濾波器分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器，模擬濾波器用來處理模擬信號或連續(xù)的信號，數(shù)字濾波器用來處理離散的數(shù)字信號。

 

模擬濾波器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和機關(guān)團(tuán)體的配電網(wǎng)中，如：電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設(shè)備、石化企業(yè)、大型商場及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機場/港口的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機構(gòu)等。

 

 

 

為了滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機房的運行需要，通信配電系統(tǒng)中的UPS使用容量在大幅上升。據(jù)調(diào)查，通信低壓配電系統(tǒng)主要的諧波源設(shè)備為UPS、開關(guān)電源、變頻空調(diào)等。

 

其產(chǎn)生的諧波含量都較高，且這些諧波源設(shè)備的位移功率因數(shù)極高。通過使用有源濾波器可以提高通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長通信設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，并且使配電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設(shè)計規(guī)范。

 

 

大多數(shù)半導(dǎo)體行業(yè)的3次諧波非常嚴(yán)重，主要是由于企業(yè)中使用了大量的單相整流設(shè)備。3次諧波屬于零序諧波，具備在中性線匯集的特點，導(dǎo)致中性線壓力過大，甚至出現(xiàn)打火現(xiàn)象，存在著極大的生產(chǎn)安全隱患。

 

 

諧波還會造成斷路器跳閘，耽誤生產(chǎn)時間。3次諧波在變壓器內(nèi)形成環(huán)流，加速了變壓器的老化。嚴(yán)重的諧波污染必然對配電系統(tǒng)中的設(shè)備使用效率和壽命造成影響。

 

 

 

由于生產(chǎn)的需要，石化行業(yè)中存在著大量泵類負(fù)載，并且不少泵類負(fù)載都配有變頻器。變頻器的大量應(yīng)用使石化行業(yè)配電系統(tǒng)中的諧波含量大大增加。

 

目前絕大部分變頻器整流環(huán)節(jié)都是應(yīng)用6脈沖將交流轉(zhuǎn)化為直流，因此產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次為主。其主要危害表現(xiàn)為對電力設(shè)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。

 

 

 

為大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質(zhì)量，以及延長爐齡、節(jié)省能源，在化纖行業(yè)常用到電助熔加熱設(shè)備，借助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些設(shè)備會產(chǎn)生大量的諧波，且三相諧波的頻譜和幅值差別比較大。

 

 

 

鋼鐵業(yè)中常用到的中頻爐、軋機、電弧爐等設(shè)備都會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響，使電容補償柜過載保護(hù)動作頻繁、變壓器和供電線路發(fā)熱嚴(yán)重、熔斷器頻繁熔斷等，甚至引起電壓跌落、閃變。

 

 

 

焊機是汽車制造業(yè)中不可少的設(shè)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(yán)重的電能質(zhì)量問題，造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)、自動化程度高的機器人由于電壓不穩(wěn)而不能工作，無功補償系統(tǒng)無法正常使用等情況。

 

 

大型直流電機場所都需要先通過整流設(shè)備將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，由于此類工程的負(fù)載容量都較大，因此在交流側(cè)存在嚴(yán)重的諧波污染，造成電壓畸變，嚴(yán)重時會引起事故。

 

 

在自動化生產(chǎn)線和精密設(shè)備場合，諧波會影響到其正常使用，使智能控制系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等出現(xiàn)故障。

 

 

醫(yī)院對供電的連續(xù)性和可靠性有非常嚴(yán)格的要求，0類場所自動恢復(fù)供電時間T≤15S，1類場所自動恢復(fù)供電時間0.5S≤T≤15S， 2類場所自動恢復(fù)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(fù)載。

 

 

 

可控硅調(diào)光系統(tǒng)、大型LED設(shè)備等都是諧波源，在運行過程中會產(chǎn)生大量的三次諧波，不但造成配電系統(tǒng)的電力設(shè)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(chǎn)生雜音，甚至產(chǎn)生故障。

 

在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器應(yīng)用也極為廣泛，這里列舉部分應(yīng)用最成功的領(lǐng)域。

 

 

語音處理是最早應(yīng)用數(shù)字濾波器的領(lǐng)域之一，也是最早推動數(shù)字信號處理理論發(fā)展的領(lǐng)域之一。該領(lǐng)域主要包括5個方面的內(nèi)容：

 

第一，語音信號分析。即對語音信號的波形特征、統(tǒng)計特性、模型參數(shù)等進(jìn)行分析計算；

 

第二，語音合成。即利用專用數(shù)字硬件或在通用計算機上運行軟件來產(chǎn)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(shù)據(jù)壓縮，目前已經(jīng)建立了一系列語音編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)，大量用于通信和音頻處理。

 

 

 

數(shù)字濾波技術(shù)以成功地應(yīng)用于靜止圖像和活動圖像的恢復(fù)和增強、數(shù)據(jù)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(yīng)用于雷達(dá)、聲納、超聲波和紅外信號的可見圖像成像。

 

在現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，幾乎沒有一個分支不受到數(shù)字濾波技術(shù)的影響。信源編碼、信道編碼、調(diào)制、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)壓縮以及自適應(yīng)信道均衡等，都廣泛地采用數(shù)字濾波器，特別是在數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像通信、多媒體通信等應(yīng)用中，離開了數(shù)字濾波器，幾乎是寸步難行。其中，被認(rèn)為是通信技術(shù)未來發(fā)展方向的軟件無線電技術(shù)，更是以數(shù)字濾波技術(shù)為基礎(chǔ)。

 

 

 

數(shù)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(shù)已形成具有巨大市場的產(chǎn)業(yè)；可視電話和會議電視產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。

 

視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)所取得的成就和標(biāo)準(zhǔn)化工作，促成了電視領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，而數(shù)字濾波器及其相關(guān)技術(shù)是視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)的重要基礎(chǔ)。

 

雷達(dá)信號占有的頻帶非常寬，數(shù)據(jù)傳輸速率也非常高，因而壓縮數(shù)據(jù)量和降低數(shù)據(jù)傳輸速率是雷達(dá)信號數(shù)字處理面臨的首要問題。告訴數(shù)字器件的出現(xiàn)促進(jìn)了雷達(dá)信號處理技術(shù)的進(jìn)步。

 

在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理部分是不可缺少的，因為從信號的產(chǎn)生、濾波、加工到目標(biāo)參數(shù)的估計和目標(biāo)成像顯示都離不開數(shù)字濾波技術(shù)。雷達(dá)信號的數(shù)字濾波器是當(dāng)今十分活躍的研究領(lǐng)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(tǒng)涉及的許多理論和技術(shù)與雷達(dá)系統(tǒng)相同。

 

 

數(shù)字濾波器為音樂領(lǐng)域開辟了一個新局面，在對音樂信號進(jìn)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(shù)字濾波技術(shù)都顯示出了強大的威力。數(shù)字濾波器還可用于作曲、錄音和播放，或?qū)εf錄音帶的音質(zhì)進(jìn)行恢復(fù)等。

 

 

電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)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(shè)備。當(dāng)電流流經(jīng)非線性負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成了非正弦波電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負(fù)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?nèi)粘＝煌ㄉ顜砹硕鄻踊倪x擇，隨之機場也在逐年擴建。但在機場的低壓配電系統(tǒng)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(fù)載產(chǎn)生的諧波，危及配電系統(tǒng)的正常運行，甚至引發(fā)嚴(yán)重的電氣事故。其中以機場助航燈光系統(tǒng)為例，助航燈光負(fù)載設(shè)備不斷增加，機場燈光站大量使用可控硅調(diào)光設(shè)備，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的諧波電流，對電能質(zhì)量造成污染，同時附加電流和額外的熱效應(yīng)對各類電氣設(shè)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(jìn)行分析與治理極為重要。

 

 

目前電力系統(tǒng)諧波治理主要存在兩大主流方式：無源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)。機場燈光站采用的大功率電力半導(dǎo)體調(diào)光設(shè)備，會產(chǎn)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(shè)計單諧振濾波器，設(shè)計參數(shù)要跟系統(tǒng)阻抗有關(guān)（計算系統(tǒng)阻抗很繁瑣，并且系統(tǒng)逐年擴建，系統(tǒng)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(shè)計諧振點偏移而達(dá)不到濾除目標(biāo)諧波的目的；無源濾波系統(tǒng)適合負(fù)荷單一、穩(wěn)定的場合。

 

與無源濾波器相比，有源濾波系統(tǒng)具有高度可控性和快速響應(yīng)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(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；具有自適應(yīng)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(fù)載回路中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)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(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流，從而使電網(wǎng)側(cè)電流只含有基波分量。

 

治理效果：

 

 

 

 

通常情況下，我們使用IIR EQ是對音響系統(tǒng)或者某個通路的頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行修正，這是我們使用這種均衡器的目的。事實上，大多數(shù)情況下，它可以幫我們實現(xiàn)這個目標(biāo)。實際使用中PEQ和GEQ有一定區(qū)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(dá)到與我們預(yù)期的目的。

 

但不幸的是，IIR EQ在對系統(tǒng)或者通道的頻響曲線按我們個人的意志進(jìn)行修正的同時，它也帶來了一個副產(chǎn)品——該音響系統(tǒng)或者通道的相位響應(yīng)遭到了破壞。而且，大體的規(guī)律是：IIR EQ對頻響的改變幅度越大，則伴隨著其對對應(yīng)系統(tǒng)或者通道相位響應(yīng)的破壞越嚴(yán)重。

 

音響系統(tǒng)中使用高通濾波器（也可以認(rèn)為是IIR EQ的一種）對相位的影響示意

 

不過，在科技高度發(fā)展的今天，F(xiàn)IR這個曾經(jīng)被大量的應(yīng)用于通信等其它領(lǐng)域的技術(shù)能夠被應(yīng)用到音響系統(tǒng)，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(tǒng)的頻響做修正而不影響其相位響應(yīng)；它也可以只對音響系統(tǒng)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(tǒng)的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)。

 

這么一說，F(xiàn)IR EQ除了對系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)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(jìn)行頻響和相位處理前后的對比結(jié)果

 

因為FIR濾波器是一種數(shù)字濾波器，無法用模擬電路實現(xiàn)，所以，它對信號進(jìn)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(tǒng)會有額外的延時，而IIR因為可以用模擬電路來實現(xiàn)，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(shù)字信號處理器的FIR，至少需要聲音信號對應(yīng)下限頻率的一個周期的時間對它進(jìn)行處理。舉例說明，就理想狀況而言，對于500Hz的聲音信號，F(xiàn)IR濾波器需要至少2ms的時間進(jìn)行處理，當(dāng)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(xiàn)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(yè)，一定是在不斷的做選擇。因為，永遠(yuǎn)沒有最好的方案，只有依當(dāng)下而言更合適的解決辦法。想要更好的頻率響應(yīng)的相位響應(yīng)，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(tǒng)中產(chǎn)生。所以，在現(xiàn)實狀況中，很多廠商選擇用FIR處理系統(tǒng)的中高頻部分，而有IIR EQ以及經(jīng)典的分頻電路處理低頻和超低頻部分。

 

 

自適應(yīng)濾波器的各種應(yīng)用主要包括：

 

1、系統(tǒng)建模，其中自適應(yīng)濾波器作為估計未知系統(tǒng)特性的模型。

 

2、自適應(yīng)噪聲對消器，其中自適應(yīng)濾波器用于估計并對消期望信號中的噪聲分量；

 

3、數(shù)字通信接收機，其中自適應(yīng)濾波器用于信道識別并提供碼間串?dāng)_的均衡器；

 

4、自適應(yīng)天線系統(tǒng)，其中自適應(yīng)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。

 

 

 

對于一個真實的物理系統(tǒng)，人們主要關(guān)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)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(tǒng)的辨識問題是通信系統(tǒng)的一個非常重要的問題。所謂系統(tǒng)辨識，實質(zhì)上是根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出信號來估計或確定系統(tǒng)的特性以及系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)或傳遞函數(shù)。

 

系統(tǒng)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(lǐng)域里都有重要意義。實際上，系統(tǒng)辨識和建模不僅局限于傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域，而且可以用來研究社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)和生物系統(tǒng)等。

 

本節(jié)只討論通信和信號處理中的系統(tǒng)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(yīng)系統(tǒng)辨識的方法對通信信道進(jìn)行辨識，從而可以進(jìn)一步地對通信信道進(jìn)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(yīng)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(yīng)濾波器通過調(diào)制自身的參數(shù)，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(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)與真實的通信信道不一樣，但是它們在輸入、輸出響應(yīng)上保持高度一致。

 

因此，在這個意義上，自適應(yīng)濾波器就是這個未知“黑箱”系統(tǒng)的模型。并且還可以發(fā)現(xiàn)，如果自適應(yīng)濾波器具有足夠多的自由度(可調(diào)節(jié)參數(shù))，那么，自適應(yīng)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(yīng)(FIR)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造一個FIR結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波器，用一偽隨機系列作為系統(tǒng)的輸入信號x(n)，同時送入未知信道系統(tǒng)和自適應(yīng)濾波器。

 

調(diào)整自適應(yīng)濾波器的系數(shù)，使誤差信號e(n)的均方誤差達(dá)到最小，則自適應(yīng)濾波器的輸出y(n)近似等于通信系統(tǒng)的輸出d(n)?？梢宰C明，加性噪聲v(n)的存在并不影響自適應(yīng)濾波器最終收斂到最優(yōu)維納解。

 

可以認(rèn)為，具有相同輸入和相似輸出的兩個FIR系統(tǒng)，應(yīng)該具有相似的特性。因此，可以采用自適應(yīng)濾波器的特性或其單位脈沖響應(yīng)來近似替代未知系統(tǒng)的特性或單位脈沖響應(yīng)。

 

 

現(xiàn)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(yīng)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(yù)期的信號。

 

 

在過去，手機通常只在全球特定地區(qū)的少數(shù)頻段中工作，然而對于現(xiàn)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(lán)牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等，而制造商也希望設(shè)計出可在全球不同地區(qū)和不同電信運營商服務(wù)下工作的產(chǎn)品，要讓手機在更多頻段和地區(qū)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(shù)中，濾波要求并不難達(dá)成，可能只需使用表面聲波濾波器即可，但隨著運營商網(wǎng)絡(luò)逐漸演進(jìn)到CDMA和3G，為了可以利用目前的4G/LTE服務(wù)，智能手機本身變得更為復(fù)雜，因此手機制造商已經(jīng)開始擴大采用FBAR技術(shù)來解決以下即將討論4G/LTE所面對的獨特問題。

 

 

 

最新的智能手機產(chǎn)品在設(shè)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(nèi)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(shù)，F(xiàn)BAR濾波器可以通過芯片級封裝滿足絕大多數(shù)的空間受限應(yīng)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(jié)構(gòu)，另外，F(xiàn)BAR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(yīng)用。

 

 

相較于3G服務(wù)，相同數(shù)據(jù)量下4G/LTE的下載速度大約可以達(dá)到10倍，也就是說于同樣時間內(nèi)可被下載的數(shù)據(jù)量達(dá)到10倍，有幾種方法可以用來實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率，4G/LTE會依檢測到的信號強度使用不同的調(diào)制方式，簡單地說，信噪比越高，數(shù)據(jù)率就愈高，如由QPSK轉(zhuǎn)換成QAM16/64調(diào)制。

 

于通過單刀多擲開關(guān)結(jié)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(shù)據(jù)率，F(xiàn)BAR的低插入損耗有助于極大化輸入信號強度，帶來更高的數(shù)據(jù)吞吐量，從而得到更好的用戶體驗和更高的數(shù)據(jù)容量。
 

采用分頻多工調(diào)制的手機使用允許同時進(jìn)行信號發(fā)射和接收的雙工器，由于發(fā)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(shù)據(jù)率。

 

提高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)率，部分新LTE頻段占據(jù)相對較小的頻譜，因此這是一個網(wǎng)絡(luò)運營商可以有效提高通信容量的方法。

 

由于每個頻段的發(fā)射和接收會同時工作，因此不能夠使用開關(guān)，從而使用多工器來結(jié)合各個發(fā)射和接收濾波器到相同的天線端口上，當(dāng)以多工器配置結(jié)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(shù)據(jù)率。

 

 

目前很難找到?jīng)]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(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波處理，手機發(fā)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(fā)器就有可能被遮蔽或者受到Band 7頻帶上LTE信號傳輸?shù)挠绊憽?/div>