信号处理中的低通、高通、带通、带阻滤波器

本文介绍了低通、高通、带通与带阻四种滤波器的基本概念及其工作原理。低通滤波器允许低于截止频率的信号通过;高通滤波器则相反,允许高于截止频率的信号通过;带通滤波器仅允许特定频率范围内的信号通过;而带阻滤波器则阻止特定频率范围内的信号通过。
  • 低通滤波器

允许低于截止频率的信号通过,但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。


        

  • 高通滤波器

    允许高于截止频率的信号通过。是一种让某一频率以上的信号分量通过,而对该频率以下的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。其特性在时域及频域中可分别用冲激响应及频率响应描述。


 

  • 带通滤波器

    允许特定频率的信号通过。是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器,与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLC circuit)。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。


 

  • 带阻滤波器

  阻止特定频率的信号通过。是指不允许通过某一频率范围内的频率分量。


### 高通带阻滤波器的频谱图 在信号处理领域,滤波器的设计常涉及其频率响应特性。以下是四种常见滤波器(高通阻)的频谱图及其特点。 #### 1. **滤波器 (Low-Pass Filter, LPF)** 滤波器允许于某一截止频率 \( f_c \) 的信号过,而对高于该频率的部分进行衰减。理想情况下,它的幅频响应曲线表现为:在 \( f < f_c \) 范围内保持恒定增益,在 \( f > f_c \) 处迅速下降至零[^1]。实际中的滤波器可能会有过渡宽的存在。 ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt frequencies = np.linspace(0, 1, 500) cutoff_frequency = 0.2 lpf_response = frequencies < cutoff_frequency plt.figure(figsize=(8, 4)) plt.plot(frequencies, lpf_response, label="LPF Response", color='blue') plt.title("Low-Pass Filter Frequency Response") plt.xlabel("Frequency (Normalized)") plt.ylabel("Amplitude") plt.grid(True) plt.legend() plt.show() ``` --- #### 2. **高通滤波器 (High-Pass Filter, HPF)** 高通滤波器的作用与相反,它仅让高于某一切割频率 \( f_c \) 的信号过,而对于较频率部分则加以抑制。理论上,当 \( f > f_c \),幅度接近于常数;而在 \( f < f_c \),逐渐趋于零[^1]。 ```python hpf_response = frequencies > cutoff_frequency plt.figure(figsize=(8, 4)) plt.plot(frequencies, hpf_response, label="HPF Response", color='green') plt.title("High-Pass Filter Frequency Response") plt.xlabel("Frequency (Normalized)") plt.ylabel("Amplitude") plt.grid(True) plt.legend() plt.show() ``` --- #### 3. **滤波器 (Band-Pass Filter, BPF)** 滤波器允许特定频段内的信号无损传输,同时阻止其他频段外的所有信号。假设下限截止频率为 \( f_{low} \),上限截止频率为 \( f_{high} \)[^1]。对于此区间之外的任何频率都会被显著削弱。 ```python lower_cutoff = 0.1 upper_cutoff = 0.3 bpf_response = (frequencies >= lower_cutoff) & (frequencies <= upper_cutoff) plt.figure(figsize=(8, 4)) plt.plot(frequencies, bpf_response, label="BPF Response", color='red') plt.title("Band-Pass Filter Frequency Response") plt.xlabel("Frequency (Normalized)") plt.ylabel("Amplitude") plt.grid(True) plt.legend() plt.show() ``` --- #### 4. **带阻滤波器 (Band-Reject/Notch Filter, BR/NF)** 与此相对应的是带阻滤波器,它可以有效消除指定范围内的干扰信号,即在这个范围内大幅降输出功率水平,但在其余区域维持正常工作状态。 ```python brf_response = ~((frequencies >= lower_cutoff) & (frequencies <= upper_cutoff)) plt.figure(figsize=(8, 4)) plt.plot(frequencies, brf_response, label="BRF Response", color='purple') plt.title("Band-Reject Filter Frequency Response") plt.xlabel("Frequency (Normalized)") plt.ylabel("Amplitude") plt.grid(True) plt.legend() plt.show() ``` 以上代码片段展示了如何绘制不同类型的滤波器的理想化频谱图。这些图形有助于理解每种滤波器的功能以及它们各自的应用场景。
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