Wozu dienen Filter (Hochpass, Tiefpass) allgemein?

12 Antworten

Ein Signal, auch Ton und Bild, besteht aus Frequenzen. Sprache oder das Zupfen einer Gitarrensaite ist genauso eine Überlagerung aus vielen Frequenzen wie ein Bildinhalt.

Ein Tiefpass lässt nur tiefe, ein Hochpass nur hohe Frequenzen durch.

In der Akustik sehr bekannt: Für tiefe Frequenzen braucht man große Membrane, der große Basslautsprecher. Große Membrane sind aber zu träge für hohe Frequenzen und eine kleine Membran reicht auch, also braucht man auch eine kleine Membran für hohe Töne, der Hochtöner. Der Tiefpass gibt tiefe Frequenzen an den großen Tieftonlautsprecher und der Hochpass hohe Frequenzen an den kleinen Hochtonlautsprecher weiter.

Eine Kombination aus Beidem, also ein Hochpass der extrem tiefe Frequenzen filtert und ein Tiefpass der extrem hohe Frequenzen filtert und nur etwas in der Mitte durchlässt, und somit in Summe nur mittlere Frequenzen durchkommen, nennt sich Bandpass und befeuert in der Akustik einen mittelgroßen Lautsprecher in einem 3-Wege-System.

In der Bildbearbeitung kann man damit z.B. das Bild aufbereiten oder analysieren. Hohe Frequenzen sind z.B. Bildrauschen, schnell wechselnde Bildinhalte (Falten in einem Gesicht) oder Kanten. Mit einem Tiefpass wird das Rauschen weniger, die Falten im Gesicht auch, aber auch die Kanten werden weicher und somit der Gesamteindruck des Bildes unschärfer. Mit einem inversen Tiefpass, der hohe Frequenzen wieder verstärkt, kann man ein Bild, das z.B. wegen einer defocussierten Linse unscharf ist, wieder schärfen. Solang noch hohe Frequenzen da sind (wenn weg, dann weg), kann man sie verstärken und somit die Schärfe wieder etwas anheben. Im Fall vom Weltraumteleskop Hubble hat man so den bekannten Linsenfehler rausgerechnet.

Hohe Frequenzen sind z.B. in Kanten enthalten. Ein Hochpassfilter in der Bildbearbeitung ist z.B. die simpelste Form einer Kantenerkennung. Bei einem Hochpass bleiben nur noch die hohen Frequenzen der Kanten als Striche übrig und zeigen die Kanten an.

Auch der Beat eines Schlagzeuges hat übrigens "Kanten". Das tiefe, das den Druck auf der Brust erzeugt, wenn man weit genug aufdreht, kommt von den tiefen Frequenzen, das definierte kommt von den hohen Frequenzen. Klemmt man den Hochtöner ab, kommt das Schlagzeug nur noch als wummerndes "wumm wumm wumm" aus dem Tieftöner, mit Druck aber ohne Definition. Klemmt man den Tieftöner ab, kommt ein Klicken aus dem Hochtöner, ohne Druck. Zusammen kommt wieder ein definiertes "Umts Umts Umts" mit Druck und Definition.

Noch anders kann man Hoch- und Tiefpass zu einer Bandsperre kombinieren. Zum Beispiel nur tiefe Frequenzen und nur hohe durchlassen aber dazwischen nichts. In der Akustik z.B. anwendbar wenn du Netzbrummen (50Hz vom Stromnetz) im Ton hast, dann sperrt man die 50Hz aus und lässt den Rest durch. Da allerdungs auch Nutzsignal von 50Hz +/- der Flankensteilheit des Filters mit betroffen wird, ist das nur eine Notlösung wenn das Kind bereits in den Brunnen gefallen und die Aufnahme verhunzt ist und man durch Optimierung der Steckverbindungen, Massetrennung etc. nichts mehr retten kann.

Als Filter wird ein Gegenstand bezeichnet, der verschieden Dinge passieren, andere aber zurückhält.
Man denke dabei nur an einen Kaffeefilter oder ein Sieb. Da du aber die Begriffe Hoch- und Tiefpass benutzt, sollte es sich hier hauptsächlich um Einrichtungen der Elektronik handeln.
Dort gibt es aber weitere Filtertypen. Das sind der Bandpass und die Bandsperre.
Unter einem "Band" versteht man da ein Signalgemisch, das Schwingungen verschiedener Frequenzen enthält.

In der Rundfunktechnik senden die verschiedenen Sender auf verschiedenen Frequenzen. Will man nur einen gleichzeitig hören, dann muss man die andern heraus filtern. Dafür werden Filter mit Bandpass-Eigenschaften eingesetzt. Sie lassen nur einen Frequenzbereich durch, der die Informationen (Sprache, Musik) enthält.
Ein Bandfilter ist in der Optik auch eine farbiges Glas. Hier wird nur das Licht dieser Farbe durchgelassen.

Ein Tiefpass wurde nur Signale mit niedrigen Frequenzen passieren lassen.
So z.B. in einem Netzteil, das aus Wechselspannung Gleichspannung macht.
Gleichspannung ist bekanntlich eine Wechselspannung mit der Frequenz Null.
Reste der "richtigen" Wechselspannung können den Tiefpass nicht (oder nur in einem sehr geringen Maße) überwinden, übrig bleicht die Gleichspannung.

Andererseits muss man oft die Gleichspannung zurück halten um  Wechselspannungen weiter verarbeiten zu können. So z.B. sollte ein Lautsprecher nicht von Gleichströmen durchflossen werden (die Membran kann dann nicht mehr frei um den "Nullpunkt" schwingen). In dem Falle ist ein Hochpass die Lösung. Der hält Spannungen niedriger Frequenz zurück und lässt nur das Nutzsignal (Musik, Sprache) durch.
Solche Filter sind aber niemals so ideal, dass es nicht auch Verluste gibt.
Im letzteren Falle würden nicht nur die Gleichspannung gehindert zu Lautsprecher zu kommen, sondern auch tiefe Töne werden geschwächt .

Ganz allgemein: die von dir angesprochenen Filter sind elektrotechnische Filter, die zur Gewinnung und gezielten Beeinflussung von Signalen in der Elektrotechnik eingesetzt werden.

Diese Typen wurden früher ausschließlich analog entworfen, es ist aber seit geraumer Zeit (einige Jahrzehnte inzwischen) möglich, diese Filter auch signaltechnisch in der digitalen Signalverarbeitung als Routine oder Programm zu schreiben.

Mit Filtern - egal, ob physikalisch analog oder programmtechnisch digital realisiert - kann man Informationen voneinander trennen, die nur überlagert vorliegen, und so "sichtbar" oder auswertbar machen. Gleichfalls kann man mit gleicher Strategie Störungen unterdrücken und dämpfen und so "unsichtbar" machen, die z.B. auf Energiezuleitungen der Netzspannung überlagert sind.

So gesehen passt sogar das häusliche Kaffeefilter in das Bild:

Der "Geschmack" (=Aromastoffe) des aufgebrühten Kaffees wird vom ursprünglichen "Geschmacksträger" der gemahlenen Kaffeebohne getrennt --> damit man den "Satz" nicht mittrinken muss (=Störung).

Ausreichend erläutert?


 

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