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了解濾波器

No.41   1996 June.   p102~105,   by 編輯部



    無線電通訊的擁擠情況和道路交通一樣,一年比一年嚴重,對於喜愛收聽短波或監聽無線電的朋友,只好把眼光投注在濾波器上,盼能以消極的方式來解決訊號彼此干擾的問題。

    所謂濾波器是指一種線路或是一種零件,它可以用來讓某些訊號通過,而把某些訊號排除在外,當然這訊號可能是射頻或是聲頻。如果好好掌握濾波器的特性並正確使用,可能讓你有機會聽清楚原本無法收聽到的訊號;當然,要是誤用了濾波器,也會有很大的副作用,可能比不使用濾波器還糟糕。因此,要使用濾波器的話,就要先了解濾波器。

    大多數的商用無線電接收機,都預留有可以選購的濾波器,要不然也有外接的各式濾波器可以當成輔助設備來用。然而要正確選用接收機裡標準的濾波器並不簡單,更何況是配備選用的濾波器或是選用輔助濾波器設備,更非下功夫不可。

    選用濾波器就像是用人一樣,沒有絕對的好壞,要因地制宜。使用在一般 AM 接收機的濾波器,用在 RTTY 就行不通,反之亦然。所以要好好使用接收機上的濾波器,或是選用適當的濾波器設備,就要先了解有關濾波器的一些基本工作原理才行。有許許多多的遠距離訊號正等待著你使用正確的濾波器去捕捉它呢!


Fig 01
圖 1:帶通濾波器 (Bandpass Filter) 。帶通濾波器可以讓一小段連續頻率的訊號通過,而把其餘的訊號屏除在外。
Fig 02
圖 2:低通濾波器 (Low Pass FIlter) 這種濾波器可以讓截止頻率以下的訊號完全通過;高過截止頻率的訊號則無法通過。
Fig 03
圖 3:高通濾波器 (High Pass FIlter) 曲線與圖 2 相反”
Fig 04
圖 4:帶陷濾波器的曲線 (Notch FIlter)。帶陷濾波器可以把訊號中的一小片訊號抓出來。

濾波器的基本種類

    濾波器一點都不神祕。我們可以把濾波器想像成河流或水壩閘門一樣,閘門可以控制水量,而濾波器則可以控制聲頻或是射頻訊號的通過,一般閘門可以阻擋大量的訊號,而只讓少量的訊號通過,這對接收機而言,就是選擇性。

    有些濾波器的工作頻率在射頻,有些則在聲頻,例如一般 AM 接收機的 455KHz 中頻濾波器就是在射頻範圍,而有些濾波器則是在聲頻範圍工作,頻率大約都在 300Hz 到 20KHz 之間,但是不論工作的頻率是聲頻或射頻,使用在接收機上的濾波器種類可分成四類:「帶通」、「帶陷」、「低通」、及「高通濾波器」。

    圖 1 所示曲線是帶通濾波器 (Bandpass Filter) 的典型反應,從曲線可以看出來,帶通濾波器可以讓一小段連續頻率的訊號通過,而把其餘的訊號摒除在外。

    提到接收機的「選擇性」,最容易聯想到的是帶通濾波器,例如一般 AM 接收機有大約 6KHz 左右頻寬的帶通濾波器,這就表示此濾波器可以讓連續 6KHz 的訊號通過 (9657KHz 到 9663KHz 之間),就因為 AM 廣播訊號所佔的頻寬大約是 6KHz,所以這樣的濾波器很適合 AM 接收機。

    圖 2 所示是一低通濾波器 (Low Pass Filter) 曲線,這種濾波器可以讓某一稱為「截止頻率」以下的訊號完全通過,而高過截止頻率的訊號無法通過。

    圖 3 所示的曲線則相反,稱為高通濾波器 (High Pass Filter)。至於帶陷濾波器 (Notch Filter),則可以看成是與帶通互補的濾波器,只不過是帶陷濾波器的頻寬通常都遠比帶通濾波器還小。

    圖 4 所示是帶陷濾波器的曲線,帶陷濾波器可以把訊號中一小片訊號抓出來,例如使用 6KHz 頻寬的濾波器收聽 AM 訊號,一切正常,只是訊號裡頭夾雜著有一 CW 訊號,那麼就可以利用帶陷濾波器把這 CW 訊號抓出來,此時帶陷濾波器發揮了功用,把 CW 訊號去除了,卻不會影響到 AM 訊號。


如何描述濾波器的特性

    我們要比較一只濾波器的優劣,如何下手?1.8KHz / -6dB 的濾波器跟 5.0KHz / -60dB 的濾波器如何比較?或者是 3.0KHz / -6dB 及 6.0KHz / -60dB 的濾波器特性孰佳?

    先不談優劣好壞,那 1.8KHz / -6dB 是什麼意思?再回頭來看圖 1 所示的帶通濾波器曲線。接收機的「選擇性」定義,就是對於頻寬外的訊號的排斥能力,圖 1 在帶通中央頻率上下各 3KHz 處,對於訊號的衰減程度不大,這個 6KHz 頻寬的帶通曲線,就是一般 AM 接收機的濾波器特性。如果再把中央頻率往下移 4.5KHz,也就是離中央頻率 7.5KHz,那這些訊號的衰減就相當大了。

    為了表示濾波器在離中央頻率多遠時,可以把干擾訊號衰減到一定的量,就有個標準出來了。通常接收機的選擇性 (相當於帶通濾波器的帶通曲線) 是以 -6dB 及 -60dB 衰減量來描述帶通濾波器特性曲線的。

    「dB」是指「分貝」,它是一種測量訊號變化時的振幅或是強度變化量,當我們說這接收機的選擇性是 6KHz / -6dB 時,這就表示,當訊號在離中央頻率± 3KHz 時,訊號會有 6dB 以上的衰減量,那 6dB 的衰減有多大呢?這就相當於強度只有原來的四分之一。

    一只 6KHz / -6dB 的濾波器,它在 15KHz 頻寬下,有可能是 -60dB,這也就是說,在± 7.5KHz 下,訊號的衰減量可以達到 60dB,這相當於只剩下原來的百萬分之一的強度。而在帶通濾波器的選擇性曲線上,-6dB 及 -60dB 點上的頻率值就構成了這帶通曲線的裙帶特性,好的帶通濾波器的裙帶特性因子可以達到 2:1,例如一在 6KHz 有 -6dB,在 15KHz 是 -60dB 的濾波器,頻率離 5KHz 的訊號依然有很大的干擾威脅,如果採用 6KHz / -6dB,10KHz / -60dB 的帶通濾波器,則這干擾就幾乎不存在了。


選用哪種濾波器比較好?

    1.8KHz / -6dB 的濾波器跟 5.0KHz / - 60dB 的濾波器如何比較?或者是 3.0KHz / - 6dB 及 6.0KHz / -60dB 的濾波器特性孰佳?光是這些數據根本不能談優劣說好壞,只能說那要依用途而定。

    假如在有嚴重干擾的情況下要接收 AM 訊號,那就必須使用 3.0KHz / -6dB 的濾波器,而同樣情況下,如要接收的是單邊帶訊號或是 RTTY 訊號,那就必須選用 1.8KHz / -6dB 的濾波器。

    一只濾波器的頻寬是好是壞,還要看用在什麼地方,一只 3.0KHz 頻寬的濾波器可以讓你接收 AM 的載波及上下邊帶其中的一個邊帶,這樣聽起來聲音還算可以清晰理解;而如果採用 1.8KHz 頻寬的濾波器,則會因為頻寬太窄,失去太多的訊息成份,失真過大,而無法聽清楚聲音的內容。相反地,1.8KHz 頻寬的濾波器對於 RTTY 訊號非常適合,如果改用 3KHz 頻寬的濾波器,就會因為頻寬過大而容易招來雜訊干擾。

    下面是一些簡易的原則,可以藉以選擇濾波器頻寬時的參考,所提的頻寬都是 -6dB 頻寬:

    一般的 AM 訊號,包括短波廣播,以 4~6KHz 為宜,如果訊號特別微弱或干擾情況嚴重,可以選擇更窄的頻寬,比如 2.5KHz 或是 3KHz,這樣雖然聲音會有比較明顯的失真,但縮小頻寬可以聽清楚較大頻寬無法收聽清楚的訊號。

    至於一般接收單邊帶訊號的頻寬正常是設定在 2KHz 到 2.7KHz 之間,雖然接收 RTTY 訊號以使用 1.8KHz 為佳,但是單邊帶頻寬的濾波器也適合用在接收 RTTY;至於更窄頻寬的 500Hz 或更小,都適用於接收 CW 訊號的。一般而言,接收機使用的濾波器的裙帶特性因子,至少要有 2:1 以下。


石英晶體式、機械式、及陶瓷式濾波器

Fig 05
圖 5:左起為石英晶體式、陶瓷式、機械式濾波器。

    如果仔細一點的話,你可以發現接收機上的規格會提到濾波器的形式是石英晶體式、機械式、或是陶瓷式濾波器,這些不同種類的濾波器有什麼差別呢?參看圖 5,是各類濾波器的外形。

    這些種類不同的濾波器卻都是利用相同的工作原理,也就是「壓電效應」,這是一種可以把電能與機械震動做互相轉換的一種材料,這原理背後當然隱藏著許多硬梆梆的原理,但不論是石英晶體式、機械式、或是陶瓷式,都被切割成可以針對某個頻率振盪,而上下頻率效率很低,這就構成了帶通濾波器。

    石英晶體式及機械式濾波器的選擇性很驚人,有時這類濾波器的裙帶特性因子可以低到 15:1,甚至更低。使用起配備有石英晶體式及機械式濾波器的接收機真是舒爽,因為再也聽不到旁邊頻率的雜訊。目前新式的接收機大都以採用石英晶體式濾波器為主,而老式的真空管接收機則以機械式濾波器為主,看來要使用哪一類濾波器也不是自己能作主的。

    陶瓷式濾波器顯然比石英晶體式及機械式濾波器還差,陶瓷式濾波器的裙帶特性因子很差,實際上,陶瓷式濾波器大多是用在中頻線路,代替傳統的調諧線路,這可以簡化接收機的線路,這是它的主要目的,而不像是石英晶體式及機械式濾波器可以用來改善性能。


使用帶陷濾波器

    如果能夠真正了解帶陷濾波器,它可以帶來很大的好處。帶陷濾波器有兩類,一種在中頻線路中的,就稱為「中頻帶陷濾波器」,而在聲頻頻線路內的,就叫做「聲頻帶陷濾波器」。「中頻帶陷濾波器」實際上就是在中頻線路中,把通過帶通濾波器的訊號中的部份訊號去除;「聲頻帶陷濾波器」的作用是在聲頻部份。這兩種帶陷濾波器的主要功用是去除超外差式接收機的外差叫聲或是 CW 訊號。一般說來,「中頻帶陷濾波器」的效率比「聲頻帶陷濾波器」還好。

    因為帶陷濾波器的作用只有幾百 Hz 左右,因此在調整時就要特別小心,才能有效地發揮帶陷濾波器的功用,調整除了要特別細心外,動作也要特別慢猴急不得,而且要求也很嚴格,別看帶陷濾波器的調整只差那麼一點點,對於去除超外差叫聲及干擾的作用差別卻是有天壤之別。有些朋友操作接收機上的帶陷濾波器鈕就好像是旋轉音量旋鈕一樣,這是錯誤的,因為最恰當的的帶陷濾波器點可能一溜煙就跑掉了,所以操作帶陷濾波器千萬要記得別操之過急。


聲頻濾波器

    聲頻濾波器的主要作用是在聲頻範圍,這與其他濾波器一樣,分為帶通、低通、高通、及帶陷濾波器。雖然聲頻濾波器不能像是中頻濾波器那麼有效率可以改善接收機的選擇性,實際上在聲頻濾波器上,對於鄰近頻率干擾是束手無策的。但是如果監聽的是 CW 訊號,那麼聲頻濾波器就有發揮的空間了,因為 CW 訊號通常是一種頻寬不大的音調,這對於聲頻濾波器而言還算有很高的效率。

    當然,聲頻濾波器也有不少好處,例如它有時能像是等化器一樣,可以隨個人喜好,調整高低音的成份。最近甚為流行的數位訊號處理 (Digital Signal Processor),利用電腦技術,把聲頻訊號數位化、各類運算、再轉回類比聲音。這類濾波器有令人意想不到的效果,也可以這樣說:數位訊號處理勢必帶來另一波的聲頻濾波器使用潮。 END

    主要參考資料:Figuring out filters, by Harry Helms.



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