Audiosignaalfiltering uitgelegd: passieve en actieve technieken

Het begrijpen van audiofilters is essentieel voor het ontwerpen van systemen met precieze geluidscontrole.Deze filters wijzigen frequentie -inhoud om de helderheid te verbeteren, ruis te verminderen en tonale kenmerken af ​​te stemmen.Van high-pass tot all-pass typen, elk speelt een unieke rol bij het vormgeven van audiosignalen.Praktische toepassingen omvatten thuisaudio, live geluid en radiocommunicatie.Dit artikel breekt filtergedrag, circuitstructuur en real-world ontwerpstrategieën af en biedt ingenieurs gedetailleerde richtlijnen voor het selecteren en implementeren van het juiste filter voor optimale audioprestaties.

Catalogus

Figuur 1: Blokdiagram van het audiosysteem

Duik in audiofilters

Een audiofilter dient als een ingewikkeld elektronisch circuit dat signaalfrequenties manipuleert, waardoor bepaalde frequenties worden gestimuleerd of verzwakt om de gewenste audiobestuur te bereiken.Deze aanpassingen zijn essentieel voor het zuiveren van ongewenste geluiden en het verhogen van de geluidskwaliteit.Filters spelen cruciale rollen in communicatiesystemen en elektronica, die een diepgaande invloed hebben op de audio -output en het in het algemeen verbeteren van de duidelijkheid.

Variëteiten van audiofilters

Audiofilters delen in verschillende categorieën op basis van hun frequentieresponskenmerken.

-Low-pass filters vergemakkelijken de doorgang van frequenties onder een instelpunt, terwijl hogere frequenties worden verminderd, gewoonlijk gebruikt om hoogfrequente verstoringen in audiotaken te verminderen.

- High-pass filters maken hogere frequenties mogelijk door lagere te remmen, cruciaal bij het minimaliseren van feedback en gerommel.

- Band-pass filters richten zich op specifieke frequentiebanden, het verbeteren van relevante signalen en zijn gangbaar in radiocommunicatie.

- Bandstopfilters of Notch-filters, elimineren precieze ongewenste frequenties zoals de beruchte 60Hz HUM van elektrische verstoringen, het verbeteren van geluidssystemen.

Low-pass filters in actie

Low-pass filters zien uitgebreid gebruik in diverse omgevingen.In thuis-audio-opstellingen reguleren ze bijvoorbeeld de basput om een ​​harmonieus geluid te behouden door de hoogfrequente chaos uit te filteren die de duidelijkheid kan vervormen.Live sound -professionals passen deze filters toe om audiofeeds te verfijnen, waardoor een ongerepte luisterervaring wordt gewaarborgd.

High-pass filters in scenario's

High-pass filters blinken uit in live geluidsscenario's waarbij meerdere microfoons in het spel zijn, cruciaal voor het beperken van feedback en gerommel.Ze zijn ook integraal in microfooncircuits om laagfrequente verstoringen zoals windruis tegen te gaan, met behoud van vocale helderheid.

Gespecialiseerd gebruik van band-pass en band-stop filters

Band-pass filters zijn onmisbaar bij het isoleren van frequentiebanden in radiocommunicatie, waardoor gekozen signalen worden verbeterd en anderen onderdrukt.Notch -filters zijn daarentegen bedreven in het verwijderen van gerichte frequenties zoals de persistente 60Hz elektrische gebrom, waardoor de audiokwaliteit van systemen wordt vergroot.

Diepgaande verkenning van filtervariëteiten

Structurele en frequentie -eigenschappen van filters

Filters kunnen worden geïdentificeerd door hun ontwerp en hoe ze omgaan met verschillende frequenties.Structureel zijn er twee primaire categorieën: passieve en actieve filters.Passieve filters bestaan ​​uit elementen zoals weerstanden en condensatoren die werken zonder externe stroombronnen.Actieve filters gebruiken daarentegen transistors en operationele versterkers, waarbij een DC -stroombron nodig is en tegelijkertijd verbeterde veelzijdigheid en prestaties te bieden in verschillende toepassingen, die menselijke verlangens kunnen oproepen voor efficiëntie en uitmuntendheid.

Frequentierespons en functionaliteit

Filtertypen verschillen ook in hun frequentieresponsmogelijkheden, elk met betrekking tot specifieke frequentiebereiken voor unieke doeleinden.Passband verwijst naar het frequentiebereik waarin de uitgangsspanning of het vermogen optimaal is, en het begrijpen van deze concepten kan een gevoel van nieuwsgierigheid en ontdekking oproepen.Hoge passfilters maken frequenties mogelijk boven een bepaalde drempel om te passeren, waardoor lagere frequenties worden verminderd.Omgekeerd laten low-pass filters toe dat lagere frequenties passeren, waardoor hogere beperken.

Bovendien maken band-pass filters frequenties binnen een bepaald bereik toe om te passeren, waardoor frequenties buiten deze spanwijdte worden verzwakt.Bandstopfilters, of Notch-filters, onderdrukken frequenties binnen een specifiek bereik, ideaal voor het verwijderen van ongewenste ruis.All-pass filters behouden een consistente amplitude over frequenties, in plaats daarvan gericht op verschillende faserelaties, die een laag van verfijning en controle bieden bij het manipuleren van signalen.

Filters op frequentierespons

Filters kunnen worden gegroepeerd op basis van hoe ze reageren op verschillende frequenties.Het gedeelte van het spectrum dat het filter toestaat om door te gaan met weinig of geen verzwakking wordt de passband genoemd.Deze regio is waar de uitgangsspanning of het vermogen relatief hoog blijft op een frequentieresponscurve.

In praktische termen kunnen filters worden geïdentificeerd door welke frequentiebereiken ze toestaan ​​en die ze onderdrukken.Deze omvatten:

High Pass audiofilter

Een high-pass filter maakt signalen boven een specifieke afsnijfrequentie mogelijk en vermindert de amplitude van die eronder.Het afsluitpunt wordt meestal gedefinieerd waar de uitgangsspanning daalt tot 70,7% (of -3 dB) van de maximale doorgangsbandwaarde.

Figuur 2: Deze figuur toont de frequentierespons van een high-pass audiofilter

Uit de responscurve zult u merken dat signalen net onder de cutoff niet volledig zijn geblokkeerd - ze zijn nog steeds doorgegeven maar met verminderde winst.Deze geleidelijke drop-off wordt vaak de "roll-off" of "roll-down" regio genoemd.In echte circuits resulteert dit gedrag in een zachte filterrand in plaats van een scherpe cutoff.

Low-pass filter

Low-pass filters werken op de tegenovergestelde manier.Ze geven signalen onder de afsnijfrequentie en verminderen die erboven.

Figuur 3: Deze figuur toont de frequentierespons van een low-pass audiofilter

Nogmaals, volledige verzwakking komt niet precies voor bij de cutoff.Hogere frequenties worden geleidelijk verzwakt en een deel van het signaal kan nog steeds lekken op lage niveaus.Met deze helling moet rekening worden gehouden bij het ontwerpen van filters voor audio -duidelijkheid of luidsprekerbescherming.

Band-pass filter

Met een banddoorlaatfilter kan alleen een specifieke frequentieband passeren.Het heeft twee cutoff -punten - een aan de lage kant en één op de high.Signalen buiten dit bereik worden volledig verminderd of geblokkeerd.

Figuur 4: Deze figuur toont de frequentierespons van S-band-stop audiofilter

Bij het aanpassen van dergelijke filters moet u zowel de middenfrequentie definiëren (meestal waar de uitgang het sterkst is) als de bandbreedte (het bereik tussen de onderste en bovenste cutoff -frequenties).

Band-stop- en inkepfilters

Bandstopfilters verwijderen een specifiek frequentiebereik tijdens het doorgeven van signalen aan weerszijden.Een inkepingfilter is een smalbandversie, ontworpen om een ​​specifieke, vaak problematische, frequentie te elimineren-zoals 60 Hz HUM in audiosystemen.

Deze filters zijn nuttig in praktisch audiowerk waarbij het elimineren van interferentie zonder de rest van het signaal te beïnvloeden, essentieel is.Notch -filters hebben een hoge "Q" (kwaliteitsfactor), wat betekent dat ze slechts een smal bereik sterk verzwakken.

All-pass filter

Alle-pass filters laten alle frequenties door, maar ze introduceren faseverschuivingen tussen hen.Deze filters worden niet gebruikt om specifieke signalen te blokkeren of door te geven, maar om verkeerde uitlijningen in complexe audiosystemen te corrigeren.

Figuur 5: Deze figuur toont de fase-verschoven frequentierespons van een SLL-PASS-audiofilter

Bij het afstemmen van een All-Pass-filter observeert u faseverschillen tussen frequentiecomponenten.Deze moeten zorgvuldig worden aangepast om te voorkomen dat fase -annuleringsartefacten in stereosystemen worden geïntroduceerd.

Egalisatiefilters

Deze filters passeren niet volledig of blokkeren specifieke frequenties.In plaats daarvan stimuleren of verminderen ze winst op een frequentie-afhankelijke manier.Ze worden veel gebruikt in muzieksystemen om de tonale balans aan te passen en de akoestische respons te corrigeren.

Classificatie door structuur

Filters worden ook geclassificeerd door of ze stroom en versterking vereisen.Elk van deze kan high-pass, low-pass, band-pass of band-stop zijn:

Passief high-pass filter

Dit filter maakt gebruik van een weerstand en condensator.De condensator blokkeert lage frequenties, terwijl de weerstand hogere kanten doorgaan.In de praktijk bestaat de meest elementaire vorm uit een condensator in serie met het ingangssignaal, gevolgd door een weerstand tegen de grond.

Figuur 6: Schakeldiagram van een passief high-pass audiofilter van de eerste orde

Cutoffrequentie:

fₕ = 1 / (2πrc)

Door weerstands- en condensatorwaarden aan te passen, kunt u het filter afstemmen om frequenties onder een gekozen punt te blokkeren.Bijvoorbeeld, met r = 10kΩ en C = 0,1 µF, is de cutoff ongeveer 160 Hz.Frequenties hierboven gaan door naar de volgende fase, meestal een tweeter in audiosystemen.

Passieve filters zijn eenvoudig, vereisen geen stroom en zijn compact.Ze kunnen het signaal echter niet versterken en het gebruik van inductoren maakt ze omvangrijk en duur.

Actief high-pass filter

Dit bouwt voort op het passieve type door een op-amp toe te voegen.De OP-AMP is verbonden na de RC-fase, meestal in een niet-inverterende configuratie.

Figuur 7: Schakeldiagram van een actief high-pass audiofilter van de eerste orde

De OP-AMP biedt versterking, waardoor het uitgangssignaal sterker kan worden en minder wordt beïnvloed door ruis.De hoge ingangsimpedantie voorkomt ook dat het laden van de bron wordt voorkomt, waardoor de vorm van het signaal wordt behouden.

Dergelijke filters vereisen echter een DC-stroombron voor biasing en hebben een beperkte bandbreedte vanwege de eigen frequentierespons van de OP-AMP.

Passief laagdoorlaatfilter

Gebruikt RC- of RL -netwerken.De condensator (of inductor) is zo gepositioneerd dat het hogere frequentie signalen naar de grond schuwt en lage frequenties wordt doorgegeven.

Afbeelding 8: Het circuitdiagram van het passieve low-pass audiofilter van de eerste orde

Cutoffrequentie:

fₗ = 1 / (2πrc)

Deze filters zijn handig voor het verzenden van laagfrequente signalen naar woofers.Ze vereisen geen stroom en bieden een eenvoudig ontwerp, hoewel opnieuw geen versterking beschikbaar is.

Actief laagdoorlaatfilter

Combineert passieve RC-filtering met een op-amp voor winst.De op-amp vergroot lage frequenties en verwerpt hogere.

Deze filters zijn nuttig wanneer zwakke signalen moeten worden bewaard of versterkt voordat ze naar stroomfasen of luidsprekers worden gestuurd.Maar ze vereisen een stroomvoorziening en hebben last van op-amp bandbreedtebeperkingen.

Passief band-pass filter

Dit combineert een high-pass en low-pass filter.De resulterende output is de overlapping - frequenties die tussen de passbanden van beide filters vallen.

Afbeelding 9: Schakeldiagram van een passief band-pass audiofilter van de eerste orde

De lagere cutoff komt uit het high-pass sectie;De bovenste cutoff komt van het low-pass.Alleen de frequenties ertussen zijn toegestaan ​​door.Deze filters worden vaak gebruikt voor speakers in het middenbereik, maar kunnen groot worden vanwege het aantal componenten.

Actief band-pass filter

Hetzelfde concept als de passieve versie, maar omvat op-AMP's of transistorfasen om de gewenste frequentieband te versterken.De bandbreedte van de op-amp moet aansluiten bij het doelbereik van het filter voor optimale prestaties.

Passief bandstopfilter

Gebouwd uit RLC -netwerken, meestal met een parallel LC -circuit over een weerstand.Deze configuratie verzwakt scherp een smalle band en passeert alle andere frequenties.

Afbeelding 10: Schakeldiagram van een passieve band-stop audiofilter van de eerste orde

Dit is in wezen een combinatie van een high-pass en een laagdoorlaatfilter waar hun stopbanden overlappen.Deze filters worden ook wel T-Notch- of band-afwijzingsfilters genoemd.

Actief bandstopfilter

Bevat versterking na het passieve gedeelte om de signaalsterkte in toegestane frequentiebereiken te herstellen.Nogmaals, op-amp bandbreedte moet geschikt zijn voor het gefilterde spectrum.

Afbeelding 11: Actief bandstopfilter