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【天富总代理】什么是滤波器?滤波器原理及其作用是什么?

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:

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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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