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.
En electrónica y procesamiento de señales , un filtro suele ser un circuito o dispositivo de dos puertos que elimina los componentes de frecuencia de una señal (un voltaje 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 se procesan mediante 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 utilizados en fotografía e iluminación teatral, y filtros acústicos que permiten el paso de ondas sonoras de una banda específica de frecuencias.
Un ejemplo de un 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 atenuaría 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 completamente todas las frecuencias fuera del rango de frecuencia 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 atenuación del filtro y suele expresarse en dB de atenuación por octava o década de frecuencia. Generalmente, el diseño de un filtro busca hacer que la caída 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 parada .
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 anchos de banda medidos usando 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 con una atenuación de 30 dB es el doble que el medido entre frecuencias. con 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 de banda ancha .
Los filtros de paso de banda se utilizan ampliamente en transmisores y receptores inalámbricos. La función principal de dicho filtro 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 escuchar o decodificar señales dentro de un rango seleccionado de frecuencias, al tiempo que evita que pasen señales en frecuencias no deseadas. Las señales en frecuencias fuera de la banda en la que está sintonizado el receptor pueden saturar o dañar el receptor. Además, pueden crear productos de mezcla no deseados que caen en 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 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 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.
Se puede simular un filtro de paso de banda eléctrico de cuarto orden mediante una caja ventilada en la que la contribución de la cara posterior del cono conductor queda atrapada en una caja sellada y la radiación de la superficie frontal del cono ingresa a una cámara con puerto. Esto modifica la resonancia del conductor. En su forma más simple, un recinto compuesto tiene dos cámaras. La pared divisoria entre las cámaras sostiene al conductor; normalmente sólo se porta una cámara.
Si el gabinete a cada lado del woofer tiene un puerto, entonces 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 conductor. Como en otras cajas réflex, los puertos generalmente pueden sustituirse por radiadores pasivos si se desea.
Una caja de paso de banda de octavo orden es otra variación que también tiene un rango de frecuencia estrecho. A menudo se utilizan en competiciones de niveles de presión sonora , en cuyo caso se utilizaría un tono de bajo de una frecuencia específica frente a cualquier cosa musical. Son complicados de construir y deben hacerse con bastante precisión para que funcionen casi según lo previsto. [3]
Los filtros de paso de banda también se pueden utilizar fuera de 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 de tiempo económicas. Esto revela más claramente 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 bastante diferentes a las de, por ejemplo, la ingeniería eléctrica. Es muy común que un investigador utilice directamente métodos tradicionales como el filtro "ideal", que tiene una función de ganancia perfectamente definida en el dominio de la frecuencia. Sin embargo, al hacerlo, pueden surgir problemas sustanciales que pueden causar distorsiones y hacer que la salida del filtro sea extremadamente engañosa. Como caso simple y conmovedor, el uso de un filtro "ideal" sobre el 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 las serias limitaciones del filtro y la probabilidad de engaños clave.
Afortunadamente, existen filtros de paso de banda que evitan esos errores, se adaptan a las series de datos disponibles y producen 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. Uno de los primeros trabajos, publicado en Review of Economics and Statistics en 2003, maneja más eficazmente el tipo de datos (estocásticos en lugar de deterministas) que surgen en la macroeconomía. En este artículo titulado "Filtros basados en modelos generales para extraer tendencias y ciclos en series de tiempo económicas", Andrew Harvey y Thomas Trimbur desarrollan una clase de filtros de paso de banda adaptativos. Estos se han aplicado con éxito en numerosas situaciones que involucran movimientos del ciclo económico en innumerables 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 señales no deseadas .
Combinación, horquilla, línea acoplada en paralelo, impedancia de paso e impedancia de trozo son los diseños para experimentar con 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 tiene como objetivo reducir el número 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 está 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 aplicaciones de comunicación inalámbrica 4G y 5G , respectivamente. Se desarrolla y amplía a partir de un filtro de paso de banda monobanda de 3 polos, donde se aplica un resonador adicional a un filtro de paso de banda monobanda de 3 polos. El filtro de paso de banda avanzado tiene un tamaño compacto con una estructura simple, lo cual es conveniente para su implementación. Además, el rechazo y la selectividad de la banda eliminada presentan un buen rendimiento en la supresión del 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 retraso de grupo .
Los captadores de energía son dispositivos que buscan energía del medio ambiente de manera eficiente. Se pueden implementar filtros de paso de banda para captadores de energía convirtiendo la energía generada por la vibración en energía eléctrica. El filtro paso banda diseñado por Shahruz (2005), es un conjunto de vigas en voladizo, [6] al que se le denomina sistema haz-masa. El conjunto de sistemas haz-masa se puede transformar en un filtro de paso de banda cuando se eligen las dimensiones apropiadas de haces y masas. Aunque el proceso de diseño de un filtro de paso de banda mecánico está avanzado, aún se requieren más estudios y trabajo para diseñar filtros de paso de banda más flexibles que se adapten a grandes intervalos de frecuencia. Este filtro mecánico de paso de banda podría usarse en fuentes de vibración con distintas frecuencias de potencia máxima.
En neurociencia , David Hubel y Torsten Wiesel demostraron por primera vez que las células simples corticales visuales 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 porción del espectro de luz entre en 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 los filtros Bandpass en Wikimedia Commons