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Eine '''Fensterfunktion''' legt in der [[Digitale Signalverarbeitung|digitalen Signalverarbeitung]] fest, mit welcher [[Gewichtung]] die bei der [[Abtastung (Signalverarbeitung)|Abtastung]] eines Signals gewonnenen Abtastwerte innerhalb eines Ausschnittes (Fenster) in nachfolgende Berechnungen eingehen.

Fensterfunktionen werden u. a. bei der [[Frequenzanalyse]] (z. B. mittels [[Diskrete Fourier-Transformation|diskreter Fouriertransformation]]), beim Filterdesign und beim [[Beamforming]] eingesetzt.

== Anwendungen ==
=== Frequenzanalyse ===
Ein andauerndes Signal wird in der Regel in Blöcken verarbeitet. Da Blocklängen in der Praxis endlich sind, kommt es zum sogenannten [[Leck-Effekt]] ({{enS|leakage effect}}), wenn die Blocklänge nicht gerade ein natürlichzahliges Vielfaches der Periode des Signals ist. Das errechnete [[Frequenzspektrum]] wird zu breit, es ist bildlich gesprochen „verschmiert“. Dieser Effekt resultiert aus den Eigenschaften der [[Fourier-Transformation]].

Durch die Verwendung einer geeigneten Fensterfunktion lässt sich der Effekt vermindern, aber nicht ganz vermeiden. Das Signal wird hierbei meistens am Fensterbeginn „eingeblendet“ und am Fensterende „ausgeblendet“, was zu einer künstlichen Periodisierung des Signals innerhalb der Zeitfensterlänge führt.

Die Fensterfunktion beeinflusst neben der spektralen Verbreiterung außerdem die Frequenzselektivität und den maximal möglichen spektralen Fehler. Es gibt verschiedene Fensterfunktionen unterschiedlicher Komplexität. Die Auswahl einer passenden Fensterfunktion ist daher stets ein Kompromiss, der den speziellen Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls Rechnung trägt.

=== Filterdesign ===
Eine häufig angewandte Methode für das Design von [[Filter mit endlicher Impulsantwort|digitalen Filtern mit endlicher Impulsantwort]] (FIR-Filter) ist die Fenstermethode (engl. {{lang|en|window method}}).

Dabei wird der gewünschte [[Frequenzgang (System)|Frequenzgang]] des Filters definiert und mit der inversen Fouriertransformation die ideale [[Impulsantwort]] ermittelt. Das Resultat der inversen Fouriertransformation ist in der Regel unendlich lang. Um eine endlich lange Impulsantwort mit der gewünschten Filterlänge ''N'' zu erhalten, wird durch eine Fensterfunktion ein Ausschnitt der unendlichen Impulsantwort ausgewählt. Der tatsächliche Frequenzgang des Filters entspricht somit der [[Multiplikation]] des gewünschten Frequenzgangs mit der Fouriertransformierten der Fensterfunktion.

Im Filterdesign führen breite (selektive) Fensterfunktionen zu steilen Übergängen zwischen Durchlass- und Sperrbereich, aber zu geringer Sperrdämpfung. Schmale (nicht selektive) Fensterfunktionen führen zu flachen Übergängen zwischen Durchlass- und Sperrbereich, dafür aber zu großer Sperrdämpfung.

== Beispiele ==
Im Folgenden sind gebräuchliche Fensterfunktionen dargestellt. In den Grafiken sind in der linken Darstellung die diskreten Fensterfunktion mit <math>N</math>-Werten dargestellt, außerhalb des dargestellten Bereiches weist jede Fensterfunktion den in den Grafiken nicht explizit dargestellten Wert 0 auf. In der rechten Darstellung ist das der Fensterfunktion zugeordnete [[Frequenzspektrum]] mit 128 Frequenzkomponenten abgebildet und wie es durch die [[Diskrete Fourier-Transformation]] (DFT) gewonnen wird. Das Signal wird im Frequenzbereich mit diesem Spektrum der Fensterfunktion [[Faltung (Mathematik)|gefaltet]], wobei die Bewertung von idealen Fensterfunktionen meist durch ein schmales Spektrum um die [[Mittenfrequenz]] und starke Dämpfungen außerhalb gekennzeichnet ist.

Dabei ist <math>M</math> eine ganzzahlige Fensterbreite. Der aktuelle Index des Eingangssignals ist <math>n</math>. Wenn nicht anders vermerkt, geht in folgenden Darstellungen <math>n = 0, \dotsc, M-1</math>, das Maximum befindet sich bei <math>n = M/2</math>. Daneben existiert auch eine gleichwertige und in der Phase verschobene und symmetrische Darstellung um 0, auch als {{enS|zero phase}} bezeichnet. In diesem Fall geht der Index von

:<math>n = -\frac{M}{2}, \dotsc, \frac{M}{2}-1,</math>

das Maximum befindet sich bei dieser Darstellungsform bei <math>n = 0</math>.

=== Rechteck-Fenster ===
[[Datei:Window function (rectangular).svg|mini|hochkant=1.5|Rechteck-Fensterfunktion]]
Die [[Rechteckfunktion|Rechteck-Fensterfunktion]], auch bezeichnet als Dirichlet-Fenster (nach [[Peter Gustav Lejeune Dirichlet]]), ist im gesamten Fensterbereich 1 und außerhalb 0. Die Funktion ist gegeben als:

:<math>w(n) = 1, \qquad n = 0, \dotsc, M-1</math>

Die einfache Verarbeitung des Eingangssignals in Blöcken entspricht der Anwendung dieser Fensterfunktion. Das Betragsspektrum entspricht dem Betragsverlauf der [[si-Funktion]]. Nur im Sonderfall, wenn die Fensterbreite exakt ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der harmonischen Signalschwingung umfasst, tritt bei zeitdiskreten Signalen zufolge der Fensterung mit dem Rechteck-Fenster kein [[Leck-Effekt]] auf.
<div style="clear:both;"></div>

=== Von-Hann-Fenster {{Anker|Hann-Fenster}}{{Anker|von-Hann-Fenster}} ===
[[Datei:Window function (hann).svg|mini|hochkant=1.5|Hann-Fensterfunktion]]
Das Von-Hann-Fenster basiert auf einer Überlagerung von drei spektral gegeneinander verschobenen si-Funktionen um gegenüber dem Rechteck-Fenster mit nur einer si-Funktion im Spektrum eine stärkere Unterdrückung der Nebenkeulen zu erreichen. Der Nachteil ist eine Reduktion in der Frequenzauflösung.<ref name="jos2">{{Internetquelle |autor=Julius O. Smith III |url=https://ccrma.stanford.edu/~jos/sasp/Generalized_Hamming_Window_Family.html |titel=Generalized Hamming Window Family |hrsg=Center for Computer Research in Music and Acoustics (CCRMA), Stanford University |abruf=2014-08-31}}</ref> Das Von-Hann-Fenster mit der [[Semiversus|Haversine]]-Funktion wird auch als [[Raised-Cosine-Filter|Raised-Cosinus-Fenster]] bezeichnet, mit folgender Funktion:

:<math>w(n) = \frac{1}{2}\left[1 - \cos\left(\frac{2\pi n}{M-1}\right)\right] =\operatorname{hvs}\left(\frac {2 \pi n} {M-1} \right),</math>

mit

:<math>n = 0, \dotsc, M-1 .</math>

Dies ist auch in nebenstehender Abbildung dargestellt.

Daneben wird in der Literatur auch die symmetrische Darstellung mit der Havercosine-Funktion um <math>n=0</math> und ohne Phasenversatz verwendet:

:<math>w(n) = \frac{1}{2}\left[1 + \cos\left(\frac{2\pi n}{M-1}\right)\right] =\operatorname{hvc}\left(\frac {2 \pi n} {M-1} \right)</math>
und in diesem Fall mit dem Index im Bereich

:<math>n = -\frac{M}{2}, \dotsc, \frac{M}{2}-1.</math>

Die Bezeichnung Hann-Fenster stammt aus der Publikation ''„{{lang|en|Particular Pairs of Windows}}“''<ref>{{Literatur |Autor=R. B. Blackman, J. W. Tukey |Titel=Particular pairs of windows |Sammelwerk=The measurement of power spectra, from the point of view of communications engineering |Verlag=Dover |Ort=New York |Datum=1959 |Seiten=95–101, hier S. 98–99}}</ref> von R. B. Blackman und [[John W. Tukey]], die dieses nach [[Julius von Hann]] benannt haben. Aus diesem Artikel stammt auch die weit verbreitete Bezeichnung '''Hanning-Fenster''', wobei dort jedoch lediglich die Anwendung des Hann-Fensters als „{{lang|en|hanning}}“ (abgeleitet von „{{lang|en|to hann}}“) bezeichnet wird.

<div style="clear:both;"></div>

=== Hamming-Fenster ===
[[Datei:Window function (hamming).svg|mini|hochkant=1.5|Hamming-Fensterfunktion]]

Die Funktion ist gegeben als

:<math> w(n) = 0{,}54 - 0{,}46 \cdot \cos\left(\frac{2\pi n}{N-1}\right),\quad n = 0, \dotsc, N-1,</math>

dabei ist <math>N</math> die Fensterbreite und <math>n</math> der aktuelle Index des Eingangssignals.

Diese Fensterfunktion ist benannt nach [[Richard Hamming]] und stellt eine Abwandlung des Von-Hann-Fensters dar. Allgemein lassen sich das Von-Hann- und das Hamming-Fenster mit den beiden Koeffizienten <math>\alpha</math> und <math>\beta</math> ausdrücken als:

:<math>w(n) = \alpha - \beta\; \cos\left( \frac{2 \pi n}{N-1} \right),\quad n = 0, \dotsc, N-1</math>

Die beiden Koeffizienten sind bei dem Von-Hann-Fenster 0,5. Das Maximum der Fensterfunktion ist gleich <math>\alpha + \beta</math>. Normiert man das Fenster so, dass <math>\alpha + \beta = 1</math>, dann bleibt noch ein Freiheitsgrad übrig. Bei dem Hamming-Fenster werden die Koeffizienten so gewählt, dass die Nullstellen der beiden benachbarten und größten Nebenkeulen maximal unterdrückt werden. Dies entspricht einer unterschiedlichen Gewichtung der einzelnen si-Funktionen im Spektrum der Fensterfunktion.<ref name="jos1">{{Internetquelle |autor=Julius O. Smith III |url=https://ccrma.stanford.edu/~jos/sasp/Hamming_Window.html |titel=Hamming Window |hrsg=Center for Computer Research in Music and Acoustics (CCRMA), Stanford University |abruf=2014-08-30}}</ref> Aus dieser Bedingung ergibt sich für

:<math>\begin{align}
\alpha &= \frac{25}{46} \approx 0{,}54 \\
\beta &= 1 - \alpha = \frac{21}{46} \approx 0{,}46.
\end{align}</math>

Durch die Rundung auf zwei Nachkommastellen für praktische Implementierungen ergibt sich bei dem Hamming-Fenster eine Dämpfung der beiden ersten Nebenkeulen von ca. −42,76 dB.<ref name="jos1" />

<div style="clear:both;"></div>

=== Blackman-Fenster (3-Term) ===
[[Datei:Window function and frequency response - Blackman.svg|mini|hochkant=1.5|Blackman (3-Term)-Fensterfunktion mit α = 0,16]]

Blackman-Fenster sind definiert als:

:<math>w(n)=a_0 - a_1 \cos \left ( \frac{2 \pi n}{M-1} \right) + a_2 \cos \left ( \frac{4 \pi n}{M-1} \right)</math>

mit

:<math>a_0=\frac{1-\alpha}{2};\quad a_1=\frac{1}{2};\quad a_2=\frac{\alpha}{2}</math>

und

:<math>n = 0, \dotsc, M - 1 .</math>

Üblicherweise wird beim klassischen Blackman-Fenster <math>\alpha=0{,}16</math> gewählt.

<div style="clear:both;"></div>

=== Blackman-Harris-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - Blackman-Harris.svg|mini|hochkant=1.5|Blackman-Harris-Fensterfunktion]]
Funktion:

:<math>w(n)=a_0 - a_1 \cos \left ( \frac{2 \pi n}{M-1} \right)+ a_2 \cos \left ( \frac{4 \pi n}{M-1} \right)- a_3 \cos \left ( \frac{6 \pi n}{M-1} \right)</math>

mit

:<math>a_0=0{,}35875;\quad a_1=0{,}48829;\quad a_2=0{,}14128;\quad a_3=0{,}01168.</math>

[[Frederic J. Harris]] veröffentlichte diese Funktion 1978 als Abwandlung der Blackman-Fensterfunktion.<ref name="harris">{{Literatur |Autor=F. J. Harris |Titel=On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform |Sammelwerk=Proceedings of the IEEE |Band=Vol. 66 |Datum=1978 |Seiten=51–83 |DOI=10.1109/PROC.1978.10837}}</ref>

<div style="clear:both;"></div>

=== Blackman-Nuttall-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - Blackman-Nuttall.svg|mini|hochkant=1.5|Blackman-Nuttall-Fensterfunktion]]
Funktion:

:<math>w(n)=a_0 - a_1 \cos \left ( \frac{2 \pi n}{M-1} \right)+ a_2 \cos \left ( \frac{4 \pi n}{M-1} \right)- a_3 \cos \left ( \frac{6 \pi n}{M-1} \right)</math>

mit

:<math>a_0=0{,}3635819; \quad a_1=0{,}4891775; \quad a_2=0{,}1365995; \quad a_3=0{,}0106411.</math>

Das Blackman-Nuttall-Fenster ist bis auf die vier fast identischen Koeffizienten identisch mit dem Blackman-Harris-Fenster, was den Einfluss der notwendigen Genauigkeit bei der Implementierung der Koeffizienten bei dieser Klasse von Fensterfunktionen verdeutlicht.

<div style="clear:both;"></div>

=== Flat-Top-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - SRS flat top.svg|mini|hochkant=1.5|Beispielhafte Flat-Top-Fensterfunktion im ''SR785'' von SRS]]
Das Flat-Top-Fenster ist eine teilweise negativ bewertende Fensterfunktion, welche unter anderem in [[Spektrumanalysator]]en für die Messung und Bewertung des Betrags von einzelnen [[Amplitude]]n eingesetzt wird. Das Flat-Top-Fenster weist einen vergleichsweise kleinen Amplitudenfehler auf, nachteilig ist die schlechte Frequenzauflösung.<ref name="dspguide">{{Literatur |Autor=Steven W. Smith |Hrsg=California Technical Publishing |Titel=The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing |Ort=San Diego, California, USA |Datum=2011 |Online=http://www.dspguide.com/ch9/1.htm |Abruf=2013-02-14}}</ref>

Als ein Beispiel wird im Spektrumanalysator ''SR785'' von ''Stanford Research Systems'' (SRS) folgende Flat-Top-Fensterfunktion eingesetzt, wie auch in nebenstehender Abbildung dargestellt:<ref name="Heinzel2002">{{Literatur |Autor=G. Heinzel, A. Rüdiger, R. Schilling |Titel=Spectrum and spectral density estimation by the Discrete Fourier transform (DFT), including a comprehensive list of window functions and some new flat-top windows |Verlag=Max Planck Institute (MPI) für Gravitationsphysik / Laser Interferometry & Gravitational Wave Astronomy |Datum=2002 |Online=http://edoc.mpg.de/395068 |Abruf=2013-02-10 |ID=395068.0}}</ref>

:<math>w(n)=a_0 - a_1 \cos \left ( \frac{2 \pi n}{M-1} \right)+ a_2 \cos \left ( \frac{4 \pi n}{M-1} \right)- a_3 \cos \left ( \frac{6 \pi n}{M-1} \right)+a_4 \cos \left ( \frac{8 \pi n}{M-1} \right)</math>

mit

:<math>a_0=1;\quad a_1=1{,}93;\quad a_2=1{,}29;\quad a_3=0{,}388;\quad a_4=0{,}028.</math>

<div style="clear:both;"></div>

=== Bartlett-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - Triangular.svg|mini|hochkant=1.5|Bartlett-Fensterfunktion]]

Diese Fensterfunktion ist nach [[Albert Charles Bartlett]] benannt:

:<math>w(n)=\frac{2}{M-1}\cdot\left(\frac{M-1}{2}-\left |n-\frac{M-1}{2}\right |\right)</math>

<div style="clear:both;"></div>

[[Datei:Window function and frequency response - Triangular.svg|mini|hochkant=1.5|Dreieck-Fensterfunktion]]
Eine eng verwandte Variation der Bartlett-Fensterfunktion basiert auf der [[Dreiecksfunktion]] und weist als Unterschied an den Anfangs- bzw. Endwerten keine Nullwerte auf. Sie ist definiert als

:<math>w(n)=\frac{2}{M}\cdot\left(\frac{M}{2}-\left |n-\frac{M-1}{2}\right |\right).</math>

Das Dreieckfunktion-Fenster kann als eine Faltung zweier Rechteckfenster aufgefasst werden, die Hauptkeule ist doppelt so breit wie bei dem Rechteckfenster und die nächste Nebenkeule weist eine Dämpfung um −26 dB auf.<ref>Julius O. Smith III: {{Webarchiv |url=https://ccrma.stanford.edu/~jos/sasp/Properties_I_I_I.html |text=''Properties.'' |wayback=20080706200632}} In: ''Spectral Audio Signal Processing.'' März 2007 (Draft/Entwurf).</ref>

<div style="clear:both;"></div>

=== Bartlett-Hann-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - Bartlett-Hann.svg|mini|hochkant=1.5|Bartlett-Hann Fensterfunktion]]
Dies ist eine Kombination der Dreiecksfunktion des Bartlett-Funktion mit der Hann-Fensterfunktion:
:<math>w(n)=a_0 - a_1 \left |\frac{n}{M-1}-\frac{1}{2} \right| - a_2 \cos \left (\frac{2 \pi n}{M-1}\right )</math>

mit

:<math>a_0=0{,}62;\quad a_1=0{,}48;\quad a_2=0{,}38.</math>

<div style="clear:both;"></div>

=== Kosinus-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - Cosine.svg|mini|hochkant=1.5|Kosinus-Fenster]]
Die Kosinus-Fensterfunktion ist auch als Sinus-Fensterfunktion bekannt. Sie ist definiert als:

:<math>w(n) = \cos\left(\frac{\pi n}{M-1} - \frac{\pi}{2}\right) = \sin\left(\frac{\pi n}{M-1}\right)</math>

<div style="clear:both;"></div>

=== Tukey-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - Tukey (alpha = 0.5).svg|mini|hochkant=1.5|Tukey-Fenster mit α = 0,5]]
Die Tukey-Fensterfunktion, benannt nach [[John W. Tukey]], kann als eine auf <math>\tfrac{\alpha M}{2}</math> Abtastwerte abgeflachte Kosinus-Fensterfunktion, welche mit einem Rechteckfenster der Breite <math>\left(1 -\tfrac{\alpha}{2}\right)M</math> gefaltet wird, aufgefasst werden. Für <math>\alpha=0</math> geht die Tukey-Fensterfunktion in das Rechteckfenster über. Für <math>\alpha=1</math> entspricht sie dem Hann-Fenster.<ref>{{Literatur |Autor=J.W. Tukey |Titel=An introduction to the calculations of numerical spectrum analysis |Sammelwerk=Spectral Analysis of Time Series |Datum=1967 |Seiten=25–46}}</ref><ref name="harris" />

:<math>
w(n) = \begin{cases}
\frac{1}{2} \left[1+\cos \left(\pi \left( \frac{2 n}{\alpha (M-1)}-1 \right) \right) \right] =\operatorname{hvc}\left(\pi \left( \frac{2 n}{\alpha (M-1)}-1 \right) \right), & \text{wenn } 0 \leq n \leq \frac{\alpha (M-1)}{2}, \\
1, & \text{wenn } \frac{\alpha (M-1)}{2}\leq n \leq (M-1) (1 - \frac{\alpha}{2}), \\
\frac{1}{2} \left[1+\cos \left(\pi \left( \frac{2 n}{\alpha (M-1)}- \frac{2}{\alpha} + 1 \right) \right) \right] =\operatorname{hvc}\left( \pi \left( \frac{2 n}{\alpha (M-1)}- \frac{2}{\alpha} + 1 \right) \right), & \text{wenn } (M-1) (1 - \frac{\alpha}{2}) \leq n \leq (M-1).
\end{cases}
</math>

<div style="clear:both;"></div>

=== Lanczos-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - Lanczos.svg|mini|hochkant=1.5|Lanczos-Fenster]]
Das Lanczos-Fenster basiert auf der normierten [[si-Funktion]], ähnlich wie der [[Lanczos-Filter]]:

:<math>w(n) = \operatorname{sinc}\left(\frac{2n}{M-1}-1\right)</math>

<div style="clear:both;"></div>

=== Kaiser-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - Kaiser (alpha = 2).svg|mini|hochkant=1.5|Kaiser-Fenster mit α = 2]]
[[Datei:Window function and frequency response - Kaiser (alpha = 3).svg|mini|hochkant=1.5|Kaiser-Fenster mit α = 3]]
Das Fenster ist definiert durch die Funktion:<ref>{{Literatur |Autor=J. Kaiser, R. W. Schafer |Titel=On the use of the I0-sinh window for spectrum analysis |Sammelwerk=IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing |Band=28 |Nummer=1 |Datum=1980-02 |Seiten=105–107 |DOI=10.1109/TASSP.1980.1163349}}</ref>
:<math>
w(n) = \frac{I_0\left(\alpha\left[1 - \left(\frac{2n}{M}\right)^2\right]^\frac{1}{2}\right)}{I_0\left(\alpha\right)}, \quad n = -\frac{M}{2}, \dotsc, \frac{M}{2} - 1
</math>

Dabei ist <math>I_0</math> die modifizierte [[Besselfunktion]] nullter Ordnung. Die Fensterbreite beträgt <math>M</math> und <math>\alpha</math> ist ein reeller Faktor, welcher die Form des Fensters bestimmt. Je größer <math>\alpha</math>, desto schmaler wird das Fenster und <math>\alpha = 0</math> entspricht einem Rechteckfenster.

Die Fouriertransformierte des Fensters <math>w(n)</math> ist definiert durch die Funktion

:<math>W_\mathrm{K}(\omega)= \frac{(M+1)\cdot\sinh\left(\sqrt{\alpha^2-\left(\frac{(M+1)\cdot\omega}{2}\right)^2}\right)}{I_0(\alpha)\cdot\sqrt{\alpha^2-\left(\frac{(M+1)\cdot\omega}{2}\right)^2}}</math>

für die normierte Frequenz <math>-\pi \leq \omega \leq \pi</math>.

Mit der Funktion <math>W_\mathrm{K}(\omega)</math> lässt sich die Breite des Hauptmaximums

:<math>B_0 = \frac{4\cdot\sqrt{\pi^2+\alpha^2}}{M+1}</math>

und die relative Dämpfung des Nebenmaximums

:<math>A_\mathrm{SL} = 20\cdot\log_{10}\left[\frac{\sinh\alpha}{0{,}217234\alpha}\right]</math>

berechnen. Daraus ergibt sich: Wenn <math>\alpha</math> größer wird, nimmt die Breite des Hauptmaximums zu und die relative Amplitude des Nebenmaximums ab.

<div style="clear:both;"></div>

=== Gauß-Fenster ===
[[Datei:Window function (gauss).svg|mini|hochkant=1.5|Gauß-Fenster mit σ = 0,4]]
Das [[Gauß-Filter|Gauß-Fenster]] basiert auf der [[Gaußsche Glockenkurve|Gaußschen Glockenkurve]], welche sich bis nach unendlich ausdehnt und daher zeitlich begrenzt ausgeführt werden muss. Dies bedeutet eine Kombination mit dem Rechteck-Fenster.

Das Fenster ist gegeben als:

:<math>w(n)=e^{-\frac{1}{2} \left ( \frac{n-(M-1)/2}{\sigma (M-1)/2} \right)^{2}}</math>

mit

:<math>\sigma \le \;0{,}5.</math>

<div style="clear:both;"></div>

=== Ultraspherical-Fenster ===
[[Datei:Window function and frequency response - Ultraspherical (mu = -0.5).svg|mini|hochkant=1.5|Der Parameter '' µ '' des Ultraspherical-Fensters bestimmt, ob die Nebenkeulenamplituden seiner Fourier-Transformation abnehmen, pegelförmig sind oder (hier gezeigt) mit der Frequenz zunehmen.]]

Das Ultraspherical-Fenster wurde 1984 von Roy Streit<ref name="Kabal" /> eingeführt und wird im Antennenarray-Design,<ref name="Streit" /> nicht-rekursiven Filterdesign,<ref name="Kabal" /> und in der Spektrumanalyse verwendet.<ref name="Deczky" />

Wie andere einstellbare Fenster verfügt das Ultraspherical-Fenster über Parameter, mit denen die Fourier-Transformations-Hauptkeulenbreite und die relative Nebenkeulenamplitude gesteuert werden können. Ungewöhnlich für andere Fenster ist ein zusätzlicher Parameter, mit dem die Rate eingestellt werden kann, mit der die Amplitude der Nebenkeulen abnimmt (oder zunimmt).<ref name="Deczky" /><ref name="Bergen" /><ref name="Bergen2" />

Das Fenster kann im Zeitbereich wie folgt ausgedrückt werden:<ref name="Deczky" />

:<math>
w[n] = \frac{1}{N+1} \left[ C^\mu_N(x_0)+\sum_{k=1}^{\frac{N}{2}} C^\mu_N \left(x_0 \cos\frac{k\pi}{N+1}\right)\cos\frac{2n\pi k}{N+1} \right]
</math>

Dabei ist <math>C^{\mu}_{N}</math> das [[Gegenbauer-Polynom]] vom Grad N und die Kontrolle <math>x_0</math> und <math>\mu</math> die Nebenkeulenmuster.<ref name="Deczky" />

Bestimmte spezifische Werte von <math>\mu</math> ergeben andere bekannte Fenster: <math>\mu=0</math> und <math>\mu=1</math> geben die Dolph-Chebyshev und [[Tapio Saramäki|Saramäki]] an Fenster jeweils.<ref name="Kabal" /><ref>Siehe [https://octave.sourceforge.net/signal/function/ultrwin.html hier] zur Veranschaulichung von Ultraspherical-Fenster mit unterschiedlicher Parametrisierung.</ref>

=== Weitere ===

* Dolph-[[Tschebyscheff-Filter|Chebyshev]]<ref name="harris" />
* Slepian (DPSS)
* [[Exponentialfunktion|Poisson]]

== Vergleich ==
[[Datei:Mplwp window-functions-symmetric.svg|mini|hochkant=1.5|Fensterfunktionen überlagert]]
=== Bewertungskriterien für Fensterfunktionen ===
Alle gängigen Bewertungskriterien beziehen sich auf die [[Übertragungsfunktion]] (Fouriertransformation der Fensterfunktion) im Frequenzbereich. Zum Vergleich und zur Auswahl der richtigen Fensterfunktion werden die folgenden Bewertungskriterien verwendet:

==== Breite des Hauptmaximums (Hauptzipfels) ====
Eine Verbreiterung des Hauptmaximums führt zu einem schnelleren Abfall der Nebenmaxima (Nebenzipfel), erhöht die Dynamik der Fensterfunktion und verringert den Leck-Effekt. Allerdings wird dabei die Frequenzselektivität verringert. Fensterfunktionen mit breitem Hauptmaximum werden deshalb auch als ''nichtselektive, dynamische Fenster'' bezeichnet, und solche mit schmalem Hauptmaximum als ''selektive, nichtdynamische Fenster''.

Die Breite des Hauptmaximums wird meistens als 3-dB-Grenzfrequenz angegeben. Dies ist die Frequenz, bei der die Amplitude des Hauptmaximums um 3 dB abgefallen ist. Selten wird auch die gesamte Breite des Maximums bis zu den Nullstellen angegeben.

==== Relative Amplitude des Nebenmaximums ====
Starke Nebenmaxima einer Fensterfunktion erhöhen den Leck-Effekt bei der Frequenzanalyse und deuten auf eine geringe Dynamik der Fensterfunktion hin.

Als Bewertungskriterium wird das Verhältnis zwischen der Amplitude des Hauptmaximums und der Amplitude des höchsten Nebenmaximums verwendet.

==== Leck-Faktor ====
Der Leck-Effekt wird durch tiefe Nebenmaxima verringert. Der Leck-Faktor (engl. {{lang|en|''leakage factor''}}) ist definiert als das Verhältnis der Leistung unter allen Nebenmaxima zur Leistung der gesamten Funktion.

==== Maximaler Abtastfehler ====
Der maximale Abtastfehler ist definiert als das Verhältnis der Amplitude des Hauptmaximums zur Amplitude bei der Frequenz <math>\pi</math>/Fensterlänge.

[[Datei:Fenstereigenschaften.svg|mini|ohne|500px|Veranschaulichung der Bewertungskriterien für Fensterfunktionen anhand eines Rechteckfensters mit der Länge <math>M=16</math>. <math>B_{3\,\mathrm{dB}}</math>: 3 dB Breite des Hauptmaximums, <math>B_0</math>: gesamte Breite des Hauptmaximums bis zu den Nullstellen, <math>A_\mathrm{SL}</math>: Relative Amplitude des Nebenmaximums, <math>E_\mathrm{A}</math>: Maximaler Abtastfehler.]]

=== Vergleich nach oben genannten Bewertungskriterien ===
[[Datei:windowfunctions.jpg|mini|Spektrum Rechteckfenster (schwarz) und Hammingfenster (rot)]]
Verbreiterung des Hauptmaximums führt zu schnellerem Abfall der Nebenmaxima. Exemplarisch ist dies in nebenstehender Abbildung an Rechteck- und Hamming-Fenster gezeigt.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Fensterbezeichnung
! rel. Amplitude des<br />Nebenmaximums
! Breite des<br />Hauptmaximums
! max.<br />Abtastfehler
|-
| style="text-align:left" | Rechteck
| −13 dB
| <math>4 \pi / (M+1)</math>
| 3,92 dB
|-
| style="text-align:left" | Dreieck (Bartlett)
| −25 dB
| <math>8 \pi / M</math>
| 1,82 dB
|-
| style="text-align:left" | von Hann
| −31 dB
| <math>8 \pi / M</math>
| 1,42 dB
|-
| style="text-align:left" | Hamming
| −41 dB
| <math>8 \pi / M</math>
| 1,78 dB
|-
| style="text-align:left" | Kaiser-Bessel (<math>\alpha=2</math>)
| −46 dB
|
| 1,46 dB
|-
| style="text-align:left" | Kaiser-Bessel (<math>\alpha=3{,}5</math>)
| −82 dB
|
| 0,89 dB
|-
| style="text-align:left" | Blackman
| −57 dB
| <math>12 \pi / M</math>
| 1,10 dB
|}

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=[[Karl-Dirk Kammeyer]], Kristian Kroschel
|Titel=Digitale Signalverarbeitung
|Auflage=9
|Verlag=Teubner
|Datum=2018
|ISBN=3-8348-1644-2}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Kabal">{{Literatur |Autor=Peter Kabal |Titel=Time Windows for Linear Prediction of Speech |Auflage=Version 2a |Verlag=Dept. Elec. & Comp. Eng., McGill University |Datum=2009-11 |Seiten= |Kommentar=Technical Report |Online=http://www-mmsp.ece.mcgill.ca/Documents/Reports/2009/KabalR2009b.pdf |Format=PDF |Abruf=2021-02-23}}</ref>
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<ref name="Bergen">{{Literatur |Autor=Stuart W. A. Bergen, Andreas Antoniou |Titel=Design of Ultraspherical Window Functions with Prescribed Spectral Characteristics |Sammelwerk=EURASIP Journal on Advances in Signal Processing |Band=2004 |Nummer=13 |Datum=2004-12 |Seiten=1–13 |DOI=10.1155/S1110865704403114}}</ref>
<ref name="Bergen2">{{Literatur |Autor=Stuart W. A. Bergen |Titel=Design of the Ultraspherical Window Function and Its Applications |TitelErg=Dissertation 2005, University of Viktoria |Datum=2005 |Seiten= |Online=https://dspace.library.uvic.ca/bitstream/handle/1828/769/bergen_2005.pdf?sequence=1 |Format=PDF |Abruf=2021-02-24}}</ref>
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</references>

[[Kategorie:Digitale Signalverarbeitung]]

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