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필터

필터는 주파수 영역에서 신호를 변형하거나 선택하는 기능을 가진 전기 또는 신호 처리 장치입니다. 필터는 일정 주파수 이상 또는 이하의 신호를 통과시키거나 차단함으로써 원하는 주파수 대역의 신호만을 추출하거나 제거합니다. 이를 통해 원하는 신호의 주파수 성분을 강조하거나 원하지 않는 잡음이나 주파수 성분을 억제할 수 있습니다.

Filter

A filter is an electrical or signal processing device that alters or selects signals in the frequency domain. Filters function by allowing or blocking signals above or below a certain frequency, extracting or eliminating signals within the desired frequency range. This enables the emphasis of specific frequency components in the desired signal or the suppression of unwanted noise or frequency components.

파라미터

컷오프 프리퀀시(차단 주파수): 필터의 컷오프 프리퀀시는 필터가 신호를 차단하기 시작하는 주파수를 의미합니다. 이 값은 필터의 주파수 응답 특성을 결정하며, 컷오프 프리퀀시 아래에 있는 주파수는 통과되고, 컷오프 프리퀀시 이상의 주파수는 차단됩니다.
레조넌스(공진): 일부 필터는 레조넌스 또는 Q-factor(Quality factor)라고도 하는 공진 기능을 가지고 있습니다. 이는 필터가 컷오프 프리퀀시 근처에서 주파수를 강조하거나 증폭시키는 기능을 의미합니다. 레조넌스는 필터의 특정 주파수 영역에서의 강도를 조절하고, 세부 주파수 성분을 강조하는 데 사용됩니다.
차수(Order): 필터의 차수는 필터의 복잡성과 주파수 응답 특성을 결정하는 파라미터입니다. 일반적으로 차수가 높을수록 필터의 기능과 정확도가 향상되지만, 설계 및 구현이 복잡해질 수 있습니다.

Pass Band(통과 대역) : 원신호 그대로 왜곡없이 통과시키는 대역
Transition Band(전이 대역)¹⁾ : 통과대역과 저지대역 사이에서 변하는 경계 대역
Stop Band(차단 대역)²⁾ : 원신호를 차단시키는 대역

올 패스 필터

올 패스 필터는 모든 주파수의 신호를 동일한 크기(진폭)로 통과시키면서, 특정 주파수의 위상만 변화시키는 필터입니다.

밴드패스 필터

밴드 패스 필터는 특정 주파수 대역을 선택하여 해당 주파수 대역을 강조하고 나머지 주파수를 억제하는 필터입니다. 주로 특정 주파수 영역을 강조하기 위해 사용됩니다.

디지털 필터

디지털 필터의 일반적인 내용인 파라미터나 타입은 아날로그 필터와 동일하다. 하지만 디지털 필터는 동작 방식에 따라 크게 두가지로 나뉘게 된다.

FIR filter

Finite Impulse Response Filter

필터의 설계상 각 주파수의 탭에 대하여 각기 따로 연산해야 하므로 레이턴시가 필연적으로 발생하며, 탭의 갯수가 늘어날 수록 레이턴시가 점점 늘어난다. 위상 왜곡이 발생하지 않기 때문에 Linear 필터 설계가 가능하다.

FIR 필터에 임펄스 신호를 입력하였을 때 출력 반응이 유한하다.(그래서 Finite Impulse Response라는 이름이 붙었다.)

임펄스 리스펀스가 유한하다.
필터 처리 알고리즘에 피드 백이 없다.
리니어 페이즈 필터 설계가 쉽게 가능하다.
아날로그 필터 설계와의 연관성이 없다.
DSP 가용 자원 및 메모리 자원이 많이 필요하다. 필터 처리하는데 걸리는 시간, 즉 레이턴시가 길다.
최근에는 스피커 시스템의 크로스 오버 네트워크에 디지털로 FIR 필터를 적용하는 케이스가 많다.

IIR filter

Infiite Impulse Response Filter

아날로그 필터의 설계를 그대로 디지털로 적용하는 방식의 필터이다. 아래에 있는 그림들처럼 Butterworth 나 Elliptic 등의 아날로그 소자 설계를 바탕으로 디지털 알고리즘으로 적용하여 사용하게 된다.

필터의 설계 자체는 각 주파수 탭에 따른 기반이 아니고 모든 주파수 데이터에 대해 동일한 함수를 거치게 되므로 레이턴시 측면에서 매우 유리하고, 빠르게 동작한다.

임펄스 리스펀스를 입력했을 때 출력 반응이 무한하다.
필터 처리 알고리즘에 피드 백이 있다.
리니어 페이즈 설계가 불가능하다.
DSP 나 메모리 가용 자원이 많이 필요하지 않다. 피드 백을 이용하기 때문에 필터 처리에 걸리는 시간, 즉 레이턴시가 없거나 매우 짧다.

FIR 필터에 임펄스 신호를 입력하였을 때, 결과로 나오는 출력 반응이 무한하게 반복된다. 피드 백이 있기 때문이다. (그래서 Infinite impulse Response라는 이름이 붙었다.)

일반적인 디지털 이퀄라이저나 필터 설계에 많이 사용된다.

그림 1: Butterworth 의 IIR 알고리즘

그림 2: 2Pole filter의 IIR 알고리즘

그림 3: 2Pole filter의 아날로그 회로

필터 토폴로지

Filter Topology

필터 토폴로지는 전자 회로 설계에서 필터를 구성하는 방법을 의미하는 용어입니다. 필터는 특정 주파수 대역을 통과시키거나 차단하기 위해 사용되며, 다양한 회로 구성 방식에 따라 성능과 특성이 달라집니다.

필터 토폴로지에는 여러 가지 종류가 있으며, 각 토폴로지는 주파수 응답, 위상 특성, 회로 복잡도에 영향을 미칩니다.

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로우패스 필터

로우 패스 필터는 선택한 주파수 이상의 모든 주파수를 통과시키고 선택한 주파수 이하의 주파수를 억제합니다. 고음을 제거하거나 저음을 강조하는 데 사용됩니다.

하이패스 필터

로우 컷(하이 패스) 필터는 오디오 신호에서 저주파수를 제거하는 필터입니다. 마이크 프리 앰프나 마이크에 내장된 경우, 이 필터는 일반적으로 낮은 주파수를 제거하여 불필요한 진동이나 떨림을 줄여주는 역할을 합니다. 특히 음성 녹음이나 라이브 음악 공연과 같은 상황에서 자주 사용됩니다.

마이크를 너무 가까이에서 사용할 때 발생하는 파열음(plosive) 문제를 해결하기위해 로우 컷 필터가 유용합니다. 파열음은 주로 ‘P’, ‘B’와 같은 발음에서 발생하는 강한 저주파 에너지가 원인이 되는데, 로우 컷 필터를 사용하면 이러한 과도한 저주파 성분을 제거하여 깨끗한 음질을 유지할 수 있습니다.

또한, 로우 컷 필터는 마이크를 손으로 잡거나 움직일 때 발생하는 핸들링 노이즈를 줄이는 데도 효과적입니다. 핸들링 노이즈는 특히 핸드헬드 마이크나 이동 중인 마이크에서 발생하는 저주파 진동으로 인해 녹음 품질을 저하시킬 수 있습니다. 로우 컷 필터를 사용하면 이러한 핸들링 노이즈를 완화하여 보다 선명한 음질을 유지할 수 있습니다.

노치 필터

Notch Filter/대역 저지 필터

노치 필터는 밴드 패스 필터와 정반대로, 아주 좁은 특정 주파수 대역만 콕 집어서 완전히 제거(컷)하고 나머지 주파수는 그대로 통과시키는 필터입니다. 주로 오디오 녹음 중 발생하는 전기적 험 노이즈(60Hz 또는 50Hz)나 마이크 하울링(피드 백) 같은 특정 불쾌한 주파수 성분만 정밀 타격하여 제거하기 위해 사용됩니다.