濾波器在通信系統(tǒng)中無(wú)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(wú)疑問(wèn)，每種濾波器都有濾波的作用，但是細(xì)分到每個(gè)功能，濾波器起到的作用還不完全相同。從實(shí)現(xiàn)角度來(lái)說(shuō)，每個(gè)濾波器的實(shí)現(xiàn)方式也均不相同，有的是通過(guò)電磁諧振原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，有的是通過(guò)薄膜技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，甚至有的是用戶自己搭建RLC電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同的實(shí)現(xiàn)方式，濾波器呈現(xiàn)出來(lái)的特性也是不一樣的，適用的場(chǎng)景也不盡相同。

不同濾波器扮演的角色

在通信系統(tǒng)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(hào)的質(zhì)量，如果過(guò)濾不充分，很多信號(hào)很可能疊加到帶內(nèi)。對(duì)于中頻頻段的信號(hào)，一般是通過(guò)下變頻得到，在下變頻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生互調(diào)，諧波，載波泄露，二中頻等能量，這個(gè)需要中頻濾波器過(guò)濾來(lái)盡可能的較小這些信號(hào)的能量，否則也很有可能在后面的電路中產(chǎn)生交調(diào)，混疊等現(xiàn)象。同樣，信號(hào)到達(dá)基帶后，需要給信號(hào)做進(jìn)一步的更嚴(yán)格的濾波器，這個(gè)時(shí)候通常使用數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器的好壞很會(huì)影響到靈敏度，雜散等指標(biāo)。

圖1. 典型通信鏈路

01.射頻前端濾波器

在絕大多數(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)中，一般天線是是射頻鏈路最前端的一個(gè)功能模塊，主要負(fù)責(zé)以電磁波的形式發(fā)送信號(hào)到空口或者從空口接收電磁波。作為一個(gè)系統(tǒng)中最前端的哨衛(wèi)，它不僅需要發(fā)射電磁波，還需要發(fā)射帶內(nèi)有用的電磁波，也就是說(shuō)發(fā)射的電磁波只能在規(guī)定的頻帶內(nèi)，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(hào)的時(shí)候，盡可能的接收有用信號(hào)，過(guò)濾掉帶外的信號(hào)，否則可能會(huì)造成帶外引起接收機(jī)飽和或者帶外信號(hào)的交調(diào)產(chǎn)物落在帶內(nèi)，而這些過(guò)濾的操作，都需要射頻濾波器來(lái)完成。

1前端濾波器插損

在發(fā)射鏈路上，功放的輸出功率尤為重要，這涉及到發(fā)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(fā)射端尤為重要。

在接收鏈路上，接收機(jī)的靈敏度是一個(gè)重要的指標(biāo)，而和接收機(jī)靈敏度直接相關(guān)的是接收機(jī)的噪聲系數(shù)，由噪聲系統(tǒng)的特點(diǎn)可知，第一級(jí)的噪聲系數(shù)最為重要，而為了防止帶外壓縮低噪放，通常會(huì)把接收機(jī)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(jī)的噪聲系數(shù)，從而影響靈敏度。

2前端濾波器抑制

在通信系統(tǒng)中，一般都會(huì)有一個(gè)發(fā)射模板，規(guī)定了發(fā)射信號(hào)在整個(gè)射頻帶寬內(nèi)及相鄰頻段的最大允許功率譜密度（PSD），即信號(hào)能量在不同頻率點(diǎn)的分布上限，如同 “頻域上的輪廓線”，要求信號(hào)能量必須限制在輪廓線以內(nèi)，超出部分視為不合格（即帶外輻射超標(biāo)）。譬如在5G系統(tǒng)中，正確的發(fā)射5G信號(hào)確保 5G 信號(hào)不會(huì)泄漏到相鄰頻段（如廣播電視、衛(wèi)星通信頻段），避免干擾其他系統(tǒng)。符合國(guó)際 / 地區(qū)頻譜管理機(jī)構(gòu)（如 ITU、FCC、國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)）的監(jiān)管要求。通過(guò)限制信號(hào)帶寬和雜散輻射，為相鄰頻段的其他業(yè)務(wù)（如 4G、Wi-Fi）留出清晰的保護(hù)間隔。這些發(fā)射的要求對(duì)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(guò)濾帶外干擾信號(hào)的作用，帶外的干擾直接影響到接收機(jī)的性能，帶外的信號(hào)形式多種多樣，可能是寬帶信號(hào)，也可能是單音信號(hào)，如果帶外信號(hào)太大，進(jìn)入射頻鏈路，在放大器，混頻器上會(huì)產(chǎn)生交調(diào)產(chǎn)物，有些交調(diào)產(chǎn)物可能會(huì)落在帶內(nèi)，影響正常的有用信號(hào)，而這些新產(chǎn)生的帶內(nèi)或者臨頻干擾信號(hào)一般是不能通過(guò)后續(xù)的濾波器徹底濾除的。

綜上所述，不論在發(fā)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(fā)射機(jī)和接收機(jī)最關(guān)鍵的性能指標(biāo)。

同樣，在有些特殊通信鏈路上，第一級(jí)的濾波器插損也決定了接收機(jī)的靈敏度，譬如說(shuō)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(xiàn)。而在高頻，會(huì)有帶通濾波器，濾除帶外信號(hào)。特別是在高頻階段，帶通濾波器的選擇尤為關(guān)鍵，一旦鏡像頻率落進(jìn)來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生誤測(cè)。

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(guò)精確的頻率選擇性，保留目標(biāo)中頻信號(hào)，剔除鏡像頻率、諧波、雜散及噪聲，為后續(xù)的放大、解調(diào)、A/D 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)提供純凈的信號(hào)源，直接影響整個(gè)射頻系統(tǒng)的靈敏度、抗干擾能力和信號(hào)處理精度。

混頻器工作時(shí)，除了產(chǎn)生所需的目標(biāo)頻率（如差頻，即中頻信號(hào)），還會(huì)生成 “鏡像頻率”（與目標(biāo)頻率關(guān)于本振頻率對(duì)稱的干擾頻率）。若不抑制，鏡像頻率會(huì)與目標(biāo)信號(hào)一起進(jìn)入后續(xù)電路，導(dǎo)致信號(hào)失真或信噪比下降。例如：當(dāng)需要將射頻信號(hào)（f_RF）與本振信號(hào)（f_LO）混頻得到中頻信號(hào)（f_IF = f_RF - f_LO）時(shí)，若存在頻率為 f_IM = f_LO + f_IF 的鏡像信號(hào)，會(huì)與本振混頻后同樣產(chǎn)生 f_IF，造成干擾。此時(shí)濾波器需濾除 f_IM，僅保留目標(biāo)中頻 f_IF。混頻器的非線性特性會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)、本振信號(hào)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(jìn)入后續(xù)電路，會(huì)成為干擾源。濾波器需通過(guò)特定的頻率選擇性（如帶通特性），只允許目標(biāo)中頻信號(hào)通過(guò)，衰減所有諧波和雜散成分，保證信號(hào)純凈?；祛l過(guò)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(guò)抑制帶外干擾和噪聲，減少進(jìn)入后續(xù)放大、解調(diào)電路的無(wú)用信號(hào)，從而提升系統(tǒng)的信噪比。一般中頻濾波器對(duì)插損要求沒(méi)有那么嚴(yán)格，但是對(duì)抑制要求很高，有時(shí)候經(jīng)常用SAW濾波器作為混頻后的濾波器。

圖2. 典型混頻寄生產(chǎn)物

03.抗混疊濾波器

抗混疊濾波器（Anti-aliasing Filter）是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（A/D 轉(zhuǎn)換）前的關(guān)鍵器件，其核心作用是防止 “混疊現(xiàn)象”（Aliasing）的發(fā)生，確保數(shù)字信號(hào)能準(zhǔn)確還原原始模擬信號(hào)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，若要無(wú)失真地從采樣信號(hào)中恢復(fù)原始模擬信號(hào)，采樣頻率f_s必須至少是信號(hào)最高頻率f_max的 2 倍,即f_s >2f_max。若信號(hào)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(hào)會(huì) “折疊” 到0 ~f_s/2的低頻范圍內(nèi)，與原有低頻信號(hào)重疊，形成無(wú)法區(qū)分的 “混疊頻率”，導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)失真。若未使用抗混疊濾波器，混疊產(chǎn)生的虛假頻率會(huì)混入數(shù)字信號(hào)，此時(shí)需通過(guò)復(fù)雜的數(shù)字濾波剔除，但數(shù)字濾波無(wú)法完全消除已發(fā)生的混疊（因虛假頻率與真實(shí)頻率已重疊）?？够殳B濾波器在模擬階段提前濾除高頻干擾，可大幅降低后續(xù)數(shù)字處理的難度，減少數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)復(fù)雜度（如無(wú)需設(shè)計(jì)陡峭的高頻衰減特性）?？傊?，抗混疊濾波器是 A/D 轉(zhuǎn)換前的 “預(yù)處理屏障”，通過(guò)嚴(yán)格限制信號(hào)帶寬至采樣頻率的一半以內(nèi)，從物理層面阻止高頻信號(hào)導(dǎo)致的混疊失真，確保數(shù)字信號(hào)能真實(shí)反映原始模擬信號(hào)的頻率特性。其性能（如截止頻率精度、衰減速率）直接影響數(shù)字系統(tǒng)的信號(hào)還原質(zhì)量。

04.數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器最核心的作用是對(duì)信號(hào)的頻率成分進(jìn)行選擇性處理，保留有用頻率、濾除無(wú)用頻率，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離與提取。實(shí)際信號(hào)往往混雜噪聲（如電路熱噪聲、環(huán)境干擾），數(shù)字濾波器可通過(guò)設(shè)計(jì)特定的頻率響應(yīng)，衰減噪聲頻率成分，提升信號(hào)的信噪比（SNR）。相比模擬濾波器，數(shù)字濾波器可實(shí)現(xiàn)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(hào)與噪聲（尤其是當(dāng)信號(hào)與噪聲頻率接近時(shí)）。例如：在雷達(dá)信號(hào)處理中，目標(biāo)回波信號(hào)可能被強(qiáng)雜波（如地面反射）掩蓋，通過(guò)自適應(yīng)數(shù)字濾波器可動(dòng)態(tài)抑制雜波頻率，突出目標(biāo)信號(hào)。所以，數(shù)字濾波器是信號(hào)處理和基帶算法中很重要的一環(huán)，它可以通過(guò)不同形式的變換來(lái)實(shí)現(xiàn)既定的解調(diào)，特定算法等目標(biāo)。

下一篇中我們將詳細(xì)介紹濾波器的種類及特點(diǎn)。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立 90 多年來(lái)，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過(guò)發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國(guó)慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長(zhǎng)期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。