入损耗低、滤波器曲线陡峭、隔离度高、尺寸小型化等优势成为各大智能手机厂商迅速推出该技术的原因。

目前，采用FBAR技术的滤波器、双工器和多路复用器已被引入美国、欧洲和亚洲15个不同工作频段的智能手机设计中。随着新的过滤挑战的出现，FBAR技术将继续为提供解决方案的首选并成为主流技术。

过滤器的应用领域非常广泛，无法一一列举。除了以上几个领域之外，还有很多其他的应用领域。例如，在军事上广泛应用于导航、制导、电子对抗、战场侦察等；应用于电力系统的能量分配规划和自动检测；应用于环境保护中空气污染和噪声干扰的自动监测，在经济学领域应用于股市预测和经济效益分析等。

以上知识分享希望能够帮助到大家！