设计一个滤波器,允许低于 5 kHz 的频率自由通过,但必须检测不到高于 5.2 kHz 的所有频率

电器工程 ADC 筛选
2022-01-28 04:53:03

我对这个问题的最大挑战是它非常陡峭的滚降率。

我假设如果信号的增益为 -20 dB,则信号是不可检测的。这意味着,在 200 Hz 的过渡频带内,信号强度需要下降 20 dB。

如果我的计算是正确的,这个滤波器需要 1200 dB/dec 的滚降率。那需要60个极点,这显然是不可行的。

我想使用通带中纹波最小的模拟有源滤波器。大的相移不是太重要。

一种可能的解决方案是使用 5.2 kHz 的陷波滤波器。然而,高于陷波滤波器带宽的频率仍然没有被充分过滤。

请指出我的逻辑中的任何缺陷,或提出潜在的解决方案。谢谢你。

4个回答

您假设滤波器的每个滤波器阶数滚降为 20dB/dec。这不适用于所有过滤器类型。

令 \$f_0 = 5 \mathrm{kHz}\$ 和 \$f_{\mathrm{stop}} = 5.2 \mathrm{kHz}\$。那么 $$\frac{f_{\mathrm{stop}}}{f_0} = 1.04.$$

看看这个取自维基百科文章的四阶椭圆滤波器。 椭圆

尽管它不能完全满足您的要求,但您可以看到它是可行的。更高阶的椭圆滤波器可以实现您所追求的。

您应该记住,椭圆滤波器会对信号的相位产生干扰。由于您没有提及有关相位约束的任何内容,因此我假设椭圆滤波器是合适的。

这种急剧的滚降需要一个数字滤波器。甚至不要考虑模拟。您需要将输入与 sinc 函数进行卷积。sinc 函数的宽度(内核点的数量)定义了阻带衰减。

我还没有完成数学计算,但是一些非常快速的(可能会关闭,你的工作要做正确)计算表明,如果以 20 kHz 采样,你可能需要几个 100 点。20 kHz 时的 200 个点意味着 MAC 速率为 4 MHz。这是可行的,实际上远低于现代 DSP 可以轻松完成的任务。这意味着你的问题很容易解决。像 E 系列 dsPIC 这样的东西可以做到这一点,如果你只是在寻找 DSP 功能,那是相当低端的。

如果您允许大量延迟或处理记录的信号,您可以简单地进行 FFT ,删除不需要的组件并反转变换。您必须使用适当的窗口函数截断 fft 以保持振铃可接受。

我会选择一个音频编解码器芯片(ADC+DAC),将 ADC 数字输出路由到 DAC 输入,并将采样率设置为 10kHz。

这些芯片已经包含您需要的数字滤波器引擎。快速查看数据表似乎可以确认您将获得所需的过滤器性能。