Filtro de paso de banda
Un filtro de paso de banda o filtro de paso de banda (BPF) es un dispositivo que deja pasar frecuencias dentro de un rango determinado y las rechaza (atenúa) frecuencias fuera de ese rango.
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 (un voltaje o corriente alterna). Un filtro de paso de banda permite el paso de componentes en una banda de frecuencias específica, denominada banda de paso, pero bloquea los componentes con frecuencias por encima o por debajo de esta banda. Esto contrasta con un filtro de paso alto, que permite pasar componentes con frecuencias por encima de una frecuencia específica, y un filtro de paso bajo, que permite pasar componentes con frecuencias por debajo de una frecuencia específica. En el procesamiento de señales digitales, en el que las señales representadas por números digitales son procesadas por programas de computadora, un filtro de paso de banda es un algoritmo de computadora que realiza la misma función. El término filtro de paso de 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 un filtro de paso de banda electrónico analógico es un circuito RLC (un circuito de resistencia-inductor-condensador). Estos filtros también se pueden crear combinando un filtro de paso bajo con un filtro de paso alto.
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.
Un filtro de paso de banda 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 atenuarían por completo todas las frecuencias fuera de la banda de paso.
En la práctica, ningún filtro de paso de banda es ideal. El filtro no atenúa completamente todas las frecuencias fuera del rango de frecuencia deseado; en particular, hay una región justo fuera de la banda de paso deseada donde las frecuencias se atenúan, pero no se rechazan. Esto se conoce como caída del filtro y generalmente se expresa en dB de atenuación por octava o década de frecuencia. En general, el diseño de un filtro busca hacer que la caída sea lo más estrecha posible, lo que permite que el filtro funcione lo más cerca posible de su diseño previsto. A menudo, esto se logra a expensas de la onda de banda de paso o de banda de parada.
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 de anchos de banda medidos utilizando 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 a 30 dB de atenuación es el doble del medido entre frecuencias. a una atenuación de 3 dB.
Factor Q
Un filtro de paso de banda se puede caracterizar por su factor Q. El factor Q es el recíproco del ancho de banda fraccional. Un filtro Q alto tendrá una banda de paso estrecha y un filtro Q bajo tendrá una banda de paso ancha. Estos se denominan respectivamente filtros de banda estrecha y banda ancha.
Aplicaciones
Los filtros de paso de banda se utilizan ampliamente en transmisores y receptores inalámbricos. La función principal de dicho filtro 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 de paso de banda permite que las señales dentro de un rango seleccionado de frecuencias se escuchen o decodifiquen, al tiempo que evita que pasen señales en frecuencias no deseadas. Las señales en frecuencias fuera de la banda en la que está sintonizado el receptor pueden saturar o dañar el receptor. Además, pueden crear productos de mezcla no deseados que caen en la banda e interfieren con la señal de interés. Los receptores de banda ancha son particularmente susceptibles a tales interferencias. Un filtro de paso de banda también optimiza la relación señal-ruido y la sensibilidad de un receptor.
Tanto en aplicaciones de transmisión como de recepción, los filtros de paso de banda bien diseñados, que tienen el ancho de banda óptimo para el modo y la velocidad de comunicación que se utilizan, maximizan la cantidad de transmisores de señal que pueden existir en un sistema, al tiempo que minimizan la interferencia o la competencia entre señales
Aparte 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 filtrar por paso de banda 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.
Caja de altavoces
Compuesto o paso de banda
Se puede simular un filtro de paso de banda eléctrico de cuarto orden mediante una caja ventilada en la que la contribución de la cara posterior del cono del controlador queda atrapada en una caja sellada y la radiación de la superficie frontal del cono se encuentra en una cámara con puerto.. Esto modifica la resonancia del conductor. En su forma más simple, un recinto compuesto tiene dos cámaras. La pared divisoria entre las cámaras sostiene al conductor; por lo general, solo se conecta una cámara.
Si la caja a cada lado del woofer tiene un puerto, la caja produce una respuesta de paso de banda de sexto orden. Estos son considerablemente más difíciles de diseñar y tienden a ser muy sensibles a las características del controlador. Como en otros gabinetes reflex, los puertos generalmente se pueden reemplazar por radiadores pasivos si se desea.
Una caja de paso de banda de octavo orden es otra variación que también tiene un rango de frecuencia estrecho. A menudo se usan en competencias de nivel de presión de sonido, en cuyo caso se usaría un tono de bajo de una frecuencia específica en lugar de algo musical. Son complicados de construir y deben hacerse con bastante precisión para que funcionen casi como se esperaba.
Economía
Los filtros de paso de banda también se pueden usar fuera de las disciplinas relacionadas con la ingeniería. Un ejemplo destacado es el uso de filtros de paso de banda para extraer el componente del ciclo económico en series temporales económicas. Esto revela más claramente las expansiones y contracciones en la actividad económica que dominan la vida del público y el desempeño de diversas empresas y, por lo tanto, es de interés para una amplia audiencia de economistas y formuladores de políticas, entre otros.
Los datos económicos suelen tener propiedades estadísticas bastante diferentes a las de los datos de, por ejemplo, la ingeniería eléctrica. Es muy común que un investigador traslade directamente métodos tradicionales como el "ideal" filtro, que tiene una función de ganancia perfectamente nítida en el dominio de la frecuencia. Sin embargo, al hacerlo, pueden surgir problemas sustanciales que pueden causar distorsiones y hacer que la salida del filtro sea extremadamente engañosa. Como caso conmovedor y simple, el uso de un "ideal" El filtro de 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 falaz salvo en contadas ocasiones. Sin embargo, el uso del "ideal" El filtro sigue siendo común a pesar de las serias limitaciones del filtro y la probabilidad de engaños clave.
Afortunadamente, hay disponibles filtros de paso de banda que evitan tales errores, se adaptan a las series de datos disponibles y brindan evaluaciones más precisas de las fluctuaciones del ciclo económico en las principales series económicas, como el PIB real, la inversión y el consumo, como así como sus subcomponentes. Un trabajo anterior, publicado en Review of Economics and Statistics en 2003, maneja con mayor eficacia el tipo de datos (estocásticos en lugar de deterministas) que surgen en la macroeconomía. En este documento 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 muchas situaciones que involucran movimientos del ciclo económico en una miríada de naciones en 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. En el desarrollo actual de la tecnología 5G, los filtros de paso de banda más planos se utilizan para suprimir los ruidos de RF y eliminar las señales no deseadas.
La combinación, la horquilla, la línea acoplada en paralelo, la impedancia escalonada y la impedancia stub son los diseños de experimentación del filtro de paso de banda para lograr una pérdida de inserción baja con un tamaño compacto. La necesidad de adoptar una respuesta de frecuencia asimétrica es para reducir el número de resonadores, la pérdida de inserción, el tamaño y el costo de producción del circuito.
El filtro de paso de banda de acoplamiento cruzado de 4 polos está diseñado por Hussaini et al. (2015). Este filtro de paso de banda 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 desarrolla y amplía a partir de un filtro de paso de banda de una sola banda de 3 polos, donde se aplica un resonador adicional a un filtro de paso de banda de una sola banda de 3 polos. El filtro de paso de banda avanzado tiene un tamaño compacto con una estructura simple, que es conveniente para la implementación. Además, el rechazo y la selectividad de la banda de parada presentan un buen rendimiento en la supresión del ruido de RF. La pérdida de inserción es muy baja cuando cubre el espectro 4G y 5G, al tiempo que proporciona una buena pérdida de retorno y retardo de grupo.
Carroñeros de energía
Los captadores de energía son dispositivos que buscan energía del entorno de manera eficiente. Los filtros de paso de banda se pueden implementar en los captadores de energía convirtiendo la energía generada por la vibración en energía eléctrica. El filtro de paso de banda diseñado por Shahruz (2005), es un conjunto de vigas en voladizo, que se denomina sistema viga-masa. El conjunto de sistemas de masa-haz se puede transformar en un filtro de paso de banda cuando se eligen las dimensiones apropiadas de las vigas y las masas. Aunque 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 intervalos de frecuencia más grandes. Este filtro de paso de banda mecánico podría usarse en fuentes de vibración con distintas frecuencias de potencia máxima.
Otros campos
En neurociencia, David Hubel y Torsten Wiesel demostraron por primera vez que las células simples corticales visuales tienen propiedades de respuesta que se asemejan a los filtros Gabor, que son de paso de banda.
En astronomía, los filtros de paso de banda se utilizan para permitir que solo una parte del espectro de luz entre en un instrumento. Los filtros de paso de banda pueden ayudar a encontrar dónde se encuentran las estrellas en la secuencia principal, identificar los desplazamientos al rojo y muchas otras aplicaciones.
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