Un filtro de paso de banda o filtro de paso de banda ( BPF ) es un dispositivo que deja pasar frecuencias dentro de un rango determinado y rechaza ( atenúa ) frecuencias fuera de ese rango. Es lo opuesto a un filtro de rechazo de banda .
En electrónica y procesamiento de señales , un filtro es generalmente un circuito o dispositivo de dos puertos que elimina los componentes de frecuencia de una señal (una tensión o corriente alterna). Un filtro de paso de banda permite el paso de componentes en una banda específica de frecuencias, llamada banda de paso , pero bloquea los componentes con frecuencias por encima o por debajo de esta banda. Esto contrasta con un filtro de paso alto , que permite el paso de componentes con frecuencias por encima de una frecuencia específica, y un filtro de paso bajo , que permite el paso de componentes con frecuencias por debajo de una frecuencia específica. En el procesamiento de señales digitales , en el que las señales representadas por números digitales son procesadas por programas informáticos, un filtro de paso de banda es un algoritmo informático que realiza la misma función. El término filtro de paso de banda también se utiliza para filtros ópticos , láminas de material coloreado que permiten el paso de una banda específica de frecuencias de luz, comúnmente utilizadas en fotografía e iluminación teatral, y filtros acústicos que permiten el paso de ondas sonoras de una banda específica de frecuencias.
Un ejemplo de filtro de paso de banda electrónico analógico es un circuito RLC (un circuito de resistencia - inductor - condensador ). Estos filtros también se pueden crear combinando un filtro de paso bajo con un filtro de paso alto . [1]
Una señal de paso de banda es una señal que contiene una banda de frecuencias no adyacentes a la frecuencia cero, como una señal que sale de un filtro de paso de banda. [2]
Un filtro de paso de banda ideal tendría una banda de paso completamente plana: todas las frecuencias dentro de la banda de paso pasarían a la salida sin amplificación ni atenuación, y atenuarían completamente todas las frecuencias fuera de la banda de paso.
En la práctica, ningún filtro de paso de banda es ideal. El filtro no atenúa por completo todas las frecuencias fuera del rango de frecuencias deseado; en particular, hay una región justo fuera de la banda de paso prevista donde las frecuencias se atenúan, pero no se rechazan. Esto se conoce como la reducción gradual del filtro y generalmente se expresa en dB de atenuación por octava o década de frecuencia. Generalmente, el diseño de un filtro busca hacer que la reducción gradual sea lo más estrecha posible, permitiendo así que el filtro funcione lo más cerca posible de su diseño previsto. A menudo, esto se logra a expensas de la ondulación de la banda de paso o de la banda de rechazo .
El ancho de banda del filtro es simplemente la diferencia entre las frecuencias de corte superior e inferior . El factor de forma es la relación de los anchos de banda medidos utilizando dos valores de atenuación diferentes para determinar la frecuencia de corte, por ejemplo, un factor de forma de 2:1 a 30/3 dB significa que el ancho de banda medido entre frecuencias a una atenuación de 30 dB es el doble del medido entre frecuencias a una atenuación de 3 dB.
Un filtro de paso de banda se puede caracterizar por su factor Q. El factor Q es el recíproco del ancho de banda fraccionario . Un filtro de Q alto tendrá una banda de paso estrecha y un filtro de Q bajo tendrá una banda de paso ancha. Estos se denominan respectivamente filtros de banda estrecha y filtros de banda ancha .
Los filtros de paso de banda se utilizan ampliamente en transmisores y receptores inalámbricos. La función principal de un filtro de este tipo en un transmisor es limitar el ancho de banda de la señal de salida a la banda asignada para la transmisión. Esto evita que el transmisor interfiera con otras estaciones. En un receptor, un filtro de paso de banda permite que las señales dentro de un rango seleccionado de frecuencias se escuchen o decodifiquen, al mismo tiempo que evita que las señales en frecuencias no deseadas pasen. Las señales en frecuencias fuera de la banda en la que está sintonizado el receptor pueden saturarlo o dañarlo. Además, pueden crear productos de mezcla no deseados que caen en la banda e interfieren con la señal de interés. Los receptores de banda ancha son particularmente susceptibles a este tipo de interferencias. Un filtro de paso de banda también optimiza la relación señal-ruido y la sensibilidad de un receptor.
Tanto en aplicaciones de transmisión como de recepción, los filtros de paso de banda bien diseñados, que tienen el ancho de banda óptimo para el modo y la velocidad de comunicación que se utilizan, maximizan la cantidad de transmisores de señales que pueden existir en un sistema, al tiempo que minimizan la interferencia o la competencia entre señales.
Fuera de la electrónica y el procesamiento de señales, un ejemplo del uso de filtros de paso de banda se encuentra en las ciencias atmosféricas . Es común filtrar por paso de banda datos meteorológicos recientes con un rango de período de, por ejemplo, 3 a 10 días, de modo que solo los ciclones permanezcan como fluctuaciones en los campos de datos.
Un filtro de paso de banda eléctrico de cuarto orden se puede simular mediante una caja ventilada en la que la contribución de la cara posterior del cono del controlador queda atrapada en una caja sellada y la radiación de la superficie frontal del cono se dirige a una cámara con orificios. Esto modifica la resonancia del controlador. En su forma más simple, un recinto compuesto tiene dos cámaras. La pared divisoria entre las cámaras contiene el controlador; por lo general, solo una cámara tiene orificios.
Si el gabinete a cada lado del woofer tiene un puerto, el gabinete produce una respuesta de paso de banda de sexto orden. Estos son considerablemente más difíciles de diseñar y tienden a ser muy sensibles a las características del controlador. Al igual que en otros gabinetes reflex, los puertos generalmente se pueden reemplazar por radiadores pasivos si se desea.
Otra variante de este tipo de cajas es la de paso de banda de octavo orden, que también tiene un rango de frecuencias estrecho. Suelen utilizarse en competiciones de nivel de presión sonora , en cuyo caso se utilizaría un tono grave de una frecuencia específica frente a cualquier sonido musical. Su construcción es complicada y debe realizarse con bastante precisión para que funcionen casi como se esperaba. [3]
Los filtros de paso de banda también se pueden utilizar fuera de las disciplinas relacionadas con la ingeniería. Un ejemplo destacado es el uso de filtros de paso de banda para extraer el componente del ciclo económico en series temporales económicas. Esto revela con mayor claridad las expansiones y contracciones de la actividad económica que dominan la vida del público y el desempeño de diversas empresas, y por lo tanto es de interés para una amplia audiencia de economistas y formuladores de políticas, entre otros.
Los datos económicos suelen tener propiedades estadísticas muy diferentes a las de los datos de ingeniería eléctrica, por ejemplo. Es muy habitual que un investigador utilice directamente métodos tradicionales como el filtro "ideal", que tiene una función de ganancia perfectamente precisa en el dominio de la frecuencia. Sin embargo, al hacerlo, pueden surgir problemas importantes que pueden causar distorsiones y hacer que la salida del filtro sea extremadamente engañosa. Como ejemplo simple y conmovedor, el uso de un filtro "ideal" sobre ruido blanco (que podría representar, por ejemplo, cambios en el precio de las acciones) crea un ciclo falso. El uso de la nomenclatura "ideal" implica implícitamente una suposición muy falaz, excepto en raras ocasiones. Sin embargo, el uso del filtro "ideal" sigue siendo común a pesar de sus limitaciones.
Afortunadamente, existen filtros de paso de banda que evitan tales errores, se adaptan a las series de datos disponibles y permiten realizar evaluaciones más precisas de las fluctuaciones del ciclo económico en las principales series económicas, como el PIB real, la inversión y el consumo, así como sus subcomponentes. Un trabajo preliminar, publicado en la Revista de Economía y Estadística en 2003, maneja de manera más eficaz el tipo de datos (estocásticos en lugar de deterministas) que surgen en la macroeconomía. En este artículo titulado "Filtros generales basados en modelos para extraer tendencias y ciclos en series temporales económicas", Andrew Harvey y Thomas Trimbur desarrollan una clase de filtros de paso de banda adaptativos. Estos se han aplicado con éxito en diversas situaciones que involucran movimientos del ciclo económico en una miríada de naciones de la economía internacional.
Los filtros de paso de banda se pueden implementar en sistemas de comunicación inalámbrica 4G y 5G . Hussaini et al. (2015) afirmaron que, en la aplicación de la comunicación inalámbrica , el ruido de radiofrecuencia es una preocupación importante. [4] En el desarrollo actual de la tecnología 5G , se utilizan filtros de paso de banda más planos para suprimir los ruidos de RF y eliminar las señales no deseadas .
La combinación, la horquilla, la línea acoplada en paralelo, la impedancia de paso y la impedancia de corte son los diseños para experimentar el filtro de paso de banda para lograr una baja pérdida de inserción con un tamaño compacto. [5] La necesidad de adoptar una respuesta de frecuencia asimétrica es en nombre de reducir la cantidad de resonadores , la pérdida de inserción , el tamaño y el costo de producción del circuito .
El filtro de paso de banda de acoplamiento cruzado de 4 polos fue diseñado por Hussaini et al. (2015). [4] Este filtro de paso de banda está diseñado para cubrir el espectro de 2,5-2,6 GHz y 3,4-3,7 GHz para las aplicaciones de comunicación inalámbrica 4G y 5G respectivamente. Se desarrolló y amplió a partir del filtro de paso de banda de banda única de 3 polos, donde se aplica un resonador adicional a un filtro de paso de banda de banda única de 3 polos. El filtro de paso de banda avanzado tiene un tamaño compacto con una estructura simple, lo que es conveniente para la implementación. Además, el rechazo de banda de detención y la selectividad presentan un buen desempeño en la supresión de ruido de RF . La pérdida de inserción es muy baja cuando se cubre el espectro 4G y 5G , al tiempo que proporciona una buena pérdida de retorno y retardo de grupo .
Los captadores de energía son dispositivos que buscan energía del entorno de manera eficiente. Los filtros de paso de banda se pueden implementar en captadores de energía convirtiendo la energía generada por la vibración en energía eléctrica. El filtro de paso de banda diseñado por Shahruz (2005) es un conjunto de vigas en voladizo, [6] que se denomina sistema viga-masa. El conjunto de sistemas viga-masa se puede transformar en un filtro de paso de banda cuando se eligen las dimensiones adecuadas de vigas y masas. Aunque el proceso de diseño de un filtro de paso de banda mecánico está avanzado, aún se requieren más estudios y trabajos para diseñar filtros de paso de banda más flexibles que se adapten a grandes intervalos de frecuencia. Este filtro de paso de banda mecánico podría usarse en fuentes de vibración con frecuencias de potencia pico distintas.
En neurociencia , David Hubel y Torsten Wiesel fueron los primeros en demostrar que las células corticales visuales simples tienen propiedades de respuesta que se asemejan a los filtros de Gabor , que son de paso de banda. [7]
En astronomía , los filtros de paso de banda se utilizan para permitir que solo una única porción del espectro de luz ingrese a un instrumento. Los filtros de paso de banda pueden ayudar a encontrar dónde se encuentran las estrellas en la secuencia principal , identificar corrimientos al rojo y muchas otras aplicaciones.
Medios relacionados con Filtros de paso de banda en Wikimedia Commons