신호 처리에서 필터 유형 완벽 가이드

일반적으로 필터는 신호 처리 과정에서 주파수 신호로부터 불필요한 특징이나 성분을 제거하는 프로세스 또는 장치입니다. 컴퓨터 그래픽, 이미지 처리, 제어 시스템, 레이더, 통신 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이번 글에서는 다양한 필터의 종류와 그 특징에 대해 자세히 알아보겠습니다.

필터란 무엇인가?

필터는 전자 신호, 노이즈 등 원치 않는 성분이 필터링 장치나 매체를 통과할 때 이를 제거하는 회로입니다.

또 다른 정의에 따르면, 필터는 특정 주파수를 감쇠시키면서 다른 주파수는 증폭하거나 통과시키는 장치입니다. 즉, 전자 필터는 불필요하거나 원치 않는 주파수를 가진 신호에서 원하는 주파수만을 추출해냅니다.

필터의 종류

제조사들은 필터를 구조 방식과 주파수 응답 방식에 따라 분류합니다.

구조 방식에 따른 분류

구조적 특징에 따라 두 가지 필터 유형이 있습니다.

수동 필터 (Passive Filters)

수동 필터는 인덕터, 커패시터, 저항과 같은 수동 소자만으로 구성된 필터입니다.

수동 대역통과 필터

외부 에너지원이 필요하지 않으므로 전압 이득이 없습니다. 즉, 출력 전압이 입력 전압보다 항상 낮습니다. 또한 저주파 처리는 어렵지만 고주파 신호는 쉽게 필터링할 수 있습니다. 설계가 단순하지만, 부하를 연결하면 필터 특성이 변하고, 캐스케이드 연결로 고차 필터를 만들면 소자 특성에 영향을 줄 수 있습니다.

능동 필터 (Active Filters)

수동 필터와 달리 능동 필터는 트랜지스터, 연산 증폭기, 커패시터, 저항 같은 능동 소자를 포함합니다.

능동 필터

외부 전원이 필요하지만 높은 전압 이득을 얻을 수 있어 미약한 입력 신호를 증폭할 수 있습니다. 극고주파 처리는 어렵지만 매우 낮은 주파수 신호는 잘 필터링합니다. 설계는 복잡하지만 낮은 출력 임피던스와 높은 입력 임피던스를 제공하므로 부하 임피던스가 필터 특성에 영향을 주지 않습니다. 차수가 높은 필터가 필요할 때 캐스케이드 구성으로 연결하면 입력 신호 전력 손실 없이 필터 차수를 높일 수 있습니다.

주파수 응답에 따른 분류

두 번째 분류는 다음과 같은 필터 유형에 따라 달라집니다.

저역통과 필터 (Low Pass Filter)

저역통과 필터는 저주파 신호는 전력 손실 없이 통과시키고 고주파 신호는 차단합니다.

저역통과 필터

이 필터는 입력 주파수에 따라 변하는 리액턴스 성분을 포함합니다. 리액턴스 변화로 회로의 전압 강하가 증가하거나 감소하며, 출력단에서 큰 전압 강하가 발생하면 신호가 통과하고, 작으면 차단됩니다.

고역통과 필터 (High Pass Filter)

고역통과 필터는 저주파 신호는 차단하고 고주파 신호는 진폭 감쇠 없이 통과시킵니다.

고역통과 필터

차단 주파수보다 높은 주파수의 신호는 완전한 진폭으로 통과하고, 차단 주파수보다 낮은 주파수의 신호는 차단됩니다.

대역통과 필터 (Band Pass Filter)

대역통과 필터는 통과 대역 주파수보다 높거나 낮은 주파수는 차단하고, 특정 대역의 주파수만 통과시킵니다.

대역통과 필터

상한 및 하한 차단 주파수 두 개를 가지며, 이 사이의 통과 대역 주파수는 감쇠 없이 통과합니다. 고역통과 필터와 저역통과 필터를 캐스케이드 구성으로 결합하면 대역통과 필터가 됩니다. 고역통과 필터가 저주파를 차단하고, 저역통과 필터가 고주파를 차단하기 때문입니다.

대역저지 필터 / 노치 필터 / 대역정지 필터 (Band Reject/Notch/Band Stop Filter)

대역저지 필터는 고정된 주파수 대역 내의 신호 주파수를 감쇠시키거나 제한합니다.

대역저지/대역정지 필터

대역통과 필터와 정반대 동작을 합니다. 노치 필터는 고주파와 저주파 신호는 통과시키지만 그 사이의 고정된 주파수 대역은 차단합니다. 상한 및 하한 차단 주파수를 가지며, 이 두 주파수 사이에 들어오는 신호는 거부합니다.

응답 곡선 (Response Curves)

응답 곡선은 필터가 어떻게 동작하는지 보여줍니다. 아래 다이어그램은 다양한 필터의 응답 곡선을 예시로 보여줍니다.

대역 형태 템플릿

필터의 응용 분야

필터는 주로 다음과 같은 분야에 적용됩니다.

(TV)

(자동차 제조)

결론

요약하자면, 필터는 깨끗한 신호가 필요한 프로젝트에 적용할 수 있습니다. 다양한 필터 유형은 특정 장치 사용을 위한 가이드 역할을 합니다. 주파수 필터에 대해 궁금한 점이 있으시면 언제든 문의해 주시기 바랍니다.