《振動噪音科普專欄》甚麼是濾波器(Filter)?

 

這個單元的主題要來探討,甚麼是濾波器(filter)?要回答這個問題,先來看「濾波器」有哪些類型?參閱圖示,討論如下:

 

1.      低通濾波器(Low-Pass Filter, LPF):「低通濾波器」是將信號中,高於某一個𝒇𝑯頻率的信號,濾除。或是說,保留低於𝒇𝑯頻率的信號。

2.      高通濾波器(High-Pass Filter, HPF):「高通濾波器」是將信號中,低於某一個𝒇L頻率的信號,濾除。或是說,保留高於𝒇L頻率的信號。

3.      帶通濾波器(Band-Pass Filter, BPF):「帶通濾波器」是將信號中,高於某一個𝒇𝑯頻率的信號,以及低於某一個𝒇L頻率的信號,濾除。或是說,保留高於𝒇L頻率的信號,以及低於𝒇𝑯頻率的信號。

4.      「帶阻濾波器」(Band-Stop Filter, BSF):「帶阻濾波器」是將信號中,高於某一個𝒇L頻率的信號,以及低於某一個𝒇𝑯頻率的信號,濾除。或是說,保留高於𝒇𝑯頻率的信號,以及低於𝒇L頻率的信號。

 

所以,甚麼是濾波器(filter)?簡單的說,就是保留、或濾除所指定頻率範圍的「濾波(filtering)裝置,有以上4種典型的「濾波器」:「低通」、「高通」、「帶通」、「帶阻」等4種「濾波器」。

 

實際」的「濾波器(real filter)和「理想」的「濾波器(ideal filter)之間,有甚麼差異呢?實務上,沒有辦法做到,如圖示紅色線條的垂直陡升或陡降的「理想」「濾波器」頻譜,「實際」的「濾波器」頻譜,會有如圖示綠色線段的斜線效應。此斜線效應對應的頻率,稱為「截止頻率(cut-off frequency),也就是「有效頻率(effective frequency)

 

接下來看,實務上以甚麼方式來施予「濾波」處理,主要有兩種方式:

 

1.      類比濾波器(Analog Filter):參閱圖示第一個「系統方塊圖」,一般以「感測器(sensor)量測到的信號,就是「類比信號」,直接對「感測器」信號,進行「濾波」處理,就稱之為「類比濾波(analog filtering),再以DAQ數據採集器(data acquisition device),轉換為「數位信號」。通常DAQ就含有內建的「類比濾波器」功能,所以也有稱為「硬體濾波」。

2.      數位濾波器(Digital Filter):參閱圖示第二個「系統方塊圖」,「數位濾波器」顧名思義,就是一般以「感測器」量測到的信號,先以DAQ擷取「類比信號」,轉換為「數位信號」之後,再進行「數位濾波(digital filtering),這裡的作業,通常是透過軟體的分析程式處理,故也有稱為「軟體濾波」。

 

綜合一下這個單元的討論,甚麼是濾波器(filter)?簡單的說,就是保留、或濾除所指定頻率範圍的「濾波(filtering)裝置。有4種典型的「濾波器」,包括:「低通」、「高通」、「帶通」、「帶阻」等4種「濾波器」。

 

另外,也要理解「實際」和「理想」的「濾波器」之差異,並且知道「截止頻率」的意義。以及認知有兩種施予「濾波」處理的方式,包括:「類比濾波器」以及「數位濾波器」兩種「濾波」方式。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2020.12.14

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