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バンドパスフィルタ（ BPF ）とは、特定の周波数範囲内の周波数を通過させ、その範囲外の周波数を遮断（減衰）する装置です。バンドストップフィルタとは逆の働きをします。
電子工学や信号処理において、フィルタは通常、信号（交流電圧または電流）の周波数成分を除去する2ポート回路またはデバイスです。バンドパスフィルタは、通過帯域と呼ばれる特定の周波数帯域の成分を通過させますが、この帯域より上または下の周波数の成分は遮断します。これは、特定の周波数より高い周波数の成分を通過させるハイパスフィルタや、特定の周波数より低い周波数の成分を通過させるローパスフィルタとは対照的です。デジタル信号処理では、デジタル数値で表される信号がコンピュータプログラムによって処理されますが、バンドパスフィルタは同じ機能を実行するコンピュータアルゴリズムです。バンドパスフィルタという用語は、写真や劇場照明で一般的に使用される、特定の周波数帯域の光のみを通過させる着色材料のシートである光学フィルタや、特定の周波数帯域の音波のみを通過させる音響フィルタにも使用されます。
アナログ電子バンドパスフィルタの一例として、 RLC回路（抵抗器-インダクタ-コンデンサ回路）が挙げられます。これらのフィルタは、ローパスフィルタとハイパスフィルタを組み合わせることによっても作成できます。[ 1 ]
バンドパス信号とは、ゼロ周波数に隣接しない周波数帯域を含む信号のことであり、例えばバンドパスフィルタから出力される信号などが挙げられる。[ 2 ]
理想的なバンドパスフィルタは、完全に平坦な通過帯域を持つ。つまり、通過帯域内のすべての周波数は増幅も減衰もされずに出力に渡され、通過帯域外のすべての周波数は完全に減衰される。
実際には、理想的なバンドパスフィルタは存在しません。フィルタは、目的の周波数範囲外のすべての周波数を完全に減衰させるわけではありません。特に、意図した通過帯域のすぐ外側には、周波数が減衰されるものの、完全に遮断されない領域が存在します。これはフィルタのロールオフと呼ばれ、通常は周波数のオクターブまたはデカードあたりの減衰量（dB）で表されます。一般的に、フィルタの設計では、ロールオフをできるだけ狭くすることで、フィルタが意図した設計にできるだけ近い性能を発揮するようにします。多くの場合、これは通過帯域または阻止帯域のリップルを犠牲にして達成されます。
フィルタの帯域幅は、単純に上限カットオフ周波数と下限カットオフ周波数の差です 。形状係数は、カットオフ周波数を決定するために2つの異なる減衰値を使用して測定された帯域幅の比率です。たとえば、30/3 dBで形状係数が2:1の場合、30 dBの減衰で測定された周波数間の帯域幅は 、3 dBの減衰で測定された周波数間の帯域幅の2倍であることを意味します 。
バンドパスフィルタは、Q値によって特徴づけられます。Q値は、帯域幅の逆数です。Q値が高いフィルタは通過帯域が狭く、Q値が低いフィルタは通過帯域が広くなります。これらはそれぞれ、狭帯域フィルタと広帯域フィルタと呼ばれます。
バンドパスフィルタは、無線送信機および受信機で広く使用されています。送信機におけるこのフィルタの主な機能は、出力信号の帯域幅を送信用に割り当てられた帯域に制限することです。これにより、送信機が他の局に干渉するのを防ぎます。受信機では、バンドパスフィルタは、選択された周波数範囲内の信号を受信または復号化できるようにする一方で、不要な周波数の信号が通過するのを防ぎます。受信機が同調している帯域外の周波数の信号は、受信機を飽和させたり損傷させたりする可能性があります。さらに、帯域内に不要な混合生成物を生成し、目的の信号に干渉する可能性もあります。広帯域受信機は、このような干渉に対して特に脆弱です。バンドパスフィルタは、受信機の信号対雑音比と感度も最適化します。
送信および受信の両方の用途において、使用される通信モードと速度に最適な帯域幅を持つ適切に設計されたバンドパスフィルタは、システム内に存在できる信号送信機の数を最大化すると同時に、信号間の干渉や競合を最小限に抑えます。
電子工学や信号処理の分野以外では、バンドパスフィルタの使用例として大気科学が挙げられる。例えば3日から10日の期間で最近の気象データをバンドパスフィルタ処理することで、データフィールドの変動としてサイクロンのみが残るようにすることが一般的である。
4次電気バンドパスフィルタは、ドライバーコーンの背面からの音を密閉されたボックスに閉じ込め、コーン前面からの音をポート付きチャンバーに導く通気孔付きボックスでシミュレートできます。これにより、ドライバーの共振特性が変化します。最もシンプルな構成では、複合エンクロージャーは2つのチャンバーで構成されます。チャンバー間の仕切り壁にはドライバーが配置され、通常は片方のチャンバーのみがポート付きとなります。
ウーファーの両側のエンクロージャーにポートが設けられている場合、エンクロージャーは6次バンドパス特性を示します。このような特性を持つエンクロージャーは設計がかなり難しく、ドライバーの特性に非常に敏感です。他のバスレフ型エンクロージャーと同様に、必要に応じてポートをパッシブラジエーターに置き換えることも可能です。
8次バンドパスボックスは、周波数範囲が狭い別のバリエーションです。これらは音圧レベル競技でよく使用され、その場合は音楽的な音ではなく、特定の周波数の低音が使用されます。製作は複雑で、意図したとおりに動作させるには非常に精密に製作する必要があります。[ 3 ]
バンドパスフィルターは、工学関連分野以外でも利用できます。代表的な例としては、経済時系列データから景気循環成分を抽出するためにバンドパスフィルターを使用することが挙げられます。これにより、人々の生活や様々な企業の業績を左右する経済活動の拡大と縮小がより明確に明らかになり、経済学者や政策立案者をはじめとする幅広い層にとって関心の高いものとなっています。
経済データは、例えば電気工学のデータとは統計的特性が大きく異なる場合が多い。研究者が、周波数領域で完全にシャープなゲイン関数を持つ「理想的な」フィルタなどの従来の手法をそのまま適用することはよくある。しかし、そうすることで、歪みが生じ、フィルタの出力が極めて誤解を招くような重大な問題が発生する可能性がある。分かりやすく単純な例として、ホワイトノイズ（例えば株価変動を表す）に「理想的な」フィルタを適用すると、誤ったサイクルが生じる。「理想的」という名称の使用は、ごくまれな場合を除いて、暗黙のうちに大きな誤った仮定を含んでいる。にもかかわらず、「理想的な」フィルタの使用は、その限界にもかかわらず依然として一般的である。
幸いなことに、このようなエラーを回避し、対象となるデータ系列に適応し、実質GDP、投資、消費といった主要経済系列、およびそれらのサブコンポーネントにおける景気循環の変動をより正確に評価できるバンドパスフィルタが利用可能です。2003年にReview of Economics and Statisticsに掲載された初期の研究では、マクロ経済学で発生するデータ（決定論的ではなく確率的）をより効果的に処理しています。Andrew HarveyとThomas Trimburは、「経済時系列におけるトレンドとサイクルを抽出するための一般的なモデルベースフィルタ」と題されたこの論文で、適応型バンドパスフィルタのクラスを開発しました。これらは、国際経済における無数の国の景気循環の動きを含むさまざまな状況で成功裏に適用されています。
バンドパスフィルタは、 4Gおよび5G無線通信システムに実装できます。Hussainiら（2015）は、無線通信の応用において、無線周波数ノイズが大きな懸念事項であると述べています。[ 4 ]現在の5G技術の開発では、平面バンドパスフィルタがRFノイズを抑制し、不要な信号を除去するために使用されています。
組み合わせ、ヘアピン、並列結合線路、ステップインピーダンス、スタブインピーダンスは、コンパクトなサイズで低挿入損失を実現するバンドパスフィルタの設計実験です。 [ 5 ]非対称周波数応答を採用する必要性は、共振器の数、挿入損失、回路のサイズ、および製造コストを削減するためです。
4 極クロスカップルドバンドパスフィルタは Hussaini ら (2015) によって設計されました。[ 4 ]このバンドパスフィルタは、それぞれ4Gおよび5Gワイヤレス通信アプリケーション向けに2.5～2.6 GHz および 3.4～3.7 GHz のスペクトルをカバーするように設計されています。これは 3 極シングルバンドバンドパスフィルタから開発および拡張されたもので、3 極シングルバンドバンドパスフィルタに追加の共振器が適用されます。この高度なバンドパスフィルタは、実装が容易なシンプルな構造でコンパクトなサイズです。さらに、阻止帯域除去と選択性は、 RF ノイズ抑制において優れた性能を示します。4G および 5Gスペクトルをカバーする際の挿入損失は非常に低く、良好な反射損失と群遅延を提供します。
エネルギースカベンジャーは、環境から効率的にエネルギーを探す装置です。振動から発生するエネルギーを電気エネルギーに変換することで、バンドパスフィルタをエネルギースカベンジャーに適用できます。Shahruz (2005) が設計したバンドパスフィルタは、カンチレバービームの集合体であり、[ 6 ]ビーム質量システムと呼ばれています。ビームと質量の適切な寸法を選択すると、ビーム質量システムの集合体をバンドパスフィルタに変換できます。機械式バンドパスフィルタの設計プロセスは進歩していますが、広い周波数間隔に適したより柔軟なバンドパスフィルタを設計するには、さらなる研究と作業が必要です。この機械式バンドパスフィルタは、異なるピーク電力周波数を持つ振動源に使用できます。
神経科学において、視覚皮質の単純細胞は、バンドパスであるガボールフィルターに似た応答特性を持つことが、デイビッド・ヒューベルとトルステン・ヴィーゼルによって初めて示された。 [ 7 ]
天文学において、バンドパスフィルターは、光スペクトルの特定の部分だけを観測装置に取り込むために使用されます。バンドパスフィルターは、恒星が主系列上のどこに位置するかを特定したり、赤方偏移を識別したり、その他多くの用途に役立ちます。
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