濾波器和雙工器介紹

濾波器和雙工器介紹濾波器是一個(gè)有選擇地傳遞“它喜歡什么”和阻止“它不喜歡什么”的組件。當(dāng)我們討論濾波器的特性時(shí)，通常用頻域來描述。在大多數(shù)情況下，一個(gè)濾波器屬于下面所示的四種可能的理想類型之一(濾波器可能有一些其他變體，例如，具有多個(gè)通頻帶的濾波器等，但您可以看到的99%以上的濾波器將是以下類型之一)。LowPats BandPsss HighPass BandRejectfrequency frequency frequency frequency低通濾波器(LowPass)是通過低頻信號(hào)并阻塞高頻信號(hào)的濾波器。頻率應(yīng)該有多低取決于濾波器的規(guī)格。高通濾波器(HighPass)是一種通過高頻信號(hào)并阻塞低頻信號(hào)的濾波器。頻率應(yīng)該有多高取決于濾波器的規(guī)格。帶通濾波器(BandPass)是一種通過一定頻率范圍的濾波器，它能屏蔽比特定范圍低和高的區(qū)域。通過濾波器的頻率范圍由規(guī)范決定。帶阻濾波器(BandReject)是一種除頻率范圍很窄外，通過大部分頻率的濾波器。其他類型濾波器的目的是通過具有一定范圍的信號(hào)，但是帶阻濾波器的目的是阻止信號(hào)的選定頻率。理想濾波器是如上所示的濾波器。它通過一個(gè)特定的信號(hào)范圍，并開始阻塞該范圍旁邊的信號(hào)。但正實(shí)際情況是沒有一種設(shè)備能像理想的概念那樣工作。濾波器也一樣。以帶通濾波器為例。每個(gè)人都想要的理想濾波器是左邊顯示的那個(gè)，但是你永遠(yuǎn)不會(huì)得到這種濾波器。即使在濾波器的理論設(shè)計(jì)中，您也會(huì)看到中間列所示的幾種類型，但即使是這種理論濾波器也不如理想濾波器。第一種理論類型在通帶區(qū)域有一些波動(dòng)(漣漪)，并且相對(duì)陡峭地落入阻塞區(qū)域(阻帶)，并且在阻帶中沒有波動(dòng)。第二種理論類型既沒有通帶也沒有阻帶中的波紋。沒有波紋是很好的。但在這種情況下，它會(huì)慢慢落入阻塞區(qū)。第三種理論類型在通帶和阻帶都有波紋，這是不好的，但它落入阻帶非常陡，這是好的。右欄給出了一些實(shí)濾波器的例子，這顯然比理論性質(zhì)差。這些只是幾個(gè)真正的過濾器。。在現(xiàn)實(shí)世界中，你會(huì)有很多不同類型和特點(diǎn)的過濾器。

frequen-cyReal/PractualidealTheoretital/frequen-cyReal/PractualidealTheoretital/Mathematical實(shí)現(xiàn)濾波器的方法有很多種，很難列出所有可能的天線實(shí)現(xiàn)方法。這里只列出幾種我認(rèn)為在許多領(lǐng)域最常用的實(shí)現(xiàn)方法。下面是一些過濾器實(shí)現(xiàn)的示例。電氣濾波器(ElectricalFilter)：這是一種使用基本電氣元件(如R/L/C)實(shí)現(xiàn)濾波器的方法，我認(rèn)為這將是最常見和最廣泛使用的濾波器類型。根據(jù)具體應(yīng)用，只有單個(gè)元件（如單電感或單電容器）可以作為濾波器，在其他一些應(yīng)用中，您將看到這些元件作為濾波器的非常復(fù)雜的組合。聲表面波濾波器（SAWFilter：SurfaceAcousticWaveFilter）：這是一種將電能轉(zhuǎn)換為聲能并應(yīng)用濾波，然后將濾波后的能量轉(zhuǎn)換回電能的濾波器。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是它可以在相對(duì)較小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)非常高質(zhì)量（非常高階濾波器）。這種類型的缺點(diǎn)是很難處理高功率，并且通常會(huì)導(dǎo)致較大的插入損耗。在大多數(shù)手機(jī)中，你會(huì)看到至少一個(gè)或兩個(gè)聲表面波濾波器大多在射頻階段。他們過去也在IF級(jí)使用SAW濾波器，但現(xiàn)在在大多數(shù)手機(jī)中，整個(gè)IF級(jí)都消失了，IF-SAW濾波器也消失了。腔體濾波（CavityFilter）：當(dāng)我看到這種類型的濾波器時(shí)，我驚訝于這樣一個(gè)簡單的大體積金屬物體可以充當(dāng)濾波器。（內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不像我想象的那么簡單，但至少從外觀來看，它看起來像一個(gè)金屬塊）。就濾波器特性而言，我不認(rèn)為它有很高的性能，但它能處理很高的功率，能覆蓋的頻率范圍可以達(dá)到極高的頻率，與其他類型的濾波器相比，插入損耗通常很小。數(shù)字濾波器（DigitalFilter）：如你所料，它是一種基于數(shù)值算法進(jìn)行濾波的濾波器。要使用此濾波器，首先必須將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后處理數(shù)字化數(shù)據(jù)。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是可以得到與理論設(shè)計(jì)幾乎相同的濾波器性能。缺點(diǎn)是，由于AD轉(zhuǎn)換器采樣率的限制，很難處理高頻信號(hào)。當(dāng)然，你可以將高頻信號(hào)下變頻到低頻信號(hào)，這樣你就可以使用數(shù)字濾波器，但這意味著你需要額外的電路來進(jìn)行濾波。另一個(gè)缺點(diǎn)是，由于每個(gè)數(shù)字門組件引起的延遲，會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較長的延遲。不管您要設(shè)計(jì)什么樣的濾波器，基本設(shè)計(jì)目標(biāo)都將如下圖所示。（1） 陡峭的過渡階段（SteepTransitionPhase）：您想要實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)也是最重要的特征是過渡階段盡可能尖銳，如（1）所示。每個(gè)人都想改進(jìn)這個(gè)屬性，從實(shí)線到虛線。通常我們通過增加濾波器的階數(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目的，但這種階數(shù)的增加會(huì)使濾波器變得更大或更復(fù)雜。在無源濾波器的情況下，這種階數(shù)的增加也會(huì)導(dǎo)致較大的插入損耗。在不增加過大尺寸的情況下，過渡相最陡的濾波器之一是SAW濾波器，但與其它類型的濾波器相比，SAW濾波器的插入損耗相對(duì)較大。特別是當(dāng)聲表面波濾波器具有非常尖銳的過渡但插入損耗過大時(shí)。（2） 小插入損耗（SmallInsertionLoss）：如今不需要，每個(gè)人都希望插入損耗盡可能小，但要提高插入損耗是不容易的，特別是當(dāng)損耗是由濾波器（如SAW濾波器）的材料特性引起時(shí)。（3） 相位線性（PhaseLinearity）：每個(gè)人都想在虛線所示的通帶區(qū)域具有不改變的或至少是線性的相位特性，但實(shí)際上大多數(shù)濾波器都會(huì)具有波動(dòng)的，有時(shí)甚至更復(fù)雜的相位特性。不幸的是，優(yōu)化相位特性是極其困難的。

雙工器是一種能夠在不相互干擾的情況下將發(fā)送路徑和接收路徑連接到單個(gè)或公共天線的設(shè)備。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻率不同時(shí)（FDD）,它可以用兩個(gè)濾波器組合在一起。其中一個(gè)濾波器為接收器調(diào)諧，另一個(gè)為發(fā)射器調(diào)諧，如下所示。AntennaRFRecieverPathRFTransmiterPat:hAntennaRFRecieverPathRFTransmiterPat:hDuplexer當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻率相同時(shí)（TDD），濾波方法將不起作用。在這種情況下,我們使用循環(huán)器，它只能在如下所示的一個(gè)方向上傳遞信號(hào)。

IAntennaRFRetieverPathRFlranEmiterPathIAntennaRFRetieverPathRFlranEmiterPathDuplexer雙工器能為我們帶來什么？我們?yōu)槭裁葱枰p工器？首先思考下信號(hào)在傳輸過程中會(huì)發(fā)生什么。根據(jù)設(shè)計(jì)，信號(hào)的大部分將通過天線，但信號(hào)的一小部分將溢出到接收路徑。溢出的信號(hào)量很小，但可能會(huì)對(duì)接收路徑造成相當(dāng)嚴(yán)重的干擾，因?yàn)榻邮章窂皆O(shè)計(jì)用于響應(yīng)非常低的信號(hào)強(qiáng)度。在大多數(shù)無線通信中，到達(dá)接收路徑的信號(hào)通常很低。因此，接收器路徑的設(shè)計(jì)應(yīng)能處理這種微弱信號(hào)。由于接收路徑的這種特性，即使是從發(fā)射機(jī)溢出的小信號(hào)也可能是非常嚴(yán)重的干擾，甚至在最壞的情況下可能會(huì)損壞接收路徑。Transmittersignalspillsoverintorecieverpath；interferingordamagingthe=「ecieverpath了the=「ecieverpath了RFRecieverPalhRFTransmit:erPath不過，如果放一個(gè)雙工器如下所示。從發(fā)射機(jī)溢出的信號(hào)無法進(jìn)入接收器路徑因?yàn)樗粌H通過接收器頻率信號(hào)的濾波器阻塞。Transmittersignalspillsoverintorecieverpath,butitgetfilteredout(getblockedbythefilter)RlFTransmittersignalspillsoverintorecieverpath,butitgetfilteredout(getblockedbythefilter)RlFR巳匚ievErPathRFTransmit-erPath類似的邏輯也適用于接收信號(hào)。如果沒有雙工器，則接收信號(hào)的一小部分可能溢出到發(fā)射機(jī)路徑中。由于接收到的信號(hào)總量非常微弱，因此不太可能損壞發(fā)射機(jī)路徑上的任何東西，通常設(shè)計(jì)用于處理非常強(qiáng)的信號(hào)，但它仍然可能是嚴(yán)重的干擾源。如果沿著發(fā)射路徑的放大器放大溢出的信號(hào)，這種干擾將變得更加嚴(yán)重。

RFRiciEMe「PathReceivedsignalspillsoverintottransmitterpath；interferingthetransmitting:signalRFIran5miterPath同樣，如果你有一個(gè)雙工器，從接收路徑溢出的能量不能進(jìn)入發(fā)射機(jī)路徑，因?yàn)樗鼤?huì)被只通過發(fā)射信號(hào)頻率的濾波器過濾掉。實(shí)際使用的過程中，有很多種類型的雙工器，非常小的雙工器，如(a),(b),(c),通常是SAW,BAW,FBAR為基礎(chǔ)，如果你拆開一個(gè)移動(dòng)設(shè)備，如你的手機(jī)，通常是處理沒有那么大的功率。如果你觀察一個(gè)比移動(dòng)設(shè)備更大并且處理相對(duì)高功率的系統(tǒng)，你會(huì)看到像(d),(e),(f)RFRiciEMe「PathReceivedsignalspillsoverintottransmitterpath；interferingthetransmitting:signalRFIran5miterPath同樣，如果你有一個(gè)雙工器，從接收路徑溢出的能量不能進(jìn)入發(fā)射機(jī)路徑，因?yàn)樗鼤?huì)被只通過發(fā)射信號(hào)頻率的濾波器過濾掉。在某些處理極高功率或要求極低插入損耗的應(yīng)用中，會(huì)看到(g)，(h)，(i)等雙工器。⑹(c)忖）(fl何何0)從結(jié)構(gòu)上看，雙工器只是兩個(gè)濾波器的復(fù)合體。所以雙工器的特性是基于濾波器的特性。在大