電子信號抗干擾之濾波技術

信號在它的產(chǎn)生、轉換、傳輸?shù)拿恳粋€環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了，所以濾波是信號處理中的一項基本而重要的技術。

濾波

濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。是根據(jù)觀察某一隨機過程的結果，對另一與之有關的隨機過程進行估計的概率理論與方法。

濾波一詞起源于通信理論，它是從含有干擾的接收信號中提取有用信號的一種技術?！敖邮招盘枴毕喈斢诒挥^測的隨機過程，“有用信號”相當于被估計的隨機過程。 

這類問題在電子技術、航天科學、控制工程及其他科學技術部門中都是大量存在的。歷史上最早考慮的是維納濾波，后來R.E.卡爾曼和R.S.布西于20世紀60年代提出了卡爾曼濾波。現(xiàn)對一般的非線性濾波問題的研究相當活躍。

濾波技術的分類

信號分兩類：連續(xù)的模擬信號和離散的數(shù)字信號。

所以，按所處理的信號來分類，濾波技術便分為兩類：模擬濾波技術和數(shù)字濾波技術。

數(shù)字濾波技術的核心是算法，但也并不是完全脫離硬件的。比如數(shù)字信號處理器（DSP)就是常見的數(shù)字濾波設備，除了濾波，DSP還會對數(shù)字信號進行變換、檢測、譜分析、估計、壓縮、識別等一系列的加工處理。

1、模擬濾波技術

一般都是通過硬件電路實現(xiàn)的。 舉個例子，比如——車身蓄電池提供的12V直流電源，它其實并不純潔。除了純凈的12V恒壓電源外，還摻雜著一些交流雜波。所以我們需要用電容、電感、電阻來組成硬件濾波電路，以頻率為標識符來濾除這些雜波。硬件濾波的基本原理就是電容、電感的容抗和感抗與頻率有關。

模擬濾波技術（硬件濾波技術）分為兩類：無源濾波和有源濾波。

無源濾波電路僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成。

有源濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）組成。有源電路除了輸入信號外，還必須要有外加電源才可以正常工作， 有源元件也叫主動元件，要依靠電流方向才能體現(xiàn)其價值。有源濾波自身就是諧波源，會產(chǎn)生諧波干擾。

總的來說，平時我們用的比較多的還是無源濾波電路。

2、數(shù)字濾波技術

這里就只說軟件濾波了，不說DSP。

常見的數(shù)字濾波算法大概有十幾種，可以根據(jù)其作用來進行簡單分類：

克服大脈沖干擾的濾波算法有：1、限幅濾波法；2、中位值濾波法；3、基于拉依達準則的奇異數(shù)據(jù)濾波法；4、基于中值數(shù)絕對偏差的決策濾波器。

克服小幅度高頻噪聲的濾波算法有：1、算術平均；2、滑動濾波；3、加權滑動平均。這三種算法都具有低通特性，所謂的低通是通低頻（濾高頻），故叫做低通。

正常的軟件濾波邏輯是，先剔除大的異常干擾，再過濾高頻低幅噪聲。一般高頻干擾是由電子元器件熱噪聲、AD量化噪聲引起的。

此外，還有一些高貴冷艷的濾波算法，比如維納濾波，卡爾曼濾波等。

實際上，數(shù)字濾波技術可以分為兩類：即經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。

經(jīng)典濾波技術的基礎是傅里葉變換，它建立在信號和噪聲頻率分離的基礎上，通過將噪聲所在頻率區(qū)域幅值衰減來達到提高信噪比，于是針對不同的頻率段就產(chǎn)生了低通，高通，帶通等濾波器之分。

現(xiàn)代濾波器則不是建立在頻率領域，而是通過隨機過程的數(shù)學手段，通過對噪聲和信號的統(tǒng)計特性（如自相關函數(shù)，互相關函數(shù)，自功率譜，互功率譜等）做一定的假定，然后通過合適的數(shù)學方式，來提供信噪比。譬如KALMAN濾波器中，總會假定狀態(tài)噪聲和測量噪聲是不相關的。在weiner濾波器中還必須假定信號是平穩(wěn)的，等等。所以現(xiàn)代濾波技術沒有帶通、低通、高通之分。

說白了，現(xiàn)代濾波技術就是用數(shù)學（特別是統(tǒng)計學）的方法，對于采集的數(shù)據(jù)進行分析，利用數(shù)學原理濾除差異較大的數(shù)據(jù)，保持數(shù)據(jù)的靈敏度和穩(wěn)定性。所以之前的那十幾種濾波技術以及卡爾曼濾波、維納濾波等，都可以歸類于現(xiàn)代濾波技術。

總的來說，一般有這種聯(lián)系：

• 頻率—硬件—經(jīng)典濾波；  

  
  

• 統(tǒng)計—算法—現(xiàn)代濾波。

經(jīng)典濾波技術出現(xiàn)后，人們發(fā)現(xiàn)有些噪聲和信號的頻譜相互混疊，用經(jīng)典濾波器得不到滿意的濾波效果。這時候基于統(tǒng)計學的現(xiàn)代濾波技術才誕生了。總之兩類濾波技術各有所用，具體問題具體分析。

濾波器

濾波器，顧名思義對于電路中傳播的電磁騷擾，采用濾波技術加以抑制。 

濾波器的特性 

濾波器的技術指標包括插入損耗、頻率特性、阻抗特性、額定電壓、額定電流、外形尺寸、工作環(huán)境、可靠性等。

1．插入損耗（Insertion Losses）

插入損耗值越大對騷擾信號的抑制作用越強。

2．頻率特性

濾波器的插入損耗隨頻率的變化即為頻率特性。

頻率特性可用中心頻率、截止頻率、最低使用頻率和最高使用頻率等參數(shù)描述。

3． 阻抗特性

濾波器的輸入阻抗、輸出阻抗直接影響其插入損耗特性。

在使用EMI濾波器時，應保證在輸入、輸出最大限度失配的情況下，有合乎要求的最佳抑制效果。

4． 額定電壓

濾波器工作時允許的最高電壓。

5． 額定電流

濾波器工作時，不降低插入損耗性能的最大使用電流。

濾波器的種類

1、反射式濾波器

反射式濾波器又稱無損濾波器，其工作原理是在電磁信號傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續(xù)，使大部分電磁能量反射回信號源處。

反射式濾波器采用電感L、電容C儲能元件組成的無源網(wǎng)絡。

有很好的頻率選擇特性，但容易產(chǎn)生諧振。

根據(jù)頻率特性分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器，低通濾波器是電磁兼容中最常用的濾波器。 

在低通濾波器中：電容的作用是通過并聯(lián)一個低阻抗的通路，使騷擾電流分流，從而減小負載中的騷擾電流；電感的作用是通過串聯(lián)一個高阻抗，阻斷騷擾信號的流通，從而減小負載上的騷擾電壓。

當濾波器的頻率特性不能滿足要求時，可以采取多個濾波器級聯(lián)的方法。

2、吸收式濾波器

吸收式濾波器又稱有損濾波器，它采用有損耗的濾波元件，使騷擾信號的能量消耗在濾波器中，以達到抑制干擾的目的。

吸收式濾波可避免反射式濾波因寄生參數(shù)效應或阻抗不匹配引起的諧振，但其頻率選擇性較差。

吸收式濾波器采用鐵氧體材料或其他有損耗材料，將導線穿過或纏繞在各種形狀的鐵氧體材料上，利用其電感及磁場渦流損耗阻斷騷擾信號的傳播。

2.1  鐵氧體磁心

用鐵氧體材料制成環(huán)狀磁心，與從中穿過的導線構成有損電感，可起到濾除高頻電磁騷擾的作用。

鐵氧體磁芯的阻抗由感抗和等效損耗電阻兩部分組成。低頻時主要取決于感抗，高頻時鐵耗成為阻抗的主要成分。

鐵氧體磁心具有很好的高頻騷擾抑制能力，被制成各種形狀及大小，廣泛應用于各種電子產(chǎn)品。

2.2  抗干擾電纜

抗干擾電纜是將鐵氧體材料填充在同軸電纜的內、外導體之間構成的有損同軸電纜，它具有很好的高頻衰減特性，可以起到較好的濾波效果。

3、電磁干擾濾波器

用于抑制電磁騷擾在電路中傳播的濾波器統(tǒng)稱為電磁干擾濾波器（EMI濾波器），也有的稱為射頻干擾濾波器（RFI濾波器）。

EMI濾波器通常是由串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組成的低通濾波器。

EMI濾波器不但要抑制經(jīng)兩根導線流通的騷擾信號（差模干擾），而且還要抑制經(jīng)任一根導線與地回路流通的騷擾信號（共模干擾）。

4、電源線濾波器

抑制設備的傳導****或提高對電網(wǎng)中騷擾的抗擾度除了要考慮源阻抗和負載阻抗的匹配外，電源線濾波器的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容選值受到一定限制。

串聯(lián)電感L值不能取得太大，否則會產(chǎn)生較大的電源壓降，影響正常供電；接地的并聯(lián)電容值也不能取得太大，否則對地漏電流增加，可能會超出限值而影響人身安全或引起漏電保護。

為滿足上述要求，可使用共模扼流圈。

5、 濾波連接器

90% 的電磁兼容問題是由于電纜造成的。這是因為電纜是高效的電磁波接收天線和輻射天線。

電纜之所以會輻射電磁波，是因為電纜端口處有共模電壓存在，電纜在這個共模電壓的驅動下，如同一根單極天線。

濾波連接器的優(yōu)點

（1）  濾波連接器能夠將電纜中的干擾電流濾除，從而徹底消除電纜的輻射因素。

（2）  濾波連接器抑制電纜輻射比屏蔽電纜更穩(wěn)地。

（3）  使用濾波連接器后，可以降低對電纜端接的要求，避免使用價格昂貴的高質量屏蔽電纜，從而降低成本。

元件非理想特性對濾波的影響

電纜線對高頻騷擾具有天線作用，通常是在電纜線端口處并聯(lián)電容濾波。

有時濾波效果并不好，源于濾波電路及元件并非是理想情況，存在各種寄生參數(shù)，影響了濾波效果。 

1、元件的非理想特性

電容值或電感值越大，則諧振頻率越低，也就是電容的高頻濾波效果越差。

電容和電感的引線盡量短，應小于波長的1/100。

為改善電容器實際特性的影響，常將一個高頻性能好的小電容與一個大電容并聯(lián)使用。

2．互感的影響

并聯(lián)電容濾波時，高頻濾波效果比設想的差，是因為并聯(lián)電容兩側的回路之間存在互感。

為減小互感，可縮短電容引線長度、改變電路走線、采用四引線電容、采用表面安裝電容等。

3．電容回路的電感

印制電路板上的電源平面和地平面之間、集成電路旁邊經(jīng)常接濾波電容器，以抑制器件驅動時產(chǎn)生的電壓脈動，電容器的電荷釋放受到電感的限制。

電感除了電容器的寄生電感外，還包括回路電感。

為減小回路電感，濾波電容應盡量靠近集成電路，或使用電源平面和地平面間距較小的電路板。

4．穿心電容和饋通濾波器

對于電纜線的濾波，如果與屏蔽體相配合，可采用穿心電容和饋通濾波器。

穿心電容通常安裝在設備的導電外殼上，電容殼外與接地的設備殼360°連接，電容兩側回路的互感幾乎為零，濾波效果大大提高。

饋通濾波器是以穿心電容為基礎，結合電感構成的濾波電路。

傳感器檢測中的濾波技術

濾波器是抑制交流串模干擾的有效手段之一。傳感器檢測電路中常見的濾波電路有Rc濾波器、交流電源濾波器和真流電源濾波器。 

RC濾波器

當信號源為熱電偶、應變片等信號變化緩慢的傳感器時，利用小體積、低成本的無源Rc濾波器將會對串模干擾有較好的抑制效果。但應該一提的是，Rc濾波器是以犧牲系統(tǒng)響應速度為代價來減少串模干擾的。

交流電源濾波器

電源網(wǎng)絡吸收了各種高、低頻噪聲，對此常用Lc濾波器來抑制混入電源的噪聲。

直流電源濾波器

直流電源往往為幾個電路所共用，為了避免通過電源內阻造成幾個電路問相互干擾，應該在每個電路的直流電源上加上Rc或Lc退耦濾波器，用來濾除低頻噪聲。

濾波技術的應用領域廣泛， 例如，在軍事上被大量應用于導航、制導、電子對抗、戰(zhàn)場偵察；在電力系統(tǒng)中被應用于能源分布規(guī)劃和自動檢測；在環(huán)境保護中被應用于對空氣污染和噪聲干擾的自動監(jiān)測等等，在電子工程技術中無處不在。