通信中多种多样的滤波器

滤波器在通信系统中无处不在，从体积上看，有尺寸庞大的腔体滤波器，有中等的SAW滤波器，还有较小的表贴滤波器。从功能上看，毫无疑问，每种滤波器都有滤波的作用，但是细分到每个功能，滤波器起到的作用还不完全相同。从实现角度来说，每个滤波器的实现方式也均不相同，有的是通过电磁谐振原理来实现，有的是通过薄膜技术来实现，甚至有的是用户自己搭建RLC电路来实现，不同的实现方式，滤波器呈现出来的特性也是不一样的，适用的场景也不尽相同。

不同滤波器扮演的角色

在通信系统中，射频滤波器是在通信链路的前端，射频滤波器的性能好坏直接影响到接收信号的质量，如果过滤不充分，很多信号很可能叠加到带内。对于中频频段的信号，一般是通过下变频得到，在下变频过程中会产生互调，谐波，载波泄露，二中频等能量，这个需要中频滤波器过滤来尽可能的较小这些信号的能量，否则也很有可能在后面的电路中产生交调，混叠等现象。同样，信号到达基带后，需要给信号做进一步的更严格的滤波器，这个时候通常使用数字滤波器，数字滤波器的好坏很会影响到灵敏度，杂散等指标。

图1. 典型通信链路

01.射频前端滤波器

在绝大多数无线通信系统中，一般天线是是射频链路最前端的一个功能模块，主要负责以电磁波的形式发送信号到空口或者从空口接收电磁波。作为一个系统中最前端的哨卫，它不仅需要发射电磁波，还需要发射带内有用的电磁波，也就是说发射的电磁波只能在规定的频带内，频带外的电磁波尽可能的减小，防止影响到其他的通信射频通道。同样，在接收信号的时候，尽可能的接收有用信号，过滤掉带外的信号，否则可能会造成带外引起接收机饱和或者带外信号的交调产物落在带内，而这些过滤的操作，都需要射频滤波器来完成。

1前端滤波器插损

在发射链路上，功放的输出功率尤为重要，这涉及到发射覆盖的距离。而从前面分析，滤波器一般位于功放输出和天线之间，滤波器的插损直接影响到功放输出功率的衰减，所以滤波器的插损在发射端尤为重要。

在接收链路上，接收机的灵敏度是一个重要的指标，而和接收机灵敏度直接相关的是接收机的噪声系数，由噪声系统的特点可知，第一级的噪声系数最为重要，而为了防止带外压缩低噪放，通常会把接收机的低噪放放在滤波器后面，也就是滤波器的插损直接影响到接收机的噪声系数，从而影响灵敏度。

2前端滤波器抑制

在通信系统中，一般都会有一个发射模板，规定了发射信号在整个射频带宽内及相邻频段的最大允许功率谱密度（PSD），即信号能量在不同频率点的分布上限，如同 “频域上的轮廓线”，要求信号能量必须限制在轮廓线以内，超出部分视为不合格（即带外辐射超标）。譬如在5G系统中，正确的发射5G信号确保 5G 信号不会泄漏到相邻频段（如广播电视、卫星通信频段），避免干扰其他系统。符合国际 / 地区频谱管理机构（如 ITU、FCC、国家无线电管理委员会）的监管要求。通过限制信号带宽和杂散辐射，为相邻频段的其他业务（如 4G、Wi-Fi）留出清晰的保护间隔。这些发射的要求对滤波器要求甚高，即滤波器在带外抑制要高。

在接收链路，滤波器起到过滤带外干扰信号的作用，带外的干扰直接影响到接收机的性能，带外的信号形式多种多样，可能是宽带信号，也可能是单音信号，如果带外信号太大，进入射频链路，在放大器，混频器上会产生交调产物，有些交调产物可能会落在带内，影响正常的有用信号，而这些新产生的带内或者临频干扰信号一般是不能通过后续的滤波器彻底滤除的。

综上所述，不论在发射链路还是接收链路，滤波器的插损都显得尤为重要，它影响发射机和接收机最关键的性能指标。

同样，在有些特殊通信链路上，第一级的滤波器插损也决定了接收机的灵敏度，譬如说射频仪器本身频谱仪，在低频，频谱仪的射频前端一般为低通或者带通滤波器，滤除高频频率，防止高频镜像出现。而在高频，会有带通滤波器，滤除带外信号。特别是在高频阶段，带通滤波器的选择尤为关键，一旦镜像频率落进来，就会产生误测。

02.中频滤波器

这里的中频滤波器，一般是指混频器后面的滤波器。混频器后的滤波器是频率选择和干扰抑制的 “守门人”，其核心作用是通过精确的频率选择性，保留目标中频信号，剔除镜像频率、谐波、杂散及噪声，为后续的放大、解调、A/D 转换等环节提供纯净的信号源，直接影响整个射频系统的灵敏度、抗干扰能力和信号处理精度。

混频器工作时，除了产生所需的目标频率（如差频，即中频信号），还会生成 “镜像频率”（与目标频率关于本振频率对称的干扰频率）。若不抑制，镜像频率会与目标信号一起进入后续电路，导致信号失真或信噪比下降。例如：当需要将射频信号（f_RF）与本振信号（f_LO）混频得到中频信号（f_IF = f_RF - f_LO）时，若存在频率为 f_IM = f_LO + f_IF 的镜像信号，会与本振混频后同样产生 f_IF，造成干扰。此时滤波器需滤除 f_IM，仅保留目标中频 f_IF。混频器的非线性特性会导致输入信号、本振信号的谐波（如 2f_RF、3f_LO 等）以及它们之间的组合频率（如 f_RF + 2f_LO、3f_RF - f_LO 等），这些杂散频率若进入后续电路，会成为干扰源。滤波器需通过特定的频率选择性（如带通特性），只允许目标中频信号通过，衰减所有谐波和杂散成分，保证信号纯净。混频过程中可能引入噪声（如本振相位噪声、混频器自身噪声），滤波器通过抑制带外干扰和噪声，减少进入后续放大、解调电路的无用信号，从而提升系统的信噪比。一般中频滤波器对插损要求没有那么严格，但是对抑制要求很高，有时候经常用SAW滤波器作为混频后的滤波器。

图2. 典型混频寄生产物

03.抗混叠滤波器

抗混叠滤波器（Anti-aliasing Filter）是模拟信号转换为数字信号（A/D 转换）前的关键器件，其核心作用是防止 “混叠现象”（Aliasing）的发生，确保数字信号能准确还原原始模拟信号。根据奈奎斯特采样定理，若要无失真地从采样信号中恢复原始模拟信号，采样频率f_s必须至少是信号最高频率f_max的 2 倍,即f_s >2f_max。若信号中存在高于f_s/2（奈奎斯特频率）的频率成分，这些高频信号会 “折叠” 到0 ~f_s/2的低频范围内，与原有低频信号重叠，形成无法区分的 “混叠频率”，导致数字信号失真。若未使用抗混叠滤波器，混叠产生的虚假频率会混入数字信号，此时需通过复杂的数字滤波剔除，但数字滤波无法完全消除已发生的混叠（因虚假频率与真实频率已重叠）。抗混叠滤波器在模拟阶段提前滤除高频干扰，可大幅降低后续数字处理的难度，减少数字滤波器的设计复杂度（如无需设计陡峭的高频衰减特性）。总之，抗混叠滤波器是 A/D 转换前的 “预处理屏障”，通过严格限制信号带宽至采样频率的一半以内，从物理层面阻止高频信号导致的混叠失真，确保数字信号能真实反映原始模拟信号的频率特性。其性能（如截止频率精度、衰减速率）直接影响数字系统的信号还原质量。

04.数字滤波器

数字滤波器最核心的作用是对信号的频率成分进行选择性处理，保留有用频率、滤除无用频率，实现信号的分离与提取。实际信号往往混杂噪声（如电路热噪声、环境干扰），数字滤波器可通过设计特定的频率响应，衰减噪声频率成分，提升信号的信噪比（SNR）。相比模拟滤波器，数字滤波器可实现更陡峭的滚降特性（即从通带到阻带的衰减速度更快），能更精确地分离信号与噪声（尤其是当信号与噪声频率接近时）。例如：在雷达信号处理中，目标回波信号可能被强杂波（如地面反射）掩盖，通过自适应数字滤波器可动态抑制杂波频率，突出目标信号。所以，数字滤波器是信号处理和基带算法中很重要的一环，它可以通过不同形式的变换来实现既定的解调，特定算法等目标。