通信中多種多樣的濾波器

濾波器在通信系統中無處不在，從體積上看，有尺寸龐大的腔體濾波器，有中等的SAW濾波器，還有較小的表貼濾波器。從功能上看，毫無疑問，每種濾波器都有濾波的作用，但是細分到每個功能，濾波器起到的作用還不完全相同。從實現角度來說，每個濾波器的實現方式也均不相同，有的是通過電磁諧振原理來實現，有的是通過薄膜技術來實現，甚至有的是用戶自己搭建RLC電路來實現，不同的實現方式，濾波器呈現出來的特性也是不一樣的，適用的場景也不盡相同。

不同濾波器扮演的角色

在通信系統中，射頻濾波器是在通信鏈路的前端，射頻濾波器的性能好壞直接影響到接收信號的質量，如果過濾不充分，很多信號很可能疊加到帶內。對于中頻頻段的信號，一般是通過下變頻得到，在下變頻過程中會產生互調，諧波，載波泄露，二中頻等能量，這個需要中頻濾波器過濾來盡可能的較小這些信號的能量，否則也很有可能在后面的電路中產生交調，混疊等現象。同樣，信號到達基帶后，需要給信號做進一步的更嚴格的濾波器，這個時候通常使用數字濾波器，數字濾波器的好壞很會影響到靈敏度，雜散等指標。

圖1. 典型通信鏈路

01.射頻前端濾波器

在絕大多數無線通信系統中，一般天線是是射頻鏈路最前端的一個功能模塊，主要負責以電磁波的形式發送信號到空口或者從空口接收電磁波。作為一個系統中最前端的哨衛，它不僅需要發射電磁波，還需要發射帶內有用的電磁波，也就是說發射的電磁波只能在規定的頻帶內，頻帶外的電磁波盡可能的減小，防止影響到其他的通信射頻通道。同樣，在接收信號的時候，盡可能的接收有用信號，過濾掉帶外的信號，否則可能會造成帶外引起接收機飽和或者帶外信號的交調產物落在帶內，而這些過濾的操作，都需要射頻濾波器來完成。

1前端濾波器插損

在發射鏈路上，功放的輸出功率尤為重要，這涉及到發射覆蓋的距離。而從前面分析，濾波器一般位于功放輸出和天線之間，濾波器的插損直接影響到功放輸出功率的衰減，所以濾波器的插損在發射端尤為重要。

在接收鏈路上，接收機的靈敏度是一個重要的指標，而和接收機靈敏度直接相關的是接收機的噪聲系數，由噪聲系統的特點可知，第一級的噪聲系數最為重要，而為了防止帶外壓縮低噪放，通常會把接收機的低噪放放在濾波器后面，也就是濾波器的插損直接影響到接收機的噪聲系數，從而影響靈敏度。

2前端濾波器抑制

在通信系統中，一般都會有一個發射模板，規定了發射信號在整個射頻帶寬內及相鄰頻段的最大允許功率譜密度（PSD），即信號能量在不同頻率點的分布上限，如同 “頻域上的輪廓線”，要求信號能量必須限制在輪廓線以內，超出部分視為不合格（即帶外輻射超標）。譬如在5G系統中，正確的發射5G信號確保 5G 信號不會泄漏到相鄰頻段（如廣播電視、衛星通信頻段），避免干擾其他系統。符合國際 / 地區頻譜管理機構（如 ITU、FCC、**無線電管理委員會）的監管要求。通過限制信號帶寬和雜散輻射，為相鄰頻段的其他業務（如 4G、Wi-Fi）留出清晰的保護間隔。這些發射的要求對濾波器要求甚高，即濾波器在帶外抑制要高。

在接收鏈路，濾波器起到過濾帶外干擾信號的作用，帶外的干擾直接影響到接收機的性能，帶外的信號形式多種多樣，可能是寬帶信號，也可能是單音信號，如果帶外信號太大，進入射頻鏈路，在放大器，混頻器上會產生交調產物，有些交調產物可能會落在帶內，影響正常的有用信號，而這些新產生的帶內或者臨頻干擾信號一般是不能通過后續的濾波器徹底濾除的。

綜上所述，不論在發射鏈路還是接收鏈路，濾波器的插損都顯得尤為重要，它影響發射機和接收機最關鍵的性能指標。

同樣，在有些特殊通信鏈路上，第一級的濾波器插損也決定了接收機的靈敏度，譬如說射頻儀器本身頻譜儀，在低頻，頻譜儀的射頻前端一般為低通或者帶通濾波器，濾除高頻頻率，防止高頻鏡像出現。而在高頻，會有帶通濾波器，濾除帶外信號。特別是在高頻階段，帶通濾波器的選擇尤為關鍵，一旦鏡像頻率落進來，就會產生誤測。

02.中頻濾波器

這里的中頻濾波器，一般是指混頻器后面的濾波器。混頻器后的濾波器是頻率選擇和干擾抑制的 “守門人”，其核心作用是通過精確的頻率選擇性，保留目標中頻信號，剔除鏡像頻率、諧波、雜散及噪聲，為后續的放大、解調、A/D 轉換等環節提供純凈的信號源，直接影響整個射頻系統的靈敏度、抗干擾能力和信號處理精度。

混頻器工作時，除了產生所需的目標頻率（如差頻，即中頻信號），還會生成 “鏡像頻率”（與目標頻率關于本振頻率對稱的干擾頻率）。若不抑制，鏡像頻率會與目標信號一起進入后續電路，導致信號失真或信噪比下降。例如：當需要將射頻信號（f_RF）與本振信號（f_LO）混頻得到中頻信號（f_IF = f_RF - f_LO）時，若存在頻率為 f_IM = f_LO + f_IF 的鏡像信號，會與本振混頻后同樣產生 f_IF，造成干擾。此時濾波器需濾除 f_IM，僅保留目標中頻 f_IF。混頻器的非線性特性會導致輸入信號、本振信號的諧波（如 2f_RF、3f_LO 等）以及它們之間的組合頻率（如 f_RF + 2f_LO、3f_RF - f_LO 等），這些雜散頻率若進入后續電路，會成為干擾源。濾波器需通過特定的頻率選擇性（如帶通特性），只允許目標中頻信號通過，衰減所有諧波和雜散成分，保證信號純凈。混頻過程中可能引入噪聲（如本振相位噪聲、混頻器自身噪聲），濾波器通過抑制帶外干擾和噪聲，減少進入后續放大、解調電路的無用信號，從而提升系統的信噪比。一般中頻濾波器對插損要求沒有那么嚴格，但是對抑制要求很高，有時候經常用SAW濾波器作為混頻后的濾波器。

圖2. 典型混頻寄生產物

03.抗混疊濾波器

抗混疊濾波器（Anti-aliasing Filter）是模擬信號轉換為數字信號（A/D 轉換）前的關鍵器件，其核心作用是防止 “混疊現象”（Aliasing）的發生，確保數字信號能準確還原原始模擬信號。根據奈奎斯特采樣定理，若要無失真地從采樣信號中恢復原始模擬信號，采樣頻率f_s必須至少是信號最高頻率f_max的 2 倍,即f_s >2f_max。若信號中存在高于f_s/2（奈奎斯特頻率）的頻率成分，這些高頻信號會 “折疊” 到0 ~f_s/2的低頻范圍內，與原有低頻信號重疊，形成無法區分的 “混疊頻率”，導致數字信號失真。若未使用抗混疊濾波器，混疊產生的虛假頻率會混入數字信號，此時需通過復雜的數字濾波剔除，但數字濾波無法完全消除已發生的混疊（因虛假頻率與真實頻率已重疊）。抗混疊濾波器在模擬階段提前濾除高頻干擾，可大幅降低后續數字處理的難度，減少數字濾波器的設計復雜度（如無需設計陡峭的高頻衰減特性）。總之，抗混疊濾波器是 A/D 轉換前的 “預處理屏障”，通過嚴格限制信號帶寬至采樣頻率的一半以內，從物理層面阻止高頻信號導致的混疊失真，確保數字信號能真實反映原始模擬信號的頻率特性。其性能（如截止頻率精度、衰減速率）直接影響數字系統的信號還原質量。

04.數字濾波器

數字濾波器最核心的作用是對信號的頻率成分進行選擇性處理，保留有用頻率、濾除無用頻率，實現信號的分離與提取。實際信號往往混雜噪聲（如電路熱噪聲、環境干擾），數字濾波器可通過設計特定的頻率響應，衰減噪聲頻率成分，提升信號的信噪比（SNR）。相比模擬濾波器，數字濾波器可實現更陡峭的滾降特性（即從通帶到阻帶的衰減速度更快），能更精確地分離信號與噪聲（尤其是當信號與噪聲頻率接近時）。例如：在雷達信號處理中，目標回波信號可能被強雜波（如地面反射）掩蓋，通過自適應數字濾波器可動態抑制雜波頻率，突出目標信號。所以，數字濾波器是信號處理和基帶算法中很重要的一環，它可以通過不同形式的變換來實現既定的解調，特定算法等目標。