Applets:Physical Signal & Analytic Signal: Unterschied zwischen den Versionen

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{{LntAppletLink|analPhysSignal}}  
+
{{LntAppletLinkEn|physAnSignal_en}}
  
==Programmbeschreibung==
+
==Applet Description==
 
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<br>
Dieses Applet zeigt den Zusammenhang zwischen dem physikalischen Bandpass&ndash;Signal $x(t)$ und dem dazugehörigen analytischen Signal $x_+(t)$. Ausgegangen wird stets von einem Bandpass&ndash;Signal $x(t)$ mit frequenzdiskretem Spektrum $X(f)$:
+
This applet shows the relationship between the physical bandpass signal $x(t)$ and the associated analytic signal $x_+(t)$. It is assumed that the bandpass signal $x(t)$ has a frequency-discrete spectrum $X(f)$:
:$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$  
+
:$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$
Das physikalische Signal $x(t)$ setzt sich also aus drei [[Signaldarstellung/Harmonische_Schwingung|harmonischen Schwingungen]] zusammen, einer Konstellation, die sich zum Beispiel bei der [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#AM-Signale_und_-Spektren_bei_harmonischem_Eingangssignal|Zweiseitenband-Amplitudenmodulation]] des Nachrichtensignals $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$ mit dem Trägersignal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$ ergibt. Die Nomenklatur ist ebenfalls an diesen Fall angepasst:
+
The physical signal $x(t)$ is thus composed of three harmonic oscillations, a constellation that can be found, for example, in the ''Double-sideband Amplitude Modulation''
* $x_{\rm O}(t)$ bezeichnet das &bdquo;Obere Seitenband&rdquo; mit der Amplitude $A_{\rm O}= A_{\rm N}/2$, der Frequenz $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ und der Phase $\varphi_{\rm O} = \varphi_{\rm T} + \varphi_{\rm N}$.
+
*of the message signal $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; in German: &nbsp;  '''N'''achrichtensignal
*Entsprechend gilt für das &bdquo;Untere Seitenband&rdquo; $x_{\rm U}(t)$ mit $f_{\rm U} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$, $A_{\rm U}= A_{\rm O}$ und $\varphi_{\rm U} = -\varphi_{\rm O}$.
+
*with the carrier signal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; in German: &nbsp; '''T'''rägersignal.
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 +
The nomenclature is also adapted to this case:
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* $x_{\rm O}(t)$ denotes the &bdquo;upper sideband&rdquo; &nbsp; (in German: &nbsp; '''O'''beres Seitenband) with the amplitude $A_{\rm O}= A_{\rm N}/2$, the frequency $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ and the phase $\varphi_{\rm O} = \varphi_{\rm T} + \varphi_{\rm N}$.
 +
*Similarly, for the &bdquo;lower sideband&rdquo; &nbsp; (in German: &nbsp; '''U'''nteres Seitenband) $x_{\rm U}(t)$ with $f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_{\rm N}$, $A_{\rm U}= A_{\rm O}$ and $\varphi_{\rm U} = -\varphi_{\rm O}$.
  
Das dazugehörige analytische Signal lautet:
 
  
:$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})}
+
The associated analytic signal is:
\hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})}
 
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$
 
  
[[Datei:Zeigerdiagramm_2a_version2.png|right|frame|Analytische Signal zur Zeit $t=0$]]
+
:$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})}
Im Programm dargestellt wird $x_+(t)$ als vektorielle Summe dreier Drehzeiger (alle mit positiver Drehrichtung) als violetter Punkt (siehe beispielhafte Grafik für den Startzeitpunkt $t=0$):
+
\hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})}
 +
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$
  
*Der (rote) Zeiger des Trägers $x_{\rm T+}(t)$ mit der Länge $A_{\rm T}$ und der Nullphasenlage $\varphi_{\rm T} = 0$ dreht mit konstanter Winkelgeschwindigkeit $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}$ (eine Umdrehung in der Zeit $1/f_{\rm T}$.
+
[[Datei:Zeigerdiagramm_2a_version2.png|right|frame|Analytic signal at the time $t=0$]]
 +
The program displays $x_+(t)$ as the vectorial sum of three rotating pointers (all with counterclockwise) as a violet dot (see figure for start time $t=0$):
  
*Der (blaue) Zeiger des Oberen Seitenbandes $x_{\rm O+}(t)$ mit der Länge $A_{\rm O}$ und der Nullphasenlage $\varphi_{\rm O}$ dreht mit der Winkelgeschwindigkeit $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}$, also etwas schneller als $x_{\rm T+}(t)$.
+
*The (red) pointer of the carrier $x_{\rm T+}(t)$ with length $A_{\rm T}$ and zero phase position $\varphi_{\rm T} = 0$ rotates at constant angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}$ (one revolution in time $1/f_{\rm T})$.
  
*Der (grüne) Zeiger des Unteren Seitenbandes $x_{\rm U+}(t)$ mit der Länge $A_{\rm U}$ und der Nullphasenlage $\varphi_{\rm U}$ dreht mit der Winkelgeschwindigkeit $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}$, also etwas langsamer als $x_{\rm T+}(t)$.
+
*The (blue) pointer of the upper sideband $x_{\rm O+}(t)$ with length $A_{\rm O}$ and zero phase position $\varphi_{\rm O}$ rotates at the angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}$, which is slightly faster than $x_{\rm T+}(t)$.
  
 +
*The (green) pointer of the lower sideband $x_{\rm U+}(t)$ with length $A_{\rm U}$ and zero phase position $\varphi_{\rm U}$ rotates at the angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}$, which is slightly slower than $x_{\rm T+}(t)$.
  
Den zeitlichen Verlauf von $x_+(t)$ bezeichnen wir im Folgenden auch als '''Zeigerdiagramm'''. Der Zusammenhang zwischen dem physikalischen Bandpass&ndash;Signal $x(t)$ und dem dazugehörigen analytischen Signal $x_+(t)$ lautet:
+
 
 +
The time trace of $x_+(t)$ is also referred to below as ''Pointer Diagram''. The relationship between the physical bandpass signal $x(t)$ and the associated analytic signal $x_+(t)$ is:
  
 
:$$x(t) = {\rm Re}\big [x_+(t)\big ].$$
 
:$$x(t) = {\rm Re}\big [x_+(t)\big ].$$
  
''Hinweis:'' &nbsp; Die Grafik gilt für $\varphi_{\rm O} = +30^\circ$. Daraus folgt für den Startzeitpunkt $t=0$ der Winkel gegenüber dem Koordinatensystem: &nbsp; $\phi_{\rm O} = -\varphi_{\rm O} = -30^\circ$. Ebenso folgt aus der Nullphanlage $\varphi_{\rm U} = -30^\circ$ des unteren Seitenbandes für den in der komplexen Ebene zu berücksichtigenden Phasenwinkel: &nbsp; $\phi_{\rm U} = +30^\circ$.
+
''Note:'' &nbsp; In the figure $\varphi_{\rm O} = +30^\circ$. This leads to the angle with respect to the coordinate system at $t=0$: &nbsp; $\phi_{\rm O}=-\varphi_{\rm O}=-30^\circ$. Similarly, the null phase angle $\varphi_{\rm U}=-30^\circ$ of the lower sideband leads to the phase angle to be considered in the complex plane: &nbsp; $\phi_{\rm U}=+30^\circ$.
 
  
[[Applets:Linear_Distortions_of_Periodic_Signals|'''Englische Beschreibung''']] (muss noch angepasst werden)
 
  
 +
[[Applets:Physikalisches_Signal_%26_Analytisches_Signal|'''German Description''']]
  
==Theoretischer Hintergrund==
+
==Theoretical Background==
 
<br>
 
<br>
[[Datei:Zeigerdiagramm_1a.png|right|frame|Bandpass&ndash;Spektrum $X(f)$ |class=fit]]
+
===Description of Bandpass Signals===
Wir betrachten hier '''Bandpass-Signale''' $x(t)$ mit der Eigenschaft, dass deren Spektren $X(f)$ nicht im Bereich um die Frequenz $f = 0$ liegen, sondern um eine Trägerfrequenz $f_{\rm T}$. Meist kann auch davon ausgegangen werden, dass die Bandbreite $B \ll f_{\rm T}$ ist.
+
[[Datei:Zeigerdiagramm_1a.png|right|frame|Bandpass spectrum $X(f)$ |class=fit]]
 +
We consider '''bandpass signals''' $x(t)$ with the property that their spectra $X(f)$ are not in the range around the frequency $f=0$, but around a carrier frequency $f_{\rm T}$. In most cases it can also be assumed that the bandwidth is $B \ll f_{\rm T}$.
  
Die Grafik zeigt ein solches Bandpass&ndash;Spektrum $X(f)$. Unter der Annahme, dass das zugehörige $x(t)$ ein physikalisches Signal und damit reell ist, ergibt sich für die Spektralfunktion $X(f)$ eine Symmetrie bezüglich der Frequenz $f = 0$. Ist $x(t)$ eine gerade Funktion &nbsp; &rArr; &nbsp; $x(-t)=x(t)$, so ist auch $X(f)$ reell und gerade.
+
The figure shows such a bandpass spectrum $X(f)$. Assuming that the associated $x(t)$ is a physical signal and thus real, the spectral function $X(f)$ has a symmetry with respect to the frequency $f = 0$, if $x(t)$ is an even function &nbsp; &rArr; &nbsp; $x(-t)=x(t)$, $X(f)$ is real and even.
  
Neben dem physikalischen Signal $x(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)$ verwendet man zur Beschreibung von Bandpass-Signalen gleichermaßen:
 
*das analytische Signal $x_+(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_+(f)$, wie im nächsten Unterabschnitt beschrieben,
 
*das äquivalente Tiefpass&ndash;Signal $x_{\rm TP}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_{\rm TP}(f)$, siehe Applet [[Physikalisches Signal & Äquivalentes Tiefpass&ndash;Signal]].
 
  
===Analytisches Signal &ndash; Spektralfunktion===
+
Besides the physical signal $x(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)$, one can also use the following descriptions of bandpass signals:
 
+
*the analytic signal $x_+(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_+(f)$, see next page,
Das zum physikalischen Signal $x(t)$ gehörige '''analytische Signal''' $x_+(t)$ ist diejenige Zeitfunktion, deren Spektrum folgende Eigenschaft erfüllt:
+
*the equivalent lowpass signal &nbsp; (in German: &nbsp; äquivalentes '''T'''ief '''P'''ass&ndash;Signal) $x_{\rm TP}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_{\rm TP}(f)$, <br>see Applet [[Applets:Physical_Signal_%26_Equivalent_Low-pass_Signal|Physical Signal & Equivalent Lowpass signal]].
[[Datei:Zeigerdiagramm_1b_version2.png|right|frame|Konstruktion der Spektralfunktion $X_+(f)$ |class=fit]]
+
<br><br>
$$X_+(f)=\big[1+{\rm sign}(f)\big] \cdot X(f) = \left\{ {2 \cdot
 
X(f) \; \hspace{0.2cm}\rm f\ddot{u}r\hspace{0.2cm} {\it f} > 0, \atop {\,\,\,\, \rm 0 \; \hspace{0.9cm}\rm f\ddot{u}r\hspace{0.2cm} {\it f} < 0.} }\right.$$
 
  
Die so genannte ''Signumfunktion'' ist dabei für positive Werte von $f$ gleich $+1$ und für negative $f$–Werte gleich $-1$.
+
===Analytic Signal &ndash; Frequency Domain===
*Der (beidseitige) Grenzwert liefert $\sign(0) = 0$.
 
*Der Index „+” soll deutlich machen, dass $X_+(f)$ nur Anteile bei positiven Frequenzen besitzt.
 
  
 +
The '''analytic signal''' $x_+(t)$ belonging to the physical signal $x(t)$ is the time function whose spectrum fulfills the following property:
 +
[[Datei:Zeigerdiagramm_3a.png|right|frame|Construction of the spectral function $X_+(f)$ |class=fit]]
 +
:$$X_+(f)=\big[1+{\rm sign}(f)\big] \cdot X(f) = \left\{ {2 \cdot
 +
X(f) \; \hspace{0.2cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} > 0, \atop {\,\,\,\, \rm 0 \; \hspace{0.9cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} < 0.} }\right.$$
  
Aus der Grafik erkennt man die Berechnungsvorschrift für $X_+(f)$: Das tatsächliche BP–Spektrum $X(f)$ wird
+
The ''signum function'' is for positive values of $f$ equal to $+1$ and for negative $f$ values equal to $-1$.
*bei den positiven Frequenzen verdoppelt, und
+
* The (double-sided) limit returns $\sign(0)=0$.
*bei den negativen Frequenzen zu Null gesetzt.
+
* The index „+” should make it clear that $X_+(f)$ only has parts at positive frequencies.
  
Aufgrund der Unsymmetrie von $X_+(f)$ bezüglich der Frequenz $f = 0$ kann man bereits jetzt schon sagen, dass die Zeitfunktion $x_+(t)$ bis auf einen trivialen Sonderfall $x_+(t)= 0 \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ X_+(f)= 0$ stets komplex ist.
 
<br clear=all>
 
===Analytisches Signal &ndash; Zeitverlauf===
 
An dieser Stelle ist es erforderlich, kurz auf eine weitere Spektraltransformation einzugehen.
 
  
{{BlaueBox|TEXT= 
+
From the graph you can see the calculation rule for $X_+(f)$:  
$\text{Definition:}$&nbsp;
 
Für die '''Hilberttransformierte''' $ {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ einer Zeitfunktion $x(t)$ gilt:
 
 
:$$y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\} = \frac{1}{ {\rm \pi} } \cdot
 
\hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t -
 
\tau} }\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$
 
  
Dieses bestimmte Integral ist nicht auf einfache, herkömmliche Art lösbar, sondern muss mit Hilfe des [https://de.wikipedia.org/wiki/Cauchyscher_Hauptwert Cauchy–Hauptwertsatzes] ausgewertet werden.  
+
The actual bandpass spectrum $X(f)$ becomes
 +
* doubled at the positive frequencies, and
 +
* set to zero at the negative frequencies.
  
Entsprechend gilt im Frequenzbereich:
 
:$$Y(f) =  {\rm -j \cdot sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.05cm} .$$}}
 
  
 +
Due to the asymmetry of $X_+(f)$ with respect to the frequency $f=0$, it can already be said that the time function $x_+(t)$ except for a trivial special case $x_+(t)=0 \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_+(f)=0$ is always complex.
 +
<br clear=all>
  
Das obige Ergebnis lässt sich mit dieser Definition wie folgt zusammenfassen:
+
===Analytic Signal &ndash; Time Domain===
*Man erhält aus dem physikalischen BP–Signal $x(t)$ das analytische Signal $x_+(t)$, indem man zu $x(t)$ einen Imaginärteil gemäß der Hilberttransformierten hinzufügt:
+
At this point, it is necessary to briefly discuss another spectral transformation.
 
:$$x_+(t) = x(t)+{\rm j} \cdot {\rm H}\left\{x(t)\right\} .$$
 
  
*$\text{H}\{x(t)\}$ verschwindet nur für den Fall  $x(t) = \rm const.$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Gleichsignal.  Bei allen anderen Signalformen ist somit das analytische Signal $x_+(t)$ komplex.
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
For the '''Hilbert transform''' $ {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ of a time function $x(t)$ we have:
  
 +
:$$y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\} = \frac{1}{ {\rm \pi} } \cdot
 +
\hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t -
 +
\tau} }\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$
  
*Aus dem analytischen Signal $x_+(t)$ kann das physikalische Bandpass–Signal in einfacher Weise durch Realteilbildung ermittelt werden:
+
This particular integral is not solvable in a simple, conventional way, but must be evaluated using the [https://en.wikipedia.org/wiki/Cauchy_principal_value Cauchy principal value theorem].
:$$x(t) = {\rm Re}\left\{x_+(t)\right\} .$$
 
  
{{GraueBox|TEXT= 
+
Accordingly, in the frequency domain:
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Das Prinzip der Hilbert–Transformation wird durch die nachfolgende Grafik nochmals verdeutlicht:
+
:$$Y(f) {\rm -j \cdot sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.05cm} .$$}}
*Nach der linken Darstellung $\rm(A)$ kommt man vom physikalischen Signal $x(t)$ zum analytischen Signal $x_+(t)$, indem man einen Imaginärteil ${\rm j} \cdot y(t)$ hinzufügt.
 
*Hierbei ist $y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ eine reelle Zeitfunktion, die sich im Spektralbereich durch die Multiplikation des Spektrums $X(f)$ mit $\rm {- j} \cdot \sign(f)$ angeben lässt.
 
  
[[Datei:P_ID2729__Sig_T_4_2_S2b_neu.png|center|frame|Zur Verdeutlichung der Hilbert–Transformierten]]
 
  
Die rechte Darstellung $\rm(B)$ ist äquivalent zu $\rm(A)$. Nun gilt $x_+(t) = x(t) + z(t)$ mit der rein imaginären Funktion $z(t)$. Ein Vergleich der beiden Bilder zeigt, dass tatsächlich $z(t) = {\rm j} \cdot y(t)$ ist.}}
+
The above result can be summarized with this definition as follows:
<br><br>
+
* The analytic signal $x_+(t)$ is obtained from the physical bandpass signal $x(t)$ by adding an imaginary part to $x(t)$ according to the Hilbert transform:
===Darstellung der harmonischen Schwingung als analytisches Signal===
 
  
Die Spektralfunktion $X(f)$ einer harmonischen Schwingung $x(t) = A \cdot \text{cos}(2\pi f_Tt - \varphi)$ besteht bekanntlich aus zwei Diracfunktionen bei den Frequenzen
+
:$$x_+(t) = x(t)+{\rm j} \cdot {\rm H}\left\{x(t)\right\} .$$
* $+f_{\rm T}$ mit dem komplexen Gewicht $A/2 \cdot \text{e}^{-\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$,
 
* $-f_{\rm T}$ mit dem komplexen Gewicht $A/2 \cdot \text{e}^{+\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$.
 
  
 +
*$\text{H}\{x(t)\}$ disappears only for the case $x(t) = \rm const.$ &nbsp; &rArr; &nbsp; the same signal. For all other signal forms, the analytic signal $x_+(t)$ is complex.
  
Somit lautet das Spektrum des analytischen Signals (also ohne die Diracfunktion bei der Frequenz $f =-f_{\rm T}$, aber Verdoppelung bei $f =+f_{\rm T}$):
 
  
:$$X_+(f) = A \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\varphi}\cdot\delta (f - f_{\rm
+
* From the analytic signal $x_+(t)$, the physical bandpass signal can be easily determined by the following operation:
T}) .$$
+
:$$x(t) = {\rm Re}\big[x_+(t)\big] .$$
 
Die dazugehörige Zeitfunktion erhält man durch Anwendung des [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Verschiebungssatz|Verschiebungssatzes]]:
 
 
:$$x_+(t) = A \cdot {\rm e}^{ {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}( 2 \pi f_{\rm T} t
 
\hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi)}.$$
 
  
Diese Gleichung beschreibt einen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit $\omega_{\rm T} = 2\pi f_{\rm T}$ drehenden Zeiger.  
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; The principle of the Hilbert transformation should be further clarified by the following graphic:
 +
*After the left representation $\rm(A)$ one gets from the physical signal $x(t)$ to the analytic signal $x_+(t)$, by adding an imaginary part ${\rm j} \cdot y(t)$.
 +
*Here $y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ is a real time function that can be indicated in the spectral domain by multiplying the spectrum $X(f)$ with ${\rm - j} \cdot \sign(f)$.
  
{{GraueBox|TEXT= 
 
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Aus Darstellungsgründen wird das Koordinatensystem entgegen der üblichen Darstellung um $90^\circ$ gedreht (Realteil nach oben, Imaginärteil nach links).
 
  
[[Datei:P_ID712__Sig_T_4_2_S3.png|center|frame|Zeigerdiagramm einer harmonischen Schwingung]]
+
[[Datei:P_ID2729__Sig_T_4_2_S2b_neu.png|center|frame|To clarify the Hilbert transform]]
  
Anhand dieser Grafik sind folgende Aussagen möglich:
+
The right representation $\rm(B)$ is equivalent to $\rm(A)$. Now $x_+(t) = x(t) + z(t)$ stand with the purely imaginary function $z(t)$. A comparison of the two figures shows that in fact $z(t) = {\rm j} \cdot y(t)$.}}
*Zum Startzeitpunkt $t = 0$ liegt der Zeiger der Länge $A$ (Signalamplitude) mit dem Winkel $-\varphi$ in der komplexen Ebene. Im gezeichneten Beispiel gilt $\varphi = 45^\circ$.
 
*Für Zeiten $t > 0$ dreht der Zeiger mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (Kreisfrequenz) $\omega_{\rm T}$ in mathematisch positiver Richtung, das heißt entgegen dem Uhrzeigersinn.
 
*Die Spitze des Zeigers liegt somit stets auf einem Kreis mit Radius $A$ und benötigt für eine Umdrehung genau die Zeit $T_0$, also die Periodendauer der harmonischen Schwingung $x(t)$.
 
*Die Projektion des analytischen Signals $x_+(t)$ auf die reelle Achse, durch rote Punkte markiert, liefert die Augenblickswerte von $x(t)$.}}
 
 
<br><br>
 
<br><br>
===$x_+(t)$&ndash;Darstellung einer Summe aus drei harmonischen Schwingungen===
 
 
In unserem Applet setzen wir stets  einen Zeigerverbund aus drei Drehzeigern voraus. Das physikalische Signal lautet:
 
:$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$
 
* Jede der drei harmonischen Schwingungen harmonischen Schwingungen $x_{\rm T}(t)$, $x_{\rm U}(t)$ und $x_{\rm O}(t)$ wird durch eine Amplitude $(A)$, eine Frequenz $(f)$ und einen Phasenwert $(\varphi)$ charakterisiert.
 
*Die Indizes sind an das Modulationsverfahren [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation|Zweiseitenband&ndash;Amplitudenmodulation]] angelehnt. &bdquo;T&rdquo; steht für &bdquo;Träger&rdquo;, &bdquo;U&rdquo; für &bdquo;Unteres Seitenband&rdquo; und &bdquo;O&rdquo; für &bdquo;Oberes Seitenband&rdquo;. Entsprechend gilt stets $f_{\rm U} < f_{\rm T}$ und $f_{\rm O} > f_{\rm T}$. Für die Ampltuden und Phasen gibt es keine Einschränkungen.
 
  
 +
===Representation of the Harmonic Oscillation as an Analytic Signal===
  
[[Datei:Zeigerdiagramm_1c.png|center|frame|??? $X_+(f)$ |class=fit]]
+
The spectral function $X(f)$ of a harmonic oscillation $x(t) = A\cdot\text{cos}(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi)$ is known to consist of two Dirac functions at the frequencies
Im Kapitel [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-r%C3%BCcktransformation|Aperiodische Signale - Impulse]]  wurden meist stillschweigend tiefpassartige Signale vorausgesetzt, das heißt solche Signale, deren Spektralfunktionen im Bereich um die Frequenz $f = 0$ liegen. Insbesondere bei optischer Übertragung und bei Funkübertragungssystemen – aber nicht nur hier – liegen die Sendesignale jedoch im Bereich um eine Trägerfrequenz $f_{\rm T}$. Solche Signale bezeichnet man als '''Bandpass-Signale'''.
+
* $+f_{\rm T}$ with the complex weight $A/2 \cdot \text{e}^{-\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$,
 +
* $-f_{\rm T}$ with the complex weight $A/2 \cdot \text{e}^{+\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$.
  
Unter '''Verzerrungen''' (englisch: ''Distortions'') versteht man allgemein die unerwünschte deterministische Veränderungen eines Nachrichtensignals durch ein Übertragungssystem. Sie sind bei vielen Nachrichtensystemen neben den stochastischen Störungen (Rauschen, Nebensprechen, etc.)  eine entscheidende Begrenzung für die Übertragungsqualität und die Übertragungsrate.
 
  
Ebenso wie man die &bdquo;Stärke&rdquo; von Rauschen durch
+
Thus, the spectrum of the analytic signal (that is, without the Dirac function at the frequency $f =-f_{\rm T}$, but doubling at $f =+f_{\rm T}$):
*die Rauschleistung (englisch: ''Noise Power'') $P_{\rm N}$ und
 
*das Signal&ndash;zu&ndash;Rauschleistungsverhältnis  (englisch: ''Signal&ndash;to&ndash;Noise Ratio'', SNR)  $\rho_{\rm N}$  
 
  
 +
:$$X_+(f) = A \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\varphi}\cdot\delta (f - f_{\rm
 +
T}) .$$
  
bewertet, verwendet man zur Quantifizierung der Verzerrungen
+
The associated time function is obtained by applying the Displacement Law:
  
*die Verzerrungsleistung (englisch: ''Distortion  Power'') $P_{\rm D}$ und
+
:$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})}
*das Signal&ndash;zu&ndash;Verzerrungsleistungsverhältnis  (englisch: ''Signal&ndash;to&ndash;Distortion Ratio'', SDR)
+
\hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})}
:$$\rho_{\rm D}=\frac{\rm Signalleistung}{\rm Verzerrungsleistung} = \frac{P_x}{P_{\rm D} }.$$
+
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$
 
  
=== Lineare und nichtlineare Verzerrungen ===
+
This equation describes a pointer rotating at constant angular velocity $\omega_{\rm T} = 2\pi f_{\rm T}$.
<br>
 
Man unterscheidet zwischen linearen und nichtlinearen Verzerrungen:
 
*'''Nichtlineare Verzerrungen''' gibt es, wenn zu allen Zeiten $t$ zwischen dem Signalwert $x = x(t)$ am Eingang und dem Ausgangssignalwert $y = y(t)$ der nichtlineare Zusammenhang $y = g(x) \ne {\rm const.} \cdot x$ besteht, wobei $y = g(x)$ die nichtlineare Kennlinie des Systems bezeichnet. Legt man an den Eingang ein Cosinussignal der Freuenz $f_0$ an, so beinhaltet das Ausgangssignal neben  $f_0$ auch Vielfache hiervon &nbsp; &rArr; &nbsp; so genannte ''Oberwellen''. Durch nichtlineare Verzerrungen entstehen also neue Frequenzen.
 
 
 
[[Datei:LZI_T_2_2_S3_vers2.png|center|frame|Zur Verdeutlichung  nichtlinearer Verzerrungen |class=fit]]
 
  
[[Datei:P_ID899__LZI_T_2_3_S1_neu.png|right |frame| Beschreibung eines linearen Systems|class=fit]]
+
{{GraueBox|TEXT=
*'''Lineare Verzerrungen''' entstehen dann, wenn der Übertragungskanal durch einen Frequenzgang $H(f) \ne \rm const.$ charakterisiert wird. Dann werden unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich gedämpft und unterschiedlich verzögert. Charakteristisch hierfür ist, dass zwar Frequenzen verschwinden können (zum Beispiel durch einen Tiefpass, einen Hochpass oder einen Bandpass), dass aber keine neuen Frequenzen entstehen.
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; Here the coordinate system is rotated by $90^\circ$ (real part up, imaginary part to the left) contrary to the usual representation.
  
 +
[[Datei:P_ID712__Sig_T_4_2_S3.png|center|frame|Pointer diagram of a harmonic oscillation]]
  
In diesem Applet werden nur lineare Verzerrungen betrachtet.
+
Based on this graphic, the following statements are possible:
 +
* At time $t = 0$, the pointer of length $A$ (signal amplitude) lies with the angle $-\varphi$ in the complex plane. In the example shown, $\varphi=45^\circ$.
 +
* For times $t>0$, the constant angular velocity vector $\omega_{\rm T}$ rotates in a mathematically positive direction, that is, counterclockwise.
 +
* The tip of the pointer is thus always on a circle with radius $A$ and needs exactly the time $T_0$, i.e. the period of the harmonic oscillation $x(t)$ for one revolution.
 +
* The projection of the analytic signal $x_+(t)$ on the real axis, marked by red dots, gives the instantaneous values of $x(t)$.}}
 +
<br><br>
  
 +
===Analytic Signal Representation of a Sum of Three Harmonic Oscillations===
  
=== Beschreibungsformen für den  Frequenzgang ===
+
In our applet, we always assume a set of three rotating pointers. The physical signal is:
<br>
+
:$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$
Der im Allgemeinen komplexe Frequenzgang kann auch wie folgt dargestellt werden:  
+
* Each of the three harmonic oscillations $x_{\rm T}(t)$, $x_{\rm U}(t)$ and $x_{\rm O}(t)$ is represented by an amplitude $(A)$, a frequency $(f)$ and a phase value $(\varphi)$.
:$$H(f) = |H(f)| \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot
+
*The indices are based on the ''Double-sideband Amplitude Modulation'' method. &bdquo;T&rdquo; stands for &bdquo;carrier&rdquo;, &bdquo;U&rdquo; for &bdquo;lower sideband&rdquo; and &bdquo;O&rdquo; for &bdquo;upper Sideband&rdquo;.
\hspace{0.05cm} b(f)} = {\rm e}^{-a(f)}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}
+
*Accordingly, $f_{\rm U} < f_{\rm T}$ and $f_{\rm O} > f_{\rm T}$. There are no restrictions for the amplitudes and phases.
\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b(f)}.$$
 
  
Daraus ergeben sich folgende Beschreibungsgrößen:
 
*Der Betrag $|H(f)|$ wird als '''Amplitudengang''' und in logarithmierter Form als '''Dämpfungsverlauf''' bezeichnet:
 
:$$a(f) = - \ln |H(f)|\hspace{0.2cm}{\rm in \hspace{0.1cm}Neper
 
\hspace{0.1cm}(Np) } = - 20 \cdot \lg |H(f)|\hspace{0.2cm}{\rm in
 
\hspace{0.1cm}Dezibel \hspace{0.1cm}(dB) }.$$
 
*Der '''Phasengang''' $b(f)$ gibt den negativen frequenzabhängigen Winkel von $H(f)$ in der komplexen Ebene an, bezogen auf die reelle Achse:
 
:$$b(f) = - {\rm arc} \hspace{0.1cm}H(f) \hspace{0.2cm}{\rm in
 
\hspace{0.1cm}Radian \hspace{0.1cm}(rad)}.$$
 
  
=== Tiefpass <i>N</i>&ndash;ter Ordnung  ===
+
The associated analytic signal is:
<br>
+
:$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})}
[[Datei:Tiefpass_version2.png|right|frame|Dämpfungsverlauf und Phasenverlauf eines Tiefpasses <i>N</i>&ndash;ter Ordnung]]
+
\hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})}
Der Frequenzgang eines realisierbaren Tiefpasses <i>N</i>&ndash;Ordnung lautet:
+
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$
:$$H(f) = \left [\frac{1}{1 + {\rm j}\cdot f/f_0 }\right ]^N\hspace{0.05cm}.$$
 
Ein einfacher RC&ndash;Tiefpass hat diesen Verlauf mit $N=1$. Damit erhält man
 
*den Dämpfungsverlauf:
 
:$$a(f) =N/2 \cdot \ln  [1+( f/f_0)^2] \hspace{0.05cm},$$
 
*den Phasenverlauf:
 
:$$b(f) =N \cdot \arctan( f/f_0) \hspace{0.05cm},$$
 
*den Dämpfungsfaktor für die Frequenz $f=f_i$:
 
:$$\alpha_i =|H(f = f_i)| =  [1+( f/f_0)^2]^{-N/2}$$ 
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t)= A_i\cdot \cos(2\pi f_i t) \hspace{0.1cm}\rightarrow \hspace{0.1cm} y(t)= \alpha_i  \cdot A_i\cdot \cos(2\pi f_i t)\hspace{0.05cm},$$
 
*die Phasenlaufzeit für die Frequenz $f=f_i$:
 
:$$\tau_i =\frac{b(f_i)}{2 \pi f_i} = \frac{N \cdot \arctan( f_i/f_0)}{2 \pi f_i}$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t)= A_i\cdot \cos(2\pi f_i t) \hspace{0.1cm}\rightarrow \hspace{0.1cm} y(t)=A_i\cdot \cos(2\pi f_i (t- \tau_i))\hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp;
 +
Shown the constellation arises i.e. in the [https://en.wikipedia.org/wiki/Sideband Double-sideband Amplitude Modulation] (with carrier) of the message signal $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$ with the carrier signal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$. This is discussed frequently in the Exercises.
  
  
=== Hochpass <i>N</i>&ndash;ter Ordnung  ===
+
There are some limitations to the program parameters in this approach:
<br>
+
* For the frequencies, it always applies $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ and $f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_{\rm N}$.
[[Datei:Hochpass_version2.png|right|frame|Dämpfungsverlauf und Phasenverlauf eines Hochpasses <i>N</i>&ndash;ter Ordnung]]
 
Der Frequenzgang eines realisierbaren Hochpasses <i>N</i>&ndash;Ordnung lautet:
 
:$$H(f) = \left [\frac{ {\rm j}\cdot f/f_0 }{1 + {\rm j}\cdot f/f_0 }\right ]^N\hspace{0.05cm}.$$
 
Ein einfacher LC&ndash;Tiefpass hat diesen Verlauf mit $N=1$. Damit erhält man
 
*den Dämpfungsverlauf:
 
:$$a(f) =N/2 \cdot \ln  [1+( f_0/f)^2] \hspace{0.05cm},$$
 
*den Phasenverlauf:
 
:$$b(f) =-N \cdot \arctan( f_0/f) \hspace{0.05cm},$$
 
*den Dämpfungsfaktor für die Frequenz $f=f_i$:
 
:$$\alpha_i =|H(f = f_i)| =  [1+( f_0/f)^2]^{-N/2}$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t)= A_i\cdot \cos(2\pi f_i t) \hspace{0.1cm}\rightarrow \hspace{0.1cm} y(t)= \alpha_i  \cdot A_i\cdot \cos(2\pi f_i t)\hspace{0.05cm},$$
 
*die Phasenlaufzeit für die Frequenz $f=f_i$:
 
:$$\tau_i =\frac{b(f_i)}{2 \pi f_i} = \frac{-N \cdot \arctan( f_0/f_i)}{2 \pi f_i}$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t)= A_i\cdot \cos(2\pi f_i t) \hspace{0.1cm}\rightarrow \hspace{0.1cm}  y(t)=A_i\cdot \cos(2 \pi  f_i (t- \tau_i))\hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
*Without distortions the amplitude of the sidebands are $A_{\rm O}= A_{\rm U}= A_{\rm N}/2$.
 +
*The respective phase relationships can be seen in the following graphic.
  
[[Datei:Verzerrungen_HP_TP_1_englisch.png|right|frame|Phasenfunktion $b(f)$ von Tiefpass und Hochpass]]
+
[[Datei:Zeigerdiagramm_5.png|center|frame|Spectrum $X_+(f)$ of the analytic signal for different phase constellations |class=fit]]}}
{{GraueBox|TEXT= 
 
$\text{Beispiel:}$&nbsp;
 
Die Grafik zeigt jeweils für die Grenzfrequenz $f_0 = 1\ \rm kHz$ und die Ordnung $N=1$ die Phasenfunktion $b(f)$
 
* eines Tiefpasses (englisch: ''low&ndash;pass'') als grüne Kurve, und
 
* eines Hochpasses (englisch: ''high&ndash;pass'') als violette  Kurve.
 
  
 +
==Exercises==
 +
[[Datei:Zeigerdiagramm_aufgabe_2.png|right]]
 +
*First select the task number.
 +
*A task description is displayed.
 +
*Parameter values are adjusted.
 +
*Solution after pressing &bdquo;Hide solition&rdquo;.
  
Das Eingangssignal sei jeweils sinusförmig mit der Frequenz $f_{\rm S} = 1.25\ {\rm kHz}$, wobei dieses Signal erst zum Zeitpunkt $t=0$ eingeschaltet wird:
 
:$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.75cm}0  \\ \sin(2\pi \cdot f_{\rm S}  \cdot t ) \\  \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c}  {\rm{f\ddot{u}r} }  \\  {\rm{f\ddot{u}r} }    \\ \end{array}\begin{array} \ t < 0, \\  t>0. \\ \end{array}$$
 
  
In der linken (blau umrandeten) Grafik ist dieses Signal $x(t)$ dargestellt. Der Zeitpunkt $t = T_0 = 0.8\ {\rm ms}$ der ersten Nullstelle ist durch eine gestrichelte Linie markiert. Die beiden anderen Grafiken zeigen die Ausgangssignale $y_{\rm TP}(t)$ und $y_{\rm HP}(t)$ von Tiefpass und Hochpass, wobei in beiden Fällen die Amplitudenänderungen ausgeglichen wurden.
+
The number &bdquo;0&rdquo; will reset the program and output a text with further explanation of the applet.
 +
<br clear=all>
 +
In the following, $\rm Green$ denotes the lower sideband &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm U}, f_{\rm U}, \varphi_{\rm U}\big )$, &nbsp;
 +
$\rm Red$ the carrier &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm T}, f_{\rm T}, \varphi_{\rm T}\big )$ and
 +
$\rm Blue$ the upper sideband &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm O}, f_{\rm O}, \varphi_{\rm O}\big )$.
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
'''(1)''' &nbsp; Consider and interpret the analytic signal  $x_+(t)$ for $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, $A_{\rm U} = A_{\rm O} = 0$.
  
[[Datei:Verzerrungen_HP_TP_2_version2.png|center|frame|Eingangssignal $x(t)$ sowie Ausgangssignale  $y_{\rm TP}(t)$ und $y_{\rm HP}(t)$]]
+
:Which signal values $x_+(t)$ result for $t = 0$, $t = 5 \ \rm &micro; s$ and $t = 20 \ \rm &micro; s$? What are the corresponding signal values for $x(t)$? }}
  
*Die erste Nullstelle des Signals $y_{\rm TP}(t)$ nach dem Tiefpass kommt um $\tau_{\rm TP} = 0.9/(2\pi) \cdot T_0 \approx 0.115 \ {\rm ms}$ später als die erste Nullstelle von $x(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; markiert mit grünem Pfeil, wobei $b_{\rm TP}(f/f_{\rm S} )= 0.9 \ {\rm rad}$ berücksichtigt wurde.
+
::&nbsp;For a cosine signal, let $x_+(t= 0) = A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}$. Then $x_+(t)$ rotates in a mathematically positive direction (one revolution per period $T_0 = 1/f_{\rm T}$):
* Dagegen ist die Laufzeit des Hochpasses negativ:  $\tau_{\rm HP} = -0.67/(2\pi) \cdot T_0 \approx 0.085 \ {\rm ms}$ und die erste Nullstelle von $y_{\rm HP}(t)$ kommt deshalb vor der weißen Markierung.
 
*Nach diesem Einschwingvorgang kommen in beiden Fällen die Nulldurchgänge wieder im Raster der Periodendauer $T_0 = 0.8 \ {\rm ms}.$
 
  
 +
::&nbsp;$x_+(t= 20 \ {\rm &micro; s}) = x_+(t= 0) =  1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 20 \ {\rm &micro; s})  =  1.5\ \text{V,}$
 +
::&nbsp;$x_+(t= 5 \ {\rm &micro; s})  =  {\rm j} \cdot 1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 5 \ {\rm &micro; s}) = {\rm Re}[x_+(t= 5 \ {\rm &micro; s})] =  0$.
  
''Anmerkung:'' Die gezeigten Signalverläufe wurden mit dem intereaktiven Applet [[Applets:Kausale_Systeme_-_Laplacetransformation|Kausale Systeme &ndash; Laplacetransformation]] erstellt. }}
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
'''(2)''' &nbsp; How do the ratios change for $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.0\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 90^\circ$?}}
  
=== Dämpfungsverzerrungen und  Phasenverzerrungen  ===
+
::The signal $x(t)$ is now a sine signal with a smaller amplitude. The analytic signal now starts because of $\varphi_{\rm T} = 90^\circ$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $\phi_{\rm T} = -90^\circ$ at $x_+(t= 0) = -{\rm j} \cdot A_{\rm T}$. <br>After that, $x_+(t)$ rotates again in a mathematically positive direction, but twice as fast because of $T_0 = 10 \ \rm &micro; s$ as in $\rm (1)$.
<br>
 
[[Datei:P_ID900__LZI_T_2_3_S2_neu.png|frame| Voraussetzung für einen nichtverzerrenden Kanal|right|class=fit]]
 
Die nebenstehende Grafik zeigt
 
*den geraden Dämpfungsverlauf $a(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $a(-f) = a(f)$, und
 
*den ungeraden Phasenverlauf $b(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $b(-f) = -b(- f)$
 
  
eines verzerrungsfreien Systems. Man erkennt:
+
{{BlaueBox|TEXT=
*Bei einem verzerrungsfreien Systems muss in einem Bereich von $f_{\rm U}$ bis $f_{\rm O}$ um die Trägerfrequenz $f_{\rm T}$, in dem das Signal $x(t)$ Anteile besitzt, die Dämpfungsfunktion $a(f)$ konstant sein.  
+
'''(3)''' &nbsp; Now &nbsp; $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp; $\text{Green:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = 0^\circ$, &nbsp;   $\text{Blue:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 0^\circ$.
*Aus dem angegebenen konstanten Dämpfungswert $6 \ \rm dB$ folgt für den Amplitudengang $|H(f)| = 0.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; die Signalwerte aller Frequenzen werden somit durch das System halbiert &nbsp; &rArr; &nbsp; keine Dämpfungsverzerrungen.
 
*Zusätzlich muss bei einem solchen Systems der Phasenverlauf $b(f)$ zwischen $f_{\rm U}$ und $f_{\rm O}$ linear mit der Frequenz ansteigen. Dies hat zur Folge, dass alle Frequenzanteile um die gleiche Phasenlaufzeit $τ$ verzögert werden &nbsp; &rArr; &nbsp;  keine Phasenverzerrungen.
 
*Die Verzögerung $τ$ liegt durch die Steigung von $b(f)$ fest. Mit $b(f) = 0$ würde sich ein laufzeitfreies System ergeben  &nbsp; &rArr; &nbsp; $τ = 0$.  
 
  
 +
:Consider and interpret the physical signal $x(t)$ and the analytic signal $x_+(t)$.}}
  
Die folgende Zusammenfassung berücksichtigt, dass in diesem Applet das Einganssignal stets die Summe zweier harmonischer Schwingungen  ist:
+
::The Signal $x(t)$ results in the [https://en.wikipedia.org/wiki/Sideband Double-sideband Amplitude Modulation] (DSB&ndash;AM) of the message signal $A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$ with $A_{\rm N} = 0.8\ \text{V}$, $f_{\rm N} = 20\ \text{kHz}$. The carrier $x_{\rm T}(t)$ with $f_{\rm T} = 100\ \text{kHz}$ is also cosinusoidal. The degree of modulation is $m = A_{\rm N}/A_{\rm T} = 0.8$ and the period $T_{\rm 0} = 50\ \text{&micro;s}$.
:$$x(t) = x_1(t) + x_2(t) = A_1\cdot \cos\left(2\pi f_1\cdot t- \varphi_1\right)+A_2\cdot \cos\left(2\pi f_2\cdot t- \varphi_2\right).$$
 
Damit wird der Kanaleinfluss durch die Dämpfungsfaktoren $\alpha_1$ und $\alpha_2$ sowie die Phasenlaufzeiten  $\tau_1$ und $\tau_2$ vollständig beschrieben:
 
:$$y(t) = \alpha_1 \cdot  x_1(t-\tau_1)  +  \alpha_2  \cdot  x_2(t-\tau_2).$$
 
  
{{BlaueBox|TEXT= 
+
::In the phase diagram, the (red) carrier rotates faster than the (green) lower sideband and slower than the (blue) upper sideband. The analytic signal $x_+(t)$ results as the geometric sum of the three rotating pointers. It seems that the blue pointer is leading the carrier and the green pointer is following the carrier.
$\text{Fazit:}$&nbsp;
 
*Ein Signal $y(t)$ ist gegenüber dem Eingang $x(t)$ nur dann unverzerrt, wenn $\alpha_1 = \alpha_2= \alpha$ &nbsp;<u> und </u>&nbsp; $\tau_1 = \tau_2= \tau$ gilt &nbsp; &rArr; &nbsp; $y(t) = \alpha \cdot  x(t-\tau)$.
 
* Dämpfungsverzerrungen ergeben sich, falls  $\alpha_1 \ne \alpha_2$ ist . Ist $\alpha_1 \ne \alpha_2$ und $\tau_1 = \tau_2$, so liegen ausschließlich Dämpfungsverzerrungen vor.
 
* Phasenverzerrungen gibt es für  $\tau_1 \ne \tau_2$. Ist $\tau_1 \ne \tau_2$ und $\alpha_1 = \alpha_2$, so liegen ausschließlich Phasenverzerrungen vor. }}
 
  
==Versuchsdurchführung==
+
{{BlaueBox|TEXT=
[[Datei:Exercises_verzerrungen.png|right]]
+
'''(4)''' &nbsp; The settings of task '''(3)''' still apply. Which signal values are obtained at $t=0$, $t=2.5 \ \rm &micro; s$, $t= 5 \ \rm &micro; s$ and $t=10 \ \rm &micro; s$? }}
*Wählen Sie zunächst die Aufgabennummer.
 
*Eine Aufgabenbeschreibung wird angezeigt.
 
*Parameterwerte sind angepasst.
 
*Lösung nach Drücken von &bdquo;Hide solition&rdquo;.
 
  
 +
::At time $t=0$, all pointers are in the direction of the real axis, so that $x(t=0) = {\rm Re}\big [x+(t= 0)\big] =  A_{\rm U} + A_{\rm T} + A_{\rm O}  =  1.8\ \text{V}$.
  
Mit der Nummer &bdquo;0&rdquo; wird auf die gleichen Einstellung wie beim Programmstart zurückgesetzt und es wird ein Text mit weiteren Erläuterungen zum Applet ausgegeben.
+
::Until the time $t=2.5 \ \rm &micro; s$, the red carrier has rotated by $90^\circ$, the blue one by $108^\circ$ and the green one by $72^\circ$. We have $x(t=2.5 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 2.5 \ \rm &micro; s)\big] = 0$, because now the pointer group points in the direction of the imaginary axis. The other sought signal values are $x(t=5 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 5 \ \rm &micro; s)\big] = -1.647\ \text{V}$ and $x(t=10 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 10 \ \rm &micro; s)\big] = 1.247\ \text{V}$.
 +
::For $x_+(t)$ a spiral shape results, alternating with a smaller radius and then with a larger radius.
  
  
Im Folgenden bezeichnet $\rm Grün$ das Untere Seitenband &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm U}, f_{\rm U}, \varphi_{\rm U}\big )$, &nbsp;
+
{{BlaueBox|TEXT=
$\rm Rot$ den Träger &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm T}, f_{\rm T}, \varphi_{\rm T}\big )$ und
+
'''(5)''' &nbsp; How should the phase parameters $\varphi_{\rm T}$, $\varphi_{\rm U}$ and $\varphi_{\rm O}$ be set if both the carrier $x_{\rm T}(t)$ and the message signal $x_{\rm N}(t)$ are sinusoidal?}}
$\rm Blau$ das Obere Seitenband &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm O}, f_{\rm O}, \varphi_{\rm O}\big )$.
 
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
'''(1)''' &nbsp; Betrachten und interpretieren Sie das analytische Signal $x_+(t)$ für $\text{Rot:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$. Außerdem gelte $A_{\rm U} = A_{\rm O} = 0$.
 
  
:Welche Signalwerte $x_+(t)$ ergeben sich für $t = 0$, $t = 5 \ \rm &micro; s$ und $t = 20 \ \rm &micro; s$? Wie groß sind die entsprechenden Signalwerte von $x(t)$? }}
+
::The parameter selection $\varphi_{\rm T} = \varphi_{\rm U} = \varphi_{\rm O}=90^\circ$ describes the signals $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \sin\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t\right)$ and $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$. If, in addition, the message $x_{\rm N}(t)$ is sinusoidal, then $\varphi_{\rm O}=\varphi_{\rm T} - 90^\circ = 0$ and $\varphi_{\rm U}=\varphi_{\rm T} + 90^\circ = 180^\circ$ must be set.
  
::&nbsp; Für ein Cosinussignal gilt $x_+(t= 0) = A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}$. Danach dreht $x_+(t)$ in mathematisch positiver Richtung (eine Umdrehung pro Periodendauer $T_0 = 1/f_{\rm T}$):
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
'''(6)''' &nbsp; The settings of task '''(3)''' apply except $A_{\rm T} = 0.6\ \text{V}$. Which modulation method is described here?
  
:::&nbsp; $x_+(t= 20 \ {\rm &micro; s}) = x_+(t= 0) =  1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 20 \ {\rm &micro; s})  =  1.5\ \text{V,}\hspace{0.5cm}
+
: What are the consequences of this? What changes with $A_{\rm T} = 0$? }}
x_+(t= 5 \ {\rm &micro; s})  =  {\rm j} \cdot 1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 5 \ {\rm &micro; s}) = {\rm Re}[x_+(t= 5 \ {\rm &micro; s})] =  0$.
 
  
 +
::It is a [https://en.wikipedia.org/wiki/Sideband Double-sideband Amplitude Modulation] (DSB&ndash;AM with carrier) with the modulation degree $m=0.8/0.6 = 1.333$. For $m > 1$, however,  [https://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/am-reception/synchronous-demodulator-demodulation-detector.php Synchronous Demodulation] is required. [https://en.wikipedia.org/wiki/Envelope_detector Envelope Detection] no longer works. One reason for this is that now the zero crossings of $x(t)$ are no longer equidistant from $5\ \rm &micro; s$ &nbsp; &rArr; &nbsp; additional phase modulation.
  
{{BlaueBox|TEXT= 
+
::With $A_{\rm T} = 0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $m \to \infty$ results in a [https://en.wikipedia.org/wiki/Double-sideband_suppressed-carrier_transmission ''DSB&ndash;AM without carrier''].  For this, one also needs coherent demodulation.
'''(2)''' &nbsp; Wie ändern sich die Verhältnisse für $\text{Rot:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.0\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 90^\circ$?}}
 
  
::Das Signal $x(t)$ ist nun ein Sinussignal mit kleinerer Amplitude. Das analytische Signal startet nun wegen $\varphi_{\rm T} = 90^\circ$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $\phi_{\rm T} = -90^\circ$ bei $x_+(t= 0) = -{\rm j} \cdot A_{\rm T}$. Danach dreht $x_+(t)$ wieder in mathematisch positiver Richtung, aber wegen $T_0 = 10 \ \rm &micro; s$ doppelt so schnell als bei $\rm (1)$.
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
'''(7)''' &nbsp; &nbsp; Now let &nbsp; $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp; $\text{Green:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0$, &nbsp;  $\text{Blue:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 90^\circ$.
  
 +
:Which constellation is described here? Which figure is given for the equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$? &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;locus&rdquo;? <br>What changes with $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$ and $A_{\rm O} = 0$?}}
  
{{BlaueBox|TEXT= 
+
::In both cases, it is a [https://en.wikipedia.org/wiki/Single-sideband_modulation Single-sideband Amplitude Modulation] (SSB&ndash;AM) with the modulation degree $\mu = 0.8$ (in SSB we denote the degree of modulation with $\mu$ instead of $m$). The carrier signal is cosinusoidal and the message signal is sinusoidal. The equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$ has a circular course in the complex plane.
'''(3)''' &nbsp; Nun gelte &nbsp; $\text{Rot:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp;  $\text{Grün:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = 0^\circ$,  &nbsp;  $\text{Blau:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 0^\circ$.
 
  
:Betrachten und interpretieren Sie das physikalische Signal $x(t)$ das analytische Signal $x_+(t)$.}}
+
:: $A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm U} = 0$ is an OSB modulation. The green pointer is missing and the blue pointer rotates faster compared to the red carrier.
  
::Das Signal $x(t)$ ergibt sich bei der Zweiseitenband&ndash;Amplitudenmodulation '''(ZSB&ndash;AM)''' des Nachrichtensignals $A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$ mit $A_{\rm N} = 0.8\ \text{V}$, $f_{\rm N} = 20\ \text{kHz}$. Der Träger $x_{\rm T}(t)$ mit $f_{\rm T} = 100\ \text{kHz}$ ist ebenfalls cosinusförmig. Der Modulationsgrad ist $m = A_{\rm N}/A_{\rm T} = 0.8$ und die Periodendauer $T_{\rm 0} = 50\ \text{&micro;s}$.  
+
:: $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm O} = 0$ is a USB modulation. The blue pointer is missing and the green pointer rotates slower compared to the red carrier.
  
::Im Zeigerdiagramm dreht sich der (rote) Träger schneller als das (grüne) Untere Seitenband und langsamer als das (blaue) Obere Seitenband. Das analytische Signal $x_+(t)$ ergibt sich als die geometrische Summe der drei rotierenden Zeiger. Es scheint so, als würde der blaue Zeiger dem Träger vorauseilen und der grüne Zeiger dem Träger nachlaufen.
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
'''(8)''' &nbsp; Now let &nbsp; $\text{Red:} \hspace{0.05cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp;  $\text{Green:} \hspace{0.05cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = -90^\circ$,  &nbsp;  $\text{Blue:} \hspace{0.05cm} A_{\rm O} = 0.2\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = +90^\circ$.
  
 +
:Which constellation could be described here? Which shape results for the equivalent lowpass signal $x_{\rm TP}(t)$?}}
  
{{BlaueBox|TEXT= 
+
::It could be a DSB&ndash;AM of a sinusoidal signal with cosinusoidal carrier and modulation degree $m=0.8$, in which the upper sideband is attenuated by a factor of 2. The equivalent lowpass signal $x_{\rm TP}(t)$ has an elliptical trace in the complex plane.
'''(4)''' &nbsp; Es gelten weiter die Einstellungen der Aufgabe '''(3)'''. Welche Signalwerte ergeben sich bei $t=0$, $t=2.5 \ \rm &micro; s$, $t= 5 \ \rm &micro; s$ und $t=10 \ \rm &micro; s$? }} 
 
  
::Zur Zeit $t=0$ liegen alle Zeiger in Richtung der reellen Achse, so dass $x(t=0) = {\rm Re}\big [x+(t= 0)\big] =  A_{\rm U} + A_{\rm T} + A_{\rm O}  =  1.8\ \text{V}$ gilt.
+
==Applet Manual==
 
 
::Bis zur Zeit $t=2.5 \ \rm &micro; s$ hat sich der rote Träger um $90^\circ$ gedreht, der blaue Zeiger um $108^\circ$ und der grüne um $72^\circ$. Es gilt $x(t=2.5 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 2.5 \ \rm &micro; s)\big] = 0$, da nun der Zeigerverbund in Richtung der imaginären Achse zeigt. Die weiteren gesuchten Signalwerte sind $x(t=5 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 5 \ \rm &micro; s)\big] = -1.647\ \text{V}$ und $x(t=10 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 10 \ \rm &micro; s)\big] = 1.247\ \text{V}$.
 
::Für $x_+(t)$ ergibt sich ein spiralförmiger Verlauf, abwechselnd mit kleiner werdenem Radius und anschließend mit größerem Radius. 
 
 
 
 
 
 
 
{{BlaueBox|TEXT= 
 
'''(5)''' &nbsp; Wie müssen die Phasenparameter $\varphi_{\rm T}$, $\varphi_{\rm U}$ und $\varphi_{\rm O}$ eingestellt werden, wenn sowohl der Träger $x_{\rm T}(t)$ als auch das Nachrichtensignal $x_{\rm N}(t)$ sinusförmig verlaufen?}}
 
 
 
::Die Parameterwahl $\varphi_{\rm T} = \varphi_{\rm U} = \varphi_{\rm O}=90^\circ$ beschreibt die Signale $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \sin\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t\right)$ und $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$. Soll zusätzlich die Nachricht $x_{\rm N}(t)$ sinusförmig verlaufen, so muss $\varphi_{\rm O}=\varphi_{\rm T} - 90^\circ = 0$ und $\varphi_{\rm U}=\varphi_{\rm T} + 90^\circ = 180^\circ$ eingestellt werden.
 
 
 
 
 
{{BlaueBox|TEXT= 
 
'''(6)''' &nbsp; Es gelten die Einstellungen der Aufgabe '''(3)''' mit Ausnahme von $A_{\rm T} = 0.6\ \text{V}$. Welches Modulationsverfahren wird hiermit beschrieben?
 
 
 
: Welche Konsequenzen ergeben sich hieraus? Was ändert sich mit $A_{\rm T} = 0$? }}
 
 
 
::Es handelt sich um eine '''ZSB&ndash;AM mit Träger''' mit dem Modulationsgrad $m=0.8/0.6 = 1.333$. Für $m > 1$ ist allerdings eine  [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation|Synchrondemodulation]] erforderlich. [[Modulationsverfahren/Hüllkurvendemodulation|Hüllkurvendemodulation]] funktioniert nicht mehr.
 
 
 
::Mit $A_{\rm T} = 0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $m \to \infty$ ergibt sich eine '''ZSB&ndash;AM ohne Träger'''. Auch hierfür benötigt man unbedingt die Synchrondemodulation.
 
 
 
 
 
{{BlaueBox|TEXT= 
 
'''(7)''' &nbsp; &nbsp; Nun gelte &nbsp; $\text{Rot:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp;  $\text{Grün:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0$, &nbsp;  $\text{Blau:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 90^\circ$. 
 
 
 
:Welches Konstellation wird hiermit beschrieben? Was ändert sich mit $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$ und $A_{\rm O} = 0$?}}
 
 
 
::In beiden Fällen handelt es sich um eine [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation|Einseitenbandmodulation]] '''(ESB&ndash;AM)''' mit dem Modulationsgrad $\mu = 0.8$ (bei ESB bezeichnen wir den Modulationsgrad mit $\mu$ anstelle von $m$). Das Trägersignal ist cosinusförmig und das Nachrichtensignal sinusförmig.
 
 
 
::Mit $A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm U} = 0$ handelt es sich um eine OSB&ndash;Modulation. Der grüne Zeiger fehlt und der blaue Zeiger dreht im Vergleich zum roten Träger schneller.
 
 
 
::Mit $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm O} = 0$ handelt es sich um eine USB&ndash;Modulation. Der blaue Zeiger fehlt und der grüne Zeiger dreht im Vergleich zum roten Träger langsamer.
 
 
 
 
 
{{BlaueBox|TEXT= 
 
'''(8)''' &nbsp; Es gelte &nbsp; $\text{Rot:} \hspace{0.05cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp;  $\text{Grün:} \hspace{0.05cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = -90^\circ$,  &nbsp;  $\text{Blau:} \hspace{0.05cm} A_{\rm O} = 0.2\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = +90^\circ$.
 
 
 
:Welches Konstellation könnte hiermit beschrieben werden? Welche Figur ergibt sich für das äquivalente Tiefpass&ndash;Signal $x_{\rm TP}(t)$? &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Ortskurve&rdquo;?}}
 
 
 
::Es könnte eine ZSB&ndash;AM eines Sinussignals mit cosinusförmigem Träger und Modulationsgrad $m=0.8$ vorliegen, bei dem das Obere Seitenband um den Faktor $2$ gedämpft ist. Das äquivalente Tiefpass&ndash;Signal $x_{\rm TP}(t)$ hat in der komplexen Ebene einen elliptischen Verlauf.
 
 
 
 
 
 
 
==Zur Handhabung des Applets==
 
[[Datei:Handhabung_verzerrungen.png|center]]
 
 
<br>
 
<br>
&nbsp; &nbsp; '''(A)''' &nbsp; &nbsp; Parametereingabe für das Eingangssignal $x(t)$ per Slider: Amplituden, Frequenzen, Phasenwerte
+
[[Datei:Zeigerdiagramm_abzug.png|right]]
 
 
&nbsp; &nbsp; '''(B)''' &nbsp; &nbsp; Vorauswahl für die Kanalparameter: per Slider, Tiefpass oder Hochpass
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(C)''' &nbsp; &nbsp; Eingabe der Kanalparameter per Slider: Dämpfungsfaktoren und Phasenlaufzeiten
+
* The red parameters $(A_{\rm T}, \ f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm T})$  and the red pointer mark the ''Carrier'' <br>(German: &nbsp; '''T'''räger).
 +
* The green parameters $(A_{\rm U}, \ f_{\rm U} < f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm U})$ mark the ''Lower sideband'' <br>(German: &nbsp;'''U'''nteres Seitenband).
 +
* The blue parameters $(A_{\rm O}, \ f_{\rm O} > f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm O})$  mark the ''Upper sideband'' <br>(German: &nbsp;'''O'''beres Seitenband).
 +
*All pointers rotate in a mathematically positive direction (counterclockwise).
  
&nbsp; &nbsp; '''(D)''' &nbsp; &nbsp; Eingabe der Kanalparameter für Hoch&ndash; und Tiefpass: Ordnung $n$, Grenzfrequenz $f_0$
+
<br><br><br>
 +
Meaning of the letters in the adjacent graphic:
  
&nbsp; &nbsp; '''(E)''' &nbsp; &nbsp; Eingabe der Matching&ndash;Parameter $k_{\rm M}$ und $\varphi_{\rm M}$
+
&nbsp; &nbsp; '''(A)''' &nbsp; &nbsp; Plot of the analytic signal $x_{\rm +}(t)$
  
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; Auswahl der darzustellenden Signale: $x(t)$,  $y(t)$, $z(t)$, $\varepsilon(t)$, $\varepsilon^2(t)$
+
&nbsp; &nbsp; '''(B)''' &nbsp; &nbsp; Plot of the physical signal $x(t)$
  
&nbsp; &nbsp; '''(G)''' &nbsp; &nbsp; Graphische Darstellung der Signale
+
&nbsp; &nbsp; '''(C)''' &nbsp; &nbsp; Parameter input via slider: amplitudes, frequencies, phase values
  
&nbsp; &nbsp; '''(H)''' &nbsp; &nbsp; Eingabe der Zeit $t_*$ für die Numerikausgabe
+
&nbsp; &nbsp; '''(D)''' &nbsp; &nbsp; Control elements: &nbsp; Start &ndash; Step &ndash; Pause/Continue &ndash; Reset
  
&nbsp; &nbsp; '''( I )''' &nbsp; &nbsp; Numerikausgabe der Signalwerte $x(t_*)$, $y(t_*)$, $z(t_*)$  und $\varepsilon(t_*)$
+
&nbsp; &nbsp; '''(E)''' &nbsp; &nbsp; Speed of animation: &nbsp; &bdquo;Speed&rdquo; &nbsp; &rArr; &nbsp; Values: 1, 2, 3
  
&nbsp; &nbsp; '''(J)''' &nbsp; &nbsp; Numerikausgabe des Hauptergebnisses $P_\varepsilon$
+
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; &bdquo;Trace&rdquo; &nbsp; &rArr; &nbsp;  On or Off, trace of complex signal values $x_{\rm +}(t)$
  
&nbsp; &nbsp; '''(K)''' &nbsp; &nbsp; Abspeichern und Zurückholen von Parametersätzen
+
&nbsp; &nbsp; '''(G)''' &nbsp; &nbsp; Numerical output of the time $t$ and the signal values &nbsp;${\rm Re}[x_{\rm +}(t)] = x(t)$&nbsp; and &nbsp;${\rm Im}[x_{\rm +}(t)]$
  
&nbsp; &nbsp; '''(L)''' &nbsp; &nbsp; Bereich für die Versuchsdurchführung: Aufgabenauswahl, Aufgabenstellung und Musterlösung
+
&nbsp; &nbsp; '''(H)''' &nbsp; &nbsp; Variations for the graphical representation
  
&nbsp; &nbsp; '''(M)''' &nbsp; &nbsp; Variationsmöglichkeiten für die grafische Darstellung
+
$\hspace{1.5cm}$Zoom&ndash;Functions &bdquo;$+$&rdquo; (Enlarge), &bdquo;$-$&rdquo; (Decrease) and $\rm o$ (Reset to default)
 
$\hspace{1.5cm}$Zoom&ndash;Funktionen &bdquo;$+$&rdquo; (Vergrößern), &bdquo;$-$&rdquo; (Verkleinern) und $\rm o$ (Zurücksetzen)
 
  
$\hspace{1.5cm}$Verschieben mit &bdquo;$\leftarrow$&rdquo; (Ausschnitt nach links, Ordinate nach rechts),  &bdquo;$\uparrow$&rdquo; &bdquo;$\downarrow$&rdquo; und &bdquo;$\rightarrow$&rdquo;
+
$\hspace{1.5cm}$Move with &bdquo;$\leftarrow$&rdquo; (Section to the left, ordinate to the right),  &bdquo;$\uparrow$&rdquo; &bdquo;$\downarrow$&rdquo; and &bdquo;$\rightarrow$&rdquo;
  
$\hspace{1.5cm}$'''Andere Möglichkeiten''':
+
&nbsp; &nbsp; '''(I)''' &nbsp; &nbsp; Experiment section:&nbsp; Task selection and task
  
$\hspace{1.5cm}$Gedrückte Shifttaste und Scrollen:  Zoomen im Koordinatensystem,
+
&nbsp; &nbsp; '''(J)''' &nbsp; &nbsp; Experiment section:&nbsp; solution
 
+
<br clear=all>
$\hspace{1.5cm}$Gedrückte Shifttaste und linke Maustaste: Verschieben des Koordinatensystems.
 
 
 
==Über die Autoren==
 
Dieses interaktive Berechnungstool  wurde am [http://www.lnt.ei.tum.de/startseite Lehrstuhl für Nachrichtentechnik] der [https://www.tum.de/ Technischen Universität München] konzipiert und realisiert.
 
*Die erste Version wurde 2005 von [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Bettina_Hirner_.28Diplomarbeit_LB_2005.29|Bettina Hirner]] im Rahmen ihrer Diplomarbeit mit &bdquo;FlashMX&ndash;Actionscript&rdquo; erstellt (Betreuer: [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Mitarbeiter_und_Dozenten#Prof._Dr.-Ing._habil._G.C3.BCnter_S.C3.B6der_.28am_LNT_seit_1974.29|Günter Söder]]).
 
*2018 wurde dieses Programm  von [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Jimmy_He_.28Bachelorarbeit_2018.29|Jimmy He]] im Rahmen seiner Bachelorarbeit (Betreuer: [[Biografien_und_Bibliografien/Beteiligte_der_Professur_Leitungsgebundene_%C3%9Cbertragungstechnik#Tasn.C3.A1d_Kernetzky.2C_M.Sc._.28bei_L.C3.9CT_seit_2014.29|Tasnád Kernetzky]]) neu gestaltet und erweitert.
 
  
==Nochmalige Aufrufmöglichkeit des Applets in neuem Fenster==
+
==About the Authors==
 +
This interactive calculation was designed and realized at the  [http://www.lnt.ei.tum.de/startseite Lehrstuhl für Nachrichtentechnik] of the  [https://www.tum.de/ Technical University of Munich] .
 +
*The original version was created in 2005 by [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Ji_Li_.28Bachelorarbeit_EI_2003.2C_Diplomarbeit_EI_2005.29|Ji Li]] as part of her Diploma thesis using  &bdquo;FlashMX&ndash;Actionscript&rdquo; (Supervisor: [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Mitarbeiter_und_Dozenten#Prof._Dr.-Ing._habil._G.C3.BCnter_S.C3.B6der_.28am_LNT_seit_1974.29|Günter Söder]]).
 +
*In 2018 this Applet was redesigned and updated to &bdquo;HTML5&rdquo; by [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Xiaohan_Liu_.28Bachelorarbeit_2018.29|Xiaohan Liu]] as part of her Bachelor's thesis (Supervisor: [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_LÜT-Angehörige#Dr.-Ing._Tasn.C3.A1d_Kernetzky_.28bei_L.C3.9CT_von_2014-2022.29|Tasnád Kernetzky]]).
  
{{LntAppletLink|analPhysSignal}}
+
==Once again:&nbsp; Open Applet in new Tab==
  
[[Category:Applets|^Verzerrungen^]]
+
{{LntAppletLinkEn|physAnSignal_en}}

Aktuelle Version vom 26. Oktober 2023, 10:41 Uhr

Open Applet in new Tab

Applet Description


This applet shows the relationship between the physical bandpass signal $x(t)$ and the associated analytic signal $x_+(t)$. It is assumed that the bandpass signal $x(t)$ has a frequency-discrete spectrum $X(f)$:

$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$

The physical signal $x(t)$ is thus composed of three harmonic oscillations, a constellation that can be found, for example, in the Double-sideband Amplitude Modulation

  • of the message signal $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$   ⇒   in German:   Nachrichtensignal
  • with the carrier signal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$   ⇒   in German:   Trägersignal.


The nomenclature is also adapted to this case:

  • $x_{\rm O}(t)$ denotes the „upper sideband”   (in German:   Oberes Seitenband) with the amplitude $A_{\rm O}= A_{\rm N}/2$, the frequency $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ and the phase $\varphi_{\rm O} = \varphi_{\rm T} + \varphi_{\rm N}$.
  • Similarly, for the „lower sideband”   (in German:   Unteres Seitenband) $x_{\rm U}(t)$ with $f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_{\rm N}$, $A_{\rm U}= A_{\rm O}$ and $\varphi_{\rm U} = -\varphi_{\rm O}$.


The associated analytic signal is:

$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})} \hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$
Analytic signal at the time $t=0$

The program displays $x_+(t)$ as the vectorial sum of three rotating pointers (all with counterclockwise) as a violet dot (see figure for start time $t=0$):

  • The (red) pointer of the carrier $x_{\rm T+}(t)$ with length $A_{\rm T}$ and zero phase position $\varphi_{\rm T} = 0$ rotates at constant angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}$ (one revolution in time $1/f_{\rm T})$.
  • The (blue) pointer of the upper sideband $x_{\rm O+}(t)$ with length $A_{\rm O}$ and zero phase position $\varphi_{\rm O}$ rotates at the angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}$, which is slightly faster than $x_{\rm T+}(t)$.
  • The (green) pointer of the lower sideband $x_{\rm U+}(t)$ with length $A_{\rm U}$ and zero phase position $\varphi_{\rm U}$ rotates at the angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}$, which is slightly slower than $x_{\rm T+}(t)$.


The time trace of $x_+(t)$ is also referred to below as Pointer Diagram. The relationship between the physical bandpass signal $x(t)$ and the associated analytic signal $x_+(t)$ is:

$$x(t) = {\rm Re}\big [x_+(t)\big ].$$

Note:   In the figure $\varphi_{\rm O} = +30^\circ$. This leads to the angle with respect to the coordinate system at $t=0$:   $\phi_{\rm O}=-\varphi_{\rm O}=-30^\circ$. Similarly, the null phase angle $\varphi_{\rm U}=-30^\circ$ of the lower sideband leads to the phase angle to be considered in the complex plane:   $\phi_{\rm U}=+30^\circ$.


German Description

Theoretical Background


Description of Bandpass Signals

Bandpass spectrum $X(f)$

We consider bandpass signals $x(t)$ with the property that their spectra $X(f)$ are not in the range around the frequency $f=0$, but around a carrier frequency $f_{\rm T}$. In most cases it can also be assumed that the bandwidth is $B \ll f_{\rm T}$.

The figure shows such a bandpass spectrum $X(f)$. Assuming that the associated $x(t)$ is a physical signal and thus real, the spectral function $X(f)$ has a symmetry with respect to the frequency $f = 0$, if $x(t)$ is an even function   ⇒   $x(-t)=x(t)$, $X(f)$ is real and even.


Besides the physical signal $x(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)$, one can also use the following descriptions of bandpass signals:

  • the analytic signal $x_+(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_+(f)$, see next page,
  • the equivalent lowpass signal   (in German:   äquivalentes Tief Pass–Signal) $x_{\rm TP}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_{\rm TP}(f)$,
    see Applet Physical Signal & Equivalent Lowpass signal.



Analytic Signal – Frequency Domain

The analytic signal $x_+(t)$ belonging to the physical signal $x(t)$ is the time function whose spectrum fulfills the following property:

Construction of the spectral function $X_+(f)$
$$X_+(f)=\big[1+{\rm sign}(f)\big] \cdot X(f) = \left\{ {2 \cdot X(f) \; \hspace{0.2cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} > 0, \atop {\,\,\,\, \rm 0 \; \hspace{0.9cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} < 0.} }\right.$$

The signum function is for positive values of $f$ equal to $+1$ and for negative $f$ values equal to $-1$.

  • The (double-sided) limit returns $\sign(0)=0$.
  • The index „+” should make it clear that $X_+(f)$ only has parts at positive frequencies.


From the graph you can see the calculation rule for $X_+(f)$:

The actual bandpass spectrum $X(f)$ becomes

  • doubled at the positive frequencies, and
  • set to zero at the negative frequencies.


Due to the asymmetry of $X_+(f)$ with respect to the frequency $f=0$, it can already be said that the time function $x_+(t)$ except for a trivial special case $x_+(t)=0 \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_+(f)=0$ is always complex.

Analytic Signal – Time Domain

At this point, it is necessary to briefly discuss another spectral transformation.

$\text{Definition:}$  For the Hilbert transform $ {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ of a time function $x(t)$ we have:

$$y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\} = \frac{1}{ {\rm \pi} } \cdot \hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t - \tau} }\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$

This particular integral is not solvable in a simple, conventional way, but must be evaluated using the Cauchy principal value theorem.

Accordingly, in the frequency domain:

$$Y(f) = {\rm -j \cdot sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.05cm} .$$


The above result can be summarized with this definition as follows:

  • The analytic signal $x_+(t)$ is obtained from the physical bandpass signal $x(t)$ by adding an imaginary part to $x(t)$ according to the Hilbert transform:
$$x_+(t) = x(t)+{\rm j} \cdot {\rm H}\left\{x(t)\right\} .$$
  • $\text{H}\{x(t)\}$ disappears only for the case $x(t) = \rm const.$   ⇒   the same signal. For all other signal forms, the analytic signal $x_+(t)$ is complex.


  • From the analytic signal $x_+(t)$, the physical bandpass signal can be easily determined by the following operation:
$$x(t) = {\rm Re}\big[x_+(t)\big] .$$

$\text{Example 1:}$  The principle of the Hilbert transformation should be further clarified by the following graphic:

  • After the left representation $\rm(A)$ one gets from the physical signal $x(t)$ to the analytic signal $x_+(t)$, by adding an imaginary part ${\rm j} \cdot y(t)$.
  • Here $y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ is a real time function that can be indicated in the spectral domain by multiplying the spectrum $X(f)$ with ${\rm - j} \cdot \sign(f)$.


To clarify the Hilbert transform

The right representation $\rm(B)$ is equivalent to $\rm(A)$. Now $x_+(t) = x(t) + z(t)$ stand with the purely imaginary function $z(t)$. A comparison of the two figures shows that in fact $z(t) = {\rm j} \cdot y(t)$.



Representation of the Harmonic Oscillation as an Analytic Signal

The spectral function $X(f)$ of a harmonic oscillation $x(t) = A\cdot\text{cos}(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi)$ is known to consist of two Dirac functions at the frequencies

  • $+f_{\rm T}$ with the complex weight $A/2 \cdot \text{e}^{-\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$,
  • $-f_{\rm T}$ with the complex weight $A/2 \cdot \text{e}^{+\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$.


Thus, the spectrum of the analytic signal (that is, without the Dirac function at the frequency $f =-f_{\rm T}$, but doubling at $f =+f_{\rm T}$):

$$X_+(f) = A \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\varphi}\cdot\delta (f - f_{\rm T}) .$$

The associated time function is obtained by applying the Displacement Law:

$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})} \hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$

This equation describes a pointer rotating at constant angular velocity $\omega_{\rm T} = 2\pi f_{\rm T}$.

$\text{Example 2:}$  Here the coordinate system is rotated by $90^\circ$ (real part up, imaginary part to the left) contrary to the usual representation.

Pointer diagram of a harmonic oscillation

Based on this graphic, the following statements are possible:

  • At time $t = 0$, the pointer of length $A$ (signal amplitude) lies with the angle $-\varphi$ in the complex plane. In the example shown, $\varphi=45^\circ$.
  • For times $t>0$, the constant angular velocity vector $\omega_{\rm T}$ rotates in a mathematically positive direction, that is, counterclockwise.
  • The tip of the pointer is thus always on a circle with radius $A$ and needs exactly the time $T_0$, i.e. the period of the harmonic oscillation $x(t)$ for one revolution.
  • The projection of the analytic signal $x_+(t)$ on the real axis, marked by red dots, gives the instantaneous values of $x(t)$.



Analytic Signal Representation of a Sum of Three Harmonic Oscillations

In our applet, we always assume a set of three rotating pointers. The physical signal is:

$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$
  • Each of the three harmonic oscillations $x_{\rm T}(t)$, $x_{\rm U}(t)$ and $x_{\rm O}(t)$ is represented by an amplitude $(A)$, a frequency $(f)$ and a phase value $(\varphi)$.
  • The indices are based on the Double-sideband Amplitude Modulation method. „T” stands for „carrier”, „U” for „lower sideband” and „O” for „upper Sideband”.
  • Accordingly, $f_{\rm U} < f_{\rm T}$ and $f_{\rm O} > f_{\rm T}$. There are no restrictions for the amplitudes and phases.


The associated analytic signal is:

$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})} \hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$

$\text{Example 3:}$  Shown the constellation arises i.e. in the Double-sideband Amplitude Modulation (with carrier) of the message signal $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$ with the carrier signal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$. This is discussed frequently in the Exercises.


There are some limitations to the program parameters in this approach:

  • For the frequencies, it always applies $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ and $f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_{\rm N}$.
  • Without distortions the amplitude of the sidebands are $A_{\rm O}= A_{\rm U}= A_{\rm N}/2$.
  • The respective phase relationships can be seen in the following graphic.
Spectrum $X_+(f)$ of the analytic signal for different phase constellations

Exercises

Zeigerdiagramm aufgabe 2.png
  • First select the task number.
  • A task description is displayed.
  • Parameter values are adjusted.
  • Solution after pressing „Hide solition”.


The number „0” will reset the program and output a text with further explanation of the applet.
In the following, $\rm Green$ denotes the lower sideband   ⇒   $\big (A_{\rm U}, f_{\rm U}, \varphi_{\rm U}\big )$,   $\rm Red$ the carrier   ⇒   $\big (A_{\rm T}, f_{\rm T}, \varphi_{\rm T}\big )$ and $\rm Blue$ the upper sideband   ⇒   $\big (A_{\rm O}, f_{\rm O}, \varphi_{\rm O}\big )$.

(1)   Consider and interpret the analytic signal $x_+(t)$ for $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, $A_{\rm U} = A_{\rm O} = 0$.

Which signal values $x_+(t)$ result for $t = 0$, $t = 5 \ \rm µ s$ and $t = 20 \ \rm µ s$? What are the corresponding signal values for $x(t)$?
 For a cosine signal, let $x_+(t= 0) = A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}$. Then $x_+(t)$ rotates in a mathematically positive direction (one revolution per period $T_0 = 1/f_{\rm T}$):
 $x_+(t= 20 \ {\rm µ s}) = x_+(t= 0) = 1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 20 \ {\rm µ s}) = 1.5\ \text{V,}$
 $x_+(t= 5 \ {\rm µ s}) = {\rm j} \cdot 1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 5 \ {\rm µ s}) = {\rm Re}[x_+(t= 5 \ {\rm µ s})] = 0$.

(2)   How do the ratios change for $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.0\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 90^\circ$?

The signal $x(t)$ is now a sine signal with a smaller amplitude. The analytic signal now starts because of $\varphi_{\rm T} = 90^\circ$   ⇒   $\phi_{\rm T} = -90^\circ$ at $x_+(t= 0) = -{\rm j} \cdot A_{\rm T}$.
After that, $x_+(t)$ rotates again in a mathematically positive direction, but twice as fast because of $T_0 = 10 \ \rm µ s$ as in $\rm (1)$.

(3)   Now   $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$,   $\text{Green:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = 0^\circ$,   $\text{Blue:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 0^\circ$.

Consider and interpret the physical signal $x(t)$ and the analytic signal $x_+(t)$.
The Signal $x(t)$ results in the Double-sideband Amplitude Modulation (DSB–AM) of the message signal $A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$ with $A_{\rm N} = 0.8\ \text{V}$, $f_{\rm N} = 20\ \text{kHz}$. The carrier $x_{\rm T}(t)$ with $f_{\rm T} = 100\ \text{kHz}$ is also cosinusoidal. The degree of modulation is $m = A_{\rm N}/A_{\rm T} = 0.8$ and the period $T_{\rm 0} = 50\ \text{µs}$.
In the phase diagram, the (red) carrier rotates faster than the (green) lower sideband and slower than the (blue) upper sideband. The analytic signal $x_+(t)$ results as the geometric sum of the three rotating pointers. It seems that the blue pointer is leading the carrier and the green pointer is following the carrier.

(4)   The settings of task (3) still apply. Which signal values are obtained at $t=0$, $t=2.5 \ \rm µ s$, $t= 5 \ \rm µ s$ and $t=10 \ \rm µ s$?

At time $t=0$, all pointers are in the direction of the real axis, so that $x(t=0) = {\rm Re}\big [x+(t= 0)\big] = A_{\rm U} + A_{\rm T} + A_{\rm O} = 1.8\ \text{V}$.
Until the time $t=2.5 \ \rm µ s$, the red carrier has rotated by $90^\circ$, the blue one by $108^\circ$ and the green one by $72^\circ$. We have $x(t=2.5 \ \rm µ s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 2.5 \ \rm µ s)\big] = 0$, because now the pointer group points in the direction of the imaginary axis. The other sought signal values are $x(t=5 \ \rm µ s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 5 \ \rm µ s)\big] = -1.647\ \text{V}$ and $x(t=10 \ \rm µ s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 10 \ \rm µ s)\big] = 1.247\ \text{V}$.
For $x_+(t)$ a spiral shape results, alternating with a smaller radius and then with a larger radius.


(5)   How should the phase parameters $\varphi_{\rm T}$, $\varphi_{\rm U}$ and $\varphi_{\rm O}$ be set if both the carrier $x_{\rm T}(t)$ and the message signal $x_{\rm N}(t)$ are sinusoidal?

The parameter selection $\varphi_{\rm T} = \varphi_{\rm U} = \varphi_{\rm O}=90^\circ$ describes the signals $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \sin\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t\right)$ and $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$. If, in addition, the message $x_{\rm N}(t)$ is sinusoidal, then $\varphi_{\rm O}=\varphi_{\rm T} - 90^\circ = 0$ and $\varphi_{\rm U}=\varphi_{\rm T} + 90^\circ = 180^\circ$ must be set.

(6)   The settings of task (3) apply except $A_{\rm T} = 0.6\ \text{V}$. Which modulation method is described here?

What are the consequences of this? What changes with $A_{\rm T} = 0$?
It is a Double-sideband Amplitude Modulation (DSB–AM with carrier) with the modulation degree $m=0.8/0.6 = 1.333$. For $m > 1$, however, Synchronous Demodulation is required. Envelope Detection no longer works. One reason for this is that now the zero crossings of $x(t)$ are no longer equidistant from $5\ \rm µ s$   ⇒   additional phase modulation.
With $A_{\rm T} = 0$   ⇒   $m \to \infty$ results in a DSB–AM without carrier. For this, one also needs coherent demodulation.

(7)     Now let   $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$,   $\text{Green:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0$,   $\text{Blue:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 90^\circ$.

Which constellation is described here? Which figure is given for the equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$?   ⇒   „locus”?
What changes with $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$ and $A_{\rm O} = 0$?
In both cases, it is a Single-sideband Amplitude Modulation (SSB–AM) with the modulation degree $\mu = 0.8$ (in SSB we denote the degree of modulation with $\mu$ instead of $m$). The carrier signal is cosinusoidal and the message signal is sinusoidal. The equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$ has a circular course in the complex plane.
$A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm U} = 0$ is an OSB modulation. The green pointer is missing and the blue pointer rotates faster compared to the red carrier.
$A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm O} = 0$ is a USB modulation. The blue pointer is missing and the green pointer rotates slower compared to the red carrier.

(8)   Now let   $\text{Red:} \hspace{0.05cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$,   $\text{Green:} \hspace{0.05cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = -90^\circ$,   $\text{Blue:} \hspace{0.05cm} A_{\rm O} = 0.2\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = +90^\circ$.

Which constellation could be described here? Which shape results for the equivalent lowpass signal $x_{\rm TP}(t)$?
It could be a DSB–AM of a sinusoidal signal with cosinusoidal carrier and modulation degree $m=0.8$, in which the upper sideband is attenuated by a factor of 2. The equivalent lowpass signal $x_{\rm TP}(t)$ has an elliptical trace in the complex plane.

Applet Manual


Zeigerdiagramm abzug.png
  • The red parameters $(A_{\rm T}, \ f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm T})$ and the red pointer mark the Carrier
    (German:   Träger).
  • The green parameters $(A_{\rm U}, \ f_{\rm U} < f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm U})$ mark the Lower sideband
    (German:  Unteres Seitenband).
  • The blue parameters $(A_{\rm O}, \ f_{\rm O} > f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm O})$ mark the Upper sideband
    (German:  Oberes Seitenband).
  • All pointers rotate in a mathematically positive direction (counterclockwise).




Meaning of the letters in the adjacent graphic:

    (A)     Plot of the analytic signal $x_{\rm +}(t)$

    (B)     Plot of the physical signal $x(t)$

    (C)     Parameter input via slider: amplitudes, frequencies, phase values

    (D)     Control elements:   Start – Step – Pause/Continue – Reset

    (E)     Speed of animation:   „Speed”   ⇒   Values: 1, 2, 3

    (F)     „Trace”   ⇒   On or Off, trace of complex signal values $x_{\rm +}(t)$

    (G)     Numerical output of the time $t$ and the signal values  ${\rm Re}[x_{\rm +}(t)] = x(t)$  and  ${\rm Im}[x_{\rm +}(t)]$

    (H)     Variations for the graphical representation

$\hspace{1.5cm}$Zoom–Functions „$+$” (Enlarge), „$-$” (Decrease) and $\rm o$ (Reset to default)

$\hspace{1.5cm}$Move with „$\leftarrow$” (Section to the left, ordinate to the right), „$\uparrow$” „$\downarrow$” and „$\rightarrow$”

    (I)     Experiment section:  Task selection and task

    (J)     Experiment section:  solution

About the Authors

This interactive calculation was designed and realized at the Lehrstuhl für Nachrichtentechnik of the Technical University of Munich .

  • The original version was created in 2005 by Ji Li as part of her Diploma thesis using „FlashMX–Actionscript” (Supervisor: Günter Söder).
  • In 2018 this Applet was redesigned and updated to „HTML5” by Xiaohan Liu as part of her Bachelor's thesis (Supervisor: Tasnád Kernetzky).

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