物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用濾波器

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，濾波器扮演著至關(guān)重要的角色，其主要原因可以歸納如下：

提高信號質(zhì)量

去除噪聲和干擾：濾波器能夠按照一定規(guī)則改變信號波形，去除或削弱不需要的信號成分，從而保留或加強需要的信號。這對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中傳感器采集到的原始信號尤為重要，因為這些信號往往受到環(huán)境中噪聲和雜散干擾的影響，導(dǎo)致信號質(zhì)量下降。

增強信號穩(wěn)定性：通過濾波處理，可以減小傳感器數(shù)據(jù)中的波動和噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這對于一些對穩(wěn)定性要求較高的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說尤為重要，如智能交通和工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

優(yōu)化數(shù)據(jù)處理

提取有效信息：在物聯(lián)網(wǎng)中，濾波器主要用于處理傳感器采集到的信號，以提取有效信息并降低干擾幅度。例如，在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，可以使用低通濾波器濾除高頻噪聲，得到較為平穩(wěn)的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)變化曲線。

降低數(shù)據(jù)處理難度：通過濾波器的預(yù)處理，可以使得后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析工作更加高效和準(zhǔn)確。這有助于減少計算量，提高數(shù)據(jù)處理速度，并降低誤判和漏判的概率。

延長設(shè)備壽命

減少能量消耗：物聯(lián)網(wǎng)中的無線傳感器節(jié)點通常是由電池供電的。濾波器的應(yīng)用可以使得傳感器節(jié)點僅傳輸和處理有效的信號成分，避免了因為傳輸冗余數(shù)據(jù)而造成的能量浪費，從而延長傳感器節(jié)點的使用壽命。

應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境

適應(yīng)多樣化環(huán)境：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用往往處于復(fù)雜的環(huán)境中，如室外、工業(yè)場所等。這些環(huán)境中存在不同的噪聲和干擾源，給信號處理帶來困難。濾波器的應(yīng)用可以有效地應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，確保信號在復(fù)雜環(huán)境中仍然能夠保持較高的質(zhì)量。

技術(shù)發(fā)展趨勢

濾波器的小型化：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對濾波器尺寸和性能的要求也在不斷提高。研究人員正在努力開發(fā)更小、更高效的濾波器產(chǎn)品，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的小型化和便攜化趨勢。

濾波器的集成化：未來的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可能會將濾波器與其他電子元件集成在一起，形成更加緊湊、高效的模塊。這將有助于提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

綜上所述，濾波器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的作用。它們通過提高信號質(zhì)量、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理、延長設(shè)備壽命以及應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境等方面，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行提供了有力保障。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，濾波器的應(yīng)用將會越來越廣泛，并在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

本文會再為大家詳解數(shù)字器件家族中的一員——濾波器。

1.濾波器的定義

濾波器是由電容、電感和電阻等元件組成的濾波電路，用于對信號進行頻率選擇，即允許特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，同時阻止其他頻率的信號通過。濾波器在電子工程和信號處理中扮演著重要角色，是信號處理中的關(guān)鍵工具。

Filter是一個組件，它有選擇地傳遞“它喜歡什么”，并阻塞“它不喜歡什么”。當(dāng)我們討論濾波器的特性時，我們通常用頻域來描述它。

2.濾波器的原理

濾波器的基本原理是利用電容和電感對不同頻率信號的阻抗差異來實現(xiàn)頻率選擇。電容對高頻信號的阻抗較小，容易通過高頻信號；而電感對低頻信號的阻抗較小，容易通過低頻信號。因此，通過合理設(shè)計電容和電感的組合，可以構(gòu)建出不同類型的濾波器，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等。

3.濾波器的分類

濾波器可以按照多種方式進行分類，主要包括以下幾種：

3.1、按處理信號的形式分類：

模擬濾波器：由電阻、電容、電感等電氣元件組成，用于處理模擬信號。

數(shù)字濾波器：通過軟件或數(shù)字信號處理器件對離散信號進行濾波處理。

3.2、按通頻帶分類：

低通濾波器（LPF）：允許低頻信號通過，抑制高頻信號。

高通濾波器（HPF）：允許高頻信號通過，抑制低頻信號。

帶通濾波器（BPF）：允許特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制其他頻率的信號。

帶阻濾波器（BSF）：抑制特定頻率范圍內(nèi)的信號，允許其他頻率的信號通過。

全通濾波器（APF）：全頻帶內(nèi)幅值增益恒等于1，主要用于移相。

3.3、按響應(yīng)類型分類：

巴特沃斯響應(yīng)濾波器：通帶平坦度好，適用于低頻應(yīng)用。

貝塞爾響應(yīng)濾波器：通帶相位非線性小，適用于對相位要求高的應(yīng)用。

切貝雪夫響應(yīng)濾波器：衰減速度快，適用于對截止頻率要求高的應(yīng)用。

在大多數(shù)情況下，一個過濾器將屬于以下四種可能的理想類型中的一種。g，一個有多個通帶的濾波器等，但你能看到99%以上的濾波器都是下列類型之一)。

4.濾波器的選型參數(shù)

在選型濾波器時，需要考慮以下主要參數(shù)：

中心頻率（Center Frequency）：濾波器通帶的頻率f0，一般取f0=(f1+f2)/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。

截止頻率（Cutoff Frequency）：指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。

通帶帶寬（Passband Bandwidth）：指需要通過的頻譜寬度，BW=(f2-f1)。

插入損耗（Insertion Loss）：由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗。

阻帶抑制度（Stopband Attenuation）：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標(biāo)，該指標(biāo)越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。

帶內(nèi)相位線性度（Passband Phase Linearity）：表征濾波器對通帶內(nèi)傳輸信號引入的相位失真大小。

5.濾波器的使用注意事項

在使用濾波器時，需要注意以下幾點：

環(huán)境溫度和濕度：濾波器一般環(huán)境溫度范圍在0~55°C，空氣中的相對濕度不能大于85%，且需保持通風(fēng)。

震動和防護：濾波器應(yīng)遠離強烈的震動源，振動頻率不能超過10~55Hz或連續(xù)振動。如果環(huán)境震動不可避免，需采取減震措施。同時，濾波器安裝需避免粉塵、腐蝕和易燃氣體。

電源干擾：在電源干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，需安裝帶屏蔽層的隔離變壓器以減少設(shè)備與地之間的干擾。

匹配阻抗：濾波器的阻抗需與連接的干擾源阻抗和負載阻抗相匹配，以獲得良好的濾波效果。

理想與真實濾波器

理想濾波器是上圖所示的濾波器。它通過信號的一個特定范圍，并開始阻塞該范圍旁邊的信號。但正如我常說的，沒有一種裝置像理想概念那樣運作。過濾器也是一樣。

以帶通濾波器為例。理想的過濾器是每個人都想要的，如左邊所示，但你永遠不會得到這種過濾器。即使在一個過濾器的理論設(shè)計中，你會看到幾種類型，如中柱所示，但即使這個理論過濾器也不如理想過濾器。

第一種理論類型在通帶區(qū)域有一些波動(紋波)，并相對急劇地落入阻塞區(qū)域(停止帶)，在停止帶沒有波動。

第二種理論類型既無通帶紋波，也無阻帶紋波。沒有漣漪是非常好的…但在這種情況下，它會慢慢進入阻塞區(qū)。

第三種理論類型在通帶和阻帶上都有波紋，這種波紋不是很好，但在阻帶上有很陡的波紋，這種波紋很好。

實際濾波器的一些例子顯示在右邊欄，這明顯比理論性質(zhì)差。這些只是一些真正的過濾器。在現(xiàn)實世界中，你會有許多不同類型和特點的過濾器。

6.典型的過濾器實現(xiàn)

實現(xiàn)濾波器的方法有很多種，很難列出所有可能的實現(xiàn)方法。我將只列出幾種我認為在許多領(lǐng)域最常用的實現(xiàn)方法。下面是一些過濾器實現(xiàn)的例子。

電氣過濾器:

這是一種使用基本電氣元件(如R/L/C)來實現(xiàn)過濾器的方法，我認為這是最常見和廣泛使用的過濾器類型。根據(jù)不同的應(yīng)用，只有單一的元件，如單電感器或單電容，可以是一個過濾器，在其他一些應(yīng)用中，你會看到這些元件非常復(fù)雜的組合，它們的功能就像一個過濾器。

聲表面波濾波器:

是一種將電能轉(zhuǎn)化為聲能，進行濾波后再將濾波后的能量轉(zhuǎn)化為電能的濾波器。這種濾波器的優(yōu)點是可以在相對較小的尺寸下實現(xiàn)非常高質(zhì)量(非常高階濾波器)。這種類型的缺點是難以處理高功率，通常會造成較大的插入損耗。在大多數(shù)手機中，你會看到至少一個或兩個聲表面波濾波器主要在射頻階段。他們過去也在中頻階段使用聲表面波濾波器，但現(xiàn)在大多數(shù)手機的整個中頻階段都消失了，中頻聲表面波濾波器也消失了。

空腔過濾器:

當(dāng)我看到這種類型的過濾器，我驚訝于這樣一個簡單的笨重的金屬物體可以作為一個過濾器的事實。(內(nèi)部結(jié)構(gòu)不像我想的那么簡單，但至少從外觀上看，它就像一塊金屬塊-:)。就濾波器特性而言，我不認為它的性能非常高，但它可以處理非常高的功率，它所能覆蓋的頻率范圍可以達到極高的頻率，與其他類型的濾波器相比，插入損耗通常很小。

數(shù)字濾波器:

數(shù)字濾波器:您可以猜到，它是一種基于數(shù)字算法進行濾波的濾波器。要使用這種濾波器，首先你必須把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后處理數(shù)字化的數(shù)據(jù)。這種類型的過濾器的優(yōu)點是，你可以得到過濾性能，這幾乎是相同的設(shè)計理論。缺點是由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣率的限制，難以處理高頻信號。當(dāng)然，你可以把高頻轉(zhuǎn)換成低頻，這樣你就可以使用數(shù)字濾波器，但這意味著你需要額外的電路來進行濾波。另一個缺點是由于每個數(shù)字門組件的延遲，會導(dǎo)致相對較長的延遲。

7.濾波器的應(yīng)用場景

濾波器在多個領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，包括但不限于：

通信領(lǐng)域：用于抑制雜散信號、濾除噪聲，提高信號質(zhì)量和傳輸效率。

音頻處理：用于調(diào)整音頻的音色和音效，實現(xiàn)音頻的均衡和美化。

圖像處理：用于圖像的平滑、銳化、邊緣檢測等操作，改善圖像質(zhì)量和視覺效果。

控制系統(tǒng)：用于減小或消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

8.濾波器的廠商

國內(nèi)生產(chǎn)射頻濾波器的廠商眾多，包括蘇州漢天下電子有限公司、諾思（天津）微系統(tǒng)有限責(zé)任公司、廈門開元、武漢衍熙微器件有限公司、珠海晶訊聚震科技有限公司等。這些廠商在射頻濾波器領(lǐng)域具有豐富的研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗，為市場提供了多種高質(zhì)量的濾波器產(chǎn)品。請注意，以上僅為部分廠商示例，實際市場中還有更多廠商可供選擇。

供應(yīng)商A：臺灣華科

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

暫時無法在飛書文檔外展示此內(nèi)容

（2）主推型號1：RFLPF16081G8DHT

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

核心料（哪些項目在用）

奇跡物聯(lián)鴿子定位器項目

供應(yīng)商B：村田

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

pref_20230516165800.csv

（2）主推型號1：SAFFB1G56KB0F0AR1X

以及對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

硬件參考設(shè)計

核心料（哪些項目在用）

奇跡物聯(lián)中央庫AM21EV5 鴿子定位器項目 AT6558R 濾波器

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

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審核編輯 黃宇