Butterworth-Filter

kontinuierliche Frequenzfilter, die so ausgelegt sind, dass der Frequenzgang unterhalb der Grenzfrequenz ωg möglichst lange horizontal verläuft

Butterworth-Filter sind kontinuierliche Frequenzfilter, die so ausgelegt sind, dass der Frequenzgang für einen Tiefpass unterhalb der Grenzfrequenz ωg möglichst lange horizontal verläuft (für einen Hochpass gilt umgekehrt dasselbe). Erst kurz vor dieser Grenzfrequenz soll die Übertragungsfunktion absinken und in die Durchlassdämpfung von n·20 dB pro Frequenzdekade übergehen (n ist die Ordnung des Butterworth-Filters). Die einfachste Form des Butterworth-Filters 1. Ordnung stellt das RC-Glied dar. Eine moderne praktische Anwendung des Filters ist in der Computeranimation üblich; sie dient der Reduktion von Kurvenpunkten, ohne die generelle Form der Kurve zu verändern.

Das Bode-Diagramm eines Butterworth-Tiefpassfilters erster Ordnung
Der Butterworth-Filter vereinfacht die Punktdichte einer Kurve, ohne den grundsätzlichen Kurvenverlauf zu verändern.[1]

Ein Signal mit der Grenzfrequenz wird auf das -fache des ursprünglichen Signals abgeschwächt, d. h. die Dämpfung bei der Grenzfrequenz beträgt ca. 3 dB. Butterworth-Filter haben sowohl im Durchlassbereich als auch im Sperrbereich einen gleichmäßigen (glatten) Verlauf der Übertragungsfunktion.

Benannt wurde das Butterworth-Filter nach dem britischen Physiker Stephen Butterworth, der diese Art von Filter erstmals beschrieb.[2]

Butterworth-Tiefpassfilter der Ordnungen 1 bis 5
Beispiel: Butterworth-Filter 2. Ordnung Tiefpass, realisiert als Sallen-Key-Filter.

ÜbertragungsfunktionBearbeiten

Daraus ergibt sich als Forderung an die Übertragungsfunktion:

 

mit

  Gleichspannungsverstärkung
  auf Grenzfrequenz normierte Frequenz
  Ordnung des Filters

Durch Koeffizientenvergleich mit der allgemeinen Übertragungsfunktion ergeben sich die Koeffizienten des Butterworth-Filters.

KoeffizientenBearbeiten

Bringt man die Übertragungsfunktion in die normierte Form ( ):

 

ergeben sich für die Koeffizienten   und   folgende Beziehungen:

Ordnung n des Filters gerade:

 
 
 

Ordnung n des Filters ungerade:

 
 
 
 
 

EigenschaftenBearbeiten

Das Butterworth-Filter besitzt folgende Eigenschaften:

  • monotoner Amplitudengang sowohl im Durchlass- als auch im Sperrbereich
  • schnelles Abknicken bei der Grenzfrequenz, verbessert sich mit der Ordnung
  • beträchtliches Überschwingen bei der Sprungantwort, verschlechtert sich mit der Ordnung
  • der Phasenverlauf besitzt eine kleine Nichtlinearität
  • relativ frequenzabhängige Gruppenlaufzeit
  • großer Realisierungsaufwand bei hoher Ordnung

FilterrealisierungBearbeiten

Das Butterworth-Filter mit einer gegebenen Übertragungsfunktion kann in folgender Form realisiert werden:

Das k-te Element ist gegeben mit:

  für k ungerade
  für k gerade

In der digitalen Signalverarbeitung können Butterworth-Filter durch Wahl entsprechender Filterkoeffizienten in IIR-Filtern (rekursive Filterstruktur) realisiert werden. Die Kaskadierung zweier Butterworth-Filter n-ter Ordnung ergibt einen Linkwitz-Riley-Filter 2n-ter Ordnung.

Normalisierte Butterworth-PolynomeBearbeiten

Die Butterworth-Polynome werden normalerweise als komplex konjugierte Pole s1 und sn geschrieben. Die Polynome sind zusätzlich um den Faktor ωc=1 normalisiert. Die normalisierten Butterworth-Polynome haben somit die folgende Form:

  für n gerade
  für n ungerade

Auf 4 Dezimalziffern genau lauten sie:

n Faktoren der Polynome  
1  
2  
3  
4  
5  
6  
7  
8  

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. In diesem Beispiel wird der Butterworth-Filter als Tiefpassfilter eingesetzt, der in der hohen Punktdichte der oberen Kurve Rauschen entdeckt (Punkte, die sich um die glatte Kurve herum verteilen, statt auf ihr zu liegen) und mit einer voreingestellten Sample-Rate eine grundsätzlich ähnliche, jedoch viel einfachere Kurve erzeugt. Die Anwendung stammt aus der Computeranimation.
  2. Stephen Butterworth: On the Theory of Filter Amplifiers In: Wireless Engineer, Band 7, 1930, Seiten 536–541

Siehe auchBearbeiten

WeblinksBearbeiten