嵌入式硬件篇---滤波器
文章目录
- 前言
- 一、模拟电子技术中的滤波器
- 1. 基本概念
- 功能
- 实现方式
- 2. 分类
- 按频率响应
- 低通滤波器
- 高通滤波器
- 带通滤波器
- 带阻滤波器
- 按实现方式
- 无源滤波器
- 有源滤波器
- 3. 设计方法
- 巴特沃斯滤波器(Butterworth)
- 切比雪夫滤波器(Chebyshev)
- 贝塞尔滤波器(Bessel)
- 4. 实现示例
- 一阶RC低通滤波器
- 二阶有源低通滤波器(Sallen-Key拓扑)
- 5. 应用场景
- 音频处理
- 通信系统
- 电源设计
- 二、数字电子技术中的滤波器
- 1. 基本概念
- 功能
- 实现方式
- 2. 分类
- 按实现方式:
- FIR滤波器(有限脉冲响应)
- IIR滤波器(无限脉冲响应)
- 按频率响应:
- 3. 设计方法
- FIR滤波器设计
- 窗函数法
- 频率采样法
- IIR滤波器设计
- 双线性变换法
- 脉冲响应不变法
- 4. 实现示例
- FIR低通滤波器
- IIR低通滤波器
- 5. 应用场景
- 音频处理
- 图像处理
- 通信系统
- 三、信号系统中的滤波器
- 1. 基本概念
- 功能
- 实现方法
- 2. 分类
- 按信号类型
- 连续时间滤波器
- 离散时间滤波器
- 按应用场景
- 抗混叠滤波器
- 重建滤波器
- 3. 设计方法
- 频域设计
- 时域设计
- 4. 实现示例
- 抗混叠滤波器
- 功能
- 实现
- 重建滤波器
- 功能
- 实现
- 5. 应用场景
- 数据采集系统
- 音频编解码
- 雷达信号处理
- 四、总结
- 模拟滤波器
- 数字滤波器
- 信号系统中的滤波器
- 总结
前言
本文仅仅简单介绍了模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统中的滤波器。
一、模拟电子技术中的滤波器
1. 基本概念
功能
功能:对模拟信号进行频率选择,允许某些频率通过,抑制其他频率。
实现方式
实现方式:基于**电阻(R)、电容(C)、电感(L)和运算放大器(Op-Amp)**等模拟元件。
2. 分类
按频率响应
低通滤波器
低通滤波器(LPF):允许低频通过,抑制高频。
高通滤波器
高通滤波器(HPF):允许高频通过,抑制低频。
带通滤波器
带通滤波器(BPF):允许某一频带通过,抑制其他频带。
带阻滤波器
带阻滤波器(BSF):抑制某一频带,允许其他频带通过。
按实现方式
无源滤波器
无源滤波器:仅使用R、L、C元件。
有源滤波器
有源滤波器:使用R、C和运算放大器。
3. 设计方法
巴特沃斯滤波器(Butterworth)
- 通带平坦,无纹波。
- 过渡带较宽,滚降较慢。
切比雪夫滤波器(Chebyshev)
- 通带或阻带有纹波。
- 过渡带较窄,滚降较快。
贝塞尔滤波器(Bessel)
- 相位响应线性,群延迟恒定。
- 适用于信号保真度要求高的场景。
4. 实现示例
一阶RC低通滤波器
特性:简单但滚降较慢(-20dB/十倍频程)。
二阶有源低通滤波器(Sallen-Key拓扑)
优点:滚降更快(-40dB/十倍频程),可调增益。
5. 应用场景
音频处理
音频处理:低通滤波器用于去除高频噪声。
通信系统
通信系统:带通滤波器用于选择特定信道。
电源设计
电源设计:低通滤波器用于平滑输出电压。
二、数字电子技术中的滤波器
1. 基本概念
功能
功能:对数字信号进行频率选择,通过数字算法实现滤波。
实现方式
实现方式:基于数字信号处理器(DSP)、FPGA或软件算法。
2. 分类
按实现方式:
FIR滤波器(有限脉冲响应)
仅依赖当前和过去输入。
线性相位,稳定性高。
IIR滤波器(无限脉冲响应)
依赖当前输入和过去输出。
非线性相位,计算效率高。
按频率响应:
与模拟滤波器类似(LPF、HPF、BPF、BSF)。
3. 设计方法
FIR滤波器设计
窗函数法
窗函数法:通过加窗截断理想滤波器响应。
频率采样法
频率采样法:在频域直接设计。
IIR滤波器设计
双线性变换法
双线性变换法:将模拟滤波器转换为数字滤波器。
脉冲响应不变法
脉冲响应不变法:保持脉冲响应不变。
4. 实现示例
FIR低通滤波器
特点:无反馈,稳定性高。
IIR低通滤波器
特点:有反馈,计算效率高。
5. 应用场景
音频处理
音频处理:FIR滤波器用于均衡器设计。
图像处理
图像处理:IIR滤波器用于边缘检测。
通信系统
通信系统:数字滤波器用于信道均衡。
三、信号系统中的滤波器
1. 基本概念
功能
功能:在信号处理系统中对信号进行预处理或后处理。
实现方法
实现方式:可以是模拟滤波器、数字滤波器或混合滤波器。
2. 分类
按信号类型
连续时间滤波器
连续时间滤波器:处理模拟信号。
离散时间滤波器
离散时间滤波器:处理数字信号。
按应用场景
抗混叠滤波器
抗混叠滤波器:在ADC前滤除高频分量。
重建滤波器
重建滤波器:在DAC后平滑输出信号。
3. 设计方法
频域设计
频域设计:基于傅里叶变换或拉普拉斯变换。
时域设计
时域设计:基于卷积或差分方程。
4. 实现示例
抗混叠滤波器
功能
功能:在ADC前滤除高于采样频率一半的信号。
实现
实现:模拟低通滤波器。
重建滤波器
功能
功能:在DAC后去除采样引入的高频镜像。
实现
实现:模拟低通滤波器。
5. 应用场景
数据采集系统
数据采集系统:抗混叠滤波器用于ADC前端。
音频编解码
音频编解码:重建滤波器用于DAC后端。
雷达信号处理
雷达信号处理:带通滤波器用于目标检测。
四、总结
模拟滤波器
模拟滤波器:适合高频、实时信号处理,设计简单但灵活性低。
数字滤波器
数字滤波器:适合复杂信号处理,灵活性高但需要计算资源。
信号系统中的滤波器
信号系统中的滤波器:根据信号类型和处理需求选择模拟或数字实现。
滤波器设计需综合考虑频率响应、相位特性、计算复杂度和实现成本,以满足具体应用需求。
总结
以上就是今天要讲的内容,本文仅仅简单介绍了模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统中的滤波器。
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