Aufgaben:Aufgabe 2.1: Zweidimensionale Impulsantwort: Unterschied zwischen den Versionen

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{Für welchen der genannten  $T$–Werte macht das Arbeiten mit der  $\rm 2D$–Impulsantwort Sinn?
 
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- Eine (langsame) Kanaländerung erfolgt etwa nach  $T = 1 \ \rm µ s$.
 
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+ Eine (langsame) Kanaländerung erfolgt etwa nach  $T = 1 \ \rm s$.
 
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'''(1)'''  Das im äquivalenten Tiefpassbereich beschriebene Nachrichtensignal darf keine größere Bandbreite als $B_{\rm max} = 1/\Delta \tau \ \underline {= 500 \ \rm kHz}$ aufweisen.  
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'''(1)'''  Das im äquivalenten Tiefpassbereich beschriebene Nachrichtensignal darf keine größere Bandbreite als  $B_{\rm max} = 1/\Delta \tau \ \underline {= 500 \ \rm kHz}$  aufweisen.  
*Diese mathematische (zweiseitige) Bandbreite des Tiefpass–Signals ist gleichzeitig die maximale physikalische (einseitige) Bandbreite des zugehörigen Bandpass–Signals.
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*Diese mathematische  (zweiseitige)  Bandbreite des Tiefpass–Signals ist gleichzeitig die maximale physikalische  (einseitige)  Bandbreite des zugehörigen Bandpass–Signals.
  
  
  
'''(2)'''  $H(f, t_{\rm 2}) = 1$ bedeutet im Zeitbereich $h(\tau, t_{\rm 2}) = \delta(\tau)$.  
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'''(2)'''  $H(f,\ t_{\rm 2}) = 1$  bedeutet im Zeitbereich  $h(\tau,\ t_{\rm 2}) = \delta(\tau)$.  
 
*Nur dann ist der Kanal ideal.  
 
*Nur dann ist der Kanal ideal.  
*Man erkennt aus der Grafik, dass dies nur für den Zeitpunkt $t_{\rm 2} \ \underline {= 0}$ zutrifft.
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*Man erkennt aus der Grafik, dass dies nur für den Zeitpunkt  $t_{\rm 2} \ \underline {= 0}$  zutrifft.
  
  
  
'''(3)'''  Verzerrungen treten dann auf, wenn sich zum Zeitpunkt $t$ die Impulsantwort aus zwei oder mehr Diracfunktionen zusammensetzt   ⇒   $t ≥ t_{\rm 3} \ \underline {= 3T}$.  
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'''(3)'''  Verzerrungen treten dann auf, wenn sich zum Zeitpunkt  $t$  die Impulsantwort aus zwei oder mehr Diracfunktionen zusammensetzt   ⇒   $t ≥ t_{\rm 3} \ \underline {= 3T}$.  
*Zum Zeitpunkt $t = T$ wird das Signal $s(t)$ nur um $2 \ \rm µ s$ verzögert.  
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*Zum Zeitpunkt  $t = T$  wird das Signal  $s(t)$  nur um  $2 \ \rm µ s$  verzögert.  
*Bei $t = 2T$ wird zusätzlich noch die Amplitude um $50 \%$  reduziert ($6 \ \rm dB$ Verlust).
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*Bei  $t = 2T$  wird zusätzlich noch die Amplitude um  $50 \%$  reduziert  $(6 \ \rm dB$  Verlust$)$.
  
  
  
'''(4)'''  Zum Zeitpunkt $t = 3T$ treten die beiden Diracfunktionen bei $\tau_{\rm min} = 0$ und $\tau_{\rm max} = 4 \ \rm µ s$ auf.  
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'''(4)'''  Zum Zeitpunkt $t = 3T$ treten die beiden Diracfunktionen bei  $\tau_{\rm min} = 0$  und  $\tau_{\rm max} = 4 \ \rm µ s$  auf.  
 
*Die (einfache Näherung für die) Kohärenzbandbreite ist der Kehrwert hiervon:
 
*Die (einfache Näherung für die) Kohärenzbandbreite ist der Kehrwert hiervon:
 
:$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' = \frac{1}{4\,\,{\rm µ s} } \hspace{0.25cm} \underline{ = 250\,\,{\rm kHz}}  
 
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  \hspace{0.05cm}.$$
 
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*Da auch zum Zeitpunkt $t = 4T$ die Diracfunktionen um $4 \ \rm µ s$ auseinanderliegen, erhält man hier ebenfalls $B_{\rm K} \hspace{0.01cm}' = \underline {250 \ \rm kHz}$.  
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*Da auch zum Zeitpunkt  $t = 4T$  die Diracfunktionen um  $4 \ \rm µ s$  auseinanderliegen, erhält man hier ebenfalls  $B_{\rm K} \hspace{0.01cm}' = \underline {250 \ \rm kHz}$.  
*Bei $t = 5T$ hat die Impulsantwort eine Ausdehnung von $6 \ \rm µ s \ \Rightarrow \ {\it B}_{\rm K} \hspace{0.01cm}' \ \underline {\approx 166.7 \ \rm kHz}$.  
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*Bei  $t = 5T$  hat die Impulsantwort eine Ausdehnung von  $6 \ \rm µ s \ \Rightarrow \ {\it B}_{\rm K} \hspace{0.01cm}' \ \underline {\approx 166.7 \ \rm kHz}$.  
  
  
  
'''(5)'''  Die Impulsantworten sind zu den Zeiten $5T$, $6T$ und $7T$ identisch und bestehen jeweils aus 3 Diracs.  
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'''(5)'''  Die Impulsantworten sind zu den Zeiten  $5T$,  $6T$  und  $7T$  identisch und bestehen jeweils aus drei Diracs.  
*Unter der Annahme, dass sich diesbezüglich für $t ≥ 8T$ nichts ändert, erhält man $t_{\rm 5} \ \underline {= 5T}$.
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*Unter der Annahme, dass sich diesbezüglich auch für  $t ≥ 8T$  nichts ändert, erhält man  $t_{\rm 5} \ \underline {= 5T}$.
  
  
  
 
'''(6)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
 
'''(6)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
*Die zeitliche Veränderung der Impulsantwort, deren Dynamik durch den Parameter $T$ ausgedrückt wird, muss langsam sein im Vergleich zur maximalen Ausdehnung von $h(\tau, t)$, die in dieser Aufgabe gleich $\tau_{\rm max} = 6 \ \rm &micro; s$ beträgt: &nbsp;  
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*Die zeitliche Veränderung der Impulsantwort, deren Dynamik durch den Parameter&nbsp; $T$&nbsp; ausgedrückt wird, muss langsam sein im Vergleich zur maximalen Ausdehnung von&nbsp; $h(\tau,\ t)$, die in dieser Aufgabe gleich&nbsp; $\tau_{\rm max} = 6 \ \rm &micro; s$&nbsp; beträgt: &nbsp;  
 
:$$T \gg \tau_{\rm max}.$$  
 
:$$T \gg \tau_{\rm max}.$$  
 
{{ML-Fuß}}
 
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Aktuelle Version vom 13. Mai 2020, 16:33 Uhr

Zweidimensionale Impulsantwort

Es soll die zweidimensionale Impulsantwort

$$h(\tau,\hspace{0.05cm}t) = \sum_{m = 1}^{M} z_m(t) \cdot {\rm \delta} (\tau - \tau_m)$$

gemäß der nebenstehenden Grafik analysiert werden.  Die beiden Achsen sind zeitdiskret:

  • $\tau$  kennzeichnet die  Verzögerungszeit  und kann im Beispiel Werte zwischen  $0$  und  $6 \ {\rm µ s}$  annehmen.
  • Die absolute Zeit  $t$  macht Aussagen über die Häufigkeit der Momentaufnahmen und charakterisiert die Zeitvarianz.  Es gilt  $t = n \cdot T$, wobei  $T \gg \tau_{\rm max}$  gelten soll.


Die Pfeile in der Grafik markieren verschiedene Diracfunktionen mit den Impulsgewichten  $1$  (rot),  $1/2$  (blau) und  $1/4$  (grün).  Das bedeutet, dass hier auch die Verzögerungszeit  $\tau$  zeitdiskret ist.

Bei den Messungen der Impulsantworten zu verschiedenen Zeiten  $t$  im Sekundenabstand betrug die Auflösung der  $\tau$–Achse  $2$  Mikrosekunden  $(\Delta \tau = 2 \ \rm µ s)$.  Genauer wurden die Echos nicht lokalisiert.

Weiter wird in dieser Aufgabe noch auf folgende Größen Bezug genommen:

  • die zeitvariante Übertragungsfunktion  entsprechend der Definition
$$H(f,\hspace{0.05cm} t) \hspace{0.2cm} \stackrel {f,\hspace{0.05cm}\tau}{\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ} \hspace{0.2cm} h(\tau,\hspace{0.1cm}t) \hspace{0.05cm},$$
  • die Näherung der Kohärenzbandbreite  als Kehrwert der maximalen Ausdehnung von  $h(\tau,\ t)$:
$$B_{\rm K} \hspace{0.01cm}' = \frac{1}{\tau_{\rm max} - \tau_{\rm min}} \hspace{0.05cm}.$$





Hinweise:

  • Die Aufgabe gehört zum Themengebiet des Kapitels  Allgemeine Beschreibung zeitvarianter Systeme.
  • Genauere Informationen zu verschiedene Definitionen für die Kohärenzbandbreite finden Sie im Kapitel  Das GWSSUS–Kanalmodell, insbesondere in der Musterlösung zur  Aufgabe 2.7Z.
  • Anzumerken ist, dass es sich hier um eine konstruierte Aufgabe handelt.  Entsprechend obiger Grafik ändert sich die 2D–Impulsantwort während der Zeitspanne  $T$  gravierend.  Deshalb ist  $T$  hier als sehr groß zu interpretieren, zum Beispiel eine Stunde.
  • Im Mobilfunk ändert sich  $h(\tau, t)$  unter Berücksichtigung des Dopplereffektes im Millisekundenbereich, doch sind die Änderungen während dieser Zeit eher moderat.



Fragebogen

1

Welche Einschränkung bedeutet die Angabe  $\Delta \tau = 2 \ \rm µ s$  für die maximale Bandbreite  $B_{\rm max}$  des zu untersuchenden Nachrichtensignals?

$B_{\rm max} \ = \ $

$\ \rm kHz$

2

Zu welcher Zeit  $t_2$  ist der Kanal ideal, gekennzeichnet durch  $H(f,\ t_{\rm 2}) = 1$?

$t_{\rm 2} \ = \ $

$\ \cdot T$

3

Ab welcher Zeit  $t_{\rm 3}$  führt dieser Kanal zu Verzerrungen?

$t_{\rm 3} \ = \ $

$\ \cdot T$

4

Berechnen Sie die (näherungsweise) Kohärenzbandbreite für  $t = 3T$,  $t = 4T$  und  $t = 5T$:

$t = 3T \text{:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K} \hspace{0.01cm}' \ = \ $

$\ \rm kHz$
$t = 4T \text{:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K} \hspace{0.01cm}' \ = \ $

$\ \rm kHz$
$t = 5T \text{:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K} \hspace{0.01cm}' \ = \ $

$\ \rm kHz$

5

Ab welcher Zeit  $t_{\rm 5}$  könnte man diesen Kanal als zeitinvariant betrachten?

$t_{\rm 5} \ = \ $

$\ \cdot T$

6

Für welchen der genannten  $T$–Werte macht das Arbeiten mit der  $\rm 2D$–Impulsantwort Sinn?

Eine (langsame) Kanaländerung erfolgt etwa nach  $T = 1 \ \rm µ s$.
Eine (langsame) Kanaländerung erfolgt etwa nach  $T = 1 \ \rm s$.


Musterlösung

(1)  Das im äquivalenten Tiefpassbereich beschriebene Nachrichtensignal darf keine größere Bandbreite als  $B_{\rm max} = 1/\Delta \tau \ \underline {= 500 \ \rm kHz}$  aufweisen.

  • Diese mathematische  (zweiseitige)  Bandbreite des Tiefpass–Signals ist gleichzeitig die maximale physikalische  (einseitige)  Bandbreite des zugehörigen Bandpass–Signals.


(2)  $H(f,\ t_{\rm 2}) = 1$  bedeutet im Zeitbereich  $h(\tau,\ t_{\rm 2}) = \delta(\tau)$.

  • Nur dann ist der Kanal ideal.
  • Man erkennt aus der Grafik, dass dies nur für den Zeitpunkt  $t_{\rm 2} \ \underline {= 0}$  zutrifft.


(3)  Verzerrungen treten dann auf, wenn sich zum Zeitpunkt  $t$  die Impulsantwort aus zwei oder mehr Diracfunktionen zusammensetzt   ⇒   $t ≥ t_{\rm 3} \ \underline {= 3T}$.

  • Zum Zeitpunkt  $t = T$  wird das Signal  $s(t)$  nur um  $2 \ \rm µ s$  verzögert.
  • Bei  $t = 2T$  wird zusätzlich noch die Amplitude um  $50 \%$  reduziert  $(6 \ \rm dB$  Verlust$)$.


(4)  Zum Zeitpunkt $t = 3T$ treten die beiden Diracfunktionen bei  $\tau_{\rm min} = 0$  und  $\tau_{\rm max} = 4 \ \rm µ s$  auf.

  • Die (einfache Näherung für die) Kohärenzbandbreite ist der Kehrwert hiervon:
$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' = \frac{1}{4\,\,{\rm µ s} } \hspace{0.25cm} \underline{ = 250\,\,{\rm kHz}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Da auch zum Zeitpunkt  $t = 4T$  die Diracfunktionen um  $4 \ \rm µ s$  auseinanderliegen, erhält man hier ebenfalls  $B_{\rm K} \hspace{0.01cm}' = \underline {250 \ \rm kHz}$.
  • Bei  $t = 5T$  hat die Impulsantwort eine Ausdehnung von  $6 \ \rm µ s \ \Rightarrow \ {\it B}_{\rm K} \hspace{0.01cm}' \ \underline {\approx 166.7 \ \rm kHz}$.


(5)  Die Impulsantworten sind zu den Zeiten  $5T$,  $6T$  und  $7T$  identisch und bestehen jeweils aus drei Diracs.

  • Unter der Annahme, dass sich diesbezüglich auch für  $t ≥ 8T$  nichts ändert, erhält man  $t_{\rm 5} \ \underline {= 5T}$.


(6)  Richtig ist der Lösungsvorschlag 2:

  • Die zeitliche Veränderung der Impulsantwort, deren Dynamik durch den Parameter  $T$  ausgedrückt wird, muss langsam sein im Vergleich zur maximalen Ausdehnung von  $h(\tau,\ t)$, die in dieser Aufgabe gleich  $\tau_{\rm max} = 6 \ \rm µ s$  beträgt:  
$$T \gg \tau_{\rm max}.$$