在振动噪声信号测量过程中，总是会遭遇或大或小的干扰信号，如50Hz工频干扰、毛刺、直流偏置、零漂等，因此，我们希望弱化，甚至是移除信号中这些不想要的成分；另一方面，在一些信号处理应用中，如噪声A计权和人体振动计权中，我们又要增强信号中的某些频率成分，如A计权会增强1~5kHz的频率成分。因而，在这些应用场景中，滤波器是一个不可或缺的工具。为各种用途设计合适的滤波器是信号处理领域很重要的一部分，这其中需要对信号处理的许多方面进行深入了解才能正确设计。在本文中，我们不讨论滤波器的设计，仅从应用层面来讨论它的一些基本概念与应用注意事项等。
—、滤波器的功能作用
在振动噪声测量中，滤波器主要用于改变时域信号的频率成分，如衰减或放大某些频率成分，或从有用信号中分离出（移除）不想要的信号成分。成功分离出有用信号和干扰信号的先决条件是两个信号的频率范围不同。虽然大多数滤波器工作在时域（对时域信号滤波），但在频域展示滤波器特性更直观。以下是几种常见滤波器的典型应用场景：
模数转换前抑制混叠（抗混叠）；
在测量信号中，对传感器固有频率的抑制；
移除不想要的信号成分（如噪声，电磁干扰等，图1a）；
消除测量信号的零漂（图1b）；
移除信号中的毛刺（图2）；
突出某些频率成分（如A计权、人体振动计权）等。
图1 对测试数据进行滤波。(a)低通滤波（LP）消除高频成分，(b)高通滤波（HP）抑制偏置和低频成分
图2 移除信号中的毛刺：滤波前（上）和滤波后（下）
一个信号有三个基本要素：幅值、频率成分和相位。当改变信号三要素中任一个或多个要素时，都可以认为是进行了滤波操作，因此，窗函数也可以认为是一个滤波器。
02、滤波器的类型
根据不同的定义，滤波器有不同的分类。根据被滤波的信号类型不同，可以分为
模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器根据实现方式分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器也称为被动型滤波器；有源滤波器也称为主动型滤波器。根据算法的不同，数字滤波器分为IIR（无限脉冲响应）和FIR
（有限脉冲响应）滤波器。
滤波器依据频率对输入信号进行放大或衰减或移除，并在信号传播一段时间后输出，用传递函数（滤波器特性）来描述滤波器的传递行为。根据幅频响应的不同，滤波器分为以下的功能类型（图3）：
低通：允许低频成分通过，高频成分被阻隔（如抑制传感器的固有频率）；
高通：允许高频成分通过，低频成分包括直流分量被阻隔（如抑制零漂）；
带通：允许某一特定频带的信号通过（通带），其他所有频带成分都被阻隔（如窄带分析）；
带阻：特定频带被阻隔（抑制范围），所有其他频率成分被允许通过（如抑制50Hz市电成分）。
直通：所有频率成分都通过，但有一个依赖于频率的时间延迟。
这些功能的滤波器可以是模拟滤波器，也可以是数字滤波器；也可以是FIR滤波器或IIR滤波器。
图3 滤波器的幅频响应：低通(左上)、高通(右上)、带通(左下)、带阻(右下)
从用户的角度来看，滤波器的特性及其对信号处理的影响，以低通滤波器为例，根据其算法进行描述：
巴特沃斯滤波器
贝塞尔滤波器
切比雪夫滤波器（切比雪夫I型滤波器）
这些滤波器可类似地应用于高通滤波器。这些滤波器可以构造为时间连续信号的模拟滤波器，也可以构造为时间离散信号的数字滤波器。这里不讨论技术实现、数字滤波器设计和其他滤波器类型，如高斯滤波器和考尔滤波器（椭圆滤波器）。
03、滤波器特性
一个滤波器通过它的频响函数来描述，这个频响也经常称为滤波器特性，包括幅频响应和相频响应两部分。经常，我们希望用一个滤波特性理想的滤波器来对信号进行滤波操作，但是，由于物理限制，不得不在计算效率与滤波特性之间作出一些妥协。对于常用的低通、高通、带通和带阻滤波器，其理想滤波特性如图4所示。图4所示的理想滤波器物理上无法实现。对于数字滤波器而言，可以无限接近理想的滤波特性，但有两个代价，即计算成本和时间延迟。
图4 理想的滤波器特性：低通“LP”，高通“HP”，带通“BP”和带阻“BT”
来源：模态空间
作者：谭祥军
