抗混疊濾波器的簡(jiǎn)介

抗混疊濾波器（anti-alias filter）是一個(gè)低通濾波器，用以在輸出電平中把混疊頻率分量降低到微不足道的程度。

動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)中為什么要使用抗混濾波器呢？大家都知道“奈奎斯特采樣定律”， 在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化時(shí)，采樣頻率f2至少應(yīng)2倍于被分析的信號(hào)的最高頻率f1，即： f2≥2 f1；否則可能出現(xiàn)因采樣頻率不夠高，模擬信號(hào)中的高頻信號(hào)折疊到低頻段，出現(xiàn)虛假頻率成分的現(xiàn)象，稱(chēng)之為：混疊。

工程測(cè)量中采樣頻率不可能無(wú)限高也不需要無(wú)限高，因?yàn)橐话阒魂P(guān)心一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成份。為解決頻率混疊，在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化采集前，采用低通濾波器濾除高于1/2采樣頻率的頻率成份。實(shí)際儀器設(shè)計(jì)中，這個(gè)低通濾波器的截止頻率(fc) 為：

截止頻率（fc）= 采樣頻率（fs） / 2．56

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試中測(cè)量?jī)x器必須具有抗混濾波功能，例如：在大型橋梁、高樓、機(jī)械設(shè)備等動(dòng)態(tài)振動(dòng)測(cè)試及模態(tài)分析中，信號(hào)所包含的頻率成份理論上是無(wú)窮的。 例如：橋梁的模態(tài)理論上有無(wú)限多個(gè)，但我們只關(guān)心對(duì)振動(dòng)貢獻(xiàn)最大的前幾階模態(tài)。如果不對(duì)振動(dòng)的模擬信號(hào)進(jìn)行低通抗混濾波，高階模態(tài)頻率很可能會(huì)混疊到低頻段，形成虛假的模態(tài)頻率，給模態(tài)參數(shù)識(shí)別帶來(lái)困難。

抗混疊濾波器的性能指標(biāo)

抗混濾波器一般指低通濾波器，但濾波器有低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器、高通濾波器、高阻濾波器。濾波器的主要性能指標(biāo)以低通濾波器為例，理想的低通濾波器為矩形，但實(shí)際中是不可能實(shí)現(xiàn)的。衡量低通濾波器性能的指標(biāo)主要包括以下幾方面：

帶內(nèi)波紋度：通帶的幅值精度指標(biāo)，例如：帶內(nèi)波紋度為±0.1dB時(shí)，對(duì)幅值精度的影響約為±1%（這正是為什么一般的數(shù)采器幅值精度可以做到千分之幾，一般的數(shù)采器用很高的采樣頻率進(jìn)行采集，不加低通濾波器)。

阻帶下降斜率：濾波器在截至頻率開(kāi)始下降，下降斜率越大越好。一般采用每個(gè)倍頻程的下降分貝數(shù)衡量，例如：滿(mǎn)足工程測(cè)量需要的阻帶下降斜率約為-80dB/oct。

濾波器落差：帶通到帶阻差值的分貝數(shù)dB。

值得一提的是：隨著DSP信號(hào)處理芯片的出現(xiàn)，現(xiàn)代測(cè)試儀器中已采用模擬濾波加數(shù)字濾波，使濾波器性能指標(biāo)突飛猛進(jìn)。例如:帶內(nèi)波紋度可達(dá)±0.05dB,阻帶下降斜率可達(dá)到約-200dB/oct，大大好于純模擬濾波器。

抗混疊濾波器

在動(dòng)態(tài)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，為了防止高于采祥頻率一半的信號(hào)產(chǎn)生混疊而造成的誤差，抗混疊濾波器是不可少的一般情況下，抗混疊濾波器是低通濾波器，對(duì)抗混疊濾波器，其實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于：

①過(guò)渡帶必須很陡；

②截止頻率隨采樣頻率的改變而改變；

③對(duì)雙(多)通道采集,往往要求兩。

低通濾波環(huán)節(jié)

低通濾波環(huán)節(jié)用于濾除信號(hào)中的高頻分量。信號(hào)采集過(guò)程中不可避免地會(huì)有高頻干擾信號(hào)混雜在有用信號(hào)當(dāng)中。為了使這些信號(hào)的頻率滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理所規(guī)定的范圍，除去采集的一些不確定信號(hào)對(duì)有用信號(hào)造成的干擾，并最大程度地抑制或消除混疊現(xiàn)象對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響，就需要先利用這個(gè)低通濾波器對(duì)無(wú)用信號(hào)進(jìn)行衰減和濾除?？够殳B濾波器除了對(duì)無(wú)用信號(hào)的衰減和濾除，還可以為ADC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的瞬態(tài)能量提供緩沖。

抗混疊濾波器可以采用無(wú)源的低通濾波器，最簡(jiǎn)單的是一階RC低通濾波器?；蛘卟捎眠\(yùn)算放大器加RC網(wǎng)絡(luò)組成有源濾波器。如果選用二階低通濾波器，可以使用運(yùn)算放大器加RC網(wǎng)絡(luò)組成有源濾波器。如果選用高階低通濾波器?？梢赃x用低通濾波器集成電路。無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于掌握，但這種濾波器的實(shí)測(cè)濾波特性與理論上的預(yù)定特性差別較大，在通帶內(nèi)又不能取得良好的阻抗匹配,很難滿(mǎn)足對(duì)濾波特性精度高的要求：有源濾波器是以網(wǎng)絡(luò)綜合理論為基礎(chǔ)的分析方法，它先找出與理想濾波特性相近似的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，然后根據(jù)綜合方法實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，由這種方法設(shè)計(jì)出來(lái)的濾波器實(shí)測(cè)的濾波特性與理論預(yù)定特性十分接近，適合高精度濾波器的設(shè)計(jì)要求。但是若選用有源濾波器,需要考慮很多問(wèn)題。比如設(shè)計(jì)濾波器時(shí)要考慮元件參數(shù)是否會(huì)對(duì)前后電路造成影響。設(shè)計(jì)低通環(huán)節(jié)要注意濾波器的主要特性指標(biāo)，如特性頻率、帶寬、增益與衰減、阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)等。