Filtrado de sinal de audio explicado: técnicas pasivas e activas

Comprender os filtros de audio é esencial para deseñar sistemas cun control de son preciso.Estes filtros modifican o contido de frecuencia para mellorar a claridade, reducir o ruído e a medida das características tonais.Desde o paso alto ata os tipos de paso, cada un xoga un papel único na conformación dos sinais de audio.As aplicacións prácticas abarcan audio doméstico, son en directo e comunicación de radio.Este artigo rompe o comportamento do filtro, a estrutura do circuíto e as estratexias de deseño do mundo real, ofrecendo aos enxeñeiros unha guía detallada para seleccionar e implementar o filtro adecuado para un rendemento de audio óptimo.

Catálogo

Figura 1: Diagrama de bloques do sistema de audio

Afondando en filtros de audio

Un filtro de audio serve como un circuíto electrónico intrincado que manipula frecuencias de sinal, xa que aumentan ou atenuan certas frecuencias para conseguir os resultados de audio desexados.Estas modificacións son esenciais para purgar sons non desexados e elevar a calidade do son.Os filtros desempeñan roles fundamentais nos sistemas de comunicación e electrónica, afectando profundamente a saída de audio e aumentando a claridade en xeral.

Variedades de filtros de audio

Os filtros de audio divídense en categorías distintas en función dos seus trazos de resposta de frecuencia.

-Os filtros de paso baixo facilitan o paso de frecuencias por debaixo dun punto establecido ao tempo que reduce frecuencias máis altas, empregadas habitualmente para diminuír as perturbacións de alta frecuencia nas tarefas de audio.

- Os filtros de paso alto permiten frecuencias máis altas a través, inhibindo outros máis baixos, cruciais para minimizar a retroalimentación e rumbo.

- Os filtros de banda de banda teñen como obxectivo bandas de frecuencias específicas, aumentando os sinais pertinentes e predominan nas comunicacións radiofónicas.

- Filtros de parada de banda ou filtros de Notch, eliminan frecuencias precisas indesexables como o notorio Hum de 60Hz por interrupcións eléctricas, aumentando os sistemas de son.

Filtros de paso baixo en acción

Os filtros de paso baixo ven un uso extensivo en diversos ambientes.Por exemplo, nas configuracións de audio doméstico, regulan a saída de graves para manter un son harmonioso filtrando o caos de alta frecuencia que pode distorsionar a claridade.Os profesionais do son en directo aplican estes filtros para perfeccionar as fontes de audio, garantindo unha experiencia de escoita prístina.

Filtros de paso alto en escenarios

Os filtros de paso alto sobresaen en escenarios de son en directo onde múltiples micrófonos están en xogo, cruciais para reducir o feedback e o rumbo.Tamén son integrais nos circuítos de micrófono para contrarrestar as perturbacións de baixa frecuencia como o ruído do vento, conservando a claridade vocal.

Uso especializado de filtros de banda de banda e de banda

Os filtros de banda de banda son indispensables ao illar as bandas de frecuencia na comunicación de radio, aumentando os sinais escollidos mentres suprimen outras.Os filtros de muesca, por outra banda, son adeptos a eliminar frecuencias dirixidas como o humo eléctrico de 60Hz persistente, aumentando así a calidade de audio dos sistemas.

Exploración en profundidade das variedades de filtro

Trazos estruturais e de frecuencia dos filtros

Os filtros pódense identificar polo seu deseño e como manexan diferentes frecuencias.Estruturalmente, hai dúas categorías primarias: filtros pasivos e activos.Os filtros pasivos consisten en elementos como resistencias e condensadores que funcionan sen fontes de enerxía externas.Os filtros activos, por outra banda, empregan transistores e amplificadores operativos, que requiren unha fonte de enerxía DC ao tempo que proporciona unha maior versatilidade e rendemento en varias aplicacións, o que pode evocar os desexos humanos para a eficiencia e a excelencia.

Resposta e funcionalidade de frecuencia

Os tipos de filtros tamén difiren nas súas capacidades de resposta de frecuencia, cada un abordando intervalos de frecuencia específicos con fins únicos.Passband refírese ao rango de frecuencias no que a tensión de saída ou a potencia é óptima, e comprender estes conceptos pode evocar unha sensación de curiosidade e descubrimento.Os filtros de paso alto permiten pasar as frecuencias por encima dun determinado limiar, reducindo as frecuencias máis baixas.Pola contra, os filtros de paso baixo permiten pasar frecuencias máis baixas, limitando os máis altos.

Ademais, os filtros de banda de banda permiten pasar frecuencias dentro dun rango determinado, atenuando frecuencias fóra deste período.Filtros de parada de banda ou filtros de Notch, suprimen as frecuencias dentro dun rango específico, ideal para eliminar o ruído non desexado.Os filtros de todo o paso manteñen unha amplitude consistente entre frecuencias, centrándose en lugar en diferentes relacións de fase, ofrecendo unha capa de sofisticación e control na manipulación de sinais.

Filtros por resposta de frecuencia

Os filtros pódense agrupar en función de como responden a diferentes frecuencias.A sección do espectro que o filtro permite pasar con pouca ou ningunha atenuación chámase Passband.Esta rexión é onde a tensión de saída ou a potencia permanece relativamente alta nunha curva de resposta de frecuencia.

En termos prácticos, pódense identificar filtros mediante os intervalos de frecuencia que permiten e que suprimen.Estes inclúen:

Filtro de audio de alto paso

Un filtro de paso alto permite que os sinais por encima dunha frecuencia de corte específica se pase e reduce a amplitude dos que se atopan por baixo dela.O punto de corte está normalmente definido onde a tensión de saída cae ata o 70,7% (ou -3 dB) do valor máximo da banda de paso.

Figura 2: Esta figura mostra a resposta de frecuencia dun filtro de audio de paso alto

Desde a curva de resposta, notarás que os sinais xusto por debaixo do corte non están completamente bloqueados, aínda pasaron pero con ganancia reducida.Este descenso gradual chámase a miúdo a rexión "Roll-off" ou "Roll-Down".En circuítos reais, este comportamento dá como resultado un bordo de filtrado suave en vez de un forte corte.

Filtro de paso baixo

Os filtros de paso baixo funcionan do xeito contrario.Pasan sinais por debaixo da frecuencia de corte e reducen os por encima.

Figura 3: Esta figura mostra a resposta de frecuencia dun filtro de audio de paso baixo

De novo, a atenuación completa non se produce exactamente no corte.As frecuencias máis altas atenúanse progresivamente e algúns dos sinal aínda poden filtrarse a niveis baixos.Esta pendente hai que ter en conta ao deseñar filtros para a claridade de audio ou a protección dos altofalantes.

Filtro de banda de banda

Un filtro de banda de banda permite pasar só unha banda de frecuencias específica.Ten dous puntos de corte: un no lado baixo e outro no alto.Os sinais fóra deste rango son reducidos ou bloqueados por completo.

Figura 4: Esta figura mostra a resposta de frecuencia do filtro de audio de banda de banda S

Ao axustar estes filtros, necesitarás definir tanto a frecuencia central (normalmente onde a saída é máis forte) como o ancho de banda (o rango entre as frecuencias de corte inferior e superior).

Filtros de parada de banda e muesca

Os filtros de parada de banda eliminan un rango de frecuencias específico ao pasar sinais a ambos os dous lados.Un filtro de muesca é unha versión de banda estreita, deseñada para eliminar unha frecuencia específica, a miúdo problemática, como un zumbido de 60 Hz nos sistemas de audio.

Estes filtros son útiles nos traballos de audio prácticos onde a eliminación de interferencias sen afectar o resto do sinal é esencial.Os filtros de muescas teñen un alto "q" (factor de calidade), o que significa que atenuan só un rango estreito.

Filtro All-Pass

Os filtros de todo o paso permiten pasar todas as frecuencias, pero introducen cambios de fase entre eles.Estes filtros non se usan para bloquear nin pasar sinais específicos senón para corrixir os desalineamentos de cronometraxe en sistemas de audio complexos.

Figura 5: Esta figura mostra a resposta de frecuencia cambiada en fase dun filtro de audio SLL-Pass

Ao axustar un filtro All-Pass, observarás as diferenzas de fase entre os compoñentes de frecuencia.Estes deben axustarse coidadosamente para evitar introducir artefactos de cancelación de fase nos sistemas estéreo.

Filtros de igualación

Estes filtros non pasan completamente nin bloquean frecuencias específicas.Pola contra, aumentan ou reducen a ganancia de forma dependente da frecuencia.Son moi utilizados nos sistemas musicais para axustar o equilibrio tonal e corrixir a resposta acústica.

Clasificación por estrutura

Os filtros tamén se clasifican por se precisan enerxía e amplificación.Cada un destes pode ser de paso alto, de paso baixo, de banda de banda ou de banda:

Filtro de paso alto pasivo

Este filtro usa un resistor e un condensador.O condensador bloquea frecuencias baixas mentres que o resistor permite que os máis altos continúen.Na práctica, a forma máis básica consiste nun condensador en serie co sinal de entrada, seguido dunha resistencia ao chan.

Figura 6: Diagrama de circuítos dun filtro de audio de alto paso pasivo de primeira orde

Frecuencia de corte:

fₕ = 1 / (2πrc)

Axustando os valores da resistencia e do condensador, pode axustar o filtro para bloquear as frecuencias por baixo dun punto escollido.Por exemplo, con r = 10kΩ e c = 0,1µF, o corte rolda os 160 Hz.As frecuencias por encima disto pasarán á seguinte etapa, normalmente un tweeter en sistemas de audio.

Os filtros pasivos son sinxelos, non precisan enerxía e son compactos.Non obstante, non poden amplificar o sinal e usar indutores failles voluminosos e custosos.

Filtro de paso alto activo

Isto baséase no tipo pasivo engadindo un AP-AMP.O AP-AMP está conectado despois da etapa RC, normalmente nunha configuración non invertida.

Figura 7: Diagrama de circuítos dun filtro de audio de alto paso activo de primeira orde

O OP-AMP proporciona ganancia, permitindo que o sinal de saída sexa máis forte e menos afectado polo ruído.A súa alta impedancia de entrada tamén impide a carga da fonte, preservando a forma do sinal.

Non obstante, tales filtros requiren unha fonte de alimentación de corrente continua para o sesgo e teñen un ancho de banda limitado debido á resposta de frecuencia do APP.

Filtro de paso baixo pasivo

Usa redes RC ou RL.O condensador (ou inductor) está situado para que siga os sinais de maior frecuencia ao chan mentres pasan frecuencias baixas.

Figura 8: o diagrama de circuítos do filtro de audio de paso baixo pasivo de primeira orde

Frecuencia de corte:

fₗ = 1 / (2πrc)

Estes filtros son útiles para enviar sinais de baixa frecuencia a woofers.Non precisan enerxía e ofrecen un deseño sinxelo, aínda que de novo non hai amplificación dispoñible.

Filtro activo de paso baixo

Combina o filtrado de RC pasivo cun AP-AMP para a ganancia.O OP-AMP aumenta as frecuencias baixas ao tempo que rexeita as máis altas.

Estes filtros son útiles cando se deben conservar ou amplificar os sinais débiles antes de envialos a etapas de enerxía ou altofalantes.Pero requiren unha fonte de alimentación e sofren limitacións de ancho de banda de APP.

Filtro de banda pasiva

Isto combina un filtro de paso alto e baixo paso.A saída resultante é o solapamento: frecuencias que están entre ambas as bandas de paso dos filtros.

Figura 9: Diagrama de circuítos dun filtro de audio pasivo de banda pasiva de primeira orde

O corte inferior provén da sección de alto paso;O corte superior provén do paso baixo.Só se permiten frecuencias entre eles.Estes filtros úsanse a miúdo para altofalantes de gama media, pero poden converterse en grandes debido ao número de compoñentes.

Filtro de banda activa

O mesmo concepto que a versión pasiva, pero inclúe etapas de APP ou transistor para amplificar a banda de frecuencias desexada.O ancho de banda do AP-APP debe aliñarse ao rango de destino do filtro para un rendemento óptimo.

Filtro de parada de banda pasiva

Construído a partir de redes RLC, normalmente cun circuíto LC paralelo a través dunha resistencia.Esta configuración atenúa drasticamente unha banda estreita e pasa todas as outras frecuencias.

Figura 10: Diagrama de circuítos dun filtro de audio de banda de banda pasiva de primeira orde

Esta é esencialmente unha combinación de paso alto e un filtro de paso baixo onde as súas bandas de parada se solapan.Estes filtros tamén se denominan filtros T-Notch ou Band-Reject.

Filtro de banda activa

Inclúe amplificación despois da sección pasiva para restaurar a forza do sinal nos intervalos de frecuencia permitidos.De novo, o ancho de banda op-amp debe ser adecuado para o espectro filtrado.

Figura 11: filtro de banda activa