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  • 一、交流侧谐波分析:1)特征谐波:对于 6 脉动换流器,网侧的线电流(换流变压器 Yy 接线)傅里叶展开为: 因此,Yy换流器的网侧线电流除基波外只有次谐波。对于 12 脉动换流器,网侧的线电流(两组换流变压器 Yy ...

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    一、交流侧谐波分析:

    1)特征谐波:

    对于 6 脉动换流器,网侧的线电流(换流变压器 Yy 接线)傅里叶展开为:

    因此,Yy换流器的网侧线电流除基波外只有

    次谐波。

    对于 12 脉动换流器,网侧的线电流(两组换流变压器 Yy Yd 并联接线)傅里叶展开为:

    因此,通过交流换流器注入到系统的交流网侧线电流表达式为:

    因此,12脉动 LCC-HVDC 通过换流器注入到交流侧的电流中只含有

    次谐波,其中
    次谐波在换流变压器的网侧绕组形成环流,不流入交流电网。

    然而,实际工程需要考虑换相角

    带来的影响(由换相电抗引起,晶闸管的导通和关断不能瞬时完成),则考虑换相角
    的谐波电流应该表示为:

    很复杂,可以不用理会,这里直接抛出结论:

    随着特征谐波次数的增大,特征谐波幅值逐次减小,通常11次特征谐波幅值最大,13次次之。并且当谐波达到35次时,谐波电流幅值小于 1% 基波电流,当谐波电流达到50次时,谐波电流幅值非常小,可以忽略不计。所以在设计交流滤波器时,通常只考虑50次及以下谐波电流。

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    2)非特征谐波:

    与特征谐波相比,非特征谐波的幅值通常较小,但对交流滤波器的性能和定值计算结果会产生影响,不能忽略不计。

    产生交流侧非特征谐波的因素主要有八个:

    (1)直流电流中存在纹波;

    (2)交流电压中存在谐波;

    (3)交流基波电压不对称,存在负序电压;

    (4)换流变压器阻抗相间存在差异;

    (5)Yy和Yd换流变压器对应的6脉动换流阀触发角差异;

    (6)换流变压器变比差异造成Yy和Yd换流变压器换相电压不同;

    (7)Yy和Yd换流变压器阻抗差异;

    (8)触发角不完全等距。

    在理论分析和工程实际中一般采用逐项分析方法,即假定其他因素都是理想的,考虑上述各种因素均单独出现,再对结果进行叠加。分析方法较为复杂,不展开论述,下面直接跳到交流滤波器的选择。

    二、交流滤波器类型:

    滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器两类,有源滤波器结构复杂可靠性低,到目前为止,我国的HVDC工程均采用无源滤波器。

    确定滤波器元件总体上要考虑三个因素

    i) 在额定电压下滤波器的基波无功容量

    ;

    ii) 调谐点角频率

    (比如要滤除11次谐波,n=11);

    iii) 调谐锐度也叫做品质因数

    交流无源滤波器可分为调谐滤波器(tuned filter)和阻尼滤波器 (damping filter)。

    1)调谐滤波器 (Tuned filter)

    单调谐滤波器(Single-tuned filter):

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    单调谐滤波器结构很简单,由一个电容和与之串联的电抗组成。

    按照上述所提及的三个因素来计算单调谐滤波器的电容和电感值:

    其中

    是基波角频率。

    这里假设

    (但实际上交流系统频率有一定偏差范围
    )。

    可以看出,品质因数 q 值越高,滤波器在调谐频率下的阻抗越小,滤波器效果就越好,损耗也就越低。

    双调谐滤波器(Double-tuned filter):

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    双调谐滤波器可以等效为两个并联的单调谐滤波器,如下图所示:

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    确定双调谐滤波器中电容和电感参数有两个方法:一是通过上图所示的等效接线方式求得,二是通过确定

    两个调谐角频率
    ,以及滤波器并联回路的调谐角频率
    来求得。

    三调谐滤波器(Triple-tuned filter):

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    双调谐滤波器可以等效为三个并联的单调谐滤波器,如下图所示:

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    同双调谐阻尼滤波器,确定三调谐滤波器中电容和电感参数有两个方法:一是通过上图所示的等效接线方式求得,二是通过确定

    三个调谐角频率
    ,以及滤波器并联回路的l两个调谐角频率
    来求得。

    2)阻尼滤波器(Damped filter)

    阻尼滤波器的作用是用来削弱多次谐波,通常是在调谐滤波器的基础上增加一个或多个与电抗器并联的电阻器,使滤波器在一定频率内产生阻尼特性。如果是在比调谐频率高处获得高阻尼特性,那么也可称为高通滤波器。

    二阶高通滤波器(Second-order high-pass filter)--- 单调谐滤波升级版:

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    二阶高通滤波器就是在单调谐滤波器的基础上为电抗器支路并联一个电阻,使之具有阻尼特性。其具体表现为当电阻 R 较大时,调谐点处阻抗较小高频范围内阻抗较大(曲线 Z1);电阻 R 较小时,调谐点处阻抗较大高频范围内阻抗较小(曲线 Z2)。

    C形阻尼滤波器(Type-C damped filter):

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    如图,C2 和 L 的调谐频率设置为工频,再与电阻并联,相当于在工频下将电阻器旁路,从而降低滤波器中电阻器的损耗。

    其中相关电容和电感值的计算如下:

    双调谐阻尼滤波器(Double-tuned damped filter)--- 双调谐滤波升级版:

    有如下三种典型的接线方案:

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    其中 (a)和(b)接线方案将在调谐点附近产生阻尼效果(称为带通阻尼);(c)种接线方案中在很宽的高频带范围内阻抗幅值接近电阻器的电阻值,具有高通阻尼效果(阻抗角接近电阻性),如下图所示:

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    双调谐高通阻尼滤波器阻抗-频率特性

    三调谐阻尼滤波器(Triple-tuned damped filter)--- 三调谐滤波器升级版:

    接线方案如下图所示,其分析方法同上。

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    总结一下:

    LCC-HVDC 交流滤波器主要可分为调谐滤波器阻尼滤波器两种。

    调谐滤波器主要分为:

    i) 单调谐滤波器;ii) 双调谐滤波器; iii) 三调谐滤波器。

    阻尼滤波器主要分为:

    i) 二阶高通阻尼滤波器(单调谐阻尼); ii) 双调谐阻尼滤波器;iii) 三调谐阻尼滤波器;iv) C 型阻尼滤波器。

    阻尼滤波器的主要优点体现在:

    i) 耐受较大范围的频率偏移;ii)耐受由环境条件引起的较大范围内滤波器元件参数变化;iii) 降低暂态电压并减小谐振存在的可能性。

    阻尼滤波器的主要缺点体现在:

    i)增加的电阻器导致滤波损耗较大;ii) 由于增大了调谐点的滤波器阻抗,导致调谐性能略低于调谐滤波器。

    三、实际工程交流滤波器选择

    1) 调谐阻尼滤波器为首选,但并联电容器(shunt capacitor)不装设电阻器。

    2)除了并联电容器,滤波器种类不超三种。大部分工程采用了双调谐阻尼滤波方案或双调谐阻尼滤波+三调谐阻尼滤波组合方案,个别工程采用了双调谐阻尼滤波+二阶高通阻尼滤波(单调谐阻尼)方案。

    3)为滤除 3 次谐波以及相邻的 5 次 7 次谐波,有些工程采用了 C 型高通阻尼滤波器,或者将 3 次调谐点组合在三调谐滤波器中[1]

    附:

    CIGRE LCC-HVDC Benchmark Model 交流滤波器:

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    从左到右:C型阻尼滤波器(滤除3次谐波)+ 二阶高通阻尼滤波器(滤除11次谐波)+ 并联电容器滤波环节。

    下一篇文章将叙述直流滤波器(DC filter)和平波电抗器(smoothing reactance)的选择。

    参考

    1. ^高压直流输电设计手册
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  • 波形滤波器表示呈现和/或捕获波形格式的数字音频数据的设备。应用程序通常通过DirectSound API或Microsoft Windows多媒体waveOut Xxx和waveIn Xxx函数来访问这些设备的功能。甲波渲染滤波器接收作为输入的波数字音频...

    波形滤波器表示呈现和/或捕获波形格式的数字音频数据的设备。应用程序通常通过DirectSound API或Microsoft Windows多媒体waveOut Xxx和waveIn Xxx函数来访问这些设备的功能。

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    甲波渲染滤波器接收作为输入的波数字音频流,并输出一个模拟音频信号(一组扬声器或外部混合器的)或数字音频流(到S / PDIF连接器,例如)。

    甲波捕获过滤器接收作为输入的一个模拟音频信号(从麦克风或输入插孔)或数字流(从S / PDIF连接器,例如)。同一滤波器输出包含数字音频数据的波流。

    单个滤波器可以同时执行渲染和捕获。例如,这种类型的滤波器可能代表一种音频设备,该设备可以通过一组扬声器播放音频,并同时通过麦克风记录音频。如动态音频子设备中所述,波形渲染和波形捕获硬件可以表示为单独的波形滤波器。

    音频适配器驱动程序通过将wave微型端口驱动程序(系统硬件实施为硬件供应商作为适配器驱动程序的一部分实现)与wave端口驱动程序绑定在一起来构成wave滤波器。微型端口驱动程序处理波形滤波器的所有特定硬件,而端口驱动程序则管理所有通用的波形滤波器功能。

    PortCls系统驱动程序(Portcls.sys)实现了三个Wave端口驱动程序:WaveRT,WavePci和WaveCyclic。

    三种类型的滤波器的操作如下:

    甲波滤波器分配用于数据的缓冲器,并且对用户模式客户端可直接访问该缓冲区。缓冲区可以由连续或不连续的内存块组成,具体取决于波形设备的硬件功能。客户端访问缓冲区作为虚拟内存的连续块。缓冲区是循环的,这意味着当设备的读取(用于渲染)或写入(用于捕获)指针到达缓冲区的末尾时,它将自动回绕到缓冲区的开头。

    尽管客户端将缓冲区作为单个连续的虚拟内存块访问,但是WavePci筛选器必须将缓冲区作为一系列可能的非连续内存块访问。包含渲染或捕获流连续部分的块在设备处排队。当设备的读或写指针到达一个块的末尾时,它将移至队列中下一个块的开始。

    甲WaveCyclic滤波器分配由存储器中,用于作为其输出(用于渲染)或输入(捕获)缓冲器的单个的,连续的块的缓冲器。该缓冲区是循环的。由于客户端不能直接访问该缓冲区,因此驱动程序必须在驱动程序的循环缓冲区和客户端的用户模式缓冲区之间复制数据。

    WaveRT优于WavePci和WaveCyclic。WavePci和WaveCyclic与早期版本的Windows一起使用。

    WaveRT滤波器可以表示驻留在系统总线上的音频设备,例如PCI或PCI Express。WaveRT过滤器相对于WaveCyclic或WavePci过滤器的主要优点在于,WaveRT过滤器允许用户模式客户端直接与音频硬件交换音频数据。相反,WaveCyclic和WavePci滤波器都需要驱动程序进行定期软件干预,这会增加音频流的延迟。此外,具有和不具有分散/聚集DMA功能的音频设备都可以表示为WaveRT滤波器。

    在电子领域,滤波器有许多实际应用。示例包括:

    无线电通信:过滤器使无线电接收器仅“看到”所需信号,而拒绝所有其他信号(假定其他信号具有不同的频率成分)。

    直流电源:滤波器用于消除交流输入线上存在的不希望的高频(即噪声)。此外,在电源的输出端使用了滤波器以减少纹波。

    音频电子设备:交叉网络是一个滤波器网络,用于将低频音频传输到低音扬声器,将中频频率传输到中音扬声器,以及将高频声音传输到高音扬声器。

    模数转换:滤波器放置在ADC输入的前面,以最小化混叠。

    四种主要类型的过滤器

    滤波器的四种主要类型包括低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器和陷波滤波器(或带阻滤波器或带阻滤波器)。但是,请注意,术语“低”和“高”并不表示频率的任何绝对值,而是相对于截止频率的相对值。

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    下面的图1给出了这四个过滤器各自如何工作的总体思路:

    图1。四种主要过滤器类型的基本描述。

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    也有一种全通滤波器,  但出于本文目的,我不认为它是四种基本滤波器类型之一。

    无源和有源滤波器

    过滤器可以放在以下两种类别之一中:被动或主动。

    无源滤波器仅包括无源组件- 电阻器,电容器和电感器。相比之下,有源滤波器除了使用电阻器和电容器外,还使用诸如运算放大器之类的有源组件,但不使用电感器。

    无源滤波器对大约100 Hz至300 MHz的频率范围最敏感。下端的限制是由于在低频下电感或电容必须很大的事实。上限频率是由于寄生电容和电感的影响。仔细的设计实践可以将无源电路的使用范围扩展到千兆赫兹范围。

    有源滤波器能够处理非常低的频率(接近0 Hz),并且可以提供电压增益(无源滤波器不能)。有源滤波器可用于设计高阶滤波器,而无需使用电感器。这一点很重要,因为电感器在集成电路制造技术中存在问题。但是,由于放大器带宽的限制,有源滤波器不太适合超高频应用。射频电路必须经常使用无源滤波器。

    响应曲线用于描述滤波器的行为。响应曲线只是表示衰减比(V OUT / V IN)与频率的关系的曲线图(请参见下面的图2)。衰减通常以分贝(dB)为单位表示。频率可以两种形式表达:角形式ω(单位为rad / s)或f的更常见形式(Hz的单位,即每秒循环数)。这两种形式与ω=2πf相关。最后,可以以线性-线性,对数线性或对数-对数形式绘制滤波器响应曲线。最常见的方法是在y轴上有分贝,在x轴上有对数频率。

    注意:陷波滤波器是具有窄带阻带宽的带阻滤波器。陷波滤波器用于衰减较窄的频率范围。

    以下是描述滤波器响应曲线时常用的一些技术术语:

    -3dB频率(f 3dB)。该术语称为“负3dB频率”,对应于使输出信号相对于输入信号下降-3dB的输入频率。-3dB频率也称为截止频率,它是输出功率降低一半的频率(这就是为什么该频率也称为“半功率频率”的原因)或输出电压是输入电压乘以1 /√2。对于低通和高通滤波器,只有一个-3dB频率。但是,带通滤波器和陷波滤波器有两个-3dB的频率,这些频率通常称为f 1和f 2。

    中心频率(f 0)。中心频率(用于带通和陷波滤波器的术语)是位于上限和下限截止频率之间的中心频率。中心频率通常定义为下截止频率和上截止频率的算术平均值(请参见下面的公式)或几何平均值。

    带宽(β或BW)。带宽是通带的宽度,通带是从滤波器的输入移到滤波器的输出时不会经历明显衰减的频率带。

    阻带频率(f s)。这是衰减达到指定值的特定频率。

    对于低通和高通滤波器,超出阻带频率的频率称为阻带。

    对于带通和陷波滤波器,存在两个阻带频率。这两个阻带频率之间的频率称为阻带。

    品质因数(Q):滤波器的品质因数传达了其阻尼特性。在时域中,阻尼对应于系统阶跃响应中的振荡量。在频域中,较高的Q对应于系统幅度响应中的更多(正或负)峰值。对于带通或陷波滤波器,Q表示中心频率与-3dB带宽之间的比率(即f 1和f 2之间的距离)。

    对于带通和陷波滤波器:

    Q = f 0 /(f 2 -f 1)

    滤波器在许多常见应用中起着至关重要的作用,例如电源,音频电子设备和无线电通信等。滤波器可以是有源或无源的,并且滤波器的四种主要类型是低通,高通,带通和陷波/带阻。

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  • 滤波器

    2021-02-06 19:24:59
    滤波器作用是从众多的信号中挑选出我们想要的信号 根据电路工作是否需要电源分为: 无源滤波器 有源滤波器 电容电感阻抗公式: 电感: 电容: 一阶滤波器 低通滤波器(LPF) 低通滤波器主要选取低频...
    本文为作者学习笔记
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    滤波器

    滤波器的作用是从众多的信号中挑选出我们想要的信号

    • 根据电路工作是否需要电源分为:
    1. 无源滤波器
    2. 有源滤波器

    电容电感阻抗公式:

    1. 电感:
      在这里插入图片描述

    2. 电容:
      在这里插入图片描述


    一阶滤波器


    低通滤波器(LPF)

    低通滤波器主要选取低频信号。当低通滤波器输入0-f1的信号是,经过低通滤波器输出0-f0的信号。f0称为截至频率。低通滤波器只能通过频率低于f0的信号。

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    RC低通滤波器:

    因为电容对于高频信号的障碍小,对低频的信号障碍大,所以高频信号经过电容旁路到地,低频信号进入下一级电路。

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    RL低通滤波器

    因为电感对于高频信号的障碍很大,低频信号障碍小,所以高频信号不能通过电感,低频信号通过电感到下一级电路。

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    高通滤波器(HPF)

    高通滤波器作用选取高频信号。当高通滤波器输入0-f1的信号时,经过高通滤波器输出大于f0的信号。这里的f0称为截止频率。高通滤波器只能通过频率高于f0的信号。

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    RC高通滤波器

    因为电容对于高频信号的障碍小,对低频的信号障碍大,所以高频信号经过电容进入下一级电路。低频信号难于通过电容。

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    RL高通滤波器

    因为电感对于高频信号的障碍很大,低频信号障碍小,所以高频信号不能通过电感从而进入下一级电路,低频信号通过电感到旁路到地。

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    带通滤波器(BEF)

    带通滤波器的功能是选取一段指定的信号。当带通滤波器输入0-f1的信号时,经过带通滤波器输出fL-fH的信号。

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    RC带通滤波器

    R1,C1构成低通滤波器,通过fH以下的信号,R2,C2构成高通滤波器,通过fL以上的信号。RC带通滤波器只能通过fL以上的信号,fH以下的信号。

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    LC带通滤波器

    L,C并联电路,电感和电容都是谐振频率为f0,只有频率为f0的信号可以通过LC带通滤波器到下一级电路。

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    带阻滤波器(BEF)

    带通滤波器的功能是删去一段指定的信号。带阻滤波器输入0-f1的信号时,经过带通滤波器输出f0-fL的信号,fH-f1的信号

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    RC带阻滤波器

    R1,C1构成低通滤波器,通过fL以下的信号,R2,C2构成高通滤波器,通过fH以上的信号。RC带通滤波器只能通过fH以上的信号,fL以下的信号。

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    参考资料:

    1. 知乎

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  • 滤波器作用与原理应用

    万次阅读 多人点赞 2018-01-23 11:07:30
    该过程通过各类传感器的作用,被转换为电压或电流的时间函数,称之为各种物理量的时间波形,或者称之为信号。因为自变量时间‘是连续取值的,所以称之为连续时间信号,又习惯地称之为模拟信号(Analog Sign

    转载路径

         滤波器介绍

      滤波器,顾名思义,是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念,在电子技术领域,“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用,被转换为电压或电流的时间函数,称之为各种物理量的时间波形,或者称之为信号。因为自变量时间‘是连续取值的,所以称之为连续时间信号,又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展,为了便于计算机对信号进行处理,产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说,可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息,波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化,自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播,靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变,甚至是在相当多的情况下,这种畸变还很严重,以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。


      主要作用

      滤波器,顾名思义,是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广 泛的物理概念,在电子技术领域,“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用,被转换为电压或电流的时间函数,称之为各种物理量的时间波形,或者称之为信号。因为自变量时间‘是连续取值的,所以称之为连续时间信号,又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展,为了便于计算机对信号进行处理,产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说,可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息,波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化,自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播,靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变,甚至是在相当多的情况下,这种畸变还很严重,以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了


      主要分类

      按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。

      按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。

      低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声;

      高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量;

      带通滤波器:它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声;

      带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。

      按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。

      无源滤波器:仅由无源元件组成的滤波器,它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是:电路比较简单,不需要直流电源供电,可靠性高;缺点是:通带内的信号有能量损耗,负载效应比较明显,使用电感元件时容易引起电磁感应,当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大,在低频域不适用。

      有源滤波器:由无源元件和有源器件组成。这类滤波器的优点是:通带内的信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大,负载效应不明显,多级相联时相互影响很小,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽;缺点是:通带范围受有源器件的带宽限制,需要直流电源供电,可靠性不如无源滤波器高,在高压、高频、大功率的场合不适用。

      根据滤波器的安放位置不同,一般分为板上滤波器和面板滤波器。

      板上滤波器安装在线路板上,如PLB、JLB系列滤波器。这种滤波器的优点是经济,缺点是高频滤波效果欠佳。其主要原因是:

      1、滤波器的输入与输出之间没有隔离,容易发生耦合;

      2、滤波器的接地阻抗不是很低,削弱了高频旁路效果;

      3、滤波器与机箱之间的一段连线会产生两种不良作用: 一个是机箱内部空间的电磁干扰会直接感应到这段线上,沿着电缆传出机箱,借助电缆辐射,使滤波器失效;另一个是外界干扰在被板上滤波器滤波之前,借助这段线产生辐射,或直接与线路板上的电路发生耦合,造成敏感度问题;

      滤波阵列板、滤波连接器等面板滤波器一般都直接安装在屏蔽机箱的金属面板上。由于直接安装在金属面板上,滤波器的输入与输出之间完全隔离,接地良好,电缆上的干扰在机箱端口上被滤除,因此滤波效果相当理想


      常见种类

      数字滤波器

      与模拟滤波器相对应,在离散系统中广泛应用数字滤波器。它的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形或频率进行加工处理。或者说,把输入信号变成一定的输出信号,从而达到改变信号频谱的目的。数字滤波器一般可以用两种方法来实现:一种方法是用数字硬件装配成一台专门的设备,这种设备称为数字信号处理机;另一种方法就是直接利用通用计算机,将所需要的运算编成程序让通用计算机来完成,即利用计算机软件来实现。

      低通滤波器

      低通滤波器是指车载功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通过的电路,其作用是滤去音频信号中的中音和高音成分,增强低音成分以驱动扬声器的低音单元。由于车载功放大部分都是全频段功放,通常采用AB类放大设计,功率损耗比较大,所以滤除低频段的信号,只推动中高频扬声器是节省功率、保证音质的最佳选择。此外高通滤波器常常和低通滤波器成对出现,不论哪一种,都是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。

      低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过,但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。

      对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。

      低通滤波器概念有许多不同的形式,其中包括电子线路(如音频设备中使用的hiss滤波器、平滑数据的数字算法、音障(acoustic barriers)、图像模糊处理等等,这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。

      低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数所起的作用;

      低通滤波器有很多种,其中,最通用的就是巴特沃斯滤波器。

      带通滤波器

      1、带通滤波器的工作原理:

      一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带,例如在通带内没有增益或者衰减,并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉,另外,通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上,并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉,尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象,并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。通常,滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好,这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而,随着滚降范围越来越小,通带就变得不再平坦—开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显,这种效应称为吉布斯现象。

      除了电子学和信号处理领域之外,带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域,很常见的例子是使用带通滤波器过滤3到10天时间范围内的天气数据,这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋。

      在频带较低的剪切频率f1和较高的剪切频率f2之间是共振频率,这里滤波器的增益最大,滤波器的带宽就是f2和f1之间的差值。

      2、带通滤波器的应用区域:

      许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器,以选出各个不同频段的信号,在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。这种有源带通滤波器的中心频率 ,在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/2B1,品质因数 ,3dB带宽B=1/(п*R3*C)也可根据设计确定的Q、fo、Ao值,去求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/(2пfoAoC),R2=Q/((2Q2-Ao)*2пfoC),R3=2Q/(2пfoC)。上式中,当fo=1KHz时,C取0.01Uf。此电路亦可用于一般的选频放大。 有源带通滤波器电路,此电路亦可使用单电源

      模拟滤波器

      模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如:带通滤波器用作频谱分析仪中的选频装置;低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波;高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声;带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波器,等等。

      用于频谱分析装置中的带通滤波器,可根据中心频率与带宽之问的数值关系,分为两种:

      一种是带宽B不随中心频率人而变化,称为恒带宽带通滤波器,其中心频率处在任何频段上时,带宽都相同;

      另一种是带宽B与中心频率人的比值是不变的,称为恒带宽比带通滤波器,其中心频率越高,带宽也越宽。

      声表面波滤波器

      声表面波是指声波在弹性体表面的传播,这个波被称为弹性声表面波。声表面波的传播速度比电磁波的速度约小10万倍。声表面波滤波器是采用石英晶体、压电陶瓷等压电材料,利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的一种滤波专用器件,广泛应用于电视机及录像机中频电路中,以取代LC中频滤波器,使图像、声音的质量大大提高。

      SAW 声表滤波器、声表谐振器,是在压电基片材料表面产生并传播、且其振幅随深入基片本材料的深度增加而迅速减少的的弹性波。声表面波(SAW)是传播于压电晶体表面的机械波,其声速仅为电磁波速的十万分之一,传播衰耗很小。

      SAW 声表器件是在压电基片上采用微电子工艺技术制作叉指形电声换能器和反射器耦合器等,利用基片材料的压电效应,通过输入叉指换能器(IDT)将电信号转换成声信号,并局限在基片表面传播,输出IDT将声信号恢复成电信号,实现电-声-电的变换过程,完成电信号处理过程,获得各种用途的电子器件。采用了先进微电子加工技术制造的声表面波器件,具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、多功能以及设计灵活等优点。

      介质滤波器

      介质滤波器利用介质陶瓷材料的低损耗、高介电常数、频率温度系数和热膨胀系数小、可承受高功率等特点设计制作的,由数个长型谐振器纵向多级串联或并联的梯形线路构成。其特点是插入损耗小、耐功率性好、带宽窄,特别适合CT1,CT2,900MHz,1.8GHz,2.4GHz,5.8GHz,便携电话、汽车电话、无线耳机、无线麦克风、无线电台、无绳电话以及一体化收发双工器等的级向耦合滤波。

      有源电力滤波器

      有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置,它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿,可以弥补无源滤波器的缺点,获得比无源滤波器更好的补偿特性,是一种理想的补偿谐波装置。早在70年代,有源电力滤波器的基本原理和主电路拓扑结构就已被确定,但由于受当时的技术条件限制,未能使有源电力滤波器得以实施。进入80年代后,新型电力电子器件的出现、PWM控制技术的发展以及瞬时无功功率理论的提出,极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。国外已开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器,并且单机装置的容量逐步提高,其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。


      特性指标

      1、特征频率:

      1)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;

      2)阻带截频fr=wr/(2p)为阻带与过渡带边界点的频率,在该点信号衰耗下降到一人为规定的下限;

      3)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;

      4)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。

      1)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;

      2)对带阻滤波器,应给出阻带衰耗,衰耗定义为增益的倒数;

      3)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。


      主要参数

      滤波器的主要参数(Definitions):

      中心频率(Center Frequency):滤波器通带的频率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2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):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/f0×100[%],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VSWR>1。对于一个实际的滤波器而言,满足VSWR<1.5:1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|20Log10ρ|,ρ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。

      阻带抑制度: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(KxdB>1),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。


      选取方式

      几种低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础,各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来的。正因如此,才使得滤波器的设计得以简化,精度得以提高。

      理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过,而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减,从而在幅频特性曲线上呈现矩形,故而也称为矩形滤波器(brick-wallfilter)。遗憾的是,如此理想的特性是无法实现的,所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。根据所选的逼近函数的不同,可以得到不同的响应。虽然逼近函数多种多样,但是考虑到实际电路的使用需求,通常会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。

      “巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦的响应特性,而“切比雪夫响应”带通滤波器却具有更陡的衰减特性。所以具体选用何种特性,需要根据电路或系统的具体要求而定。但是,“切比雪夫响应”滤波器对于元件的变化最不敏感,而且兼具良好的选择性与很好的驻波特性(位于通带的中部),所以在一般的应用中,推荐使用“切比雪夫响应”滤波器。


      使用注意

      板上滤波器虽然对高频的滤波效果不理想,但是如果应用得当,可以满足大部分民用产品电磁兼容的要求。在使用时要注意以下事项:

      “干净地”:如果决定使用板上滤波器,在布线时就要注意在电缆端口处留出一块“干净地”,滤波器和连接器都安装在“干净地”上。通过前面的讨论,可知信号地线上的干扰是十分严重的。如果直接将电缆的滤波电容连接到这种地线上,会造成严重的共模辐射问题。为了取得较好的滤波效果,必须准备一块干净地。并与信号地只能在一点连接起来,这个流通点称为“桥”,所有信号线都从桥上通过,以减小信号环路面积。

      并排设置:同一组电缆内的所有导线的未滤波部分在—起,已滤波部分在一起。否则,一根导线的耒滤波部分会将另一根导线的已滤波部分重新污染9使电缆整体滤波失效。

      靠近电缆:滤波器与面板之间的导线的距离应尽量短。必要时,使用金属板遮挡一下,隔离近场干扰。

      与机箱接:安装滤波器的干诤地要与金属机箱可靠地搭接起来,如果机箱不是金属的,就在线路板下方设置一块较大的金属板来作为滤波地。干净地与金属机箱之间的搭接要保证很低的射频阻抗。如有必要,可以使用电磁密封衬垫搭接,增加搭接面积,减小射频阻抗。

      接地线短:考虑到引脚的电感效应,其重要性前面已讨沦,滤波器的局部布线和设计线路板与机箱(金属板)的连接结构时要特别注意


      滤波器的应用领域分析

      滤波是信号处理中的一项基本而重要的技术。利用滤波技术可以从各种信号中提取出所要的信号,滤除不需要的干扰信号。滤波器是信号的频域分析中的一个重要元器件。

      滤波器种类繁多,各种滤波器具有不同的性能特点,因此在滤波器选择时,通常需要综合考虑客户的实际使用环境以及客户性能需求才能做出正确、有效、可靠的选择。

      


      滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器,模拟滤波器用来处理模拟信号或连续的信号,数字滤波器用来处理离散的数字信号。

      模拟滤波器可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中,如:电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精密电子企业、机场/港口的供电系统、医疗机构等。

      通信行业


      为了满足大规模数据中心机房的运行需要,通信配电系统中的UPS使用容量在大幅上升。据调查,通信低压配电系统主要的谐波源设备为UPS、开关电源、变频空调等。

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

      半导体行业

      大多数半导体行业的3次谐波非常严重,主要是由于企业中使用了大量的单相整流设备。3次谐波属于零序谐波,具备在中性线汇集的特点,导致中性线压力过大,甚至出现打火现象,存在着极大的生产安全隐患。


      谐波还会造成断路器跳闸,耽误生产时间。3次谐波在变压器内形成环流,加速了变压器的老化。严重的谐波污染必然对配电系统中的设备使用效率和寿命造成影响。

      石化行业

      由于生产的需要,石化行业中存在着大量泵类负载,并且不少泵类负载都配有变频器。变频器的大量应用使石化行业配电系统中的谐波含量大大增加。

      目前绝大部分变频器整流环节都是应用6脉冲将交流转化为直流,因此产生的谐波以5次、7次、11次为主。其主要危害表现为对电力设备的危害及在计量方面的偏差。使用有源滤波器可以很好地解决这方面的问题。

      化纤行业

      为大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化质量,以及延长炉龄、节省能源,在化纤行业常用到电助熔加热设备,借助电极把电直接送入燃料加热的玻璃池窑中。这些设备会产生大量的谐波,且三相谐波的频谱和幅值差别比较大。

      钢铁/中频加热行业

      钢铁业中常用到的中频炉、轧机、电弧炉等设备都会对电网的电能质量产生重大的影响,使电容补偿柜过载保护动作频繁、变压器和供电线路发热严重、熔断器频繁熔断等,甚至引起电压跌落、闪变。

      汽车制造业

      焊机是汽车制造业中不可少的设备,由于焊机具有随机性、快速性及冲击性的特点,使大量使用焊机造成严重的电能质量问题,造成焊接质量不稳、自动化程度高的机器人由于电压不稳而不能工作,无功补偿系统无法正常使用等情况。

      直流电机谐波治理

      大型直流电机场所都需要先通过整流设备将交流电转换为直流电,由于此类工程的负载容量都较大,因此在交流侧存在严重的谐波污染,造成电压畸变,严重时会引起事故。

      自动化生产线和精密设备的使用

      在自动化生产线和精密设备场合,谐波会影响到其正常使用,使智能控制系统、PLC系统等出现故障。

      医院系统

      医院对供电的连续性和可靠性有非常严格的要求,0类场所自动恢复供电时间T≤15S,1类场所自动恢复供电时间0.5S≤T≤15S, 2类场所自动恢复供电时间T≤0.5S,电压总谐波畸变率THDu≤3%,X光机、CT机、核磁共振都是谐波含量极高的负载。

      剧场/体育馆 

      可控硅调光系统、大型LED设备等都是谐波源,在运行过程中会产生大量的三次谐波,不但造成配电系统的电力设备效率低下,而且还会造成灯光频闪,对通信、有线电视等微弱电回路产生杂音,甚至产生故障。

      在近代电信设备和各类控制系统中,数字滤波器应用也极为广泛,这里列举部分应用最成功的领域。

      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5个方面的内容:

      第一,语音信号分析。即对语音信号的波形特征、统计特性、模型参数等进行分析计算;

      第二,语音合成。即利用专用数字硬件或在通用计算机上运行软件来产生语音;

      第四,语音增强。即从噪音或干扰中提取被掩盖的语音信号。

      第五,语音编码。主要用于语音数据压缩,目前已经建立了一系列语音编码的国际标准,大量用于通信和音频处理。

      图像处理

      数字滤波技术以成功地应用于静止图像和活动图像的恢复和增强、数据压缩、去噪音和干扰、图像识别以及层析X射线摄影,还成功地应用于雷达、声纳、超声波和红外信号的可见图像成像。

      在现代通信技术领域内,几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。信源编码、信道编码、调制、多路复用、数据压缩以及自适应信道均衡等,都广泛地采用数字滤波器,特别是在数字通信、网络通信、图像通信、多媒体通信等应用中,离开了数字滤波器,几乎是寸步难行。其中,被认为是通信技术未来发展方向的软件无线电技术,更是以数字滤波技术为基础。

      电视、雷达

      数字电视取代模拟电视已是必然趋势。高清晰度电视的普及指日可待,与之配套的视频光盘技术已形成具有巨大市场的产业;可视电话和会议电视产品不断更新换代。

      视频压缩和音频压缩技术所取得的成就和标准化工作,促成了电视领域产业的蓬勃发展,而数字滤波器及其相关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。

      雷达信号占有的频带非常宽,数据传输速率也非常高,因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。告诉数字器件的出现促进了雷达信号处理技术的进步。

      在现代雷达系统中,数字信号处理部分是不可缺少的,因为从信号的产生、滤波、加工到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十分活跃的研究领域之一。声纳信号处理分为两大类,即有源声纳信号处理和无源声纳信号处理,有源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一个新局面,在对音乐信号进行编辑、合成、以及在音乐中加入交混回响、合声等特殊效果特殊方面,数字滤波技术都显示出了强大的威力。数字滤波器还可用于作曲、录音和播放,或对旧录音带的音质进行恢复等。

      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。当电流流经非线性负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成了非正弦波电流,从而产生谐波。谐波污染越来越多地威胁到电力系统安全、稳定、经济运行,给同一网络的线性负载和其它用户带来了极大影响。

      飞机作为一种便捷的交通方式给人们日常交通生活带来了多样化的选择,随之机场也在逐年扩建。但在机场的低压配电系统中,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,这些谐波源具有电流畸变大、谐波频谱范围广、无功需求变化快等特点。

      这类负载产生的谐波,危及配电系统的正常运行,甚至引发严重的电气事故。其中以机场助航灯光系统为例,助航灯光负载设备不断增加,机场灯光站大量使用可控硅调光设备,导致产生大量的谐波电流,对电能质量造成污染,同时附加电流和额外的热效应对各类电气设备和电缆线路安全也造成一定危害。因此,对机场助航灯光站电力谐波问题进行分析与治理极为重要。

      目前电力系统谐波治理主要存在两大主流方式:无源滤波技术和有源滤波技术。机场灯光站采用的大功率电力半导体调光设备,会产生大量高次谐波(主要是3 倍次谐波以外的所有奇次谐波),而无源滤波器对每次谐波都要单独设计单谐振滤波器,设计参数要跟系统阻抗有关(计算系统阻抗很繁琐,并且系统逐年扩建,系统阻抗也会变化);无源滤波不能对谐波完全消除,反而存在着放大谐振的危险;电容的老化也会使原来设计谐振点偏移而达不到滤除目标谐波的目的;无源滤波系统适合负荷单一、稳定的场合。

      与无源滤波器相比,有源滤波系统具有高度可控性和快速响应性(≤1ms),能补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波。

      其基本原理是从谐波源(被补偿对象)负载回路中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流波形,用以抵消谐波源负载所产生的谐波电流,从而使电网侧电流只含有基波分量。

      治理效果:


      FIR滤波器在音响系统中的应用

      通常情况下,我们使用IIR EQ是对音响系统或者某个通路的频率响应曲线进行修正,这是我们使用这种均衡器的目的。事实上,大多数情况下,它可以帮我们实现这个目标。实际使用中PEQ和GEQ有一定区别,但不论哪种形式的EQ,只要它功能足够强大,基本上可以达到与我们预期的目的。

      但不幸的是,IIR EQ在对系统或者通道的频响曲线按我们个人的意志进行修正的同时,它也带来了一个副产品——该音响系统或者通道的相位响应遭到了破坏。而且,大体的规律是:IIR EQ对频响的改变幅度越大,则伴随着其对对应系统或者通道相位响应的破坏越严重。

      音响系统中使用高通滤波器(也可以认为是IIR EQ的一种)对相位的影响示意

      不过,在科技高度发展的今天,FIR这个曾经被大量的应用于通信等其它领域的技术能够被应用到音响系统,这的确也是一件好事儿。

      因为,它解决了IIR EQ所不能解决的问题,那就是作为EQ的另一种类型,它可以只对音响系统的频响做修正而不影响其相位响应;它也可以只对音响系统的相位做修正而不影响频响(这不是跟“全通滤波器”相似吗?的确是,但是它的灵活性和功能性比AP强大多了);它还可以同时修正系统的频率响应和相位响应。

      这么一说,FIR EQ除了对系统的脉冲响应没有修正能力这外,几乎无所不能了?的确如此,但是,它也是有副作用的!

      

      使用FIR处理器对500Hz以上的信号进行频响和相位处理前后的对比结果

      因为FIR滤波器是一种数字滤波器,无法用模拟电路实现,所以,它对信号进行处理的时候,会或多或少的需要时间成本。换句话说,使用了FIR滤波器的音响系统会有额外的延时,而IIR因为可以用模拟电路来实现,则无此诟病,所谓任何事情都有两面性,有好的一面就会有不好的另一面。虽然,时间成本也是我们必须要考虑的因素,但至少对于中高频信号,几个毫秒的时间成本我们也不需要过于心疼。

      而具体需要多少时间成本,主要决定于需要FIR处理的频率范围。频率越低的声音其周期也越长。很简单我们可以想到,作为数字信号处理器的FIR,至少需要声音信号对应下限频率的一个周期的时间对它进行处理。举例说明,就理想状况而言,对于500Hz的声音信号,FIR滤波器需要至少2ms的时间进行处理,当然,这个时滞一般情况下我们可以接受。但若是要处理低至50Hz的信号的时候,可能就需要20ms甚至于更长的时间,这对于现场演出来说就会成为一个非常恼人的问题。

      


      通常来说,音响这行业,一定是在不断的做选择。因为,永远没有最好的方案,只有依当下而言更合适的解决办法。想要更好的频率响应的相位响应,我们会考虑使用FIR滤波器,但是同时我们又不希望有太大的时延在系统中产生。所以,在现实状况中,很多厂商选择用FIR处理系统的中高频部分,而有IIR EQ以及经典的分频电路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、系统建模,其中自适应滤波器作为估计未知系统特性的模型。

      2、自适应噪声对消器,其中自适应滤波器用于估计并对消期望信号中的噪声分量;

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

      4、自适应天线系统,其中自适应滤波器用于波束方向控制,并可在波束方向图中提供一个零点以便消除不希望的干扰。

      

      系统辨识或系统建模

      对于一个真实的物理系统,人们主要关心其输入和输出特性,即对信号的传输特性,而不要求完全了解其内部结构。系统可以是一个或多个输入,也可以有一个或多个输出。通信系统的辨识问题是通信系统的一个非常重要的问题。所谓系统辨识,实质上是根据系统的输入和输出信号来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。

      系统辨识和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里都有重要意义。实际上,系统辨识和建模不仅局限于传统的工程领域,而且可以用来研究社会系统、经济系统和生物系统等。

      本节只讨论通信和信号处理中的系统辨识和建模问题。采用滤波器作为通信信道的模型,并利用自适应系统辨识的方法对通信信道进行辨识,从而可以进一步地对通信信道进行均衡处理。

      


      如果把通信信道看成是一个“黑箱”,仅知道“黑箱”的输入和输出;以一个自适应滤波器作为这个“黑箱”的模型,并且使滤波器具有与“黑箱”同样的输入和输出。自适应滤波器通过调制自身的参数,使滤波器的输出与“黑箱”的输出相“匹配”。

      这里的“匹配”通常指最小二乘意义上的匹配。这样,滤波器就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的通信信道不一样,但是它们在输入、输出响应上保持高度一致。

      因此,在这个意义上,自适应滤波器就是这个未知“黑箱”系统的模型。并且还可以发现,如果自适应滤波器具有足够多的自由度(可调节参数),那么,自适应滤波器可以任意程度地模拟这个“黑箱”。

      假定未知信道为有限冲激响应(FIR)结构,构造一个FIR结构的自适应滤波器,用一伪随机系列作为系统的输入信号x(n),同时送入未知信道系统和自适应滤波器。

      调整自适应滤波器的系数,使误差信号e(n)的均方误差达到最小,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。

      可以认为,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,可以采用自适应滤波器的特性或其单位脉冲响应来近似替代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

      现代智能手机中一个非常重要的部分是射频(RF)滤波器,正如它的基本原理,滤波器主要应用于通过需要并拒绝不要的频率,以使手机中的许多接收器可以只处理预期的信号。

      

      在过去,手机通常只在全球特定地区的少数频段中工作,然而对于现代化的手机,基本上会在相同时间于多个无线频段工作,包括移动通信、蓝牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等,而制造商也希望设计出可在全球不同地区和不同电信运营商服务下工作的产品,要让手机在更多频段和地区工作代表了手机对射频滤波的要求越来越高。

      


      在前几代的无线技术中,滤波要求并不难达成,可能只需使用表面声波滤波器即可,但随着运营商网络逐渐演进到CDMA和3G,为了可以利用目前的4G/LTE服务,智能手机本身变得更为复杂,因此手机制造商已经开始扩大采用FBAR技术来解决以下即将讨论4G/LTE所面对的独特问题。

      


      可在多个频段工作的4G/LTE手机

      最新的智能手机产品在设计上必须可在全球多个频段工作,多频段智能手机的整体尺寸并不会大于前一代,因此如果要在保留给射频前端电路的相同空间内加入更多的滤波器,那么非常明显地,滤波器本身必须非常小,藉助Microcap微型封装技术,FBAR滤波器可以通过芯片级封装满足绝大多数的空间受限应用。

      由于FBAR是基体型材料,因此可以提供非常良好的功率处理能力而不需要使用如SAW滤波器中常见的并行结构,另外,FBAR器件的尺寸也会随着频率的提高而缩小,这使得FBAR非常适合目前2300MHz到2700MHz,以及未来3.5GHz的新4G/LTE频段应用。


      运行于更高数据率的4G/LTE智能手机

      相较于3G服务,相同数据量下4G/LTE的下载速度大约可以达到10倍,也就是说于同样时间内可被下载的数据量达到10倍,有几种方法可以用来实现更高的数据率,4G/LTE会依检测到的信号强度使用不同的调制方式,简单地说,信噪比越高,数据率就愈高,如由QPSK转换成QAM16/64调制。

      于通过单刀多掷开关结合多个双工器的多频段4G/LTE手机上,检测到的信号可能过低而影响数据率,FBAR的低插入损耗有助于极大化输入信号强度,带来更高的数据吞吐量,从而得到更好的用户体验和更高的数据容量。

      采用分频多工调制的手机使用允许同时进行信号发射和接收的双工器,由于发射和接收滤波器连接到相同的天线端口,因此彼此间的滤波器隔离就非常重要,较高的隔离会将接收频段的噪声降至最低,这可以提高SNR和数据率。

      提高数据率的另一种方法是通过载波聚合,载波聚合以多于一个频段的同时工作来提高下载数据率,部分新LTE频段占据相对较小的频谱,因此这是一个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会同时工作,因此不能够使用开关,从而使用多工器来结合各个发射和接收滤波器到相同的天线端口上,当以多工器配置结合时,Avago的FBAR滤波器可以提供低信号损耗路径,有助于最大限度地提高数据率。

      智能手机同时使用多个无线信号

      目前很难找到没有Wi-Fi连线功能的智能手机,依手机工作频率不同,如果没有经过适当的滤波处理,手机发送的信号可能会干扰Wi-Fi的正常运行。

      

      使用智能手机作为Wi-Fi热点时,Wi-Fi会和4G/LTE无线信号同时工作,如果没有卓越的滤波能力,Wi-Fi收发器就有可能被遮蔽或者受到Band 7频带上LTE信号传输的影响。

      今天绝大多数的手机同时还支持GPS,甚至GLONASS服务,由于GPS/GLONASS信号通常功率非常低,大约在-125dBm ~ -150dBm,因此所有接近GPS频率的发射信号都可能影响GPS/GLONASS接收器的灵敏度,AGPS-F001预滤波器加LNA模块由于具有陡峭滤波和宽带衰减能力,因此可以提供移动网络、PCS和WiFi信号卓越的带外遮蔽能力和良好的线性性能。

      FBAR技术优势

      电池使用时间是一项经常用来进行手机性能测试并相互比较的重要特性,在接收侧,我们讨论了FBAR的较低插入损耗如何通过补偿于射频前端结合多频段所带来的较高损耗支持4G/LTE手机的更高数据率,另一个好处是,通过使手机可以检测较微弱信号,扩大移动通信的覆盖范围,避免造成较差的接收能力甚至掉线。

      

      在发射侧,较低的发射滤波器插入损耗代表了在相同天线发射功率下功率放大器所需的输出功率较低,相较于其他滤波器技术,Avago的Band 4双工器带来的插入损耗改善大约在0.2dB ~ 0.5dB,相当于节省达50mA的电流消耗,因此可以提供更长的电池使用寿命和通话时间。

      

      当大多数应用还是基于3G服务时,只有少数频段可以从FBAR技术获益,随着4G/LTE多频段智能手机的普及,FBAR技术的特性优势,例如低插入损耗、陡峭滤波曲线、高隔离性和极小化的尺寸等已经成为所有主要智能手机制造商快速导入这个技术的原因。

      目前采用FBAR技术的滤波器、双工器以及多工器产品已经被导入美国、欧洲和亚洲等地区15个不同工作频段的智能手机设计中,随着新滤波挑战的出现,FBAR技术将继续成为提供解答的优先选择,成为主流技术。

      滤波器的应用领域如此广泛,以至于想完全列举他们是根本不可能的,除了以上几个领域外,还有很多其他的应用领域。例如,在军事上被大量应用于导航、制导、电子对抗、战场侦察;在电力系统中被应用于能源分布规划和自动检测;在环境保护中被应用于对空气污染和噪声干扰的自动监测,在经济领域中被应用于股票市场预测和经济效益分析等等。


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交流滤波器的作用