Frequenzbestimmung

Frequenzbestimmung ist der Prozess der Bestimmung der Frequenz eines Signals oder einer Zeitreihe. Die Frequenz gibt an, wie viele Zyklen pro Zeiteinheit auftreten. Bei stabilen, periodischen Signalen lässt sich die Frequenz durch Messung der Periode oder durch Frequenzanalyse bestimmen; bei nichtstationären Signalen kann die momentane Frequenz als sogenannte Instantaneous Frequency angegeben werden.

Methoden der Frequenzbestimmung lassen sich grob in Zeitbereich und Frequenzbereich einteilen. Im Zeitbereich werden die Periode direkt gemessen, Nullstellenwerte bestimmt oder Autokorrelationen genutzt. Im Frequenzbereich erfolgt die Analyse durch die Fourier-Transformation, Periodogramme, die Welch-Methodik oder Lomb-Scargle-Analysen bei ungleichmäßig abgetasteten Signalen. Zur Echtzeit-Verfolgung verwendet man oft eine Phasenregelungsschleife (PLL). Für statistische Schätzer kommen Maximum-Likelihood- oder Bayesian-Verfahren zum Einsatz.

Technische Aspekte umfassen Abtastrate, Nyquist-Gesetz und das Problem der Aliasing-Vermeidung. Fensterung beeinflusst Auflösung und Leakage im Spektrum; die Frequenzauflösung hängt von Messdauer und Fensterwahl ab. Rauschen, Mehrfrequenzsignale oder Harmonische können Fehleinschätzungen verursachen, daher sind Kalibrierung und Referenzsignale üblich.

Anwendungen finden sich in Elektronik, Telekommunikation, Audio- und Vibroakustik, Spektroskopie, Astronomie, Geophysik und Metrologie. In der Metrologie definieren präzise Frequenzstandards, zum Beispiel Atomuhren, die Sekunde und ermöglichen hochpräzise Zeitmessungen. Die häufigste Zielsetzung ist die Bestimmung der dominanten Frequenz oder der Spektralinhalte eines Signals.