El filtrado es una técnica utilizada para retener los componentes deseados y eliminar los componentes no deseados de la señal de entrada del sistema. En el procesamiento de señales, esto se puede hacer filtrando todas las demás frecuencias manteniendo un rango de frecuencia específico. La señal se puede filtrar mediante dos tipos de filtros: software y hardware.
Los filtros de software y hardware funcionan de la misma manera con respecto a la respuesta de frecuencia; la única diferencia está en su implementación. Los filtros de software se diseñan en código durante la creación, por lo que se denominan filtros digitales. Los filtros de hardware están físicamente presentes en el diseño del circuito.
Ambos filtros tienen sus pros y sus contras:
- Los filtros de hardware están diseñados utilizando componentes activos y pasivos como resistencias, condensadores, inductores y amplificadores operacionales. Pero los filtros de software se diseñan mediante codificación.
- Es necesario cambiar todo el diseño para cambiar algo en el filtro de hardware, pero en el filtro de software, solo es necesario cambiar la codificación.
- Los filtros de software o filtros digitales son más fiables y fáciles de implementar en comparación con los filtros de hardware o los filtros analógicos.
- Los filtros analógicos de orden superior se vuelven voluminosos; Los filtros digitales no funcionan tal como están diseñados en el código.
- Los filtros digitales no se ven afectados por el ruido ambiental; Los filtros de hardware o analógicos se ven afectados por el ruido ambiental.
- Los filtros analógicos se ven afectados por la temperatura nominal y el envejecimiento de los componentes con el tiempo; sin filtros digitales.
- Los filtros digitales requieren DSP, DAC y ADC de alto rendimiento. Pero los filtros analógicos no.
- Los filtros digitales son más precisos que los filtros de hardware.
Los filtros de hardware son la realización de técnicas de filtrado de señales utilizando la electrónica de hardware mencionada anteriormente. En el procesamiento de señales, el ruido es una señal no deseada o que carece de información valiosa. También puede ser la modificación de la señal principal durante la transmisión, almacenamiento, conversión o procesamiento.
En este artículo estudiaremos los filtros de hardware, incluidos sus tipos, cómo se pueden diseñar utilizando componentes activos o pasivos, y más.
Terminologías
A continuación se presentan algunas de las terminologías utilizadas en este artículo.
Atenuar : Disminuir la amplitud de la señal electrónica sin distorsión.
Señal : La señal es un campo electromagnético o energía eléctrica (voltaje*corriente) que transmite información significativa entre diferentes sistemas electrónicos.
Ruido: Señal no deseada que añade valores inútiles a cualquier señal, convirtiéndola en poco informativa.
Componentes pasivos: Los componentes pasivos no necesitan electricidad para funcionar como condensadores, resistencias, diodos, transformadores, etc.
Componentes activos: Los componentes activos necesitan electricidad para funcionar como transistores.
Banda de paso: Región desde la cual un grupo de frecuencias puede pasar un filtro.
Banda de parada: en esta región, las frecuencias se atenúan cuando una señal pasa a través de un filtro.
Frecuencia de 3dB (frecuencia de corte): frecuencia a la que la señal cambia de región de banda de paso a banda final o de banda final a banda de paso. También se le llama frecuencia de corte de señal.
Definición
Un filtro es un circuito electrónico diseñado para modificar, remodelar o rechazar todos los componentes de frecuencia no deseados de una señal y transmitir solo las señales informativas necesarias. La siguiente figura muestra una señal con ruido y una señal filtrada.
Fig.1 Señal con ruido y filtro.
En el ámbito del procesamiento electrónico de señales, las señales se procesan en función de la frecuencia mediante filtros. Los componentes pasivos como inductores y condensadores tienen impedancias por naturaleza. El concepto básico de filtros puede explicarse examinando la naturaleza dependiente de la frecuencia de los componentes pasivos.
Hay muchas aplicaciones prácticas de los filtros. En altas frecuencias, un filtro de paso bajo unipolar proporciona estabilidad a un sistema al eliminar la ganancia.
La compensación de CC se puede bloquear en circuitos de alimentación única o amplificadores de alta ganancia mediante un filtro de paso alto unipolar. Existen muchas aplicaciones de filtros, como la separación de señales y la atenuación de componentes de frecuencia no deseados. Por ejemplo, en las comunicaciones por radio, una señal atenuante normalmente se transmite con ganancia. El efecto de los alias también se puede eliminar mediante el uso de filtros en el sistema A/D al convertir datos. Se pueden utilizar filtros para reconstruir la señal de salida D/A y pueden suavizar una señal eliminando componentes de frecuencia más alta, como la frecuencia de muestreo y los armónicos generados.
Fig.2 A/D y D/A con señal filtrada.
Para el filtro ideal, la respuesta de amplitud será unidad o ganancia fija para las frecuencias de interés (frecuencia de banda de paso) y cero en el resto (frecuencia de banda final). La frecuencia a la que la respuesta cambia de la banda de paso a la banda final se llama frecuencia de corte.
Las características de los filtros de hardware incluyen:
- Se puede implementar utilizando únicamente componentes pasivos como resistencias y condensadores o inductores y condensadores.
- Puede diseñarse en varios órdenes según los requisitos de filtrado de señales.
- Sencillo de analizar. No se necesita ningún software para ver la respuesta.
- Se puede utilizar en muchos campos como telecomunicaciones, señales analógicas, adquisición de datos, etc.
- Reducción o filtrado de ruido de la fuente de alimentación.
El filtro electrónico es el circuito que pasa algunos componentes de frecuencia del circuito y rechaza o atenúa todos los demás componentes de frecuencia. Según la banda de frecuencia que pasa a través del filtro, los filtros se pueden clasificar en cuatro tipos diferentes.
Filtro de paso bajo
Un filtro de paso bajo ideal tiene frecuencias bajas en la banda de paso y frecuencias más altas en la banda de parada. Los componentes activos y pasivos disponibles en el filtro de paso bajo atenúan los componentes de alta frecuencia de la señal que lo atraviesa. Por ejemplo, una guitarra electrónica tiene un control de tono equipado con un filtro de paso bajo para reducir los agudos del sonido.
Fig.3 Perilla de tono de guitarra electrónica.
La siguiente figura muestra la respuesta de frecuencia de un filtro de paso bajo ideal.
Fig. 4 Frecuencia ideal del filtro de paso bajo
Filtro de paso alto
Un filtro de paso alto ideal tiene frecuencias altas en la banda de paso y frecuencias bajas en la banda suprimida. Los componentes activos y pasivos disponibles en el filtro de paso alto atenúan los componentes de baja frecuencia de la señal que lo atraviesa. Por ejemplo, en la grabación de señales de audio, se utiliza un filtro alto para eliminar el desplazamiento de CC del audio.
Fig.5 Micrófono
La siguiente figura muestra la respuesta de frecuencia de un filtro de paso alto ideal.
Fig.6 Frecuencia para filtro de paso alto
Filtro de paso de banda
Un filtro de paso de banda es un filtro que tiene dos puntos de transición: uno de banda de paso a banda de paso y el segundo de banda de paso a banda de paso. Esto significa que este filtro tiene dos frecuencias de corte en su respuesta en frecuencia. El filtro pasa a través de un conjunto de frecuencias que se encuentran en la región de la banda de paso. Por ejemplo, en la comunicación inalámbrica (comunicación RF), se utiliza un filtro de paso de banda para admitir una banda de frecuencia.
Fig.7 Sistema de comunicación RF
La siguiente figura muestra la respuesta de frecuencia de un filtro de paso de banda ideal.
Fig. 8 Frecuencia del filtro de paso de banda
Rechazo de banda o filtro de muesca
Un filtro de rechazo de banda es un filtro que atenúa una banda de frecuencia que está por debajo de esta área de banda de exclusión. Al igual que el filtro de paso de banda, también tiene dos puntos de transición o frecuencias de corte. Este filtro también se llama filtro de muesca y se utiliza para eliminar una frecuencia específica de la señal que pasa a través del filtro de rechazo de banda. Por ejemplo, en un sistema de audio, el filtro de rechazo de banda se utiliza para eliminar el zumbido de la línea eléctrica de una frecuencia específica, como 50 Hz en la India.
Fig. 9 Respuesta de frecuencia del filtro de rechazo de banda ideal
Un filtro práctico tiene cinco parámetros y normalmente muestra una o más variables. Los parametros:
- La frecuencia de corte es la frecuencia a la que la respuesta del filtro abandona la banda de paso.
- La frecuencia de la banda de parada es la frecuencia a la que se logra la atenuación mínima en la banda de parada.
- La ondulación de la banda de paso es la variación en la respuesta del filtro a través de la banda de paso.
- El ángulo agudo del filtro se define como el orden (M) del filtro.
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El número de polos en la función de transferencia también se llama orden del filtro. Un polo es la raíz del denominador de la función de transferencia y un cero es la raíz del numerador de la función de transferencia.
No es necesario que todos los filtros tengan estas características. Por ejemplo, si no hay ceros en la función de transferencia (todas las configuraciones de polos), no habrá ondulaciones en la banda de parada. Los filtros Butterworth y Bessel son filtros polares que no tienen ondulaciones en la banda de paso.
Si está diseñando un filtro anti-aliasing para un ADC, necesitará conocer la frecuencia de corte (frecuencia máxima que desea pasar), la frecuencia de banda de parada y la atenuación máxima requerida. Desde allí puede ir a otros parámetros como el orden de los filtros, f 0 y Q. Estos parámetros se analizarán en el próximo artículo.