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原创物联网系统硬件设计中的抗干扰方案详解_滤波器

 2024-10-9 14:12  217 1 1 分类: 物联网

物联网系统中为什么要使用滤波器

在物联网系统中，滤波器扮演着至关重要的角色，其主要原因可以归纳如下：

提高信号质量

去除噪声和干扰：滤波器能够按照一定规则改变信号波形，去除或削弱不需要的信号成分，从而保留或加强需要的信号。这对于物联网系统中传感器采集到的原始信号尤为重要，因为这些信号往往受到环境中噪声和杂散干扰的影响，导致信号质量下降。
增强信号稳定性：通过滤波处理，可以减小传感器数据中的波动和噪声，提高系统的稳定性。这对于一些对稳定性要求较高的物联网应用来说尤为重要，如智能交通和工业自动化等领域。

优化数据处理

提取有效信息：在物联网中，滤波器主要用于处理传感器采集到的信号，以提取有效信息并降低干扰幅度。例如，在环境监测系统中，可以使用低通滤波器滤除高频噪声，得到较为平稳的温度、湿度等环境参数变化曲线。
降低数据处理难度：通过滤波器的预处理，可以使得后续的数据处理和分析工作更加高效和准确。这有助于减少计算量，提高数据处理速度，并降低误判和漏判的概率。

延长设备寿命

减少能量消耗：物联网中的无线传感器节点通常是由电池供电的。滤波器的应用可以使得传感器节点仅传输和处理有效的信号成分，避免了因为传输冗余数据而造成的能量浪费，从而延长传感器节点的使用寿命。

应对复杂环境

适应多样化环境：物联网应用往往处于复杂的环境中，如室外、工业场所等。这些环境中存在不同的噪声和干扰源，给信号处理带来困难。滤波器的应用可以有效地应对这些挑战，确保信号在复杂环境中仍然能够保持较高的质量。

技术发展趋势

滤波器的小型化：随着物联网技术的发展，对滤波器尺寸和性能的要求也在不断提高。研究人员正在努力开发更小、更高效的滤波器产品，以适应物联网设备的小型化和便携化趋势。
滤波器的集成化：未来的物联网系统可能会将滤波器与其他电子元件集成在一起，形成更加紧凑、高效的模块。这将有助于提高系统的整体性能和可靠性。

综上所述，滤波器在物联网系统中发挥着不可或缺的作用。它们通过提高信号质量、优化数据处理、延长设备寿命以及应对复杂环境等方面，为物联网系统的正常运行提供了有力保障。随着技术的不断进步和应用领域的拓展，滤波器的应用将会越来越广泛，并在物联网系统中发挥更大的作用。

本文会再为大家详解数字器件家族中的一员——滤波器。

滤波器的定义

滤波器是由电容、电感和电阻等元件组成的滤波电路，用于对信号进行频率选择，即允许特定频率范围内的信号通过，同时阻止其他频率的信号通过。滤波器在电子工程和信号处理中扮演着重要角色，是信号处理中的关键工具。

Filter是一个组件，它有选择地传递“它喜欢什么”，并阻塞“它不喜欢什么”。当我们讨论滤波器的特性时，我们通常用频域来描述它。

滤波器的原理

滤波器的基本原理是利用电容和电感对不同频率信号的阻抗差异来实现频率选择。电容对高频信号的阻抗较小，容易通过高频信号；而电感对低频信号的阻抗较小，容易通过低频信号。因此，通过合理设计电容和电感的组合，可以构建出不同类型的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

滤波器的分类

滤波器可以按照多种方式进行分类，主要包括以下几种：

4.1、按处理信号的形式分类：

模拟滤波器：由电阻、电容、电感等电气元件组成，用于处理模拟信号。
数字滤波器：通过软件或数字信号处理器件对离散信号进行滤波处理。

4.2、按通频带分类：

低通滤波器（LPF）：允许低频信号通过，抑制高频信号。

低通滤波器是一种对低频信号进行滤波，对高频信号进行滤波的滤波器。频率应该多低取决于滤波器的规格。

高通滤波器（HPF）：允许高频信号通过，抑制低频信号。

高通滤波器是对高频信号进行滤波，对低频信号进行滤波的一种滤波器。频率应该有多高取决于滤波器的规格。

带通滤波器（BPF）：允许特定频率范围内的信号通过，抑制其他频率的信号。

带通滤波器是一种通过一定频率范围的滤波器，在指定的范围内对较低和较高的区域进行滤波。通过滤波器的频率范围由规范决定。

带阻滤波器（BSF）：抑制特定频率范围内的信号，允许其他频率的信号通过。

带阻滤波器是一种能通过除极窄频率范围外的大部分频率的滤波器。其他类型的滤波器的目的是通过一定范围内的信号，带阻滤波器的目的是阻挡选定频率的信号。

全通滤波器（APF）：全频带内幅值增益恒等于1，主要用于移相。

4.3、按响应类型分类：

巴特沃斯响应滤波器：通带平坦度好，适用于低频应用。
贝塞尔响应滤波器：通带相位非线性小，适用于对相位要求高的应用。
切贝雪夫响应滤波器：衰减速度快，适用于对截止频率要求高的应用。

在大多数情况下，一个过滤器将属于以下四种可能的理想类型中的一种。g，一个有多个通带的滤波器等，但你能看到99%以上的滤波器都是下列类型之一)。

滤波器的选型参数

在选型滤波器时，需要考虑以下主要参数：

中心频率（Center Frequency）：滤波器通带的频率f0，一般取f0=(f1+f2)/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。
截止频率（Cutoff Frequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。
通带带宽（Passband Bandwidth）：指需要通过的频谱宽度，BW=(f2-f1)。
插入损耗（Insertion Loss）：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗。
阻带抑制度（Stopband Attenuation）：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标，该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。
带内相位线性度（Passband Phase Linearity）：表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。

滤波器的使用注意事项

在使用滤波器时，需要注意以下几点：

环境温度和湿度：滤波器一般环境温度范围在0~55°C，空气中的相对湿度不能大于85%，且需保持通风。
震动和防护：滤波器应远离强烈的震动源，振动频率不能超过10~55Hz或连续振动。如果环境震动不可避免，需采取减震措施。同时，滤波器安装需避免粉尘、腐蚀和易燃气体。
电源干扰：在电源干扰严重的环境中，需安装带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰。
匹配阻抗：滤波器的阻抗需与连接的干扰源阻抗和负载阻抗相匹配，以获得良好的滤波效果。

理想与真实滤波器

理想滤波器是上图所示的滤波器。它通过信号的一个特定范围，并开始阻塞该范围旁边的信号。但正如我常说的，没有一种装置像理想概念那样运作。过滤器也是一样。

以带通滤波器为例。理想的过滤器是每个人都想要的，如左边所示，但你永远不会得到这种过滤器。即使在一个过滤器的理论设计中，你会看到几种类型，如中柱所示，但即使这个理论过滤器也不如理想过滤器。

第一种理论类型在通带区域有一些波动(纹波)，并相对急剧地落入阻塞区域(停止带)，在停止带没有波动。
第二种理论类型既无通带纹波，也无阻带纹波。没有涟漪是非常好的…但在这种情况下，它会慢慢进入阻塞区。
第三种理论类型在通带和阻带上都有波纹，这种波纹不是很好，但在阻带上有很陡的波纹，这种波纹很好。

实际滤波器的一些例子显示在右边栏，这明显比理论性质差。这些只是一些真正的过滤器。在现实世界中，你会有许多不同类型和特点的过滤器。

典型的过滤器实现

实现滤波器的方法有很多种，很难列出所有可能的实现方法。我将只列出几种我认为在许多领域最常用的实现方法。下面是一些过滤器实现的例子。

电气过滤器:

这是一种使用基本电气元件(如R/L/C)来实现过滤器的方法，我认为这是最常见和广泛使用的过滤器类型。根据不同的应用，只有单一的元件，如单电感器或单电容，可以是一个过滤器，在其他一些应用中，你会看到这些元件非常复杂的组合，它们的功能就像一个过滤器。

声表面波滤波器:

是一种将电能转化为声能，进行滤波后再将滤波后的能量转化为电能的滤波器。这种滤波器的优点是可以在相对较小的尺寸下实现非常高质量(非常高阶滤波器)。这种类型的缺点是难以处理高功率，通常会造成较大的插入损耗。在大多数手机中，你会看到至少一个或两个声表面波滤波器主要在射频阶段。他们过去也在中频阶段使用声表面波滤波器，但现在大多数手机的整个中频阶段都消失了，中频声表面波滤波器也消失了。

空腔过滤器:

当我看到这种类型的过滤器，我惊讶于这样一个简单的笨重的金属物体可以作为一个过滤器的事实。(内部结构不像我想的那么简单，但至少从外观上看，它就像一块金属块-。就滤波器特性而言，我不认为它的性能非常高，但它可以处理非常高的功率，它所能覆盖的频率范围可以达到极高的频率，与其他类型的滤波器相比，插入损耗通常很小。

数字滤波器:

数字滤波器:您可以猜到，它是一种基于数字算法进行滤波的滤波器。要使用这种滤波器，首先你必须把输入的模拟信号转换成数字信号，然后处理数字化的数据。这种类型的过滤器的优点是，你可以得到过滤性能，这几乎是相同的设计理论。缺点是由于模数转换器采样率的限制，难以处理高频信号。当然，你可以把高频转换成低频，这样你就可以使用数字滤波器，但这意味着你需要额外的电路来进行滤波。另一个缺点是由于每个数字门组件的延迟，会导致相对较长的延迟。

滤波器的应用场景

滤波器在多个领域有广泛应用，包括但不限于：

通信领域：用于抑制杂散信号、滤除噪声，提高信号质量和传输效率。
音频处理：用于调整音频的音色和音效，实现音频的均衡和美化。
图像处理：用于图像的平滑、锐化、边缘检测等操作，改善图像质量和视觉效果。
控制系统：用于减小或消除系统的稳态误差，提高系统的控制精度和稳定性。

滤波器的厂商

国内生产射频滤波器的厂商众多，包括苏州汉天下电子有限公司、诺思（天津）微系统有限责任公司、厦门开元、武汉衍熙微器件有限公司、珠海晶讯聚震科技有限公司等。这些厂商在射频滤波器领域具有丰富的研发和生产经验，为市场提供了多种高质量的滤波器产品。请注意，以上仅为部分厂商示例，实际市场中还有更多厂商可供选择。

供应商A：台湾华科

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：RFLPF16081G8DHT

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