Filtrarea semnalului audio explicată: tehnici pasive și active

Înțelegerea filtrelor audio este esențială pentru proiectarea sistemelor cu un control al sunetului precis.Aceste filtre modifică conținutul de frecvență pentru a îmbunătăți claritatea, a reduce zgomotul și a adapta caracteristicile tonale.De la tipuri mari la tipuri, fiecare joacă un rol unic în modelarea semnalelor audio.Aplicațiile practice acoperă audio, sunet live și comunicare radio.Acest articol descompune comportamentul filtrului, structura circuitului și strategiile de proiectare din lumea reală, oferind inginerilor îndrumări detaliate pentru selectarea și implementarea filtrului potrivit pentru performanțe audio optime.

Catalog

Figura 1: Diagrama bloc a sistemului audio

Declinând în filtre audio

Un filtru audio servește ca un circuit electronic complex care manipulează frecvențele semnalului, fie stimulând, fie atenuând anumite frecvențe pentru a obține rezultatele audio dorite.Aceste modificări sunt esențiale pentru curățarea sunetelor nedorite și pentru creșterea calității sunetului.Filtrele joacă roluri pivotante în sistemele de comunicații și electronice, afectează profund producția audio și îmbunătățind claritatea în general.

Soiuri de filtre audio

Filtrele audio se împart în categorii distincte pe baza trăsăturilor lor de răspuns la frecvență.

-Filtrele cu trecere scăzută facilitează trecerea frecvențelor sub un punct stabilit, reducând în același timp frecvențe mai mari, utilizate în mod obișnuit pentru a reduce tulburările de înaltă frecvență în sarcinile audio.

- Filtrele cu trecere mare permit frecvențe mai mari, inhibând cele inferioare, cruciale în minimizarea feedback-ului și zvonul.

- Filtrele de bandă-pass vizează benzi de frecvență specifice, îmbunătățind semnalele pertinente și sunt predominante în comunicațiile radio.

- Filtrele de bandă-stop sau filtrele Notch, elimină frecvențele precise nedorite, cum ar fi hum-ul de 60Hz notoriu din întreruperile electrice, îmbunătățind sistemele de sunet.

Filtre cu trecere mică în acțiune

Filtrele cu trepte mici văd o utilizare extinsă în medii diverse.De exemplu, în configurațiile audio de acasă, acestea reglementează ieșirea de bas pentru a menține un sunet armonios, filtrând haosul de înaltă frecvență care ar putea denatura claritatea.Profesioniștii live sonori aplică aceste filtre pentru a rafina fluxurile audio, asigurând o experiență de ascultare curată.

Filtre de trecere mare pe scenarii

Filtrele de înaltă trecere excelează în scenarii sonore live, unde mai multe microfoane sunt în joc, cruciale pentru reducerea feedback-ului și a zvonurilor.De asemenea, sunt integrale în circuitele de microfon pentru a contracara tulburările de frecvență joasă, cum ar fi zgomotul vântului, păstrând claritatea vocală.

Utilizarea specializată a filtrelor de bandă și bandă-stop

Filtrele de bandă-pass sunt indispensabile în izolarea benzilor de frecvență în comunicarea radio, îmbunătățind semnalele alese în timp ce îi suprimăm pe alții.Filtrele Notch, pe de altă parte, sunt adepte în eliminarea frecvențelor țintite, cum ar fi persistenta de 60Hz electrică, crescând astfel calitatea audio a sistemelor.

Explorarea în profunzime a soiurilor de filtrare

Trăsături structurale și de frecvență ale filtrelor

Filtrele pot fi identificate prin proiectarea lor și modul în care gestionează diferite frecvențe.Din punct de vedere structural, există două categorii primare: filtre pasive și active.Filtrele pasive constau din elemente precum rezistențe și condensatoare care funcționează fără surse de energie externă.Filtrele active, pe de altă parte, folosesc tranzistoare și amplificatoare operaționale, necesitând o sursă de energie DC, oferind în același timp o versatilitate și performanță sporită în diverse aplicații, care pot evoca dorințele umane pentru eficiență și excelență.

Răspuns la frecvență și funcționalitate

Tipurile de filtrare diferă, de asemenea, în capacitățile lor de răspuns la frecvență, fiecare abordând intervalele de frecvență specifice în scopuri unice.Passband se referă la intervalul de frecvență în care tensiunea de ieșire sau puterea este optimă, iar înțelegerea acestor concepte poate evoca un sentiment de curiozitate și descoperire.Filtrele cu trecere mare permit frecvențe peste un anumit prag pentru a trece, reducând frecvențele mai mici.În schimb, filtrele cu trecere mică permit să treacă frecvențe mai mici, limitând cele mai mari.

În plus, filtrele de bandă permit frecvențe într-un anumit interval pentru a trece, atenuând frecvențele în afara acestui interval.Filtrele de bandă-stop sau filtrele Notch, suprimă frecvențele dintr-un interval specific, ideal pentru eliminarea zgomotului nedorit.Filtrele All-Pass mențin o amplitudine constantă pe frecvențe, concentrându-se în schimb pe diferite relații de fază, oferind un strat de sofisticare și control în manipularea semnalelor.

Filtre după răspuns la frecvență

Filtrele pot fi grupate pe baza modului în care răspund la diferite frecvențe.Secțiunea spectrului pe care filtrul o permite să treacă cu o atenuare mică sau deloc se numește bandă de trecere.Această regiune este locul în care tensiunea sau puterea de ieșire rămâne relativ ridicată pe o curbă de răspuns la frecvență.

În termeni practici, filtrele pot fi identificate prin care intervale de frecvență le permit și pe care le suprimă.Acestea includ:

Filtru audio de trecere mare

Un filtru de trecere mare permite semnalelor deasupra unei frecvențe de întrerupere specifice pentru a trece și reduce amplitudinea celor de sub ea.Punctul de întrerupere este de obicei definit în cazul în care tensiunea de ieșire scade la 70,7% (sau -3 dB) din valoarea maximă de bandă de trecere.

Figura 2: Această figură arată răspunsul la frecvență al unui filtru audio cu pas mare

Din curba de răspuns, veți observa că semnalele chiar sub întrerupere nu sunt complet blocate - sunt încă trecute, dar cu un câștig redus.Această abandonare treptată este adesea numită regiunea „derulare” sau „rulare”.În circuitele reale, acest comportament are ca rezultat o margine de filtrare moale, mai degrabă decât o întrerupere ascuțită.

Filtru cu trecere mică

Filtrele cu pas scăzut funcționează în mod opus.Ei trec semnale sub frecvența de întrerupere și le reduc pe cele de deasupra acesteia.

Figura 3: Această cifră arată răspunsul la frecvență al unui filtru audio cu trecere mică

Din nou, atenuarea completă nu apare exact la întrerupere.Frecvențele mai mari sunt atenuate progresiv, iar o parte din semnal se poate scurge în continuare la niveluri scăzute.Această pantă trebuie luată în considerare la proiectarea filtrelor pentru claritate audio sau protecție a vorbitorilor.

Filtru de bandă-pas

Un filtru de bandă-pass permite să treacă doar o bandă de frecvență specifică.Are două puncte de întrerupere - unul pe partea joasă și unul pe înalt.Semnalele din afara acestui interval sunt reduse sau blocate în întregime.

Figura 4: Această figură arată răspunsul la frecvență al filtrului audio S-stop S-Stop

Atunci când ajustați astfel de filtre, va trebui să definiți atât frecvența centrală (de obicei, unde ieșirea este cea mai puternică), cât și lățimea de bandă (intervalul dintre frecvențele de întrerupere inferioare și superioare).

Filtre de bandă și notă

Filtrele de bandă elimină un interval de frecvență specific în timp ce trec semnale de o parte și de alta.Un filtru Notch este o versiune cu bandă îngustă, concepută pentru a elimina o frecvență specifică, adesea problematică-cum ar fi 60 Hz Hum în sistemele audio.

Aceste filtre sunt utile în lucrările audio practice în care eliminarea interferenței fără a afecta restul semnalului este esențială.Filtrele Notch au un „Q” ridicat (factor de calitate), ceea ce înseamnă că atenuează doar o gamă restrânsă.

Filtru All-Pass

Filtrele All-Pass permit trecerea tuturor frecvențelor, dar introduc schimbări de fază între ele.Aceste filtre nu sunt utilizate pentru a bloca sau a trece semnale specifice, ci pentru a corecta alinierea greșită a calendarului în sisteme audio complexe.

Figura 5: Această figură arată răspunsul frecvenței schimbate în fază a unui filtru audio SLL-Pass

Atunci când reglați un filtru all-pass, veți observa diferențele de fază între componentele de frecvență.Acestea trebuie ajustate cu atenție pentru a evita introducerea artefactelor de anulare a fazelor în sistemele stereo.

Filtre de egalizare

Aceste filtre nu trec pe deplin sau nu blochează frecvențe specifice.În schimb, ele sporesc sau reduc câștigul într-o manieră dependentă de frecvență.Sunt utilizate pe scară largă în sistemele muzicale pentru a ajusta echilibrul tonal și a corecta răspunsul acustic.

Clasificarea după structură

Filtrele sunt, de asemenea, clasificate dacă necesită putere și amplificare.Fiecare dintre acestea poate fi mare, trecere mică, band-pass sau band-stop:

Filtru pasiv de trecere mare

Acest filtru folosește un rezistor și un condensator.Condensatorul blochează frecvențe joase, în timp ce rezistorul le permite celor mai mari să continue.În practică, cea mai de bază formă constă dintr -un condensator în serie cu semnalul de intrare, urmat de o rezistență la sol.

Figura 6: Diagrama de circuit a unui filtru audio pasiv de prim ordin

Frecvența de întrerupere:

fₕ = 1 / (2πrc)

Prin reglarea valorilor rezistenței și condensatorului, puteți regla filtrul pentru a bloca frecvențele sub un punct ales.De exemplu, cu R = 10kΩ și C = 0,1 µF, întreruperea este în jur de 160 Hz.Frecvențele de mai sus vor trece la următoarea etapă, de obicei un tweeter în sisteme audio.

Filtrele pasive sunt simple, nu necesită putere și sunt compacte.Cu toate acestea, nu pot amplifica semnalul, iar utilizarea inductorilor îi face voluminoși și costisiți.

Filtru activ de trecere mare

Acest lucru se bazează pe tipul pasiv adăugând un OP-AMP.OP-AMP este conectat după etapa RC, de obicei într-o configurație care nu inversează.

Figura 7: Diagrama de circuit a unui filtru audio activ activ de primă ordine

OP-AMP oferă câștig, permițând semnalul de ieșire mai puternic și mai puțin afectat de zgomot.Impedanța sa de intrare ridicată împiedică, de asemenea, încărcarea de la sursă, păstrând forma semnalului.

Cu toate acestea, astfel de filtre necesită o sursă de alimentare DC pentru părtinire și au o lățime de bandă limitată din cauza răspunsului propriu al frecvenței Op-Amp.

Filtru pasiv cu trecere mică

Utilizează rețele RC sau RL.Condensatorul (sau inductorul) este poziționat astfel încât să evite semnale cu frecvență mai mare la sol în timp ce trece frecvențe joase.

Figura 8: Diagrama de circuit a filtrului audio pasiv pasiv de primă ordine

Frecvența de întrerupere:

fₗ = 1 / (2πrc)

Aceste filtre sunt utile pentru trimiterea de semnale de frecvență joasă către woofers.Nu necesită putere și nu oferă un design simplu, deși din nou, nu este disponibilă o amplificare.

Filtru activ cu trecere mică

Combină filtrarea RC pasivă cu un OP-AMP pentru câștig.OP-AMP sporește frecvențele joase, respingând în același timp cele mai înalte.

Aceste filtre sunt utile atunci când semnalele slabe trebuie păstrate sau amplificate înainte de a le trimite la etapele de alimentare sau la vorbitori.Dar necesită o sursă de alimentare și suferă de limitări de lățime de bandă Op-Amp.

Filtru pasiv de bandă

Acest lucru combină un filtru cu trecere mare și cu trecere mică.Ieșirea rezultată este suprapunerea - frecvențele care se încadrează între ambele benzi de trecere ale filtrelor.

Figura 9: Diagrama de circuit a unui filtru audio pasiv de primă ordine de bandă pasivă

Decuparea inferioară provine din secțiunea de trecere mare;Decuparea superioară provine de la pasul scăzut.Doar frecvențele între ele sunt permise prin.Aceste filtre sunt adesea utilizate pentru boxele de gamă medie, dar pot deveni mari din cauza numărului de componente.

Filtru activ de bandă

Același concept ca versiunea pasivă, dar include OP-AMP-uri sau etape de tranzistor pentru a amplifica banda de frecvență dorită.Lățimea de bandă a OP-AMP trebuie să se alinieze gamei țintă a filtrului pentru o performanță optimă.

Filtru pasiv de bandă

Construit din rețele RLC, de obicei cu un circuit LC paralel pe un rezistor.Această configurație atenuează brusc o bandă îngustă și trece toate celelalte frecvențe.

Figura 10: Diagrama de circuit a unui filtru audio pasiv de prim ordin

Aceasta este, în esență, o combinație a unui pas cu pas mare și a unui filtru cu trecere mică, unde se suprapun benzile de stop.Aceste filtre sunt, de asemenea, denumite filtre T-Notch sau Band-Reject.

Filtru activ de bandă

Include amplificarea după secțiunea pasivă pentru a restabili rezistența semnalului în intervalele de frecvență permise.Din nou, lățimea de bandă Op-Amp trebuie să fie potrivită pentru spectrul filtrat.

Figura 11: Filtru activ de bandă activă