Filtr: Ogolnie

 Filtr: Ogolnie
 Filtr ma przepuscic uzyteczny sygnal i zatrzymac zaklocenia. Kazde urzadzenie elektroniczne zawiera rozne filtry.
Znane sa elektryczne filtry:
-Filtry LC o stalych skupionych ( filtr o stalym k - 1910 rok ) a raczej LCR gdzie R jest najczesciej niechcianym elementem stratnym indukcyjnosci a mniej pojemnosci. Poniewaz elementy do montazu powierzchniowego SMD sa coraz mniejsze rosnie gorna czestotliwosc mozliwa z tymi skupionymi filtrami
-Filtry mikrofalowe z liniami paskowymi na PCB i wczesniejsze z wnekami rezonasowymi
-Filtry elektromechaniczne, wychodza z uzycia
-Filtry LC z dodatkowymi rezonatorami kwarcowymi
-Filtry ceramiczne
-Filtry z fala powierzchniowa SAW
-Filtry bierne RC. Tylko prymitywne
-Filtry aktywne RC ze wzmacniaczami operacyjnymi lub tranzystorami
-Filtry w technologi MOS z przelaczanymi pojemnosciami
Filtry programowe lub dedykowane cyfrowe nie sa w sensie doslownym filtrami elektrycznymi.

Specyficznymi niby filtrami sa sieciowe lub inne "filtry" przeciwzakloceniowe.

Filtry stanowia prawie zawsze element zlozonej calosci. Samodzielnym filtrem jest rozgaleznik sygnalu z anteny zbiorczej dla TV i UKF.
Filtry ulegaja ewolucji technologicznej co nie moze dziwic. "Lepsze wrogiem dobrego" Nowe rodzaje filtrow ruguja z zastosowan starsze.  

Selektywne filtry LC byly bardzo potrzebne w telekomunikacji radiowej w torze czestotliwosci posredniej IF  i w Telefoni Nosnej. Metody "obrazu" czyli stalych "k" i "m" nie dawaly optymalnych rezultatow. Gro rezultatow z obszaru filtrow  osiagnieto u Bella. Dopiero Sydney Darlington z Bell Laboratories rozdzielil projektowanie filtru na dwa etapy:
-Matematyczna aproksymacje pozadanej charakterystyki filtru
-Fizyczna realizacje filtru
Wczesniej podobne prace podjal Wilhelm Cauer, ktory zreszta wczesniej pracowal dla Bella. Zostal w 1945 roku zabity przez radzieckich w Berlinie. Filtr eliptyczny to to samo co filtr Cauera ale z podtekstem politycznym. Rozwiniecie Cauera transmitancji z zerami w drabinke LC bylo praktycznie calkowicie bezuzyteczne zawierajac transformatory.

Znane sa od dekad aproksymacje (filtrow dolnoprzepustowych):
-Butterwortha, maksymalnie plaska w zerze czestotliwosci
-Legendre, kompromisowa miedzy Butterwortha a Czebyszewa
-Czebyszewa, rownomiernie falista w pasmie przepustowym. Im wieksza falistosc  tym wieksza selektywnosc i GDT
-Odwrotna Czebyszewa, w pasmie przepustowym  Butterwortha a w zaporowym rownomiernie falista
-Bessela o liniowej fazie ale malo selektywny
-Eliptyczna czyli Cauera, selektywny o bardzo nieliniowej fazie
-Gaussa o ladnej GTD i zredukowanej interferencji miedzysymbolowej ale slabej selektywnosci

Generalnie zadaniem filtru jest przepuszczenie sygnalu w uzytecznym pasmie "kanalu" przy jak najmniejszym jego znieksztalceniu i zatrzymanie jak najwiekszej czesci sygnalu spoza tego pasma.
Sygnal w kanale jest degradowy inteferencja miedzysymbolowa przez nieliniowa faze czyli  GDT i przez interferencje  z innych kanalow.
Generalnie w wymienionych aproksymacjach im lepsza jest selektywnosc tym gorsza jest GTD. W tym sensie zadna z tych aproksymacji nie jest najlepsza !
 Selektywny filtr znieksztalci sygnal a malo selektywny przepusci obce zaklocajace sygnaly. "Zamienil stryjek siekierke na kijek"
Temat degradacji sygnalu przez szum i GTD jest znany od lat z obszaru cyfrowych radiowych lini mikrofalowych.

Na przelomie lat 50/60 pojawily sie grube tabelaryczne zestawienia parametrow roznych filtrow LC. Uzyskanie tych parametrow L i C filtru z transmitacji aproksymacji nie jest trudne ( dla czesci sa wzory analityczne ) ale problemem sa slabe uwarunkowania numeryczne i zastosowanie w programie podwojnej precyzji arytmetyki nie zawsze pomaga. Trzeba  stosowac wtedy bardziej skomplikowany algorytm. Jest to jednak latwizna.     

Filtr LC ma swoja charakterystyke tylko przy rezystancjach na wejsciu i wyjsciu dla jakich zostal zaprojektowany !
Znaczenie filtrow LC w wielu dziedzinach bardzo spadlo:
-Skomplikowane i trudne filtry LC z dodatkowymi rezonatorami kwarcowymi dla realizacji Zer stosowano w telefoni nosnej wielkiej pojemnosci. Bell w 1982 roku porzucil rozwoj systemow nosnych przechodzac na swiatlowody. W krajach socjalistycznych nie opanowano systemow nosnych o duzej pojemnosci ( mamy poziom pojemnosci z lat piecdziesiatych u Bella ! )  i stad lacznosc miedzymiastowa jest tak mikra. Mamy teraz szanse ze swiatlowodami gwaltownie rozpoczynajacymi kariere.

-W kolorowym odbiorniku telewizyjnym caly tor czestotliwosci posredniej IF z kompensacja GDT ( konieczna dla Secamu )  mial ( lacznie z filtrem IF za mieszaczem w glowicy, demodulatorem i AFC  ) 15 strojonych obwodow LC ! Dopiero zastosowanie filtru z fala powierzchniowa SAW umozliwilo dobra, dlugotrwala ( filtr LC sie starzeje i zmienia charakterystyke ) prace Teletekstu. Najlepsze odbiorniki TVC zblizaja sie do granic stwarzanych przez standard kodowania – nadawania. Wyzej nie da sie podskoczyc.  W torze FM fonii strojone filtry LC wyparl filtr ceramiczny.

-W odbiornikach UKF-FM i AM filtry ceramiczne wyparly strojone filtry LC w torze IF.

Tam gdzie istotna byla GDT ( analogowa modulacja FM lub jakakolwiek cyfrowa ) korektor fazy selektywnego filtru LC stanowil istotna czesc calego filtru.

Elementy LC sa niezastapione w obwodach dopasowujacych  w technice nadawczej i odbiorczej. Dawniej dopasowanie w systemie waskopasmowym bylo latwa, poboczna funkcja strojonego filtru LC. Natomiast w systemie szerokopasmowym pasmo niestrojonego ukladu dopasowujacego LC jest jak najszersze.
Znakomitym elementem dopasowujacym do systemow szerokopasmowych jest Transformator Lini Dlugiej czyli transformator Ruthroffa. Oczywiscie z Bell Laboratories. W Polsce jest on chyba zakazany przez cenzure.

Antylustrzane filtry LC sa uzyte w "glowicy" kazdego odbiornika superheterodynowego a innych przeciez juz nie ma  W przypadku glowicy do TVC do systemu telewizji kablowej CATV czyli z szerokim zakresem VHF i UHF o ogromnej tolerancji na intermodulacje zastosowano wymyslne, przestrajane diodami pojemnosciowymi filtry LC. Optymalna konfiguracje filtrow wzmacniacza RF z tranzystorem Mosfet z podwojna bramka i liniowym mieszaczem ustalono analitycznie, droga eksperymentow i optymalizacji komputerowej. Jest jeden przestrajany  obwod LC na wejsciu Mosfeta i przestrajany filtr pasmowy z dwoma obwodami LC na jego wyjsciu.

Dane zadanie mozna zrealizowac na wiele sposobow. Przyklad.
Napiecie mocy do trakcji kolejowej 3300 Vdc w Polsce uzyskuje sie z prostowniczego diodowego mostka trojfazowego. Napiecie wyjsciowe tego mostka ma harmoniczne pulsacji napiecia wyjsciowego a prad pobierany z zasilajacej transformator prostownikowy sieci energetycznej liczne harmoniczne. Za prostownikiem dany jest dlawik wygladzajacy a dalej 4-8 rownoleglych galezi szeregowych, rezonansowych dwojnikow LC tak aby harmoniczne napiecia sieciowego na trakcji i szynach nie zaklocaly rozmow telefonicznych. Te rownolegle dwojniki LC maja w pasmie harmonicznych miec jak najmniejsze impedancje. Dlawik i te elementy LC sa duze i drogie.
Niestety nadal pobierane sa z sieci harmoniczne pradow plynac takze przez uzwojenia transformatora , ktory musi byc w zwiazku z tym przewymiarowany.
Transformator z dwoma uzwojeniami wtornymi w konfiguracji gwiazdy i trojkata jest od zwyklego modelu takiej samej mocy ciezszy tylko o mniej niz 2% i o tyle winien byc drozszy.
Dwa szeregowo polaczone trojfazowe mostki prostownicze zasilane z tych uzwojen daja wynikowy prostownik m=12 fazowy o duzo mniejszych pulsacjach napiecia wyjsciowego i pradu sieciowego. Harmoniczne wprowadzane do sieci energetycznej przestaja stanowic problem i nie nagrzewaja tez uzwojenia pierwotnego transformatora prostownikowego. Sa dwa trojfazowe  mostki prostownicze z m=12 ale na dwa razy mniejsze napiecie i sumaryczna ilosc diod jest taka sama lub nawet mniejsza. Kazdy prostownik mostkowy jest chroniony na wyjsciu srednim warystorem, ktore sluza do bezstratnego podzialu miedzy mostki  przepiecia piorunowego i glowny wspolny duzy warystor ochronny na napiecie 3.3 KVdc. Taki uklad dla trakcji pradu stalego dominuje juz na Zachodzie.
Rownoleglych rezonasowych dwojnikow LC moze byc mniej i mniejszych gabarytem.
Zatem stosowany u nas rozbudowany "filtr LC " w prostowniku trakcyjnym jest czystym, drogim nonsensem. Do pomyslenia jest transformator z trzema uzwojeniami wtornymi o odpowiednich katach napiec i trzema polaczonym szeregowo mostkami trojfazowymi w ukladzie m=18 osiemnastopulsowym.
Czyli najlepiej tych harmonicznych pradow i napiec po prostu nie generowac i nie stwarzac problemow do rozwiazania !
"Po co jest malzenstwo. Jest po to abysmy razem walczyli z problemami ktorych by nie bylo gdybysmy byli osobno"

Koncern ITT od 1982 roku proponuje zestaw ukladow do cyfrowego odbiornika telewizyjnego. Na razie rozwiazanie jest drozsze od konwencjonalnego analogowego a jakosc jest odrobine gorsza.   Nie mniej potencjal cyfrowego przetwarzania sygnalow jest potezny i przyszlosciowy. Koncerny Texas Instruments i NEC oferuja normalnie programowane szybkie procesory z funkcjami DSP. W miare tanienia mikroelektroniki cyfrowe przetwarzanie sygnalow a w tym filtracja bedzie obejmowac coraz wyzsze czestotliwosci sygnalow.  
    
Kazdy sygnal analogowy przed przetworzeniem na cyfrowy  w przetworniku ADC musi byc dolnoprzpustowo filtrowany antyaliasingowo. Wysrubowane wymagania standardu Compact Disc stworzonego przez potezny duet Sony – Philips byly niemozliwe do spelnienia w pierwszych odtwarzaczach CD ale tez w torze nagrywania. Pasmo sygnału standardu kończy sie na 20 kHz przy 44.1 k/sec probkach. Zatem miedzy pelnym pasmem przepustowym 20 KHz a zaporowym 22.05 KHz jest tylko mala przerwa a wymagane tlumienie jest teoretycznie 96 dB przy bardzo malych GDT. Nie udalo sie stworzyc filtru analogowego o takich parametrach mimo zastosowania najlepszych elementow elektronicznych aktywnych i biernych. Pasmo pierwszych nagran CD konczylo sie na 18 KHz a GDT byly tak duze ze rzekomo slyszalne. Zastosowano niedlugo mniej selektywny filtr analogowy i probkowanie ADC z podwojna czestotliwoscia i decymacyjny filtr cyfrowy.

W standardzie CD zastosowano probkowanie z czestotliwoscia 44.1 kHz i 16 bitowe probki. W eksperymentalnym telewizyjnym dzwieku cyfowym Nicam  probki sa 14 bitowe z czestotliwoscia 32 KHz. W obu tych standardach strumien informacji cyfrowej jest bardzo duzy. Tymczasem aparat analityczny ucha czlowieka przesyla do mozgu strumien informacji nie wiekszy niz 1 kb/sec.
Syntezer mowy Texas Instrument TMS1220 z 1978 roku  potrzebuje srednio strumienia informacji około 1.2 kb/sec. TMS pracuje w przystawce polaczonej z komputerem laczem RS232 i program moze czytac teksty ze slow z obszernego slownika. Jakosc tej zrozumialej mowy nie jest rewelacyjna ale na pewno lepsza niz z polskich telefonicznych  polaczen miedzymiastowych.
TMS zawiera miedzy innymi filtry cyfrowe z dosc krotkimi wspolczynnikami. Natomiast dane dla niego z analogowego dzwieku mowy przygotowywano ma minikomputerach.  Ale sa juz wydajne procesory DSP i mozna mowe w czasie rzeczywistym kodowac - kompresowac. Prace nad stratnym kompandowaniem dzwieku tak aby ucho jak najmniej wyczulo degradacje sygnalu trwaja od wielu lat i standaryzacja kompresji na pewno kiedys zajdzie. Teraz po prostu brak jest podmiotow tak silnych jak Sony – Philips ktore narzucily swiatu swoj standard CD.
Identycznie jest z okiem i od lat trwaja prace nad stratna  kompresja informacji o obrazach statycznych i filmie.
Dziedzina mocnej, stratnej  kompresji dotyczy de facto plikow czyli komputerow ( plyte CD przygotowuje sie na komputerze ) a na tym polu Sony i Philips sa slabe w porownaniu z dominacja firm z USA.  
Nicam Philipsa ( Mullard) jest wprowadzany w Wielkiej Brytani, co potrwa  i prawdopodobnie podbije on swiat. Pierwszy sensowny dekoder Teletekstu tez dostarczyl Philips.
Zatem w sygnale telewizyjnym jest cyfrowa informacja Teletekstu i bedzie informacja Nicam. Szybka naziemna transmisja cyfrowa jest juz powszechnie wykonalna.
Naziemne cyfrowe mikrofalowe linie radiowe z modulacja fazy sa juz tansze (!) niz analogowe FM do telefoni nosnej. Mikrofalowe linie satelitarne pracuja od lat.

Ogromnym zainteresowaniem na Zachodzie cieszy sie temat telefonow komorkowych. Modulacje analogowe FM zajmuja za duzo deficytowego radiowego pasma i duzy jest pobor mocy nadajnika z baterii. Zatem pozostaje kompresja mowy i przesylanie radiowe sygnalu cyfrowego. Bateria o ograniczonej pojemnosci ( mimo nie kwestionowanego postepu w gestosci energii ) wymaga malego strumienia nadawanych danych czyli dobrej kompresji mowy.

Sygnal telefoni nosnej ma ta przykra ceche ze im wiecej jest kanalow tym wiekszy jest szczytowo sygnal osiagajacy momentami wartosci absurdalnie duze. Ograniczenia sygnalu powoduje intermodulacje czyli szum, ktorego nie moze byc za duzo. Sygnal pojemnej telefoni nosnej ( i CATV ) jest bardzo trudny do przesylania. Stad doswiadczony w systemach nosnych Bell pierwszy swoj alternatywny system PCM24 opracowal juz w 1965 roku. Wtedy tez uruchomil miedzywybrzezowa linie testowa o przeplywnosci az  224 Mbit/sec.      

Wymiana plikow miedzy uzytkownikami komputerow PC jest intensywna. Dostepne sa programy do projektowania przeroznych filtrow a w tym DSP.
Zaprojektowany filtr elektryczny mozna dla pewnosci  latwo zasymulowac w programie MicroCap na komputer PC z rodziny Spice.
Temat projektowania typowych  filtrow zostal strywializowany.

Filtr LC ma swoja charakterystyke tylko przy wlasciwych rezystancjach na wejsciu i wyjsciu.
Przeciwzkloceniowy "filtr" sieciowy LC ma od strony sieci impedancje praktycznie blizej nieokreslona a od strony prostownika zasilacza impulsowego SMPS impedancje zmienna nawet w polokresie.  Filtr taki zamiast tlumic moze w zlych okolicznosciach wzmocnic zaklocenia bo przeciez obwod LC jest tak samo ukladem dopasowujacym impedancje.
W takiej sytuacji program symulacyjny jest rowniez bardzo uzyteczny.   
 
Ilosc zastosowan filtrow i "filtrow" jest duza.