《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𝒇_𝑯頻率的信號，濾除。或是說，保留低於𝒇_𝑯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𝒇_L頻率的信號，濾除。或是說，保留高於𝒇_L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𝒇_𝑯頻率的信號，以及低於某一個𝒇_L頻率的信號，濾除。或是說，保留高於𝒇_L頻率的信號，以及低於𝒇_𝑯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𝒇_L頻率的信號，以及低於某一個𝒇_𝑯頻率的信號，濾除。或是說，保留高於𝒇_𝑯頻率的信號，以及低於𝒇_L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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