Wyjaśniono filtrowanie sygnałów audio: techniki pasywne i aktywne

Zrozumienie filtrów audio jest niezbędne do projektowania systemów o precyzyjnej kontroli dźwięku.Filtry te modyfikują zawartość częstotliwości, aby poprawić przejrzystość, zmniejszyć hałas i dostosowują charakterystykę tonalową.Od typów o wysokim przejściu do wszystkich, każdy odgrywa unikalną rolę w kształtowaniu sygnałów audio.Praktyczne aplikacje obejmują domowy dźwięk, dźwięk na żywo i komunikację radiową.Ten artykuł rozkłada zachowanie filtra, strukturę obwodów i rzeczywiste strategie projektowe, oferując inżynierom szczegółowe wskazówki dotyczące wyboru i wdrażania odpowiedniego filtra w celu optymalnej wydajności dźwięku.

Katalog

Rysunek 1: Schemat blokowy systemu audio

Zagłębianie się w filtry audio

Filtr audio służy jako skomplikowany obwód elektroniczny, który manipuluje częstotliwościami sygnału, albo zwiększając lub osłabiając niektóre częstotliwości, aby osiągnąć pożądane wyniki dźwięku.Te modyfikacje są niezbędne do oczyszczania niechcianych dźwięków i podnoszenia jakości dźwięku.Filtry odgrywają kluczową rolę w systemach komunikacyjnych i elektronice, głęboko wpływając na wyjście audio i ogólnie zwiększając przejrzystość.

Odmiany filtrów audio

Filtry audio dzielą się na odrębne kategorie na podstawie ich cech odpowiedzi częstotliwościowych.

-Filtry dolnoprzepustowe ułatwiają przejście częstotliwości poniżej ustalonego punktu, jednocześnie zmniejszając wyższe częstotliwości, powszechnie stosowane w celu zmniejszenia zakłóceń o wysokiej częstotliwości w zadaniach audio.

- Filtry o wysokiej przepustce pozwalają na wyższe częstotliwości, hamując niższe, kluczowe dla minimalizacji informacji zwrotnej i dudnienia.

- Filtry pasma pasmowe są ukierunkowane na określone pasma częstotliwości, zwiększając odpowiednie sygnały i są powszechne w komunikacji radiowej.

- Filtry pasmowe lub filtry Notch eliminują precyzyjne niepożądane częstotliwości, takie jak notoryczny szum 60 Hz, z zakłóceń elektrycznych, ulepszanie systemów dźwiękowych.

Filtry dolnoprzepustowe w akcji

Filtry dolnoprzepustowe widzą szerokie zastosowanie w różnych środowiskach.Na przykład w domowych konfiguracjach audio regulują one wyjście basowe, aby utrzymać harmonijny dźwięk, odfiltrowując chaos o wysokiej częstotliwości, który może zniekształcić jasność.Specjaliści od dźwięku na żywo stosują te filtry do udoskonalania kanałów audio, zapewniając nieskazitelne wrażenia słuchowe.

Filtry o wysokim przejściu w scenariuszach

Filtry o wysokim przejściu wyróżniają się w scenariuszach dźwięku na żywo, w których gra się wiele mikrofonów, kluczowe dla ograniczenia informacji zwrotnych i dudnienie.Są również integralne w obwodach mikrofonowych w celu przeciwdziałania zaburzeniu niskiej częstotliwości, takim jak szum wiatru, zachowując jasność wokalną.

Specjalistyczne użycie filtrów pasmowych i pasmowych

Filtry pasmowe są niezbędne w izolowaniu pasm częstotliwości w komunikacji radiowej, zwiększając wybrane sygnały przy jednoczesnym tłumieniu innych.Z drugiej strony filtry Notch są biegły w usuwaniu ukierunkowanych częstotliwości, takich jak trwały szum elektryczny 60 Hz, tym samym zwiększając jakość dźwięku systemów.

Dogłębna eksploracja odmian filtrów

Cechy strukturalne i częstotliwości filtrów

Filtry mogą być identyfikowane na podstawie ich projektu i sposobu obsługi różnych częstotliwości.Strukturalnie istnieją dwie podstawowe kategorie: filtry pasywne i aktywne.Filtry pasywne składają się z elementów takich jak rezystory i kondensatory, które działają bez zewnętrznych źródeł zasilania.Z drugiej strony aktywne filtry wykorzystują tranzystory i wzmacniacze operacyjne, wymagające źródła zasilania DC, zapewniając jednocześnie lepszą wszechstronność i wydajność w różnych zastosowaniach, które mogą wywoływać ludzkie pragnienia wydajności i doskonałości.

Reakcja i funkcjonalność częstotliwości

Typy filtrów różnią się również możliwościami odpowiedzi częstotliwościowej, z których każda zajmuje się określonymi zakresami częstotliwości do unikalnych celów.Pasmo pasujące odnosi się do zakresu częstotliwości, w którym napięcie wyjściowe lub moc jest optymalne, a zrozumienie tych pojęć może wywoływać poczucie ciekawości i odkrycia.Filtry o wysokiej przepustce umożliwiają przejście częstotliwości powyżej określonego progu, zmniejszając niższe częstotliwości.I odwrotnie, filtry dolnoprzepustowe umożliwiają przechodzenie niższych częstotliwości, ograniczając wyższe.

Ponadto filtry pasmowe pozwalają na przejście częstotliwości w określonym zakresie, tłumiąc częstotliwości poza tym zakresem.Filtry pasmowe lub filtry Notch, tłumi częstotliwości w określonym zakresie, idealne do usuwania niechcianego szumu.Filtry All-Pass utrzymują spójną amplitudę między częstotliwościami, zamiast tego skupiając się na różnych relacjach fazowych, oferując warstwę wyrafinowania i kontroli w manipulowaniu sygnałami.

Filtry według reakcji częstotliwości

Filtry mogą być pogrupowane w zależności od tego, jak reagują na różne częstotliwości.Część spektrum, którą pozwala filtr, przez który przechodzi z niewielkim lub żadnym tłumieniem, nazywa się pasmem przepustowym.Ten region jest miejscem, w którym napięcie wyjściowe lub moc pozostaje stosunkowo wysoka na krzywej odpowiedzi częstotliwościowej.

W praktyce można zidentyfikować filtry, za pomocą których pozwalają zakresy częstotliwości i które tłumią.Należą do nich:

Filtr audio High Pass

Filtr o wysokim przedziale pozwala na przekazanie sygnałów powyżej określonej częstotliwości odcięcia i zmniejsza amplitudę osób poniżej.Punkt odcięcia jest zazwyczaj definiowany, gdy napięcie wyjściowe spada do 70,7% (lub -3 dB) maksymalnej wartości pasma przechodzącego.

Rysunek 2: Ta rysunek pokazuje odpowiedź częstotliwościowego filtra audio o wysokiej przepustce

Z krzywej odpowiedzi zauważysz, że sygnały tuż poniżej granicy nie są w pełni zablokowane - wciąż minęły, ale ze zmniejszonym wzmocnieniem.To stopniowe zrzucenie jest często nazywane regionem „Rol-Off” lub „Roll-Down”.W prawdziwych obwodach zachowanie to powoduje miękką krawędź filtrowania, a nie ostre odcięcie.

Filtr dolnoprzepustowy

Filtry dolnoprzepustowe działają w odwrotny sposób.Przechodzą sygnały poniżej częstotliwości odcięcia i zmniejszają te powyżej.

Rysunek 3: Ta rysunek pokazuje odpowiedź częstotliwościowego filtra audio dolnoprzepustowego

Ponownie, całkowite tłumienie nie występuje dokładnie po odcięciu.Wyższe częstotliwości są tłumione stopniowo, a niektóre sygnały mogą nadal przenikać na niskich poziomach.Podczas projektowania filtrów w celu przejrzystości dźwięku lub ochrony głośników lub ochrony głośników należy wziąć pod uwagę.

Filtr pasma pasmowo

Filtr pasmowo-przepasowy umożliwia przejście tylko określonego pasma częstotliwości.Ma dwa punkty odcięcia - jeden po niskiej stronie i jeden na wysokości.Sygnały poza tym zakresem są całkowicie zmniejszone lub blokowane.

Rycina 4: Ta rysunek pokazuje odpowiedź częstotliwościowa filtra audio-stop-stop S-stop

Podczas regulacji takich filtrów musisz zdefiniować zarówno częstotliwość środkową (zazwyczaj tam, gdzie wyjście jest najsilniejsze), jak i przepustowość (zakres między dolnymi i górnymi częstotliwościami odcięcia).

Filtry pasmowe i notch

Filtry pasmowe usuwają określony zakres częstotliwości podczas przechodzenia sygnałów po obu stronach.Filtr Notch to wersja wąskopasmowa, zaprojektowana w celu wyeliminowania określonej, często problematycznej częstotliwości-takiej jak 60 Hz HUM w systemach audio.

Te filtry są przydatne w praktycznej pracy audio, w których eliminowanie zakłóceń bez wpływu na resztę sygnału jest niezbędne.Filtry Notch mają wysokie „Q” (współczynnik jakości), co oznacza, że ​​ostro osłabiają tylko wąski zasięg.

Filtr all-to

Filtry All-Pass pozwalają na przejście wszystkich częstotliwości, ale wprowadzają między nimi przesunięcia fazowe.Filtry te nie są używane do blokowania lub przekazywania określonych sygnałów, ale do korygowania niewspółosiowości czasowych w złożonych systemach audio.

Rysunek 5: Ta rysunek pokazuje przesuniętą fazę odpowiedź częstotliwości filtra audio SLL-Pass

Podczas strojenia filtra wszechprzepustowego obserwujesz różnice fazowe między komponentami częstotliwości.Należy je dokładnie dostosować, aby uniknąć wprowadzania artefaktów anulowania faz w systemach stereo.

Filtry wyrównania

Te filtry nie przechodzą w pełni ani nie blokują określonych częstotliwości.Zamiast tego zwiększają lub wycinają wzmocnienie w sposób zależny od częstotliwości.Są one szeroko stosowane w systemach muzycznych do dostosowania bilansu tonalnego i poprawienia reakcji akustycznej.

Klasyfikacja według struktury

Filtry są również klasyfikowane na podstawie tego, czy wymagają one mocy i wzmocnienia.Każdy z nich może być wysoki, niski, pasmowy, pasmowy lub pasmowy:

Pasywny filtr o wysokim przejściu

Ten filtr wykorzystuje rezystor i kondensator.Kondensator blokuje niskie częstotliwości, podczas gdy rezystor umożliwia kontynuowanie wyższych.W praktyce najbardziej podstawowa forma składa się z kondensatora szeregowo z sygnałem wejściowym, a następnie rezystorem na podłoże.

Rysunek 6: Schemat obwodu pasywnego filtra audio w pierwszym rzędu

Częstotliwość odcięcia:

fₕ = 1 / (2πrc)

Regulując wartości rezystora i kondensatora, możesz dostroić filtr, aby blokować częstotliwości poniżej wybranego punktu.Na przykład przy r = 10 kΩ i c = 0,1 µF, odcięcie wynosi około 160 Hz.Częstotliwości powyżej przechodzą do następnego etapu, zazwyczaj tweeter w systemach audio.

Filtry pasywne są proste, nie wymagają zasilania i są kompaktowe.Nie mogą jednak wzmocnić sygnału, a korzystanie z induktorów czyni je nieporęcznymi i kosztownymi.

Aktywny filtr o wysokim przejściu

Opiera się na typu pasywnym, dodając amp OP.OP-AMP jest podłączony po etapie RC, zwykle w niewprawnej konfiguracji.

Rysunek 7: Schemat obwodu aktywnego filtra audio o wysokim poziomie pierwszego rzędu

OP-AMP zapewnia wzmocnienie, umożliwiając silniejszy sygnał wyjściowy i mniej wpływowy szumem.Jego wysoka impedancja wejściowa zapobiega również ładowaniu ze źródła, zachowując kształt sygnału.

Jednak takie filtry wymagają źródła zasilania prądu stałego do odchylenia i mają ograniczoną przepustowość ze względu na własną reakcję częstotliwości.

Pasywny filtr dolnoprzepustowy

Używa sieci RC lub RL.Kondensator (lub induktor) jest ustawiony w taki sposób, aby zasilał sygnały o wyższej częstotliwości podczas przechodzenia niskich częstotliwości.

Rysunek 8: Schemat obwodu pasywnego filtra audio z pierwszego rzędu

Częstotliwość odcięcia:

fₗ = 1 / (2πrc)

Te filtry są przydatne do wysyłania sygnałów o niskiej częstotliwości do głośników niskotonowych.Nie wymagają energii i oferują prosty design, chociaż znowu nie jest dostępna wzmocnienie.

Aktywny filtr dolnoprzepustowy

Łączy pasywne filtrowanie RC z OP-AMP w celu wzmocnienia.OP-AMP zwiększa niskie częstotliwości, jednocześnie odrzucając wyższe.

Te filtry są przydatne, gdy słabe sygnały muszą zostać zachowane lub wzmocnione przed wysłaniem ich na etapy zasilania lub głośniki.Ale wymagają zasilania i cierpią na ograniczenia przepustowości OP-WAMP.

Pasywny filtr pasmowo-pasmowy

Łączy to filtr o wysokim i przepustowości.Powstałe wyjście to nakładanie się - odcinki, które należą między pasmami obu filtrów.

Rysunek 9: Schemat obwodu pasywnego filtra audio pasywnego pasma pierwszego rzędu

Niższe odcięcie pochodzi z sekcji o wysokim przejściu;Górne odcięcie pochodzi z niskiego przepustki.Tylko częstotliwości pomiędzy nimi są dozwolone.Filtry te są często używane do głośników średniego zasięgu, ale mogą stać się duże ze względu na liczbę komponentów.

Aktywny filtr pasmowo-przepasowy

Ta sama koncepcja co wersja pasywna, ale zawiera etapy OP-AMP lub tranzystorowe w celu wzmocnienia pożądanego pasma częstotliwości.Przepustowość OP-AMP musi być zgodna z zakresem docelowym filtra, aby uzyskać optymalną wydajność.

Pasywny filtr pasmowy

Zbudowany z sieci RLC, zwykle z równoległym obwodem LC przez rezystor.Ta konfiguracja ostro osłabia wąski pasek i przechodzi wszystkie inne częstotliwości.

Rysunek 10: Schemat obwodu pasywnego filtra audio pasywnego pierwszego rzędu

Jest to zasadniczo kombinacja filtra o wysokiej przepustce i dolnoprzepustowym, w którym ich zatrzymania pokrywają się.Filtry te są również określane jako filtry W-Notch lub Band-Rectting.

Aktywny filtr pasmowy

Obejmuje wzmocnienie po sekcji pasywnej w celu przywrócenia siły sygnału w dozwolonych zakresach częstotliwości.Ponownie, przepustowość OP-AMP musi być odpowiednia do filtrowanego spektrum.

Rysunek 11: Aktywny filtr pasmowy