Was ist ein Notchfilter?
Ein Notchfilter schwächt Signale in einem kleinen Frequenzbereich und lässt alle anderen Frequenzen unverändert passieren.
Notchfilter können Störsignale effektiv aus bestimmten Frequenzen entfernen. Bei Ton- und anderen Signalanwendungen kann das Hintergrundsummen durch das Elektrizitätsnetz (oft bei 60 Hz) mit einem auf diese Frequenz ausgelegten Notchfilter entfernt werden. Bei Software-Defined Radios werden störende FM-Rundfunksignale mit Notchfiltern entfernt. Ein Notchfilter ist eine Art Bandstoppfilter aus einer Kombination von Hochpass- und Tiefpassfiltern. Notchfilter werden auch als „Bandsperrfilter“ bezeichnet.
Amplitudengang eines Notchfilters im Filter Visualization Tool in MATLAB.
FIR-Filter
FIR-Filter sind eine beliebte Option, da sie inhärent stabil sind. Sie können so ausgelegt werden, dass ihre lineare Phase eine Verzögerung im gefilterten Signal hervorruft, aber die Wellenform beibehält. Nichtsdestotrotz können diese Filter lange transiente Frequenzen aufweisen und in gewissen Anwendungen eine hohe Rechenleistung erfordern. FIR-Filter eignen sich für Audio-, Biomedizin- und Radaranwendungen sowie in allen anderen Bereichen, in denen die Form der Wellenform wertvolle Informationen liefert. Gängige Entwurfsmethoden für Tiefpass-FIR-Filter sind z. B. Kaiser-Fenster, kleinste Quadrate und Equiripple.
Amplitudengang eines mit MATLAB entworfenen FIR-Notchfilters.
IIR-Filter
IIR-Filter eignen sich bei Anwendungen mit begrenzter Rechenleistung. Da weniger Filterkoeffizienten erforderlich sind, benötigen IIR-Filter auch weniger Hardware. Stabile, kausale IIR-Filter haben jedoch keine perfekt lineare Phase. Häufig werden IIR-Filter bei der Tonentzerrung, Verarbeitung biomedizinischer Sensorsignale, bei intelligenten IoT-/IIoT-Sensoren und Hochgeschwindigkeitsanwendungen in Funk und Telekommunikation eingesetzt. IIR-Filter werden u. U. mit folgenden Methoden entworfen: Butterworth, Tschebyscheff (Typ I und Typ II) und elliptisch.
Amplitudengang eines mit MATLAB entworfenen IIR-Notchfilters.
Filterentwurf in MATLAB
Die Bandsperr-Funktion in der Signal Processing Toolbox™ ist besonders bei der schnellen Signalfilterung nützlich. Sie können designfilt und andere algorithmusspezifische (z. B. butter, fir1) Funktionen verwenden, wenn mehr Regelung für Parameter wie Filtertyp, Filterordnung und Dämpfung erforderlich ist. Weitere Informationen zum Filterentwurf finden Sie unter Signal Processing Toolbox .
Beispiele und Erläuterungen
Software-Referenz
Notchfilter-FAQs
Ein Notchfilter ist ein Bandstoppfilter, der einen engen Frequenzbereich dämpft, während er alle anderen ungehindert passieren lässt. Er wird häufig verwendet, um unerwünschte Störungen, wie Störungen aus dem Stromnetz bei 50 oder 60 Hz, zu entfernen, ohne das übrige Signalspektrum zu beeinträchtigen.
Verwenden Sie einen Notchfilter, wenn Sie eine bestimmte Frequenz oder ein sehr schmales Frequenzband unterdrücken müssen, ohne die Gesamtbandbreite des Signals zu verändern. Tiefpassfilter oder Hochpassfilter beeinflussen breite Frequenzbereiche und eignen sich daher nicht für präzise Frequenzunterdrückung.
Ein Bandstoppfilter dämpft einen breiteren Frequenzbereich, während ein Notchfilter ein sehr schmales Band gezielt angreift. Ingenieure wählen oft Notchfilter für Anwendungen wie das Entfernen einzelner Frequenzstörungen, während die Signalintegrität erhalten bleibt.
Um einen Notchfilter zu entwerfen, bestimmen Sie die Mittenfrequenz, die unterdrückt werden soll, und die gewünschte Bandbreite. Wählen Sie dann Filterparameter wie den Gütefaktor (Q) und die Ordnung.
Der Gütefaktor definiert, wie schmal oder scharf die Kerbe ist. Ein höherer Q-Wert bedeutet ein engeres Sperrband, was ideal ist, um einen einzelnen Störungston zu entfernen, ohne benachbarte Frequenzen zu beeinflussen.
Notchfilter führen in der Nähe der Kerbfrequenz zu Phasenverschiebungen und dämpfen die Amplitude innerhalb des Sperrbandes. Außerhalb dieses Bandes bleibt das Signal weitgehend unbeeinflusst, sodass Notchfilter für präzise Filteraufgaben geeignet sind.
Ja. Ein auf 60 Hz (oder in einigen Regionen 50 Hz) abgestimmter Notchfilter wird häufig verwendet, um Netzstörungen in biomedizinischen Signalen, Audiosystemen und Messgeräten zu eliminieren, ohne andere Frequenzkomponenten zu beeinträchtigen.
Notchfilter werden häufig in der Audioverarbeitung, in Kommunikationssystemen, in der Analyse biomedizinischer Signale (z. B. EKG) und in der Messtechnik eingesetzt, um schmalbandige Störungen zu unterdrücken und gleichzeitig die Signaltreue zu erhalten.
In MATLAB können Sie Notchfilter mit Funktionen wie designfilt oder designNotchPeakIIR entwerfen und anwenden. Diese Werkzeuge erlauben es, Mittenfrequenz, Bandbreite und Filterordnung für eine präzise Steuerung anzugeben.
Notchfilter sind effektiv bei schmalbandigen Störungen, können aber Signale verzerren, wenn die Kerbe zu breit ist oder die Ziel-Frequenz zeitlich variiert. Bei dynamischen Störungen kann eine adaptive Filterung die bessere Lösung sein.
Siehe auch: DSP System Toolbox, Tiefpassfilter, Filterentwurf, Quantisierung, Hochpassfilter, Bandpassfilter
