Ist ein Filter immer ein Delay dass mit Phasenauslöschung funktioniert ?

[Pumping A. (pumping_a)]

Ich habe auf Insta jemanden erzählen hören, ein Filter sei eigentlich 
ein Verzögerungsglied. Bzw. die Wirkung JEDES filters würde schlicht auf 
Signalverzögerung und Phasenauslöschung/-verstärkung beruhen.

Für die digitalen Filter, die ich kenne, stimmt das (Z-Transformation). 
Über Verzögerungen und Phasenauslöschungen wird dort gefiltert - so 
sagte man mir es zumindest in der Uni.

Für analoge Filter ist mir bekannt, dass es Phasenverschiebung, 
Gruppenlaufzeit etc. gibt. Aber jetzt ein analoges Filter so zu 
abstrahieren, dass es eigentlich eine art kontinuierliches 
Verzögerungsglied ist, und die Filterwirkung - wie beim digitalen Filter 
- durch Phasenauslöschung funktioniert widerstrebt mir etwas.

Ich habe gelesen, was bei dig. Filtern (Z-Trafo) der numerische Speicher 
ist, ist beim analogen Filter der Energiespeicher. Er kann Signale 
speichern und (ggf. frequenzabhäng) verzögert ausgeben. Und ich kenne 
analoge Filter tatsächlich nur mit Energiespeichern (Inductors, 
Capacitors).

Noch widerstrebt mir diese Abstraktion. Ein Kopplungskondensator lässt 
ja deswegen keinen Gleichstrom (tiefe Frequenz) durch, weil er 
irgendwann geladen ist - wo ist da die Phasenauslöschung ? Aber vlt. ist 
sie dort und ich verstehe es nur nicht.

Falls die Annahme stimmt, dass Filter nur auf Phasenauslöschung einer 
Signalverzögerung basieren, dann wären Kondensatoren und Spulen nur 
deswegen in Filtern, weil sie als Energiespeicher die Energie einer 
Information eine Zeitlang aufnehmen und dann wieder abgeben können.

Meinungen ? Ist ein analoges Filter tatsächlich eigentlich eine Art 
Verzögerungsglied und das Filtern immer nur ein Effekt der Verquickung 
des Signals mit dem verzögerten Selbst ? Selbst bei LC-Schaltungen ?

Danke für Eure Meinungen.

(Da drängt sich der Maxwellsche Demon auch als Thema auf, was beim 
digitalen Filter der Datenspeicher ist, ist beim analogen Filter der 
Energiespeicher, aber lassen wir das ...)

[Hippelhaxe (hippelhaxe)]

Pumping A. schrieb:

> Ich habe auf Insta jemanden erzählen hören, ein Filter
> sei eigentlich ein Verzögerungsglied.

...und dieser Jemand war ausgebildeter Koch?


> Bzw. die Wirkung JEDES filters würde schlicht auf
> Signalverzögerung und Phasenauslöschung/-verstärkung
> beruhen.

Für analoge RLC-Filter z.B. in Kettenleiterstruktur
ist das falsch. Analoge Filter beruhen auf der
näherungsweisen Bestimmung von Integralen bzw. Ab-
leitungen.

[Pumping A. (pumping_a)]

Vielen Dank für den Hinweis.

Ich benötige noch einen kleinen Stups dazu, wie man aus dem Umstand, das 
Verhalten eines Filters über Integrale und Differenziale (damit auch 
DGL, La Place etc.) modellieren kann den Gegenbeweis führt.

Beides könnte ja koexistieren:
- Modellierbarkeit über Integrale/Differenziale
- Physikalische Frequenzabhängigkeit der Übertragungsfunktion über 
frequenzsabhängie Signalverzögerund und Feedback-Phasenauslöschung

Gerne Hinweise, warum eine Koexistenz dieser beiden Phänomene nicht 
geht. Mir fehlt noch der "missing link".

Ich glaube wir sind nahe an der Lösung, vielen Dank ! :)

[Dergute W. (derguteweka)]

Pumping A. schrieb:
> Ich glaube wir sind nahe an der Lösung,

Das glaube ich nicht, Tim. Ich denke eher, dass das so ein Problem von 
der Tragweite "Wo geht das Licht in der Kueche hin, wenn man es 
ausschaltet?" ist.

scnr,
WK

[Horst S. (Firma: Chaos Ltd) (hst)]

Die Filterwirkung von analogen LC-Filtern kann man einfach auf der 
Totalreflexion des Eingangssignals im Sperrbereich zurückführen.

Anbei zwei Bilder von Messungen eines 3-poligen LC-Filters und eines 
10-poligen Quarzfilters. Man sieht, dass die Reflexionsdämpfung (S11, 
rote Kurve; beim QuarzF. grüne Kurve) im Sperrbereich gegen 0db geht --> 
Totalreflexion.

Info über analoge Filter gibt's ja im INet zuhauf. Hab' mal ein paar 
Seiten aus einem Buch drangehängt.

Horst

[Pumping A. (pumping_a)]

Super, sehe ich mir an, vielen Dank !

[Hippelhaxe (hippelhaxe)]

Pumping A. schrieb:

> Ich benötige noch einen kleinen Stups dazu, wie man
> aus dem Umstand, das Verhalten eines Filters über
> Integrale und Differenziale (damit auch DGL, La Place
> etc.) modellieren kann den Gegenbeweis führt.

Hmm.
Erstmal zur Klarstellung: Die ursprüngliche Aussage
("JEDES Filter beruht auf Signalverzögerung und Über-
lagerung") ist ein Ärgernis.

Sie ist ja nicht "absolut" falsch... als Existenzaussage
("Es existieren Filter, die auf... beruhen") wäre sie
ja richtig -- als All-Aussage ist sie aber falsch. Es
beruht eben nicht JEDES Filter darauf...


> Beides könnte ja koexistieren:
> - Modellierbarkeit über Integrale/Differenziale
> - Physikalische Frequenzabhängigkeit der Übertragungs-
>   funktion über frequenzsabhängie Signalverzögerund
>   und Feedback-Phasenauslöschung
>
> Gerne Hinweise, warum eine Koexistenz dieser beiden
> Phänomene nicht geht. Mir fehlt noch der "missing link".

Den "missing link" gibt's nicht, weil die Effekte ja
TATSÄCHLICH koexistieren!

Beispiel: Dielektrische Schichtstapel als optische Inter-
ferenzfilter.
Modellierbar ganz klassisch über Wellenausbreitung (=DGL),
Filterwirkung aufgrund Signalverzögerung und Auslöschung.


Falsch ist nur die umfassende Aussage: "JEDES Filter
beruht darauf"

Gegenbeispiel: Aktive RC-Filter.

Erstmal gibt es in allen üblichen Fällen nur genau EINEN
EINZIGEN Signalweg vom Eingang zum Ausgang.
Weiter werden durch die in jeder Sektion vorhandenen
Impedanzwandler die Sektionen RÜCKWIRKUNGSFREI miteinander
gekoppelt; es gibt mithin nur EINE Signalausbreitungs-
richtung -- nämlich vom Eingang zum Ausgang.

Es gibt nur EINEN EINZIGEN Signalweg und auf diesem einen
Weg nur EINE EINZIGE Ausbreitungsrichtung des Signales --
wie soll da irgendwas interferieren?

[Rick (rick)]

Hippelhaxe schrieb:
> Gegenbeispiel: Aktive RC-Filter.
...
> Es gibt nur EINEN EINZIGEN Signalweg und auf diesem einen
> Weg nur EINE EINZIGE Ausbreitungsrichtung des Signales --
> wie soll da irgendwas interferieren?
Ja, theoretisch (und idealerweise) schon.

Praktisch hängen die Verstärkerstufen an der selben Versorgung und 
sitzen im gleichen Gehäuse bzw. auf der gleichen Platine.

Wenn Du mit einem Netzwerkanalysator die Rückwärtstransmission (S12) 
misst, ist die (hoffentlich) recht klein, aber bestimmt nicht 0.

Falls Du magst, kannst Du mir (leihweise) so ein Filter zur Verfügung 
stellen und ich würde die Messung übernehmen.

[Rainer W. (rawi)]

Pumping A. schrieb:
> Ich habe auf Insta jemanden erzählen hören, ein Filter sei eigentlich
> ein Verzögerungsglied. Bzw. die Wirkung JEDES filters würde schlicht auf
> Signalverzögerung und Phasenauslöschung/-verstärkung beruhen.

So ein Filter wäre verlustfrei, weil der Frequenzgang nur aus 
Transmission und Reflektion entsteht. Schon bei einem simplen 
RC-Tiefpass entstehen Verluste in Form von Wärme am Widerstand.

[Lutz V. (lvw)]

Ja, die klassische Filterwirkung eines Analogfilters beruht (auch) auf 
den durch die frequenzabhängigen Bauteile bewirkte(n) 
Phasenverschiebung(en).

Das gilt allerdings nicht für ein Filter erster Ordnung (ein C oder ein 
L), da hier nur eine einzige Phasenverschiebung auftritt, die sich mit 
keiner zweiten Phasenverschiebung irgendwie kombinieren/überlagern 
könnte.

Aber das gilt schon alleine für die Kombination 
(Hintereinanderschaltung) zweier RC-Glieder, da das zweite RC-Glied 
bereits an einer phasenverschobenen Spannung liegt.

Ganz besonders deutlich wird das bei resonanzfähigen Schaltungen:
* passiv RLC, oder
* aktiv mit Verstärker und Rückkopplung.

Durch die gezielt dimensionierte Rückkopplung bei den Aktivfiltern (in 
Form einer "sanften" Mitkopplung) kommt es zu phasenrichtigen 
Überlagerungen, die zu einem "beginnenden" Resonanzeffekt mit 
Amplituden-Anhebung führen.
Eine derartige Anhebung ist das Wesen aller Filter mit Gütewerten 
obergalb von Q=0,5 (Butterworth, Chebyshev, Bessel-Thomson,...)

[Pumping A. (pumping_a)]

Vielen Dank, das sind Argumente, die ich verstehen kann.

Dann gehe ich mal davon aus, dass die These NICHT stimmt, dass JEDES 
Filter in der Funktion auf Phasenauslöschungen beruht.

Hier übrigens der Instagram-Post: 
https://www.instagram.com/reel/DPWvbnNCNae/?igsh=cHZkZ3hzYnlmNG1u

Ich hoffe, ich habe die darin geäußerte These richtig wiedergegeben. 
Tatsächlich spricht die Person über Filter in der 
Audio-Signalverarbeitung und das ist möglicherweise eine Teilgruppe 
aller Filter, die wie im vorigen Post genannt, aus 
hintereinandergeschalteten Gliedern bestehen.

Varianten, sie ich sehe:
1 These ("alles nur Phasenauslöschung") gilt für JEDES Filter
2 These gilt für jedes Filter in der Audiobearbeitung, die idR 
Kaskadenschaltungen sind
3 These gilt nicht, nicht mal für Kaskadenfilter, weil selbst die nicht 
NUR über Phasenauslöschung funktionieren

(Dazu kommt: Die Beweispflicht sehe ich beim Insta-Autor, darüber dass 
die These stimmt, und es ist nicht Pflicht der etablierten Ansicht, zu 
belegen dass sie nicht stimmt - nicht im ersten Schritt.)

[Mark S. (voltwide)]

Ein einfaches Gegenbeispiel zu dieser These ist das analoge T-Filter. 
Die Sperrwirkung (notch) kommt zustande durch Auslöschung gegenläufiger 
Phasen im Hochpaß/Tiefpaß Signalweg. Derartige Verallgemeinerungen 
lassen sich meisten widerlegen. Ob das auf diese Verallgemeinerung auch 
zutrifft?

[Lutz V. (lvw)]

Pumping A. schrieb:
> Vielen Dank, das sind Argumente, die ich verstehen kann.
>
> Dann gehe ich mal davon aus, dass die These NICHT stimmt, dass JEDES
> Filter in der Funktion auf Phasenauslöschungen beruht.
>
Natürlich muss die Formulierung "jedes" Filter erst mal einer kritischen 
Nachfrage unterzogen werden (was damit gemeint ist). Mikrowellenfilter 
arbeiten z.B. ganz anders als die "klassischen" Frequenzfilter.

Ich glaube, Du machst den Fehler, nur an das Extrem (Phasenauslöschung) 
zu denken. Die analoge Realität sieht anders aus - da geht es um 
phasenverschobene Überlagerungseffekte, die zu Amplituden-Reduzierungen 
oder -Anhebungen führen.

Da wird nix "ausgelöscht" - wie auch kein Tiefpass irgendwelche 
Frequenzanteile "wegfiltern" kann. Er kann sie höchstens bedämpfen.

Ganz deutlich wird das doch bei der Berechnung schon der einfachsten 
RC-Filter 2.Ordung. Nicht umsonst muss man die komplexe 
Wechselstromrechnung ansetzen, die ja nun gerade die 
Phasenverschiebungen berücksichtigt. Erst am Schluss kann man dann den 
Betrag (Amplitude) separat ermitteln.

[Lutz V. (lvw)]

Hippelhaxe schrieb:

> Gegenbeispiel: Aktive RC-Filter.
>
> Erstmal gibt es in allen üblichen Fällen nur genau EINEN
> EINZIGEN Signalweg vom Eingang zum Ausgang.
> Weiter werden durch die in jeder Sektion vorhandenen
> Impedanzwandler die Sektionen RÜCKWIRKUNGSFREI miteinander
> gekoppelt; es gibt mithin nur EINE Signalausbreitungs-
> richtung -- nämlich vom Eingang zum Ausgang.
>
> Es gibt nur EINEN EINZIGEN Signalweg und auf diesem einen
> Weg nur EINE EINZIGE Ausbreitungsrichtung des Signales --
> wie soll da irgendwas interferieren?

Das Prinzip der Aktiv-Filter besteht nun gerade darin, dass man von 
Rückkopplungsstrukturen gebrauch macht, bei den also der Ausgang 
phasensensitiv auf den Eingang rückwirkt. Nur dadurch sind die 
alternativen Filterfunktionen möglich.
Das phasenrichtige "interferieren" kann dabei soweit gesteigert werden, 
dass die Amplituden-Überhöhung am Ausgang (theoretisch) unendlich wird, 
was dann der Schwingungsfall ist (Güte unendlich).

Alle diese Überlegungen sind ohne Betrachtung der "interferierenden" 
Phasenbeziehungen nicht möglich.

[Rainer W. (rawi)]

Lutz V. schrieb:
> Das gilt allerdings nicht für ein Filter erster Ordnung (ein C oder ein
> L), da hier nur eine einzige Phasenverschiebung auftritt, die sich mit
> keiner zweiten Phasenverschiebung irgendwie kombinieren/überlagern
> könnte.

Das Originalsignal ist auch noch da.

[Lutz V. (lvw)]

Rainer W. schrieb:
> Lutz V. schrieb:
>> Das gilt allerdings nicht für ein Filter erster Ordnung (ein C oder ein
>> L), da hier nur eine einzige Phasenverschiebung auftritt, die sich mit
>> keiner zweiten Phasenverschiebung irgendwie kombinieren/überlagern
>> könnte.
>
> Das Originalsignal ist auch noch da.

Ja, man könnte natürlich der Ausgangsphase Null Grad dazu addieren.

[Pumping A. (pumping_a)]

Na ja, bei einer RC-Schaltung fließt das AC-Eingangssignal in Richtung 
Kondensator und gleichzeitig fließt am Kondensator etwas dynamisches 
(AC) in beide Richtungen aus seinem Energiespeicher heraus. Da hat Lutz 
schon einen Punkt finde ich. Da hätten wir zwei Signale, die 
Phaseneffekte aufeinander haben können.

Einmal aus dem Energiespeicher der das Signal ins System gibt.
Und einmal das Signal, dass aus der Kapazizät (auch Energiespeicher) 
emittiert wird.

Und in der Eingangshypothese war ja die Frage im Raum, ob der 
Memoryspeicher der Z-Transformation eine Analogie zum Energiespeicher 
analoger Filter (z.B. RC) sein könnte.

Ich muss zugeben, mein Kenntnisstand lässt nur eine diffuse Sicht zu. 
Danke für Euren Input.

(Die Aussage ganz oben bezieht sich auf AC, nicht auf DC, also eher mit 
Modellen der Hochfrequenztechnik im Einklang, als mit den einfacheren.)

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Pumping A. schrieb:
> so
> sagte man mir es zumindest in der Uni.

Hallo,

scheinbar geht es um das Fach Theoretische Elektrotechnik. Den genauen 
Studiengang gibst Du nicht an.

Ihr werdet anscheinend direkt mit Stoff zu analogen und digitalen 
Filtern zugeschüttet, am besten kreuzweise durcheinander, und habt alles 
nur als Formeln auf dem Papier gesehen.

Zu den analogen Filtern, und wichtig (!) wir haben es da immer mit 
Wechselspannungen zu tun:

Fangen wir mit den einfachsten Sachen an, wie z.B. der Tiefpass erster 
Ordnung. Da haben wir einen Widerstand und einen Kondensator. Bei 
passender Verschaltung ergibt sich daraus ein Tiefpass. Die Bauteile 
anders eingebaut gibt das seltsamerweise einen Hochpass. Ausgenutzt wird 
der frequenzabhängige Widerstand des Kondensators, Impedanz genannt, die 
man auch als komplexen Wert ausdrücken kann, damit es für Uni-Niveau 
kompliziert aussieht, oder als e-Funktion. Entsprechendes gilt für 
Widerstand und Spule. Letztendlich wird immer ein Spannungsteiler 
aufgebaut, bei dem das eine Glied frequenzabhängig ist und das andere 
einen reellen festen Widerstand hat. Von solchen Gliedern kann man 
mehrere hintereinander hängen oder sonstwie die Schaltung 
verkomplizieren oder sogar L und C miteinander kombinieren.
Diese Filter sind linear und zeitinvariant! Und ja, L und C sind die 
Energiespeicher darin.

__________________

Pumping A. schrieb:
> Ist ein analoges Filter tatsächlich eigentlich eine Art
> Verzögerungsglied und das Filtern immer nur ein Effekt der Verquickung
> des Signals mit dem verzögerten Selbst ?

Schaltungen aufbauen, Signalgenerator vorne anschließen, hinten das 
Oszilloskop dran und gucken, was da passiert. Ich kann auch keine 
U-Boote reparieren, ohne jemals eins gesehen zu haben.

Im analogen Filter gibt es kein verzögertes Signal. Wo sollte das her 
kommen? Aus einem Speicher für den Verlauf des Signals aus der 
Vergangenheit, eine Art Tonband oder ein Echo? Wo soll der sein bei R, 
bei C oder bei L?

___________________

Bei den digialen Filtern wird Information an zeitdiskreten Stellen 
gespeichert über den Verlauf des Signals in der Vergangenheit. Mittels 
einer Rechenmaschine werden aktuelle Werte des Signals mit solchen aus 
der Vergangenheit kombiniert, so daß eben die mit den tollsten 
Integraltransformationen mathematisch erklärten Operationen eine 
Filterwirkung ergeben, wenn man die Zahlenfolge wieder per 
Digital-Analogwandler in die reale Welt zurück versetzt.
Den Rest vergegenwärtige man sich mit ganz einfachen Grundbeispielen, 
die man auch händisch durchrechnen kann, wenn man die Integrale in 
unendliche Summen auflöst und sie nach einer sinnvollen Anzahl an 
Iterationen abbricht. Und da erst kann man sich die Phasenlagen der 
Signale anschauen, also im Zeitbereich, nicht im Laplace- oder 
Z-Bereich.


Pumping A. schrieb:
> Und einmal das Signal, dass aus der Kapazizät (auch Energiespeicher)
> emittiert wird.

Es kommt aus einem Kondensator oder eine Spule KEIN Signal heraus, das 
er zuvor irgendwie gespeichert haben könnte! NEINNEIN!. Die können nur 
elektrische Energie speichern, keine Signale! Emittieren ist ein schönes 
Wort, nützt hier aber nichts.



Im Script des Profs muß es Kraut und Rüben durcheinander gehen.

mfg

[Pumping A. (pumping_a)]

Danke für die ausführliche Antwort. Das Kernargument, ein 
Energiespeicher ist kein Signalspeicher scheint mir relevant.

Das kann man verargumentieren: Wenn z.B. ein Kondensator signalabhängig 
agieren würde, wäre es nicht egal mit welchem Signal ich den Kondensator 
auflade. Dann wäre es so, wenn der mal 1V geladen hat, würde er sich 
abhängig vom Ladesignal anders entladen - und das ist ja nicht der Fall.

Also dann, vielen Dank für die Lösungsfindung und die konstruktive 
Unterstützung hier im Forum.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Pumping A. schrieb:
> mit welchem Signal ich den Kondensator
> auflade.

Gut.

Nur Vorsicht wegen der Begriffe.

Ein Signal ist reine Information und stellt den Verlauf einer Größe dar.

So ein realer Kondensator kann nur Ladung speichern, wodurch dann je 
nach Ladungsmenge an ihm eine Spannung ansteht. Auch das kann man als 
Information deuten, aber noch lange hat der Kondensator kein Signal in 
seinem Inneren.
Dazu müßte erst außen jemand seinen Ladungszustand interpretieren.

mfg