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Un filtro de paso de banda ( BPF ) es un dispositivo que permite el paso de frecuencias dentro de un rango determinado y atenúa las frecuencias fuera de ese rango. Es lo opuesto a un filtro de rechazo de banda .
Descripción
En electrónica y procesamiento de señales, un filtro suele ser un circuito o dispositivo de dos puertos que elimina los componentes de frecuencia de una señal (una tensión o corriente alterna). Un filtro paso banda permite el paso de componentes dentro de una banda de frecuencias específica, denominada banda de paso , pero bloquea los componentes con frecuencias superiores o inferiores a esta banda. Esto contrasta con un filtro paso alto , que permite el paso de componentes con frecuencias superiores a una frecuencia específica, y un filtro paso bajo , que permite el paso de componentes con frecuencias inferiores a una frecuencia específica. En el procesamiento digital de señales , donde las señales representadas por números digitales son procesadas por programas informáticos, un filtro paso banda es un algoritmo informático que realiza la misma función. El término filtro paso banda también se utiliza para filtros ópticos , láminas de material coloreado que permiten el paso de una banda específica de frecuencias de luz, comúnmente utilizadas en fotografía e iluminación teatral, y filtros acústicos que permiten el paso de ondas sonoras de una banda específica de frecuencias.
Un ejemplo de filtro electrónico analógico de paso de banda es un circuito RLC (un circuito de resistencia - inductor - capacitor ). Estos filtros también pueden crearse combinando un filtro de paso bajo con un filtro de paso alto . [ 1 ]
Una señal de paso de banda es una señal que contiene una banda de frecuencias no adyacentes a la frecuencia cero, como una señal que sale de un filtro de paso de banda. [ 2 ]
Un filtro pasabanda ideal tendría una banda de paso completamente plana: todas las frecuencias dentro de la banda de paso pasarían a la salida sin amplificación ni atenuación, y atenuaría por completo todas las frecuencias fuera de la banda de paso.
En la práctica, ningún filtro paso banda es ideal. El filtro no atenúa completamente todas las frecuencias fuera del rango de frecuencia deseado; en particular, existe una región justo fuera de la banda de paso prevista donde las frecuencias se atenúan, pero no se rechazan. Esto se conoce como atenuación del filtro y se suele expresar en dB de atenuación por octava o década de frecuencia. Generalmente, el diseño de un filtro busca que la atenuación sea lo más estrecha posible, permitiendo así que el filtro funcione lo más cerca posible de su diseño previsto. A menudo, esto se logra a expensas de la ondulación en la banda de paso o en la banda de rechazo .
El ancho de banda del filtro es simplemente la diferencia entre las frecuencias de corte superior e inferior . El factor de forma es la relación entre los anchos de banda medidos con dos valores de atenuación diferentes para determinar la frecuencia de corte; por ejemplo, un factor de forma de 2:1 a 30/3 dB significa que el ancho de banda medido entre frecuencias con una atenuación de 30 dB es el doble que el medido entre frecuencias con una atenuación de 3 dB.
factor Q
Un filtro paso banda se caracteriza por su factor Q. El factor Q es el recíproco del ancho de banda fraccional . Un filtro con un factor Q alto tendrá una banda de paso estrecha, mientras que un filtro con un factor Q bajo tendrá una banda de paso ancha. Estos se denominan, respectivamente, filtros de banda estrecha y de banda ancha .
Aplicaciones
Los filtros paso banda se utilizan ampliamente en transmisores y receptores inalámbricos. La función principal de un filtro de este tipo en un transmisor es limitar el ancho de banda de la señal de salida a la banda asignada para la transmisión. Esto evita que el transmisor interfiera con otras estaciones. En un receptor, un filtro paso banda permite escuchar o decodificar señales dentro de un rango de frecuencias seleccionado, impidiendo el paso de señales en frecuencias no deseadas. Las señales en frecuencias fuera de la banda sintonizada del receptor pueden saturarlo o dañarlo. Además, pueden generar productos de mezcla no deseados que caen dentro de la banda e interfieren con la señal de interés. Los receptores de banda ancha son particularmente susceptibles a este tipo de interferencia. Un filtro paso banda también optimiza la relación señal-ruido y la sensibilidad del receptor.
Tanto en aplicaciones de transmisión como de recepción, los filtros de paso de banda bien diseñados, que poseen el ancho de banda óptimo para el modo y la velocidad de comunicación utilizados, maximizan el número de transmisores de señal que pueden existir en un sistema, al tiempo que minimizan la interferencia o la competencia entre las señales.
Fuera de la electrónica y el procesamiento de señales, un ejemplo del uso de filtros de paso de banda se encuentra en las ciencias atmosféricas . Es común aplicar un filtro de paso de banda a datos meteorológicos recientes con un rango de período de, por ejemplo, 3 a 10 días, de modo que solo los ciclones permanezcan como fluctuaciones en los campos de datos.
Cajas para altavoces
Compuesto o de paso de banda
Un filtro pasabanda eléctrico de cuarto orden puede simularse mediante una caja ventilada en la que la contribución de la cara posterior del cono del altavoz queda atrapada en una caja sellada, y la radiación de la superficie frontal del cono entra en una cámara con puerto. Esto modifica la resonancia del altavoz. En su forma más simple, una caja compuesta tiene dos cámaras. La pared divisoria entre las cámaras aloja el altavoz; normalmente, solo una de las cámaras tiene puerto.
Si la caja acústica a cada lado del woofer tiene un puerto, entonces ofrece una respuesta de paso de banda de sexto orden. Estas cajas son considerablemente más difíciles de diseñar y tienden a ser muy sensibles a las características del transductor. Al igual que en otras cajas réflex, los puertos generalmente se pueden reemplazar por radiadores pasivos si se desea.
Una caja de paso de banda de octavo orden es otra variante que también tiene un rango de frecuencia estrecho. Se utilizan a menudo en competiciones de nivel de presión sonora , en cuyo caso se emplea un tono grave de una frecuencia específica en lugar de cualquier sonido musical. Son complejas de construir y deben realizarse con mucha precisión para que funcionen casi como se espera. [ 3 ]
Ciencias económicas
Los filtros de paso de banda también pueden utilizarse fuera de las disciplinas relacionadas con la ingeniería. Un ejemplo destacado es su uso para extraer el componente del ciclo económico en series temporales. Esto revela con mayor claridad las expansiones y contracciones de la actividad económica que marcan la vida de la población y el desempeño de diversas empresas, por lo que resulta de interés para un amplio público de economistas y responsables políticos, entre otros.
Los datos económicos suelen tener propiedades estadísticas muy diferentes a las de, por ejemplo, los datos en ingeniería eléctrica. Es muy común que un investigador aplique directamente métodos tradicionales como el filtro "ideal", que presenta una función de ganancia perfectamente nítida en el dominio de la frecuencia. Sin embargo, al hacerlo, pueden surgir problemas importantes que causen distorsiones y hagan que la salida del filtro sea extremadamente engañosa. Como ejemplo ilustrativo, el uso de un filtro "ideal" sobre ruido blanco (que podría representar, por ejemplo, cambios en el precio de las acciones) crea un ciclo falso. El uso de la nomenclatura "ideal" implica implícitamente una suposición muy errónea, salvo en contadas ocasiones. No obstante, el uso del filtro "ideal" sigue siendo común a pesar de sus limitaciones.
Afortunadamente, existen filtros de paso de banda que evitan estos errores, se adaptan a las series de datos disponibles y proporcionan evaluaciones más precisas de las fluctuaciones del ciclo económico en series económicas importantes como el PIB real, la inversión y el consumo, así como sus subcomponentes. Un trabajo anterior, publicado en la Revista de Economía y Estadística en 2003, maneja de manera más eficaz el tipo de datos (estocásticos en lugar de deterministas) que surgen en macroeconomía. En este artículo titulado "Filtros generales basados en modelos para extraer tendencias y ciclos en series temporales económicas", Andrew Harvey y Thomas Trimbur desarrollan una clase de filtros de paso de banda adaptativos. Estos se han aplicado con éxito en diversas situaciones que involucran movimientos del ciclo económico en numerosos países de la economía internacional.
Comunicaciones inalámbricas 4G y 5G
Los filtros de paso de banda se pueden implementar en sistemas de comunicación inalámbrica 4G y 5G . Hussaini et al. (2015) afirmaron que, en la aplicación de la comunicación inalámbrica , el ruido de radiofrecuencia es una preocupación importante. [ 4 ] En el desarrollo actual de la tecnología 5G , se utilizan filtros de paso de banda planares para suprimir el ruido de RF y eliminar señales no deseadas .
Combinación, horquilla, línea acoplada en paralelo, impedancia escalonada e impedancia de stub son diseños experimentales del filtro paso banda para lograr una baja pérdida de inserción con un tamaño compacto. [ 5 ] La necesidad de adoptar una respuesta de frecuencia asimétrica se debe a la reducción del número de resonadores , la pérdida de inserción , el tamaño y el costo de producción del circuito .
El filtro pasabanda de acoplamiento cruzado de 4 polos fue diseñado por Hussaini et al. (2015). [ 4 ] Este filtro pasabanda está diseñado para cubrir el espectro de 2,5-2,6 GHz y 3,4-3,7 GHz para las aplicaciones de comunicación inalámbrica 4G y 5G respectivamente. Se desarrolló y extendió a partir de un filtro pasabanda de banda única de 3 polos, donde se aplicó un resonador adicional a un filtro pasabanda de banda única de 3 polos. El filtro pasabanda avanzado tiene un tamaño compacto con una estructura simple, lo que facilita su implementación. Además, el rechazo de banda de parada y la selectividad presentan un buen rendimiento en la supresión de ruido de RF . La pérdida de inserción es muy baja al cubrir el espectro 4G y 5G , mientras que proporciona una buena pérdida de retorno y retardo de grupo .
recolectores de energía
Los recolectores de energía son dispositivos que buscan energía del entorno de manera eficiente. Se pueden implementar filtros de paso de banda en los recolectores de energía convirtiendo la energía generada por vibración en energía eléctrica. El filtro de paso de banda diseñado por Shahruz (2005) es un conjunto de vigas en voladizo [ 6 ] , denominado sistema viga-masa. Este conjunto de sistemas viga-masa se puede transformar en un filtro de paso de banda al elegir las dimensiones adecuadas de las vigas y las masas. Si bien el proceso de diseño de un filtro de paso de banda mecánico está avanzado, aún se requieren más estudios y trabajo para diseñar filtros de paso de banda más flexibles que se adapten a amplios intervalos de frecuencia. Este filtro de paso de banda mecánico podría utilizarse en fuentes de vibración con distintas frecuencias de potencia pico.
Otros campos
En neurociencia , David Hubel y Torsten Wiesel demostraron por primera vez que las células simples de la corteza visual tienen propiedades de respuesta que se asemejan a los filtros de Gabor , que son de paso de banda. [ 7 ]
En astronomía , los filtros de paso de banda se utilizan para permitir que solo una porción del espectro de luz entre en un instrumento. Estos filtros pueden ayudar a determinar la posición de las estrellas en la secuencia principal , identificar desplazamientos al rojo y tienen muchas otras aplicaciones.
Véase también
Referencias
- ^ ER Kanasewich (1981). Análisis de secuencia temporal en geofísica . Universidad de Alberta. pag. 260.ISBN 0-88864-074-9.
- ↑ Belle A. Shenoi (2006). Introducción al procesamiento digital de señales y al diseño de filtros . John Wiley and Sons. pág. 120. ISBN 978-0-471-46482-2.
- ↑ "Caja de subwoofer, de sexto y octavo orden/bass reflex y paso banda" .
- ^ Hussaini , Abubakar S.; Abdulraheem, Yasir I.; Voudouris, Konstantinos N.; Mohammed, Buhari A.; Abd-Alhameed, Raed A.; Mohammed, Husham J.; Elfergani, Issa; Abdullah, Abdulkareem S.; Makris, Dimitrios (1 de mayo de 2015), "Green Flexible RF for 5G" , en Rodriguez, Jonathan (ed.), Fundamentals of 5G Mobile Networks , Chichester, Reino Unido: John Wiley & Sons, Ltd, págs. 241–272 , doi : 10.1002/9781118867464.ch11 , ISBN 978-1-118-86746-4Consultado el 17 de junio de 2023.
- ↑ Al-Yasir, Yasir IA; OjaroudiParchin, Naser; Abdulkhaleq, Ahmed; Hameed, Khalid; Al-Sadoon, Mohammed; Abd-Alhameed, Raed (julio de 2019). "Diseño, simulación e implementación de un filtro pasabanda de microcinta de doble banda muy compacto para aplicaciones 4G y 5G" . 2019 16.ª Conferencia Internacional sobre Métodos de Síntesis, Modelado, Análisis y Simulación y Aplicaciones al Diseño de Circuitos (SMACD) . págs. 41–44 . doi : 10.1109/SMACD.2019.8795226 . ISBN 978-1-7281-1201-5. S2CID 201066971 .
- ↑ Shahruz, SM (9 de mayo de 2006). "Diseño de filtros mecánicos de paso de banda para recolección de energía" . Journal of Sound and Vibration . 292 ( 3–5 ): 987–998 . Bibcode : 2006JSV...292..987S . doi : 10.1016/j.jsv.2005.08.018 . ISSN 0022-460X .
- ↑ Norman Stuart Sutherland (1979). Ensayos tutoriales de psicología . Lawrence Erlbaum Associates. pág. 68. ISBN 0-470-26652-X.
Enlaces externos
Contenido multimedia relacionado con filtros de paso de banda en Wikimedia Commons.
- Respuesta en frecuencia del filtro
- Filtros lineales
- Módulos sintetizadores