【導讀】濾波是信號處理中的一項基本而重要的技術。利用濾波技術可以從各種信號中提取出所要的信號，濾除不需要的干擾信號。濾波器是信號的頻域分析中的一個重要元器件。濾波器種類繁多，各種濾波器具有不同的性能特點，因此在濾波器選擇時，通常需要綜合考慮客戶的實際使用環境以及客戶性能需求才能做出正確、有效、可靠的選擇。
濾波器分為模擬濾波器和數字濾波器，模擬濾波器用來處理模擬信號或連續的信號，數字濾波器用來處理離散的數字信號。
模擬濾波器可廣泛應用于工業、商業和機關團體的配電網中，如：電力系統、電解電鍍企業、水處理設備、石化企業、大型商場及辦公大樓、精密電子企業、機場/港口的供電系統、醫療機構等。
通信行業
為了滿足大規模數據中心機房的運行需要，通信配電系統中的UPS使用容量在大幅上升。據調查，通信低壓配電系統主要的諧波源設備為UPS、開關電源、變頻空調等。
其產生的諧波含量都較高，且這些諧波源設備的位移功率因數極高。通過使用有源濾波器可以提高通信系統及配電系統的穩定性，延長通信設備及電力設備的使用壽命，并且使配電系統更符合諧波環境的設計規范。
半導體行業
大多數半導體行業的3次諧波非常嚴重，主要是由于企業中使用了大量的單相整流設備。3次諧波屬于零序諧波，具備在中性線匯集的特點，導致中性線壓力過大，甚至出現打火現象，存在著極大的生產安全隱患。
諧波還會造成斷路器跳閘，耽誤生產時間。3次諧波在變壓器內形成環流，加速了變壓器的老化。嚴重的諧波污染必然對配電系統中的設備使用效率和壽命造成影響。
石化行業
由于生產的需要，石化行業中存在著大量泵類負載，并且不少泵類負載都配有變頻器。變頻器的大量應用使石化行業配電系統中的諧波含量大大增加。
目前絕大部分變頻器整流環節都是應用6脈沖將交流轉化為直流，因此產生的諧波以5次、7次、11次為主。其主要危害表現為對電力設備的危害及在計量方面的偏差。使用有源濾波器可以很好地解決這方面的問題。
化纖行業
為大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質量，以及延長爐齡、節省能源，在化纖行業常用到電助熔加熱設備，借助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些設備會產生大量的諧波，且三相諧波的頻譜和幅值差別比較大。
鋼鐵/中頻加熱行業
鋼鐵業中常用到的中頻爐、軋機、電弧爐等設備都會對電網的電能質量產生重大的影響，使電容補償柜過載保護動作頻繁、變壓器和供電線路發熱嚴重、熔斷器頻繁熔斷等，甚至引起電壓跌落、閃變。
汽車制造業
焊機是汽車制造業中不可少的設備，由于焊機具有隨機性、快速性及沖擊性的特點，使大量使用焊機造成嚴重的電能質量問題，造成焊接質量不穩、自動化程度高的機器人由于電壓不穩而不能工作，無功補償系統無法正常使用等情況。
直流電機諧波治理
大型直流電機場所都需要先通過整流設備將交流電轉換為直流電，由于此類工程的負載容量都較大，因此在交流側存在嚴重的諧波污染，造成電壓畸變，嚴重時會引起事故。
自動化生產線和精密設備的使用
在自動化生產線和精密設備場合，諧波會影響到其正常使用，使智能控制系統、PLC系統等出現故障。
醫院系統
醫院對供電的連續性和可靠性有非常嚴格的要求，0類場所自動恢復供電時間T≤15S，1類場所自動恢復供電時間0.5S≤T≤15S， 2類場所自動恢復供電時間T≤0.5S，電壓總諧波畸變率THDu≤3%，X光機、CT機、核磁共振都是諧波含量極高的負載。
劇場/體育館
可控硅調光系統、大型LED設備等都是諧波源，在運行過程中會產生大量的三次諧波，不但造成配電系統的電力設備效率低下，而且還會造成燈光頻閃，對通信、有線電視等微弱電回路產生雜音，甚至產生故障。
在近代電信設備和各類控制系統中，數字濾波器應用也極為廣泛，這里列舉部分應用最成功的領域。
語音處理
語音處理是最早應用數字濾波器的領域之一，也是最早推動數字信號處理理論發展的領域之一。該領域主要包括5個方面的內容：
第一，語音信號分析。即對語音信號的波形特征、統計特性、模型參數等進行分析計算；
第二，語音合成。即利用專用數字硬件或在通用計算機上運行軟件來產生語音；
第四，語音增強。即從噪音或干擾中提取被掩蓋的語音信號。
第五，語音編碼。主要用于語音數據壓縮，目前已經建立了一系列語音編碼的國際標準，大量用于通信和音頻處理。
圖像處理
數字濾波技術以成功地應用于靜止圖像和活動圖像的恢復和增強、數據壓縮、去噪音和干擾、圖像識別以及層析X射線攝影，還成功地應用于雷達、聲納、超聲波和紅外信號的可見圖像成像。
在現代通信技術領域內，幾乎沒有一個分支不受到數字濾波技術的影響。信源編碼、信道編碼、調制、多路復用、數據壓縮以及自適應信道均衡等，都廣泛地采用數字濾波器，特別是在數字通信、網絡通信、圖像通信、多媒體通信等應用中，離開了數字濾波器，幾乎是寸步難行。其中，被認為是通信技術未來發展方向的軟件無線電技術，更是以數字濾波技術為基礎。
電視、雷達
數字電視取代模擬電視已是必然趨勢。高清晰度電視的普及指日可待，與之配套的視頻光盤技術已形成具有巨大市場的產業；可視電話和會議電視產品不斷更新換代。
視頻壓縮和音頻壓縮技術所取得的成就和標準化工作，促成了電視領域產業的蓬勃發展，而數字濾波器及其相關技術是視頻壓縮和音頻壓縮技術的重要基礎。
雷達信號占有的頻帶非常寬，數據傳輸速率也非常高，因而壓縮數據量和降低數據傳輸速率是雷達信號數字處理面臨的首要問題。告訴數字器件的出現促進了雷達信號處理技術的進步。
在現代雷達系統中，數字信號處理部分是不可缺少的，因為從信號的產生、濾波、加工到目標參數的估計和目標成像顯示都離不開數字濾波技術。雷達信號的數字濾波器是當今十分活躍的研究領域之一。聲納信號處理分為兩大類，即有源聲納信號處理和無源聲納信號處理，有源聲納系統涉及的許多理論和技術與雷達系統相同。
音樂
數字濾波器為音樂領域開辟了一個新局面，在對音樂信號進行編輯、合成、以及在音樂中加入交混回響、合聲等特殊效果特殊方面，數字濾波技術都顯示出了強大的威力。數字濾波器還可用于作曲、錄音和播放，或對舊錄音帶的音質進行恢復等。
有源電力濾波器在機場的應用
電力系統諧波產生的根本原因是一些具有非線性伏安特性的輸配電和用電設備。當電流流經非線性負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成了非正弦波電流，從而產生諧波。諧波污染越來越多地威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行，給同一網絡的線性負載和其它用戶帶來了極大影響。
飛機作為一種便捷的交通方式給人們日常交通生活帶來了多樣化的選擇，隨之機場也在逐年擴建。但在機場的低壓配電系統中，存在著大量的諧波源，如機場助航燈、直流電機、電爐、軋機、電焊機等，這些諧波源具有電流畸變大、諧波頻譜范圍廣、無功需求變化快等特點。
這類負載產生的諧波，危及配電系統的正常運行，甚至引發嚴重的電氣事故。其中以機場助航燈光系統為例，助航燈光負載設備不斷增加，機場燈光站大量使用可控硅調光設備，導致產生大量的諧波電流，對電能質量造成污染，同時附加電流和額外的熱效應對各類電氣設備和電纜線路安全也造成一定危害。因此，對機場助航燈光站電力諧波問題進行分析與治理極為重要。
目前電力系統諧波治理主要存在兩大主流方式：無源濾波技術和有源濾波技術。機場燈光站采用的大功率電力半導體調光設備，會產生大量高次諧波（主要是3 倍次諧波以外的所有奇次諧波），而無源濾波器對每次諧波都要單獨設計單諧振濾波器，設計參數要跟系統阻抗有關（計算系統阻抗很繁瑣，并且系統逐年擴建，系統阻抗也會變化）；無源濾波不能對諧波完全消除，反而存在著放大諧振的危險；電容的老化也會使原來設計諧振點偏移而達不到濾除目標諧波的目的；無源濾波系統適合負荷單一、穩定的場合。
與無源濾波器相比，有源濾波系統具有高度可控性和快速響應性（≤1ms），能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點；在性價比上較為合理；濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險；具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。
其基本原理是從諧波源（被補償對象）負載回路中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而相位相反的補償電流波形，用以抵消諧波源負載所產生的諧波電流，從而使電網側電流只含有基波分量。
治理效果：
FIR濾波器在音響系統中的應用
通常情況下，我們使用IIR EQ是對音響系統或者某個通路的頻率響應曲線進行修正，這是我們使用這種均衡器的目的。事實上，大多數情況下，它可以幫我們實現這個目標。實際使用中PEQ和GEQ有一定區別，但不論哪種形式的EQ，只要它功能足夠強大，基本上可以達到與我們預期的目的。
但不幸的是，IIR EQ在對系統或者通道的頻響曲線按我們個人的意志進行修正的同時，它也帶來了一個副產品——該音響系統或者通道的相位響應遭到了破壞。而且，大體的規律是：IIR EQ對頻響的改變幅度越大，則伴隨著其對對應系統或者通道相位響應的破壞越嚴重。
音響系統中使用高通濾波器（也可以認為是IIR EQ的一種）對相位的影響示意
不過，在科技高度發展的今天，FIR這個曾經被大量的應用于通信等其它領域的技術能夠被應用到音響系統，這的確也是一件好事兒。
因為，它解決了IIR EQ所不能解決的問題，那就是作為EQ的另一種類型，它可以只對音響系統的頻響做修正而不影響其相位響應；它也可以只對音響系統的相位做修正而不影響頻響（這不是跟“全通濾波器”相似嗎？的確是，但是它的靈活性和功能性比AP強大多了）；它還可以同時修正系統的頻率響應和相位響應。
這么一說，FIR EQ除了對系統的脈沖響應沒有修正能力這外，幾乎無所不能了？的確如此，但是，它也是有副作用的！
使用FIR處理器對500Hz以上的信號進行頻響和相位處理前后的對比結果
因為FIR濾波器是一種數字濾波器，無法用模擬電路實現，所以，它對信號進行處理的時候，會或多或少的需要時間成本。換句話說，使用了FIR濾波器的音響系統會有額外的延時，而IIR因為可以用模擬電路來實現，則無此詬病，所謂任何事情都有兩面性，有好的一面就會有不好的另一面。雖然，時間成本也是我們必須要考慮的因素，但至少對于中高頻信號，幾個毫秒的時間成本我們也不需要過于心疼。
而具體需要多少時間成本，主要決定于需要FIR處理的頻率范圍。頻率越低的聲音其周期也越長。很簡單我們可以想到，作為數字信號處理器的FIR，至少需要聲音信號對應下限頻率的一個周期的時間對它進行處理。舉例說明，就理想狀況而言，對于500Hz的聲音信號，FIR濾波器需要至少2ms的時間進行處理，當然，這個時滯一般情況下我們可以接受。但若是要處理低至50Hz的信號的時候，可能就需要20ms甚至于更長的時間，這對于現場演出來說就會成為一個非常惱人的問題。
通常來說，音響這行業，一定是在不斷的做選擇。因為，永遠沒有最好的方案，只有依當下而言更合適的解決辦法。想要更好的頻率響應的相位響應，我們會考慮使用FIR濾波器，但是同時我們又不希望有太大的時延在系統中產生。所以，在現實狀況中，很多廠商選擇用FIR處理系統的中高頻部分，而有IIR EQ以及經典的分頻電路處理低頻和超低頻部分。
自適應濾波在信號處理中的應用
自適應濾波器的各種應用主要包括：
1、系統建模，其中自適應濾波器作為估計未知系統特性的模型。
2、自適應噪聲對消器，其中自適應濾波器用于估計并對消期望信號中的噪聲分量；
3、數字通信接收機，其中自適應濾波器用于信道識別并提供碼間串擾的均衡器；
4、自適應天線系統，其中自適應濾波器用于波束方向控制，并可在波束方向圖中提供一個零點以便消除不希望的干擾。
系統辨識或系統建模
對于一個真實的物理系統，人們主要關心其輸入和輸出特性，即對信號的傳輸特性，而不要求完全了解其內部結構。系統可以是一個或多個輸入，也可以有一個或多個輸出。通信系統的辨識問題是通信系統的一個非常重要的問題。所謂系統辨識，實質上是根據系統的輸入和輸出信號來估計或確定系統的特性以及系統的單位脈沖響應或傳遞函數。
系統辨識和建模是一個非常廣泛的概念，在控制、通信和信號處理等領域里都有重要意義。實際上，系統辨識和建模不僅局限于傳統的工程領域，而且可以用來研究社會系統、經濟系統和生物系統等。
本節只討論通信和信號處理中的系統辨識和建模問題。采用濾波器作為通信信道的模型，并利用自適應系統辨識的方法對通信信道進行辨識，從而可以進一步地對通信信道進行均衡處理。
如果把通信信道看成是一個“黑箱”，僅知道“黑箱”的輸入和輸出；以一個自適應濾波器作為這個“黑箱”的模型，并且使濾波器具有與“黑箱”同樣的輸入和輸出。自適應濾波器通過調制自身的參數，使濾波器的輸出與“黑箱”的輸出相“匹配”。
這里的“匹配”通常指最小二乘意義上的匹配。這樣，濾波器就模擬了通信信道對信號的傳輸行為。盡管自適應濾波器的結構和參數與真實的通信信道不一樣，但是它們在輸入、輸出響應上保持高度一致。
因此，在這個意義上，自適應濾波器就是這個未知“黑箱”系統的模型。并且還可以發現，如果自適應濾波器具有足夠多的自由度(可調節參數)，那么，自適應濾波器可以任意程度地模擬這個“黑箱”。
假定未知信道為有限沖激響應(FIR)結構，構造一個FIR結構的自適應濾波器，用一偽隨機系列作為系統的輸入信號x(n)，同時送入未知信道系統和自適應濾波器。
調整自適應濾波器的系數，使誤差信號e(n)的均方誤差達到最小，則自適應濾波器的輸出y(n)近似等于通信系統的輸出d(n)。可以證明，加性噪聲v(n)的存在并不影響自適應濾波器最終收斂到最優維納解。
可以認為，具有相同輸入和相似輸出的兩個FIR系統，應該具有相似的特性。因此，可以采用自適應濾波器的特性或其單位脈沖響應來近似替代未知系統的特性或單位脈沖響應。
FBAR濾波器在智能手機中的應用
現代智能手機中一個非常重要的部分是射頻(RF)濾波器，正如它的基本原理，濾波器主要應用于通過需要并拒絕不要的頻率，以使手機中的許多接收器可以只處理預期的信號。
在過去，手機通常只在全球特定地區的少數頻段中工作，然而對于現代化的手機，基本上會在相同時間于多個無線頻段工作，包括移動通信、藍牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等，而制造商也希望設計出可在全球不同地區和不同電信運營商服務下工作的產品，要讓手機在更多頻段和地區工作代表了手機對射頻濾波的要求越來越高。
在前幾代的無線技術中，濾波要求并不難達成，可能只需使用表面聲波濾波器即可，但隨著運營商網絡逐漸演進到CDMA和3G，為了可以利用目前的4G/LTE服務，智能手機本身變得更為復雜，因此手機制造商已經開始擴大采用FBAR技術來解決以下即將討論4G/LTE所面對的獨特問題。
可在多個頻段工作的4G/LTE手機
最新的智能手機產品在設計上必須可在全球多個頻段工作，多頻段智能手機的整體尺寸并不會大于前一代，因此如果要在保留給射頻前端電路的相同空間內加入更多的濾波器，那么非常明顯地，濾波器本身必須非常小，藉助Microcap微型封裝技術，FBAR濾波器可以通過芯片級封裝滿足絕大多數的空間受限應用。
由于FBAR是基體型材料，因此可以提供非常良好的功率處理能力而不需要使用如SAW濾波器中常見的并行結構，另外，FBAR器件的尺寸也會隨著頻率的提高而縮小，這使得FBAR非常適合目前2300MHz到2700MHz，以及未來3.5GHz的新4G/LTE頻段應用。
運行于更高數據率的4G/LTE智能手機
相較于3G服務，相同數據量下4G/LTE的下載速度大約可以達到10倍，也就是說于同樣時間內可被下載的數據量達到10倍，有幾種方法可以用來實現更高的數據率，4G/LTE會依檢測到的信號強度使用不同的調制方式，簡單地說，信噪比越高，數據率就愈高，如由QPSK轉換成QAM16/64調制。
于通過單刀多擲開關結合多個雙工器的多頻段4G/LTE手機上，檢測到的信號可能過低而影響數據率，FBAR的低插入損耗有助于極大化輸入信號強度，帶來更高的數據吞吐量，從而得到更好的用戶體驗和更高的數據容量。
采用分頻多工調制的手機使用允許同時進行信號發射和接收的雙工器，由于發射和接收濾波器連接到相同的天線端口，因此彼此間的濾波器隔離就非常重要，較高的隔離會將接收頻段的噪聲降至最低，這可以提高SNR和數據率。
提高數據率的另一種方法是通過載波聚合，載波聚合以多于一個頻段的同時工作來提高下載數據率，部分新LTE頻段占據相對較小的頻譜，因此這是一個網絡運營商可以有效提高通信容量的方法。
由于每個頻段的發射和接收會同時工作，因此不能夠使用開關，從而使用多工器來結合各個發射和接收濾波器到相同的天線端口上，當以多工器配置結合時，Avago的FBAR濾波器可以提供低信號損耗路徑，有助于最大限度地提高數據率。
智能手機同時使用多個無線信號
目前很難找到沒有Wi-Fi連線功能的智能手機，依手機工作頻率不同，如果沒有經過適當的濾波處理，手機發送的信號可能會干擾Wi-Fi的正常運行。
使用智能手機作為Wi-Fi熱點時，Wi-Fi會和4G/LTE無線信號同時工作，如果沒有卓越的濾波能力，Wi-Fi收發器就有可能被遮蔽或者受到Band 7頻帶上LTE信號傳輸的影響。
今天絕大多數的手機同時還支持GPS，甚至GLONASS服務，由于GPS/GLONASS信號通常功率非常低，大約在-125dBm ~ -150dBm，因此所有接近GPS頻率的發射信號都可能影響GPS/GLONASS接收器的靈敏度，AGPS-F001預濾波器加LNA模塊由于具有陡峭濾波和寬帶衰減能力，因此可以提供移動網絡、PCS和WiFi信號卓越的帶外遮蔽能力和良好的線性性能。
FBAR技術優勢
電池使用時間是一項經常用來進行手機性能測試并相互比較的重要特性，在接收側，我們討論了FBAR的較低插入損耗如何通過補償于射頻前端結合多頻段所帶來的較高損耗支持4G/LTE手機的更高數據率，另一個好處是，通過使手機可以檢測較微弱信號，擴大移動通信的覆蓋范圍，避免造成較差的接收能力甚至掉線。
在發射側，較低的發射濾波器插入損耗代表了在相同天線發射功率下功率放大器所需的輸出功率較低，相較于其他濾波器技術，Avago的Band 4雙工器帶來的插入損耗改善大約在0.2dB ~ 0.5dB，相當于節省達50mA的電流消耗，因此可以提供更長的電池使用壽命和通話時間。
當大多數應用還是基于3G服務時，只有少數頻段可以從FBAR技術獲益，隨著4G/LTE多頻段智能手機的普及，FBAR技術的特性優勢，例如低插入損耗、陡峭濾波曲線、高隔離性和極小化的尺寸等已經成為所有主要智能手機制造商快速導入這個技術的原因。
目前采用FBAR技術的濾波器、雙工器以及多工器產品已經被導入美國、歐洲和亞洲等地區15個不同工作頻段的智能手機設計中，隨著新濾波挑戰的出現，FBAR技術將繼續成為提供解答的優先選擇，成為主流技術。
濾波器的應用領域如此廣泛，以至于想完全列舉他們是根本不可能的，除了以上幾個領域外，還有很多其他的應用領域。例如，在軍事上被大量應用于導航、制導、電子對抗、戰場偵察；在電力系統中被應用于能源分布規劃和自動檢測；在環境保護中被應用于對空氣污染和噪聲干擾的自動監測，在經濟領域中被應用于股票市場預測和經濟效益分析等等。
推薦閱讀：
