Filtro del segnale audio spiegato: tecniche passive e attive

Comprendere i filtri audio è essenziale per la progettazione di sistemi con un controllo del suono preciso.Questi filtri modificano il contenuto di frequenza per migliorare la chiarezza, ridurre il rumore e personalizzare le caratteristiche tonali.Dai tipi di alto livello a tutti i passaggi, ognuno svolge un ruolo unico nel modellare i segnali audio.Le applicazioni pratiche abbracciano l'audio domestico, il suono dal vivo e la comunicazione radio.Questo articolo suddivide il comportamento del filtro, la struttura dei circuiti e le strategie di progettazione del mondo reale, offrendo ingegneri una guida dettagliata sulla selezione e l'implementazione del filtro giusto per prestazioni audio ottimali.

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Figura 1: schema a blocchi del sistema audio

Scavando in filtri audio

Un filtro audio funge da intricato circuito elettronico che manipola le frequenze del segnale, aumentando o attenuando determinate frequenze per ottenere risultati audio desiderati.Queste modifiche sono essenziali per eliminare i suoni indesiderati e elevare la qualità del suono.I filtri svolgono ruoli fondamentali nei sistemi di comunicazione e nell'elettronica, influenzando profondamente la produzione audio e migliorando la chiarezza in generale.

Varietà di filtri audio

I filtri audio si dividono in categorie distinte in base ai tratti di risposta in frequenza.

-I filtri passa-basso facilitano il passaggio di frequenze al di sotto di un set point riducendo le frequenze più alte, comunemente impiegate per ridurre i disturbi ad alta frequenza nelle attività audio.

- I filtri passa-alto consentono frequenze più elevate attraverso, inibendo quelle inferiori, cruciali per ridurre al minimo il feedback e il rombo.

- Filtri passa-banda Bande di frequenza specifiche target, migliorando i segnali pertinenti e sono prevalenti nelle comunicazioni radio.

- Filtri a banda, o filtri di tacca, eliminare frequenze indesiderate precise come il famigerato ronzio da 60Hz da interruzioni elettriche, migliorando i sistemi audio.

Filtri passa-basso in azione

I filtri passa-basso vedono un ampio uso in ambienti diversi.Ad esempio, nelle configurazioni audio domestiche, regolano l'output dei bassi per mantenere un suono armonioso filtrando il caos ad alta frequenza che potrebbe distorcere la chiarezza.I professionisti del suono dal vivo applicano questi filtri per perfezionare i feed audio, garantendo un'esperienza di ascolto incontaminata.

Filtri passa-alto tra scenari

I filtri passa-alto eccellono negli scenari del suono dal vivo in cui sono in gioco più microfoni, cruciali per ridurre il feedback e il rombo.Sono anche parte integrante dei circuiti di microfono per contrastare i disturbi a bassa frequenza come il rumore del vento, il mantenimento della chiarezza vocale.

Uso specializzato di filtri pass-band-pass e band-band

I filtri passa-banda sono indispensabili nell'isolamento di bande di frequenza nella comunicazione radio, migliorando i segnali scelti mentre sopprimono gli altri.I filtri di Notch, d'altra parte, sono abili nel rimuovere le frequenze mirate come il persistente ronzio elettrico a 60Hz, aumentando così la qualità audio dei sistemi.

Esplorazione approfondita delle varietà di filtri

Tratti strutturali e di frequenza dei filtri

I filtri possono essere identificati dal loro design e dal modo in cui gestiscono frequenze diverse.Strutturalmente, ci sono due categorie primarie: filtri passivi e attivi.I filtri passivi sono costituiti da elementi come resistori e condensatori che operano senza fonti di alimentazione esterne.Filtri attivi, d'altra parte, impiegano transistor e amplificatori operativi, che richiedono una fonte di alimentazione DC fornendo al contempo una versatilità e prestazioni migliorate tra varie applicazioni, che possono evocare desideri umani per efficienza ed eccellenza.

Risposta e funzionalità in frequenza

I tipi di filtro differiscono anche nelle loro funzionalità di risposta in frequenza, ciascuno affrontando specifici intervalli di frequenza per scopi unici.La banda passante si riferisce alla gamma di frequenza in cui la tensione o la potenza di uscita è ottimale e la comprensione di questi concetti può evocare un senso di curiosità e scoperta.I filtri passa-alto consentono di passare le frequenze al di sopra di una certa soglia, riducendo le frequenze più basse.Al contrario, i filtri passa-basso consentono di passare le frequenze più basse, limitando quelle più elevate.

Inoltre, i filtri passa-banda consentono le frequenze all'interno di un determinato intervallo, attenuando le frequenze al di fuori di questo intervallo.Filtri a banda, o filtri di tacca, sopprimere le frequenze in un intervallo specifico, ideale per rimuovere il rumore indesiderato.I filtri per tutti i passaggi mantengono un'ampiezza costante tra le frequenze, concentrandosi invece su diverse relazioni di fase, offrendo uno strato di raffinatezza e controllo nella manipolazione dei segnali.

Filtri per risposta in frequenza

I filtri possono essere raggruppati in base al modo in cui rispondono a diverse frequenze.La sezione dello spettro che il filtro consente di passare attraverso l'attenuazione poca o nessuna è chiamata passand.Questa regione è dove la tensione o la potenza di uscita rimane relativamente elevata su una curva di risposta in frequenza.

In termini pratici, i filtri possono essere identificati da cui le gamme di frequenza consentono e che sopprimono.Questi includono:

Filtro audio ad alto passaggio

Un filtro passa-alto consente di passare segnali al di sopra di una specifica frequenza di taglio e riduce l'ampiezza di quelli sotto di essa.Il punto di taglio è in genere definito in cui la tensione di uscita scende al 70,7% (o -3 dB) del valore massimo della banda passante.

Figura 2: questa figura mostra la risposta in frequenza di un filtro audio passa-alto

Dalla curva di risposta, noterai che i segnali appena al di sotto del taglio non sono completamente bloccati: sono ancora passati ma con un guadagno ridotto.Questo graduale drop-off è spesso chiamato regione "roll-off" o "roll-down".Nei circuiti reali, questo comportamento si traduce in un bordo di filtraggio morbido piuttosto che un taglio affilato.

Filtro passa-basso

I filtri passa-basso funzionano in modo opposto.Passano segnali al di sotto della frequenza di taglio e riducono quelli sopra di essa.

Figura 3: questa figura mostra la risposta in frequenza di un filtro audio passa-basso

Ancora una volta, l'attenuazione completa non si verifica esattamente al taglio.Le frequenze più elevate vengono attenuate progressivamente e parte del segnale può ancora perdere attraverso livelli bassi.Questa pendenza deve essere presa in considerazione durante la progettazione di filtri per chiarezza audio o protezione degli altoparlanti.

Filtro pass-band-pass

Un filtro passa-banda consente di passare solo una banda di frequenza specifica.Ha due punti di taglio: uno nella parte bassa e uno in alto.I segnali al di fuori di questo intervallo sono ridotti o bloccati del tutto.

Figura 4: questa figura mostra la risposta in frequenza del filtro audio di band-band

Quando si regola tali filtri, dovrai definire sia la frequenza centrale (in genere dove l'output è più forte) e la larghezza di banda (l'intervallo tra le frequenze di taglio inferiore e superiore).

Filtri della banda e tacca

I filtri a banda rimuovono una gamma di frequenza specifica durante il passaggio di segnali su entrambi i lati.Un filtro Notch è una versione a banda stretta, progettata per eliminare una frequenza specifica, spesso problematica, come un ronzio di 60 Hz nei sistemi audio.

Questi filtri sono utili nel lavoro audio pratico in cui è essenziale eliminare l'interferenza senza influire sul resto del segnale.I filtri di tacca hanno "Q" (fattore di qualità) elevato, il che significa che attenuano solo una gamma ristretta bruscamente.

Filtro All-Pass

I filtri per tutti i passaggi consentono di passare tutte le frequenze, ma introducono cambiamenti di fase tra di loro.Questi filtri non vengono utilizzati per bloccare o passare segnali specifici, ma per correggere i disallineamenti dei tempi in sistemi audio complessi.

Figura 5: questa figura mostra la risposta in frequenza spostata in fase di un filtro audio SLL-Pass

Quando si ottiene un filtro per tutti i passaggi, osserverai le differenze di fase tra i componenti di frequenza.Questi devono essere attentamente regolati per evitare di introdurre artefatti di cancellazione di fase nei sistemi stereo.

Filtri di equalizzazione

Questi filtri non passano completamente o bloccano le frequenze specifiche.Invece, aumentano o tagliano il guadagno in modo dipendente dalla frequenza.Sono ampiamente utilizzati nei sistemi musicali per regolare l'equilibrio tonale e la corretta risposta acustica.

Classificazione per struttura

I filtri sono inoltre classificati in base al fatto che richiedono energia e amplificazione.Ognuno di questi può essere passa-passe, passa-basso, passante o stop di banda:

Filtro passa passivo di alto livello

Questo filtro utilizza una resistenza e un condensatore.Il condensatore blocca le basse frequenze mentre il resistore consente a quelli più elevati di continuare.In pratica, la forma più elementare è costituita da un condensatore in serie con il segnale di ingresso, seguito da un resistore a terra.

Figura 6: schema circuitale di un filtro audio passa passivo di alto ordine del primo ordine

Frequenza di cutoff:

fₕ = 1 / (2πrc)

Regolando i valori di resistenza e condensatore, è possibile sintonizzare il filtro per bloccare le frequenze al di sotto di un punto scelto.Ad esempio, con r = 10kΩ e c = 0,1µF, il taglio è di circa 160 Hz.Le frequenze sopra questo passano alla fase successiva, in genere un tweeter nei sistemi audio.

I filtri passivi sono semplici, non richiedono energia e sono compatti.Tuttavia, non possono amplificare il segnale e l'uso di induttori li rende ingombranti e costosi.

Filtro passa-alto attivo

Questo si basa sul tipo passivo aggiungendo un amplificatore operazionale.L'amplificatore operazionale è collegato dopo lo stadio RC, in genere in una configurazione non invertita.

Figura 7: schema circuitale di un filtro audio attivo attivo di primo ordine

L'amplificatore operazionale fornisce guadagno, consentendo al segnale di uscita di essere più forte e meno influenzato dal rumore.La sua elevata impedenza di input impedisce anche il caricamento dalla sorgente, preservando la forma del segnale.

Tuttavia, tali filtri richiedono una fonte di alimentazione DC per il distorsione e hanno una larghezza di banda limitata a causa della risposta in frequenza dell'AMP.

Filtro passa-basso passivo

Utilizza reti RC o RL.Il condensatore (o induttore) è posizionato in modo che shusta a terra segnali a frequenza più alta mentre passano a basse frequenze.

Figura 8: lo schema del circuito del filtro audio passivo passivo di primo ordine

Frequenza di cutoff:

fₗ = 1 / (2πrc)

Questi filtri sono utili per inviare segnali a bassa frequenza ai woofer.Non richiedono energia e offrono un design semplice, anche se ancora una volta non è disponibile alcuna amplificazione.

Filtro passa-basso attivo

Combina il filtro RC passivo con un amplificatore operazionale per il guadagno.L'amp-amp aumenta le basse frequenze respingendo quelle più alte.

Questi filtri sono utili quando devono essere preservati o amplificati segnali deboli prima di inviarli a fasi di corrente o altoparlanti.Ma richiedono un alimentatore e soffrono di limiti di larghezza di banda dell'amplifica.

Filtro passante passivo

Questo combina un filtro passa-alto e passa-basso.L'output risultante è la sovrapposizione: le frequenze che rientrano tra i passband di entrambi i filtri.

Figura 9: Schema circuitale di un filtro audio passivo passivo del primo ordine

Il taglio inferiore proviene dalla sezione passa-alto;Il taglio superiore proviene dal passaggio basso.Sono consentite solo le frequenze nel mezzo.Questi filtri sono spesso utilizzati per altoparlanti di fascia media ma possono diventare grandi a causa del numero di componenti.

Filtro a banda attiva

Lo stesso concetto della versione passiva, ma include fasi operai o transistor per amplificare la banda di frequenza desiderata.La larghezza di banda dell'amp-amp deve allinearsi con l'intervallo di destinazione del filtro per prestazioni ottimali.

Filtro passivo-band-stop

Costruito da reti RLC, di solito con un circuito LC parallelo attraverso un resistore.Questa configurazione attenua bruscamente una banda stretta e passa tutte le altre frequenze.

Figura 10: schema circuitale di un filtro audio passivo di band passivo del primo ordine

Questa è essenzialmente una combinazione di un filtro passa-alto e di basso passaggio in cui si sovrappongono le loro fasce.Questi filtri sono anche indicati come filtri T-NOTCH o RECTICI.

Filtro attivato a banda attivo

Include l'amplificazione dopo la sezione passiva per ripristinare la potenza del segnale negli intervalli di frequenza consentiti.Ancora una volta, la larghezza di banda dell'amp-amp deve essere adatta allo spettro filtrato.

Figura 11: filtro attivo a banda