Aufgabe 2.4Z: Wiederholung zur IDFT: Unterschied zwischen den Versionen
Aus LNTwww
Wael (Diskussion | Beiträge) |
|||
| (11 dazwischenliegende Versionen von 3 Benutzern werden nicht angezeigt) | |||
| Zeile 3: | Zeile 3: | ||
}} | }} | ||
| − | [[Datei:P_ID1971__Sig_A_5_2.png|right|frame|Mustersätze zur IDFT]] | + | [[Datei:P_ID1971__Sig_A_5_2.png|right|frame|Fünf Mustersätze zur $\rm IDFT$]] |
| − | Bei der Diskreten Fouriertransformation (DFT) werden aus den Zeitabtastwerten $d(\nu) \ {\rm mit} \ \nu = 0, ... , N – 1$ die diskreten Spektralkoeffizienten $D(\mu) \ {\rm mit} \ \mu = 0, ... , N – 1$ wie folgt berechnet: | + | Bei der Diskreten Fouriertransformation $\rm (DFT)$ werden aus den Zeitabtastwerten $d(\nu) \hspace{0.15cm} {\rm mit} \hspace{0.15cm} \nu = 0$, ... , $N – 1$ die diskreten Spektralkoeffizienten $D(\mu) \hspace{0.15cm} {\rm mit} \hspace{0.15cm} \mu = 0$, ... , $N – 1$ wie folgt berechnet: |
:$$D(\mu) = \frac{1}{N} \cdot \sum_{\nu = 0 }^{N-1} d(\nu)\cdot {w}^{\hspace{0.05cm}\nu \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm}\mu} \hspace{0.05cm}.$$ | :$$D(\mu) = \frac{1}{N} \cdot \sum_{\nu = 0 }^{N-1} d(\nu)\cdot {w}^{\hspace{0.05cm}\nu \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm}\mu} \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | Hierbei ist mit $w$ der komplexe Drehfaktor abgekürzt, der folgendermaßen definiert ist: | + | Hierbei ist mit $w$ der komplexe Drehfaktor abgekürzt, der folgendermaßen definiert ist: |
| − | :$$w = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} 2 \pi /N} = \cos \left( | + | :$$w = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} 2 \pi /N} = \cos \left( {2 \pi}/{N}\right)-{\rm j} \cdot \sin \left( {2 \pi}/{N}\right) \hspace{0.05cm}.$$ |
| − | Somit gilt für die Inverse Diskrete Fouriertransformation (IDFT) als Umkehrfunktion der DFT: | + | Somit gilt für die Inverse Diskrete Fouriertransformation $\rm (IDFT)$ als Umkehrfunktion der $\rm DFT$: |
:$$ d(\nu) = \sum_{\mu = 0 }^{N-1} D(\mu) \cdot {w}^{-\nu \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm}\mu} \hspace{0.05cm}.$$ | :$$ d(\nu) = \sum_{\mu = 0 }^{N-1} D(\mu) \cdot {w}^{-\nu \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm}\mu} \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | In dieser Aufgabe sollen für verschiedene Beispielfolgen $D(\mu)$ – die in obiger Tabelle mit | + | In dieser Aufgabe sollen für verschiedene Beispielfolgen $D(\mu)$ – die in obiger Tabelle mit $\boldsymbol{\rm A}$, ... , $\boldsymbol{\rm E}$ bezeichnet sind – die Zeitkoeffizienten $d(\nu)$ ermittelt werden. Es gilt somit stets $N = 8$. |
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | DFT und IDFT spielen auch bei [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/xDSL_als_Übertragungstechnik#DMT.E2.80.93Realisierung_mit_IDFT.2FDFT|DSM/DSL]] eine große Rolle. Im entsprechenden Kapitel werden die Spektralkoeffizienten | + | |
| − | Für die beiden Laufvariablen gelten mit dem DFT–Parameter $N = 8$: | + | |
| − | + | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | ''Hinweise:'' | ||
| + | *Die Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen des Kapitels [[Signaldarstellung/Diskrete_Fouriertransformation_(DFT)|Diskrete Fouriertransformation]] des Buches „Signaldarstellung” und ist identisch mit der dortigen [[Aufgaben:Aufgabe_5.2:_Inverse_Diskrete_Fouriertransformation|Aufgabe 5.2]]. | ||
| + | *Sie können Ihre Lösung mit dem interaktiven Applet [[Applets:Diskrete_Fouriertransformation_(Applet)|Diskrete Fouriertransformation]] überprüfen. | ||
| + | *DFT und IDFT spielen auch bei [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/xDSL_als_Übertragungstechnik#DMT.E2.80.93Realisierung_mit_IDFT.2FDFT|DSM/DSL]] eine große Rolle. | ||
| + | *Im entsprechenden Kapitel werden die Spektralkoeffizienten mit $D_k$ bezeichnet, die Zeitabtastwerte mit $s_l$. Wir bitten, diese Nomenklaturdiskrepanz zu entschuldigen. | ||
| + | *Für die beiden Laufvariablen gelten mit dem DFT–Parameter $N = 8$: $0 \le k \le 7, \hspace{0.2cm}0 \le l \le 7 \hspace{0.05cm}.$ | ||
| + | |||
| Zeile 29: | Zeile 36: | ||
<quiz display=simple> | <quiz display=simple> | ||
| + | |||
| + | Wie lauten die Zeitkoeffizienten $d(\nu)$ für $D(\mu)$ gemäß Spalte $\boldsymbol{\rm A}$? | ||
| + | |type="{}"} | ||
| + | $d(0) \ = \ ${ 1 } | ||
| + | $d(1) \ = \ ${ 1 } | ||
| + | |||
| + | |||
| + | {Wie lauten die Zeitkoeffizienten $d(\nu)$ für $D(\mu)$ gemäß Spalte $\boldsymbol{\rm B}$? | ||
| + | |type="{}"} | ||
| + | $d(0) \ = \ ${ 1 } | ||
| + | $d(1) \ = \ ${ 0.707 3% } | ||
| + | |||
| + | {Wie lauten die Zeitkoeffizienten $d(\nu)$ für $D(\mu)$ gemäß Spalte $\boldsymbol{\rm C}$? | ||
| + | |type="{}"} | ||
| + | $d(0) \ = \ ${ 1 } | ||
| + | $d(1) \ = \ ${ 0. } | ||
| + | {Wie lauten die Zeitkoeffizienten $d(\nu)$ für $D(\mu)$ gemäß Spalte $\boldsymbol{\rm D}$? | ||
| + | |type="{}"} | ||
| + | $d(0) \ = \ ${ 1 } | ||
| + | $d(1) \ = \ ${ -1.01--0.99 } | ||
| + | |||
| + | |||
| + | {Wie lauten die Zeitkoeffizienten $d(\nu)$ für $D(\mu)$ gemäß Spalte $\boldsymbol{\rm E}$? | ||
| + | |type="{}"} | ||
| + | $d(0) \ = \ ${ 2 } | ||
| + | $d(1) \ = \ ${ 0. } | ||
| Zeile 37: | Zeile 70: | ||
===Musterlösung=== | ===Musterlösung=== | ||
{{ML-Kopf}} | {{ML-Kopf}} | ||
| − | '''(1)''' | + | '''(1)''' Aus der IDFT–Gleichung erhält man mit $D(\mu) = 0$ für $\mu \neq 0$ für die Zeitkoeffizienten mit den Indizes $0 ≤ \nu ≤ 7$: |
| + | :$$d(\nu) = D(0) \cdot w^0 = D(0) \ = \ 1\hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}\underline{d(0) = d(1) \ = \ 1}.$$ | ||
| + | |||
| + | Dieser Parametersatz beschreibt somit die diskrete Form der Fourierkorrespondenz des Gleichsignals: | ||
| + | :$$x(t) = 1 \hspace{0.2cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.2cm} X(f) = {\delta}(f) \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | '''(2)''' Hier sind alle Spektralkoeffizienten $0$ außer $D_{1} = D_{7} = 0.5$. Daraus folgt für $0 ≤ \nu ≤ 7$: | ||
| + | :$$d(\nu) = 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /4) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} + 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (7\pi /4) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| + | Aufgrund der Periodizität gilt aber auch: | ||
| + | :$$d(\nu) \ = \ 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /4) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} + 0.5 \cdot {\rm e}^{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /4) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} = \cos \left({\pi}/{4} \cdot \nu \right)\hspace{0.3cm} | ||
| + | \Rightarrow \hspace{0.3cm}\underline{d(0) = 1, \hspace{0.2cm}d(1) = {1}/{\sqrt{2}} \approx 0.707 \hspace{0.05cm}}.$$ | ||
| + | Es handelt sich also um das zeitdiskrete Äquivalent zu | ||
| + | :$$x(t) = \cos(2 \pi \cdot f_{\rm A} \cdot t) \hspace{0.2cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.2cm} X(f) = {1}/{2} \cdot {\delta}(f + f_{\rm A}) + {1}/{2} \cdot {\delta}(f - f_{\rm A}) \hspace{0.05cm},$$ | ||
| + | wobei $f_{\rm A}$ die kleinste in der DFT darstellbare Frequenz bezeichnet. | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | '''(3)''' Gegenüber der Teilaufgabe '''(2)''' ist nun die Frequenz doppelt so groß, nämlich $2 \cdot f_{\rm A}$ anstelle von $f_{\rm A}$: | ||
| + | :$$x(t) = \cos(2 \pi \cdot (2f_{\rm A}) \cdot t) \hspace{0.2cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.2cm} X(f) = {1}/{2} \cdot {\delta}(f + 2f_{\rm A}) + {1}/{2}\cdot {\delta}(f - 2f_{\rm A}) \hspace{0.05cm},$$ | ||
| + | Damit beschreibt die Folge $〈d(\nu)〉$ zwei Perioden der Cosinusschwingung, und es gilt für $0 ≤ \nu ≤ 7$: | ||
| + | :$$d(\nu) \ = \ 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /2) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} + 0.5 \cdot {\rm e}^{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /2) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} = \cos \left({\pi}/{2} \cdot \nu \right)\hspace{0.3cm} | ||
| + | \Rightarrow \hspace{0.3cm}\underline{d(0) = 1, \hspace{0.2cm}d(1) = 0 }\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | '''(4)''' Durch eine weitere Verdoppelung der Cosinusfrequenz auf $4f_{\rm A}$ kommt man schließlich zur zeitkontinuierlichen Fourierkorrespondenz | ||
| + | :$$d(\nu) = 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} + 0.5 \cdot {\rm e}^{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} = \cos \left(\pi \cdot \nu \right) \hspace{0.05cm}$$ | ||
| + | und damit zu den Zeitkoeffizienten | ||
| + | :$$d(0) = d(2) =d(4) =d(6)= +1, \hspace{0.2cm}d(1) =d(3) =d(5) =d(7) = -1 \hspace{0.3cm} | ||
| + | \Rightarrow \hspace{0.3cm}\underline{d(0) = +1, \hspace{0.2cm}d(1) = -1 }\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| + | *Zu beachten ist, dass die beiden Diracfunktionen in der zeitdiskreten Darstellung aufgrund der Periodizität zusammenfallen. | ||
| + | *Das heißt: Die Koeffizienten $D(4) = 0.5$ und $D(-4) = 0.5$ ergeben zusammen $D(4) = 1$. | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | '''(5)''' Auch die Diskrete Fouriertransformation ist linear. Deshalb ist das Superpositionsprinzip weiterhin anwendbar. | ||
| + | *Die Koeffizienten $D(\mu)$ aus Spalte $\boldsymbol{\rm E}$ ergeben sich als die Summen der Spalten $\boldsymbol{\rm A}$ und $\boldsymbol{\rm D}$. | ||
| + | *Deshalb wird aus der alternierenden Folge $〈d(\nu)〉$ entsprechend Teilaufgabe '''(4)''' die um 1 nach oben verschobene Folge: | ||
| + | :$$d(0) =d(2) =d(4) =d(6)= 2, \hspace{0.2cm}d(1) =d(3) =d(5) =d(7) = 0\hspace{0.3cm} | ||
| + | \Rightarrow \hspace{0.3cm}\underline{d(0) = 2, \hspace{0.2cm}d(1) =0 }\hspace{0.05cm}. $$ | ||
{{ML-Fuß}} | {{ML-Fuß}} | ||
Aktuelle Version vom 5. August 2019, 14:38 Uhr
Fünf Mustersätze zur $\rm IDFT$
Bei der Diskreten Fouriertransformation $\rm (DFT)$ werden aus den Zeitabtastwerten $d(\nu) \hspace{0.15cm} {\rm mit} \hspace{0.15cm} \nu = 0$, ... , $N – 1$ die diskreten Spektralkoeffizienten $D(\mu) \hspace{0.15cm} {\rm mit} \hspace{0.15cm} \mu = 0$, ... , $N – 1$ wie folgt berechnet:
- $$D(\mu) = \frac{1}{N} \cdot \sum_{\nu = 0 }^{N-1} d(\nu)\cdot {w}^{\hspace{0.05cm}\nu \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm}\mu} \hspace{0.05cm}.$$
Hierbei ist mit $w$ der komplexe Drehfaktor abgekürzt, der folgendermaßen definiert ist:
- $$w = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} 2 \pi /N} = \cos \left( {2 \pi}/{N}\right)-{\rm j} \cdot \sin \left( {2 \pi}/{N}\right) \hspace{0.05cm}.$$
Somit gilt für die Inverse Diskrete Fouriertransformation $\rm (IDFT)$ als Umkehrfunktion der $\rm DFT$:
- $$ d(\nu) = \sum_{\mu = 0 }^{N-1} D(\mu) \cdot {w}^{-\nu \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm}\mu} \hspace{0.05cm}.$$
In dieser Aufgabe sollen für verschiedene Beispielfolgen $D(\mu)$ – die in obiger Tabelle mit $\boldsymbol{\rm A}$, ... , $\boldsymbol{\rm E}$ bezeichnet sind – die Zeitkoeffizienten $d(\nu)$ ermittelt werden. Es gilt somit stets $N = 8$.
Hinweise:
- Die Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen des Kapitels Diskrete Fouriertransformation des Buches „Signaldarstellung” und ist identisch mit der dortigen Aufgabe 5.2.
- Sie können Ihre Lösung mit dem interaktiven Applet Diskrete Fouriertransformation überprüfen.
- DFT und IDFT spielen auch bei DSM/DSL eine große Rolle.
- Im entsprechenden Kapitel werden die Spektralkoeffizienten mit $D_k$ bezeichnet, die Zeitabtastwerte mit $s_l$. Wir bitten, diese Nomenklaturdiskrepanz zu entschuldigen.
- Für die beiden Laufvariablen gelten mit dem DFT–Parameter $N = 8$: $0 \le k \le 7, \hspace{0.2cm}0 \le l \le 7 \hspace{0.05cm}.$
Fragebogen
Musterlösung
(1) Aus der IDFT–Gleichung erhält man mit $D(\mu) = 0$ für $\mu \neq 0$ für die Zeitkoeffizienten mit den Indizes $0 ≤ \nu ≤ 7$:
- $$d(\nu) = D(0) \cdot w^0 = D(0) \ = \ 1\hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}\underline{d(0) = d(1) \ = \ 1}.$$
Dieser Parametersatz beschreibt somit die diskrete Form der Fourierkorrespondenz des Gleichsignals:
- $$x(t) = 1 \hspace{0.2cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.2cm} X(f) = {\delta}(f) \hspace{0.05cm}.$$
(2) Hier sind alle Spektralkoeffizienten $0$ außer $D_{1} = D_{7} = 0.5$. Daraus folgt für $0 ≤ \nu ≤ 7$:
- $$d(\nu) = 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /4) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} + 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (7\pi /4) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} \hspace{0.05cm}.$$
Aufgrund der Periodizität gilt aber auch:
- $$d(\nu) \ = \ 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /4) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} + 0.5 \cdot {\rm e}^{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /4) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} = \cos \left({\pi}/{4} \cdot \nu \right)\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}\underline{d(0) = 1, \hspace{0.2cm}d(1) = {1}/{\sqrt{2}} \approx 0.707 \hspace{0.05cm}}.$$
Es handelt sich also um das zeitdiskrete Äquivalent zu
- $$x(t) = \cos(2 \pi \cdot f_{\rm A} \cdot t) \hspace{0.2cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.2cm} X(f) = {1}/{2} \cdot {\delta}(f + f_{\rm A}) + {1}/{2} \cdot {\delta}(f - f_{\rm A}) \hspace{0.05cm},$$
wobei $f_{\rm A}$ die kleinste in der DFT darstellbare Frequenz bezeichnet.
(3) Gegenüber der Teilaufgabe (2) ist nun die Frequenz doppelt so groß, nämlich $2 \cdot f_{\rm A}$ anstelle von $f_{\rm A}$:
- $$x(t) = \cos(2 \pi \cdot (2f_{\rm A}) \cdot t) \hspace{0.2cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.2cm} X(f) = {1}/{2} \cdot {\delta}(f + 2f_{\rm A}) + {1}/{2}\cdot {\delta}(f - 2f_{\rm A}) \hspace{0.05cm},$$
Damit beschreibt die Folge $〈d(\nu)〉$ zwei Perioden der Cosinusschwingung, und es gilt für $0 ≤ \nu ≤ 7$:
- $$d(\nu) \ = \ 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /2) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} + 0.5 \cdot {\rm e}^{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (\pi /2) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} = \cos \left({\pi}/{2} \cdot \nu \right)\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}\underline{d(0) = 1, \hspace{0.2cm}d(1) = 0 }\hspace{0.05cm}.$$
(4) Durch eine weitere Verdoppelung der Cosinusfrequenz auf $4f_{\rm A}$ kommt man schließlich zur zeitkontinuierlichen Fourierkorrespondenz
- $$d(\nu) = 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} + 0.5 \cdot {\rm e}^{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu} = \cos \left(\pi \cdot \nu \right) \hspace{0.05cm}$$
und damit zu den Zeitkoeffizienten
- $$d(0) = d(2) =d(4) =d(6)= +1, \hspace{0.2cm}d(1) =d(3) =d(5) =d(7) = -1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}\underline{d(0) = +1, \hspace{0.2cm}d(1) = -1 }\hspace{0.05cm}.$$
- Zu beachten ist, dass die beiden Diracfunktionen in der zeitdiskreten Darstellung aufgrund der Periodizität zusammenfallen.
- Das heißt: Die Koeffizienten $D(4) = 0.5$ und $D(-4) = 0.5$ ergeben zusammen $D(4) = 1$.
(5) Auch die Diskrete Fouriertransformation ist linear. Deshalb ist das Superpositionsprinzip weiterhin anwendbar.
- Die Koeffizienten $D(\mu)$ aus Spalte $\boldsymbol{\rm E}$ ergeben sich als die Summen der Spalten $\boldsymbol{\rm A}$ und $\boldsymbol{\rm D}$.
- Deshalb wird aus der alternierenden Folge $〈d(\nu)〉$ entsprechend Teilaufgabe (4) die um 1 nach oben verschobene Folge:
- $$d(0) =d(2) =d(4) =d(6)= 2, \hspace{0.2cm}d(1) =d(3) =d(5) =d(7) = 0\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}\underline{d(0) = 2, \hspace{0.2cm}d(1) =0 }\hspace{0.05cm}. $$
