第二单元 电子电路 2.1 何处用滤波?

   你曾经在电路中需要使用低通滤波器或高通滤波器吗？你是否无法确定该把这个滤波器放在信号通路的哪个位置呢？在控制器和处理器出现之前，工程师是用模拟电路实现滤波器的。在进行这种设计时，你需要在用面包板搭建试验电路之前，思考形成一份设计草图。假如你想省事的话, 那么结果很可能就是拆了电路重来，希望下一次能“碰对”。后来，出现了数字滤波器。这种滤波器的实现方法可以在数字域“复制”任何一种模拟滤波器的频率响应。数字滤波器的主要优势之一就是你可以使用固件毫不费力地调整这种滤波器。这听上去太动人了，可事实确实如此。

       这样一来，有时你应当采用模拟硬件去构造滤波器，而有的时候适合使用控制器或处理器以固件的形式实现滤波器。一般而言，凡是进行“将模拟信号转换为数字域信号”的电路都应当包含“模拟低通滤波器”；不论是这种模数转换器是“逐次逼近”型的，还是“德尔塔-西格玛”型、“流水线”型、“双斜率”型，或是你自己设计的其它类型转换器。模拟低通滤波器在电路中的位置必须是在模拟部分——在转换器之前。

       为什么需要模拟低通滤波器呢？不论你是否承认，但请记住：所有模拟信号都含有高频噪声、低频噪声。回答“为什么需要低通滤波器”的问题就要回到Nyquist定理——该定理指出：为了无“污染”地、准确地进行信号转换，必须先将带外频率去除。

       通过模数转换器的任何信号都有自身的幅度。只要信号频率低于转换器的输入带宽，模数转换器通常就能够无失真地转换信号幅度。尽管模数转换器能够保留信号的幅度，但对于信号频率却不是这样的。那些超过模数转换器采样频率一半的频率“污染”了转换过程， 以至于你在转换器的输出端无法分辨“带内信号”和“带外信号”。这种现象称之为“信号混叠”（见下图）。

       你可以看出来：不想要的噪声和信号是如何永久地嵌入到数字信号中。一旦这种“污染”出现，你就无法返回去、取消它。

       实现高通滤波器和低通滤波器不是一回事。你能用模拟电路或固件构造这类滤波器。在控制器或处理器中构造这些功能的优势在于你能够实现各种“易调”的滤波器。这包括“巴特沃思”（Butterworth）、“贝塞尔”（Bessel）、“椭圆”（elliptic）等模拟滤波器。不过，你也可以实现FIR、IIR、FFT等数字滤波器。通过实现FIR滤波器，你可以明显地减少带内噪声。你无法用模拟滤波器来完成这种噪声消除。有了FFT，就很容易用数字方法去除不需要的频率。你也可以用模拟电路来实现这种滤波功能，但这需要使用大量硬件。