3  带通滤波器的设计与仿真

3。1  滤波器的基本概念与选取

滤波器，顾名思义，就是从输入信号中提取出（过滤出）特定所需频段的信号。它的分类方式多种多样。最为普遍的是按照其所允许通过的信号频段来划分，可以分为低通、高通、带通和带阻滤波器这四种。

低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制噪声和高频分量或干扰；

高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量；

带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声；

带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 

四种滤波器的幅频特性曲线如下图3。1所示：

若是按照所要处理的信号类别不同，则可以分为模拟滤波器和数字滤波器这两种。其中，如果是按照滤波器所包含的元器件特性来区分，模拟滤波器则又可分为无源与有源滤波器这两种。

无源滤波器：滤波器仅仅是由无源元器件组成，它是通过利用了电容和电感元件的电抗特性，即电抗大小能够随着频率的变化而变化这一原理构成的。无源滤波器主要包括了LC滤波电路和RC滤波电路两种。这一类滤波器的主要优点为：首先，电路结构相比较而言是更加简单的，而且由于没有用到直流电源来供电，所以可靠性比较高；但是它也有着明显的缺点，那就是在通频带内，信号的能量有所损耗，而负载效应也比较的明显。尤其是在使用电感元件的时候，电磁感应会对电路产生很大的影响。在低频域内，想要取得较好的滤波效果时，就需要很大的电感，这会导致滤波器的体积和重量大幅增加，很不便利。

有源滤波器：滤波器是同时由有源器件和无源器件组成的，一般的构成部分为RC网络和运算放大器。在滤波器的通带内，信号不仅能量损耗微乎其微，而且经过有源器件弥补滤波损耗后还可以得到放大。同时，有源滤波器没有明显的负载效应，所以在实现多级相联时，相互之间的影响很小，在构成高阶滤波器时可以利用最简单的级联方法就能实现。此外，滤波器的体积较小、重量较轻、而且并不需要进行磁屏蔽。这些都是有源滤波器的显著优点，而它的缺点则体现在以下几个方面：首先，有源器件的带宽直接限制了滤波器的通带范围，并且，由于需要直流电源来供电，导致了可靠性的降低，所以，有源滤波器在高压、高频、大功率的场合之下是不适用的。

本课题中，选择采用无源LC带通滤波器对输入信号进行滤波处理。

3。2  滤波器的设计方法

带通滤波器的理想幅频特性曲线如图3。2所示：

    但是，在实际操作中，我们所设计的滤波器并不可能达到图3。2的理想特性那样完美，通常得到的是如图3。1（c）所示，有一定的过渡带。因此在真正设计滤波器时，一般是根据函数来进行设计的，而这些函数直接决定了滤波器的特性。设计滤波器时，可供选用的函数种类很多，下面表3。1就对几种常用的函数进行简要的介绍：

表3。1  几种常用滤波器的介绍文献综述

滤波器类型 性能特点

巴特沃斯型（瓦格纳滤波器） 通带内响应最为平坦，偶尔也称为power term filter

切比雪夫型（等波纹滤波器） 截止特性特别好;群延时特性不太好;通带内有等波纹起伏

逆切比雪夫型