Кіріспе
Белгілі бір диапазоннан тыс сигналдарды өткізбейтін сүзгі. Тораптық өткізу сүзгісі немесе жолақтық өткізу сүзгісі (BPF) – белгілі бір диапазон ішіндегі жиіліктерді өткізіп, осы диапазоннан тыс жиіліктерді (әлсіздетеді) қабылдамайтын құрылғы. Бұл жолақты тоқтату сүзгісіне кері.
A band pass filter or bandpass filter (BPF) is a device that passes frequencies within a certain range and rejects (attenuates) frequencies outside that range. It's the opposite of a band stop filter.
Сипаттама
Электроникада және сигналдарды өңдеуде сүзгі — әдетте екі портты тізбек немесе сигналдың жиілік компоненттерін (көтерілмелі кернеу немесе ток) жоятын құрылғы. Жолақты өткізгіш сүзгі белгілі бір жиілік диапазонындағы компоненттерді өткізеді, оны өту диапазоны деп атайды, бірақ осы диапазоннан жоғары немесе төмен жиіліктері бар компоненттерді тоқтатады. Бұл жоғары өткізгіш сүзгіден өзгеше, ол белгілі бір жиіліктен жоғары жиіліктегі компоненттерді өткізеді, және төмен өткізгіш сүзгіден өзгеше, ол белгілі бір жиіліктен төмен жиіліктегі компоненттерді өткізеді. Цифрлық сигналдарды өңдеуде, онда сигналдар цифрлық сандармен бейнеленеді және компьютерлік бағдарламалармен өңделеді, жолақты өткізгіш сүзгі — дәл осы функцияны орындайтын компьютерлік алгоритм. «Жолақты өткізгіш сүзгі» термині оптикалық сүзгілер үшін де қолданылады, олар әдетте фотосурет және театр жарықтандыруында қолданылатын, белгілі бір жиілік диапазонын өткізетін түсті материалдың қабаттары, сондай-ақ белгілі бір жиілік диапазонындағы дыбыс толқындарын өткізетін акустикалық сүзгілер үшін де қолданылады. Аналогтық электрондық жолақты өткізгіш сүзгінің мысалы — RLC тізбегі (резистор-индуктор-конденсатор тізбегі). Мұндай сүзгілерді төмен өткізгіш сүзгіні жоғары өткізгіш сүзгімен біріктіру арқылы да жасауға болады. Жолақтық сигнал — бұл нөлдік жиілікке жақын емес жиілік диапазонын қамтитын сигнал, мысалы, жолақты өткізгіш сүзгіден шығатын сигнал. Идеалды жолақты өткізгіш сүзгі толығымен тегіс өту диапазонына ие болар еді: өту диапазонындағы барлық жиіліктер күшейтпестен немесе әлсіздетпестен шығысқа берілер еді және өту диапазонынан тыс барлық жиіліктерді толығымен әлсіздетер еді. Бірақ практикада ешқандай жолақты өткізгіш сүзгі идеалды емес. Сүзгі қажетті жиілік диапазонынан тыс барлық жиіліктерді толығымен әлсіздетпейді; әсіресе, жоспарланған өту диапазонынан тыс аймақта жиіліктер әлсіздетіледі, бірақ тоқтатылмайды. Бұл сүзгінің тік төмендеуі деп аталады және әдетте жиіліктің октавасына немесе ондығына шаққандағы әлсіреуде (дБ) көрсетіледі. Әдетте, сүзгіні жобалау мақсаты — тік төмендеуді мүмкіндігінше тар ету, осылайша сүзгінің жобаланған дизайнына мүмкіндігінше жақын жұмыс істеуіне мүмкіндік беру. Көбінесе бұл өту диапазонының немесе тоқтату диапазонының тербелісінің есебінен жүзеге асырылады. Сүзгінің ені — бұл жоғары және төменгі кесу жиіліктерінің айырмасы. Пішін коэффициенті — бұл кесу жиілігін анықтау үшін екі түрлі әлсірету мәндерін қолдану арқылы өлшенген жолақтың ені, мысалы, 30/3 дБ-дағы пішін коэффициенті 2:1 болса, онда 30 дБ әлсірету жиіліктері арасында өлшенген жолақтың ені 3 дБ әлсірету жиіліктері арасында өлшенгенінен екі есе артық.
Q коэффициенті
Тораптық сүзгі Q коэффициенті арқылы сипатталуы мүмкін. Q коэффициенті – жолақтың қатынастық енінің кері шамасы. Жоғары Q сүзгісі тар өткізу жолағына, ал төмен Q сүзгісі кең өткізу жолағына ие болады. Олар тиісінше тар жолақты және кең жолақты сүзгілер деп аталады.
Қолданбалар
Жолақты өткізгіш сүзгілер сымсыз хабар таратушылар мен қабылдағыштарда кеңінен қолданылады. Таратушыдағы мұндай сүзгінің негізгі қызметі – шығыс сигналының жолақтық енін таратуға бөлінген жолақпен шектеу. Бұл таратушының басқа станцияларға кедергі келтірмеуін қамтамасыз етеді. Қабылдағышта жолақты өткізгіш сүзгі таңдалған жиіліктер диапазонындағы сигналдарды естіуге немесе декодтауға мүмкіндік береді, ал қажетсіз жиіліктердегі сигналдардың өтуіне жол бермейді. Қабылдағыштың реттелген жолағынан тыс жиіліктердегі сигналдар қабылдағыштың қанағаттанбайтын жағдайға түсіруіне немесе зақымдауына әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, олар қабылдағыш жолағында пайда болатын және қабылдағыш сигналына кедергі келтіретін қосымша араласу өнімдерін жасауы мүмкін. Кең жолақты қабылдағыштар мұндай кедергілерге әсіресе сезімтал. Жолақты өткізгіш сүзгі сигнал мен шу арақатынасын және қабылдағыштың сезімталдығын да оңтайландырады. Тарату және қабылдау салаларында, қолданылатын байланыс режимі мен жылдамдығына сәйкес оптималды жолақтық ені бар жақсы жобаланған жолақты өткізгіш сүзгілер жүйедегі сигнал берушілердің санын барынша арттырады, сонымен бірге сигналдар арасындағы кедергілерді немесе бәсекелестікті азайтады. Электроника және сигналды өңдеуден басқа, жолақты өткізгіш сүзгілерді қолданудың бір мысалы атмосфералық ғылымдарда. Метеорологиялық деректерді, мысалы, 3-10 күн аралығындағы кезеңдік диапазонда жолақты өткізу арқылы сүзгілеу әдеттегідей, осылайша деректер өрісінде тек циклондар ғана ауытқулар ретінде қалады.
Құрама немесе жолақты
4-ші реттік электрлік жолақты өткізгіш сүзгісі желдетілетін қорап арқылы модельделуі мүмкін, онда динамик конусының артқы жағынан келетін әсер жабық қорапқа қамалады, ал конустың алдыңғы жағынан шығатын дыбыс порты бар камераға бағытталады. Бұл динамиктің резонансын өзгертеді. Ең қарапайым нұсқада, құрама корпус екі камерадан тұрады. Камераларды бөлетін қабырға динамикті бекітеді; көбінесе тек бір камерада порт болады. Егер динамиктің екі жағындағы корпуста порттар болса, онда корпус 6-шы реттік жолақты өткізу жауабын береді. Мұндай конструкцияны жасау әлдеқайда қиын, және олар динамик сипаттамаларына өте сезімтал келеді. Басқа рефлекстік корпус конструкцияларындағыдай, қалау бойынша порттар пассивті радиаторлармен алмастырылуы мүмкін. Сегізінші реттік жолақты өткізгіш қорап – тағы бір нұсқа, оның да жиілік диапазоны тар. Олар көбінесе дыбыс қысымы деңгейі жарыстарында қолданылады, онда белгілі бір жиілікті бас дыбысы музыкалық мазмұнға қарағанда маңыздырақ болады. Оларды жасау қиын, және жоспарланғандай жұмыс істеуі үшін өте дәл жасалуы керек.
Экономика
Жолақты өткізу сүзгілерін инженерлік саладан тыс жерлерде де қолдануға болады. Экономикалық уақыт қатарларындағы шаруашылық цикл құралысын бөліп алу үшін жолақты өткізу сүзгілерін пайдалану – көрнекті мысал. Бұл экономикалық белсенділіктің өсуі мен төмендеуін нақтырақ көрсетеді, бұл өз кезегінде халықтың өміріне және түрлі компаниялардың табысына әсер етеді, сондықтан көптеген экономистер мен саясаткерлер үшін қызығушылық тудырады. Экономикалық деректердің статистикалық қасиеттері, мысалы, электротехникадағы деректерден мүлдем өзгеше болады. Зерттеушілер жиілік доменінде өте тік пайда функциясы бар «идеалды» сүзгі сияқты дәстүрлі әдістерді тікелей қолдануға бейім. Алайда, мұндай жағдайда бұрмалаулар туғызылып, сүзгінің нәтижесін мүлдем жаңылыстыруы мүмкін. Мысалы, «идеалды» сүзгіні ақ шуға қолданғанда (мысалы, акция бағасының өзгеруін бейнелеу үшін) жалған цикл пайда болады. «Идеалды» терминологиясын қолдану, сирек жағдайларды қоспағанда, көптеген қате пікірлерге әкеледі. Дегенмен, сүзгінің айқын шектеулері мен қателіктерге ұшырау мүмкіндігіне қарамастан, «идеалды» сүзгіні қолдану жиі кездеседі. Әйбақай, мұндай қателерден сақтауға, қолдағы деректер қатарына бейімделуге және ЖІӨ, инвестициялар мен тұтыну сияқты маңызды экономикалық көрсеткіштердегі шаруашылық циклдың өзгеруін дәлірек бағалауға мүмкіндік беретін жолақты өткізу сүзгілері бар. 2003 жылы «Экономика және статистика шолуы» журналында жарияланған зерттеме макроэкономикада кездесетін деректерді (детерминистік емес, стохастикалық) тиімдірек өңдеуге мүмкіндік береді. «Экономикалық уақыт қатарларындағы трендтер мен циклдарды бөліп алуға арналған жалпы модельге негізделген сүзгілер» атты мақаласында Эндрю Харви мен Томас Тримбур бейімделетін жолақты өткізу сүзгілерінің класын әзірледі. Бұл сүзгілер халықаралық экономикадағы көптеген елдерде шаруашылық циклдың өзгеруіне қатысты көптеген жағдайларда сәтті қолданылды.
4G және 5G сымсыз байланыстар
Жолақты өткізу сүзгілері 4G және 5G сымсыз байланыс жүйелерінде қолданылуы мүмкін. Хуссейни және авторлар (2015) сымсыз байланыс саласында радиожиілік шудың маңызды проблема екенін атап көрсетті. 5G технологиясының қазіргі даму кезеңінде, радиожиілік шуды басу және қажетсіз сигналдарды жою үшін жазық жолақты өткізу сүзгілері пайдаланылады. Комбайн, «шаштық», параллельді жалғанған желі, қадамдық кедергі және тұйық кедергі – бұл жолақты өткізу сүзгісін кішкентай өлшеммен төмен кіргізу шығынымен жасау үшін қолданылатын жобалар. Асимметриялық жиілік сипаттамасын қабылдау қажеттілігі, резонаторлардың санын, кіргізу шығындарын, схема өндірісінің мөлшерін және құнын азайту мақсатында туындайды. Хуссейни және авторлар (2015) 4 полюсті қиылысқан жолақты өткізу сүзгісін жасады, ол «сәулелік масса жүйесі» деп аталады. Сәулелер мен массалардың тиісті өлшемдері таңдалғанда, сәулелік масса жүйелерінің жиынтығы жолақты өткізу сүзгісіне айналуы мүмкін. Механикалық жолақты өткізу сүзгісін жобалау процесі жетілдірілгенімен, үлкен жиілік диапазондарына сәйкес келетін икемді жолақты өткізу сүзгілерін жобалау үшін қосымша зерттеулер мен жұмыстар қажет. Бұл механикалық жолақты өткізу сүзгісін ерекше шыңдық қуат жиіліктері бар діріл көздерінде қолдануға болады.
Басқа салалар
Нейробиология ғылымында Дэвид Хьюбель мен Торстен Визель алғаш рет визуалды қабықтың қарапайым жасушаларының Габор сүзгілеріне ұқсас жауап қасиеттері бар екенін көрсетті, бұл сүзгілер жолақты өткізгіштер болып табылады. Астрономияда жолақты өткізгіш сүзгілер құралға жарық спектрінің тек бір бөлігін ғана өткізу үшін қолданылады. Жолақты өткізгіш сүзгілер жұлдыздардың негізгі тізбектегі орнын анықтауға, қызыл жылжуды (redshift) анықтауға және көптеген басқа да қолданыстарға көмектеседі.