当前课程知识点：测试与检测技术基础 > Week12 测试信号的转换与调理（2） (signal conversion II) > 滤波器概述 (Outline of filter) > 滤波器概述 (Outline of filter)
各位同学大家好
欢迎大家继续学习
测试与检测技术基础这门课程
这节课
我们将继续学习第五章
测试信号的转换与调理
这节课我们将会给大家介绍滤波
在这节当中我们会给大家介绍
什么是滤波器
滤波器的一般特性
滤波器的类型
还有滤波器的综合应用
以及其他种类的滤波
生活当中的滤波器
应该最常见的就是低通滤波器
它就是声波传输过程当中的
固体的屏障
比如当一个房间中
播放音乐的时候
我们就很容易听见音乐的低音
但是高音部分就被滤掉了
另外在汽车当中非常大的音乐声
在车外的人听起来
却是一个低音的节拍
封闭的汽车和空气间隔
起到了一个低通滤波器的作用
下面这两张图
就是我上面介绍的
示例的具体的情况
那么接下来我们看看
什么是滤波
应该说滤波是把信号当中
特定波段的频率滤除的一种操作
那么选取信号当中感兴趣的成分
而抑制或者是衰减掉
其他不需要的成分
那么什么是滤波器呢
滤波器就是实现滤波功能的装置
从左边这张图
我们也可以看到
一个输入信号x（t）
那么它经过输入
也就是所谓的激励
通过滤波器得到的输出
那么这样的一个过程
就是所谓的滤波器
它首先是一种装置
那么比如说
信号要进行解调的过程当中
由低通滤波器提取信号的
这样一个过程
我们也把它称之为
滤波的一个过程
滤波器的分类
那么通常而言
滤波器可以分为输入滤波
也就是对输入量进行滤波
或者是输出滤波
也就是对输出量进行滤波
那么滤波器分为
模拟滤波器和数字滤波器
在模拟滤波器当中
有无源滤波器和有源滤波器
那么无源滤波器呢
通常我们用LCR电路来实现
有源滤波器呢
通常是用运算放大器来去实现
那么数字滤波器呢
分为线性和非线性两种
那么线性滤波器
通常用IIR来实现
线性滤波器还用FIR实现
以及自适应滤波器
那么在非线性滤波器当中
分成三种通常
那么一种是扩展的卡尔曼滤波
还有一种是维纳滤波
另外就是粒子滤波
那么滤波器的另外一种分类是
根据它选频的方式进行分类的
分成低通滤波器
高通滤波器
带通滤波器和带阻滤波器
应该说
这四种滤波器的基础上组合
那我们可以得到
更多种类的滤波器
下面这些图当中
是来自维基百科当中的滤波器
那我们可以看到
从左上边开始是低通滤波器
高通滤波器
带通滤波器和带阻滤波器
那么下面是什么
是低带通滤波器
接下来是高带通滤波器
以及是低带宽高带通滤波器
那么接下来
还有几种滤波器是巴特沃斯
切比雪夫和椭圆型滤波器
下面是他们的波形
接下来我们看一看
滤波器发展的历史
实际上早在19世纪80年代的时候
电阻、电容滤波电路
就已经出现了
那么他们具有频率选择的功能
电感、电容、谐振回路
那么我们把他们就可以作为
最简单的滤波器
德国的K.W.华格纳
和美国的贝尔实验室的
G.A坎贝尔
为滤波器的独立发明者
在1923年的时候
贝尔实验室的O.J.查贝尔
提出了定K型和m诱导型的
影象参数滤波器的设计方法
在1939年是德国的W.考尔
和美国的S.达灵顿
分别提出了
工作参数滤波器的设计理论
那么后来呢滤波器已经广泛应用到
通讯、广播、雷达
以及许多仪器的设备领域当中
下面给各位同学介绍一下
滤波器基本结构
那么我们可以从5.32图当中
看到系统的输入和输出的结构
那么系统的输入和输出的关系
我们可以看到
有几个非常重要的参数
首先是期望输入的iD
那么它是指
仪器期望要测量的物理量
第二个参数是干扰的输入iI
它是指仪器随机所
敏感到的物理量
那么第三个参数是
修正输入iM
它是指对期望输入
和干扰输入的
输入与输出关系
产生的一种改变的量
从下面5.32这个图当中
我们可以看到
这几个参数它的位置
和所起到的作用
那么接下来我们看这张PPT
实际上
这就是我们已经学过的滤波器
也就是LCR滤波电路
那么这个滤波电路
实际上是一个低通滤波电路
在左下方这个图
实际上是信号加窗的过程
原本用于解决频谱泄漏
加窗的过程
实际上是一个低通滤波器
这些实际上在我们第二章当中
已经介绍过了
那么同时我们要注意到的是
滤波器的过渡区越短
那么加窗的性能就越好
那么旁边这个图
是加窗函数的比较的情况
下面我们看一看滤波器的应用
首先它可以应用在测量方面
我们知道传感器
是被看作是对外界信号的滤波
不同的传感器
对应的滤波器的特性不同
比方说霍尔传感器
它就属于低通的滤波
那么电容传感器
电感传感器
它是属于高通的滤波
光电传感器
CCD传感器
压电传感器他们都属于带通滤波
当然我们还可以看到
电阻式传感器
它是属于全通类型的滤波器
那么另外一个应用
也就是滤波器在去噪当中
它会有十分重要的作用
比方说智能手机
我们为了提高通话的质量
我们会滤除环境的噪声
另外呢
就是通过多个麦克风来采集音频
将环境噪声从通话声音当中滤除
还有就是背景的降噪
背景降噪也是评价一个智能手机的
一个非常重要的指标
对于背景的噪声降低越多
那么手机的通话的质量就越好
下面我们看一看理想滤波器
那么究竟什么是理想滤波器呢
也就是指
通带内信号的幅值和相位都不失真
带阻内的频率成分
都衰减为零的这样的滤波器
通带和阻带之间
有明显的分界线
通带内的幅频特性应为常数
相频特性的斜率为常数
那么也就是
在带通外的幅频特性应该为零
下面这个图我们就可以看到
理想的低通滤波器
高通滤波器
以及带通滤波器
和带阻滤波器的情况
那么接下来我们看到
黑色线画的这部分曲线
实际上就是实际的滤波器的情况
实际的滤波器
远远没有像
我们所看到的红色线那部分的
滤波器所表达出的性能那样的优越
它实际上跟
理想滤波器之间还是有差距的
接下来我们看看理想低通滤波器
对于一个理想的线性系统来说
如果要满足不失真的测试条件
那么这个系统的频率响应函数
就应为H（f）
也就是5.55式
如果一个滤波器的
频率响应函数H（f）
具有以下这个形式H（f）
那么我们可以看到5.56式
那么这个时候
这个滤波器
我们就把它称为低通滤波器
实际上
这就是所谓低通滤波器的
形式化的表示方式
在5.36这个图当中
我们可以看到
理想低通滤波器的
幅值特性和相频特性
那么接下来我们看看
理想低通滤波器的一般特性
通常理想低通滤波器
对单位脉冲的响应是这样的
将单位脉冲
输入到理想低通滤波器
那么我们就可以得到
它的响应h（t）
等于什么呢
等于2Aofcsinc（2πfct）
如果我们考虑tO不等于0的时候
就有时延的时候
也是指有时延的时候
那么这个时候
我们就可以看到
h（t）表达为5.58式
那么理想的低通滤波器
是指它的脉冲响应函数
其波形在整个时间轴上
的一个延伸
其输出在输入到来之前
也就是在t小于0的时候
便已经出现了
因此说
对于理想低通滤波器而言
在物理上是不可能实现的
在图5.37当中
我们可以看到
理想低通滤波器的
脉冲响应的情况
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-本章小结 (Chapter summary)
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