Filter und die Entwicklung eines Funksystems

Einführung

Ein Filter ist ein Bauelement, das bestimmte Signalfrequenzen durchlässt, während es andere Frequenzen unterdrückt (oder erheblich abschwächt).

Normalerweise ist ein Filter dazu konzipiert, die korrekten Funkfrequenzen zu isolieren. Bei Störungen kann ein Filter auch versuchen, bestimmte Frequenzen zu unterdrücken, aber alle anderen Frequenzen unbeeinträchtigt zu lassen. Ein solches Filter wird als Notch-Filter bezeichnet.

Filter gibt es in Audio- und Hi-Fi-Systemen, die Signale im DC-20 kHz-Bereich verarbeiten, und es gibt Filter, die im MHz-/GHz-Bereich für den Rundfunk arbeiten.

Das Funkspektrum ist eine begrenzte Ressource mit vielen Nutzern, die in eng beieinander liegenden Kanälen senden, so dass Filter den Empfang des gewünschten Signals sicherstellen und gleichzeitig alle anderen Signale so weit wie möglich unterdrücken. Auch bei der Übertragung sorgen Filter dafür, dass nur bandinterne Frequenzen übertragen werden, um Störungen bei anderen Nutzern im Band oder in anderen Bändern zu vermeiden.

Filterarten

Es gibt 4 Arten von Filtern:

1. 1. Tiefpass – lässt alle Frequenzen unterhalb f₁ durch
   2. Bandpass – lässt nur Frequenzen zwischen f₁ und f₂ durch
   3. Hochpass – lässt alle Frequenzen oberhalb f₁ durch
   4. Bandsperre – unterdrückt alle Frequenzen zwischen f₁ und f₂
      – Wenn f₁ bis f₂ sehr schmal ist, wird ein solches Filter als Notch-Filter bezeichnet.

Leistungsfähigkeit der Filter

Idealerweise hat ein Filter Eigenschaften wie im Diagramm dargestellt. Das heißt die Frequenzgrenzen ähneln einer “Ziegelmauer”, wobei das Passband (Durchlassbereich) einen flachen Frequenzgang aufweist. Das Filter sollte für die Signale, die es durchlassen soll, keinen Verlust aufweisen, außer im Bereich außerhalb des Passbandes, den es vollständig blockieren sollte. Allerdings werden wir sehen, dass die Eigenschaften von realen Filtern nicht ideal sind und ihre Parameter wie folgt spezifiziert werden müssen (am Beispiel des Tiefpassfilters):

Passband und Übergang

Wie erwähnt bezieht sich bezieht sich dass Passband eines Filters auf das Frequenzspektrum, das das Filter durchlassen darf. Der Frequenzabfall erfolgt nie sofort, so dass alle Filter eine unterschiedlich große Übergangsbreite aufweisen. Üblicherweise wird die Passbandbreite dort genommen, wo der Pegel -3 dB vom Maximalwert entfernt ist. Beachten Sie, dass dies in Bezug auf die Leistung 0,5 (50 %) des Maximalwerts ist, in Bezug auf die Amplitude (Spannung) entspricht es 0,707 (71 %) des Maximalwerts.

Grenzfrequenz

Der Frequenzwert, der den Anfang oder das Ende des -3 dB Passbandes markiert, wird als Grenzfrequenz fg, (eng. fc), bezeichnet. Wenn wir die Frequenzen kennen, die wir durchlassen wollen, können wir ein Filter mit der richtigen Frequenzunterdrückung wählen.

Einfügungsdämpfung und Welligkeit

Die Einfügungsdämpfung ist das Verhältnis zwischen dem Ausgangspegel des Filters und dem Eingangspegel bei einer beliebigen Frequenz. Im Allgemeinen wird sie zur Darstellung des Verlusts im Passband verwendet, da ideale Filter diese Frequenzen verlustfrei durchlassen sollten. In realen Filtern ist das Passband nicht flach, sondern unterliegt Veränderungen, die zu unterschiedlichen Werten der Einfügedämpfung innerhalb des Passbands führen. Dies wird als Welligkeit bezeichnet. Im Idealfall wünschen wir einen flachen Frequenzgang, daher muss die Welligkeit minimiert werden.

Auswahl des Filters

Da es kein perfektes Filter gibt, bedeutet die Verbesserung der Leistungsfähigkeit in einem Bereich in der Regel eine Verschlechterung in einem anderen. Es ist Aufgabe des Ingenieurs, einen Kompromiss zu finden und zu entscheiden, welche Eigenschaft am wichtigsten ist, und das Filter entsprechend auszuwählen.

Tiefpassfilter im Funkbereich

Beseitigung von Oberwellen

Wie bereits erwähnt, kann die Sendekette Leistungsverstärker enthalten, die Störfrequenzen erzeugen können – insbesondere Oberwellen, die außerhalb des Frequenzbandes liegen und nicht übertragen werden sollten. Ein Tiefpassfilter mit einer geeigneten Grenzfrequenz kann verwendet werden.

Basisband-Verarbeitung

Nach der Demodulation der empfangenen Signale besteht die Ausgangsinformation aus Basisbandimpulsen, die unser Binärsignal enthalten. Aus den Impulsen müssen alle Spannungsspitzen oder Unregelmäßigkeiten entfernt werden, bevor sie an den Data Slicer weitergeleitet werden, um falsche Messwerte zu vermeiden (klicken Sie hier, um mehr über Data Slicing zu erfahren).

Frequenztechnisch gesehen enthält eine Impulsfolge ihre Grundfrequenz und andere höhere Frequenzkomponenten, die durch die Spitzen verursacht werden – durch Anwendung eines Tiefpassfilters können wir die oberen Frequenzen entfernen und die Spitzen unterdrücken.

Bandpassfilter im Funkbereich

Außerbandfrequenzen

Eine Empfangsantenne empfängt in der Regel alle Funkemissionen aus der Umgebung – nicht nur aus dem gewünschten Frequenzband. Da die zulässigen Leistungspegel schwanken können, ist es möglich, dass ein starkes Signal aus einem anderen Band in den Empfänger eindringt und den Empfang des gewünschten Signals verhindert. Ein Filter am Eingang des Empfängers kann Signale außerhalb des Bandes so weit wie möglich abschwächen. Diese Funktion bezeichnet man als Blocking.

Vermeidung von Spiegelfrequenzen

Wie im Artikel “Superhet-Empfänger” beschrieben, kann eine Frequenz, die unter oder über dem zu empfangenden Signal liegt, eine Spiegelfrequenz sein (je nachdem, ob eine Low- oder High-Side-Einspeisung verwendet wird).

Ohne jegliche Filterung kann ein Signal mit der Spiegelfrequenz außerhalb unseres Bandes in den Empfänger gelangen und ebenfalls demoduliert werden, so dass beide Signale zu hören sind. Um dies zu verhindern, kann ein Bandpassfilter diesen störenden Einfluss nahezu vollständig beseitigen.

Isolierung der Zwischenfrequenz

Wie bereits im Artikel “Superheterodyn-Empfänger” erörtert, wird das empfangene Signal auf eine feste Zwischenfrequenz (ZF) heruntergewandelt. Um einen einzelnen Kanal zu isolieren, wird üblicherweise ein Filter verwendet, dessen Passband der Bandbreite dieses Kanals entspricht. Da die ZF eine niedrigere Frequenzlage hat und fest ist, ist es nicht allzu schwierig, ein Filter zu finden, das eine gute Kanalselektion bietet.

Ein anderer Punkt, bei dem ein Filter hilfreich ist, ist das Empfänger-Rauschen. Da die Rauschleistung mit der Bandbreite und der Temperatur zusammenhängt (siehe Artikel „Rauschzahl“), kann ein schmales Filter unser Signal bandbegrenzen und das Grundrauschen senken, was das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert.

Hochpassfilter im Radio

Man kann ein Bandpassfilter konstruieren, indem man ein Tiefpassfilter mit einem Hochpassfilter kombiniert.

Da Hochpassfilter Gleichstrom- und Niederfrequenzsignale blockieren, sind sie am Antennenanschluss zu finden, um zu verhindern, dass Gleichstrom in die Funkschaltungen gelangt, der durch unsachgemäße Installation von z. B. aktiven Antennen/Verstärkern verursacht wird. Der Betrieb von Funkschaltkreisen kann durch jede Gleichstromvorspannung beeinträchtigt werden. Bei niederfrequenten Signalen wie elektrostatischen Entladungen und Netzbrummen kann das Filter solche Signale unterdrücken.

Bandsperrfilter im Radio

Wenn ein starkes Signal auf einer benachbarten Frequenz vorhanden ist, wird die Empfindlichkeit des Empfängers für entfernte Signale beeinträchtigt. Mit einer auf die Frequenz zentrierten Bandsperre (Notch-Filter) am Antenneneingang kann verhindert werden, dass das Störsignal in das Frontend des Empfängers gelangt.

Ein weiteres Problem ist die Sättigung, besonders dort, wo der Dynamikbereich begrenzt ist. So können beispielsweise stärkere UKW-Rundfunksignale den Empfänger überlasten. Eine Bandsperre, die die richtige Bandbreite abdeckt, kann die Frequenzen des UKW-Rundfunkbandes unterdrücken.

Während der Messung des 12 dB SINAD (siehe Artikel „Was bedeutet 12 dB SINAD“) wird das Notch-Filter verwendet, um den Grundton zu entfernen, damit nur Rauschen und Verzerrungen gemessen werden können.

Filtertypen

Die nachstehende Tabelle ist eine Übersicht über die verschiedenen Filtertechniken.

 

Diskrete Bauelemente
Passiv		Es sind alle Konfigurationen möglich, d. h. Tiefpass-, Bandpass-, Hochpass-Filter und Bandsperre. Die Frequenzeigenschaften können durch Änderung der Komponentenwerte angepasst werden. Der Gütewert ist nicht hoch und die Verwendung ist auf niedrige Frequenzen beschränkt. Bei sehr niedrigen Frequenzen unpraktisch, da die Bauteile größer sind. Wird für vorbeugende Maßnahmen wie ESD, Beseitigung von Oberwellen usw. verwendet.
Aktiv		Durch den Einsatz von Operationsverstärkern können wir Filter höherer Ordnung als mit LC erreichen. Operationsverstärker sind nicht passiv und daher benötigen solche Filter elektrische Energie für den Betrieb.
Piezoelektrische Bauelemente
Keramik		Dieses Filter nutzt den piezoelektrischen Effekt, d. h. das Material verformt sich, wenn eine Spannung an die Oberfläche angelegt wird (über eine Elektrode), deren mechanische Schwingungen durch eine zweite Elektrode wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese mechanische Kopplung erfolgt bei einer präzisen Frequenz, was ein schmaleres Filter mit höherer Güte als bei der Verwendung von Kondensatoren und Induktivitäten, aber mit niedrigerer Güte als bei Quarz und SAW bedeutet. Seine obere Frequenzgrenze liegt unter der von monolithischen und SAW-Filtern, so dass es Bandpassfilter (ZF) in den niedrigen ZF-Stufen eingesetzt werden kann.
Quarz		Ein Quarzkristall weist ebenfalls den piezoelektrischen Effekt auf und kann auf die gleiche Weise wie eine Keramik verwendet werden, wodurch wesentlich höhere Q-Werte erreicht werden. Häufiger werden mehrere Quarze zusammen verwendet, um ein Bandpassfilter mit geeigneter Bandbreite zu schaffen. Eine ähnliche Leistung kann jedoch auch mit einem einzigen Quarz erreicht werden, dem sogenannten monolithischen Quarzfilter. Dies ist kompakter und kostengünstiger als die Verwendung separater Quarze. Aufgrund ihrer höheren Betriebsfrequenz können sie als Bandpassfilter (ZF) in den hohen ZF-Stufen verwendet werden.
SAW: Surface Acoustic Wave (Oberflächenwellen)		Ähnlich wie beim Quarz – nur dass sich die Wellen über die Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats ausbreiten und nicht im Inneren. Die Größe und die Abstände der Finger bestimmen den Frequenzgang. Das SAW-Filter hat eine höhere Betriebsfrequenz als ein monolithisches Filter und kann mit breiter oder schmaler Bandbreite konfiguriert werden. Es kann im Frontend des Empfängers eingesetzt werden, um nur die Frequenzen durchzulassen, die im Band liegen, und die Blocking-Leistung zu verbessern. Es hat eine hohe Einfügungsdämpfung aufgrund der Energie, die während der akustischen Ausbreitung verloren geht, und eine hohe Stabilität, da es keine Verschlechterung der Komponenten gibt, aber die Betriebsfrequenz kann durch die Temperatur beeinflusst werden.
Andere Typen
DSP		Aufgrund der Verbesserungen bei der Computerhardware können mehr Funkfunktionen durch Software und digitale Verarbeitung realisiert werden. Ein Beispiel hiefür ist Software Defined Radio (SDR), bei dem Filter digital erstellt werden können, nachdem das eingehende Signal abgetastet wurde. Die Integration von Filtern als Teil des Software Defined Radio ermöglicht eine größere Flexibilität und Konfigurierbarkeit ohne die Einschränkungen, die bei der Verwendung herkömmlicher elektronischer Komponenten auftreten. Beispielsweise ist die Zwischenfrequenz eines Funkgeräts bei der Verwendung von Quarzkomponenten fest, während die Zwischenfrequenz bei SDR wählbar ist.

Hardware-Filter vs. Software-Filter

Obwohl Filter, die auf physikalischen Komponenten basieren, gut etabliert sind, gibt es Fortschritte bei der Implementierung von Filtern in Software als Teil von DSP. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile.

Alle bisher beschriebenen Filter arbeiten im Analogbereich, wo die Signale mit physikalischen Komponenten umgewandelt werden. Ein in Software implementiertes Filter arbeitet jedoch im digitalen Bereich – das heißt, das Filter nimmt diskrete (nicht kontinuierliche) Werte auf und wandelt sie mathematisch in die gewünschte Ausgabe um. Solche Filter haben den Vorteil, dass sie rekonfigurierbar sind, in Echtzeit aktualisiert werden können und im Allgemeinen nicht durch die physische Größe der Komponenten eingeschränkt sind. Solche Filter können in andere Funkfunktionen integriert und die gesamte Architektur kompakter gestaltet werden.

Allerdings muss ein analoges Signal abgetastet werden, so dass zusätzliche Hardware erforderlich ist. Außerdem hängt die Leistung des Filters von der Qualität der Programmierung und den zur Verfügung stehenden Hardware-Ressourcen ab. Da die Stromaufnahme mit der Komplexität zunimmt, ist diese Lösung für diejenigen, die den Stromverbrauch so weit wie möglich minimieren möchten, weniger erstrebenswert.
Ein weiteres Problem bei digitalen Filtern ist die Latenzzeit – Programme brauchen Zeit, um zu arbeiten, und die Zeitverzögerungen sind in manchen Fällen nicht akzeptabel.

Auf die softwaremäßige Implementierung von Funkfunktionen wird in einem späteren Artikel näher eingegangen.

Fazit

Wie wir gesehen haben, gibt es viele Arten von komplexen Filtern, von einfachen passiven LC-Filtern bis hin zu Software. Wie bereits erwähnt, hat kein Filter ein perfektes Frequenzverhalten, so dass es dem Ingenieur obliegt, einen Filtertyp zu wählen, der die Aufgabe angemessen erfüllen kann, ohne unnötige Komplexität hinzuzufügen. Auch die Platzierung des Filters in der Systemkette ist wichtig, ebenso wie die Möglichkeit, verschiedene Filtertypen je nach Funktion zu mischen. Passive LC-Filter haben die geringste Leistungsfähigkeit, benötigen keinen Strom und sind ausreichend, um unkritische Bereiche der Funkeigenschaften abzudecken. Filter, die die Qualität und Zuverlässigkeit der Kommunikation sicherstellen sollen, erfordern eine komplexere Bauweise.

Softwaredefinierte Filter werden immer häufiger eingesetzt, bleiben aber in Bereichen wie Latenz und mangelndem Dynamikbereich (der Fähigkeit, starke Signale zu verarbeiten) hinter den herkömmlichen Filtern zurück. Die Notwendigkeit, sich an die immer stärkere Nutzung des Funkspektrums anzupassen, erfordert jedoch fortschrittlichere, konfigurierbare Filter.