Signaldarstellung/Einige Sonderfälle impulsartiger Signale

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Rechteckimpuls

Man spricht von einem Rechteckimpuls, wenn für die Zeitfunktion gilt:

$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}A \\ A /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < T/2,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| = T/2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| > T/2.} \\ \end{array}$$

Hierbei bezeichnet $A$ die Impulsamplitude und $T$ die Impulsdauer.

Die dazugehörige Spektralfunktion $X(f)$ erhält man durch Anwendung des ersten Fourierintegrals:

$$X(f) = \int_{ - T/2}^{+T/2} {A \cdot {\rm e}^{ -{\rm j}2\pi ft}\, {\rm d}t = A } \int_{ - T/2}^{+T/2} {\cos ( {2\pi}ft )\,{\rm d}t - {\rm j} \cdot A} \int_{ - T/2}^{+T/2} {\sin ( {2\pi ft} )}\,{\rm d}t .$$

Hierbei berücksichtigen die Integrationsgrenzen $\pm T/2$, dass $x(t)$ ausserhalb des Intervalls von $+T/2$ bis $+T/2$ identisch 0 ist. Das zweite Integral verschwindet aufgrund des ungeraden Integranden und man erhält:

$$X(f) = \frac{A \cdot \sin \left( {\pi fT} \right)}{\pi f}.$$

Zur Abkürzung definieren wir nachfolgende Funktion und bezeichnen diese als si-Funktion oder auch als Spaltfunktion:

$${\rm si}\left( x \right) = \sin \left( x \right)/x.$$

Durch eine Erweiterung von Zähler und Nenner jeweils mit $T$ kann man für die Spektralfunktion des Rechteckimpulses auch schreiben:

$$X( f ) = A \cdot T \cdot {\rm si}\left( {\pi fT} \right).$$

Wie die obere Grafik zeigt, besitzt $X(f)$ folgende Eigenschaften:

• Das Maximum liegt bei der Frequenz $f=0$ und hat den Wert $A \cdot T$ (Fläche des Rechtecks).
• Bei den Frequenzen $f_n = n/T$ mit $n$ = ±1, ±2, ±3, ... besitzt das Spektrum Nullstellen:

$X( {f = f_n } ) = 0.$

• Für das Betragsspektrum gilt folgende Schranke:

$$\left| {X( f )} \right| \le \frac{A}{\pi \cdot \left| f \right|}.$$

Gaußimpuls

Ein weiteres Beispiel eines aperiodischen Signals ist der Gaußimpuls mit dem Zeitverlauf

$$x(t) = A \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {t/\Delta t} \right)^2 } .$$

Dieser Impuls wird durch zwei Parameter beschrieben, nämlich durch

• die Impulsamplitude $A$ und
• die äquivalente Impulsdauer $\Delta t$.

Die Dauer eines Rechteckimpulses mit gleicher Amplitude und Fläche wie das gegebene impulsförmige Signal x(t) bezeichnet man allgemein als äquivalente Impulsdauer:

$$\Delta t = \frac{1}[[:Vorlage:A]]\cdot \hspace{-0.15cm} \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x( t )\, {\rm d}t.}$$

Der Gaußimpuls $x(t)$ weist folgende Eigenschaften auf (siehe Grafik am Seitenende):

• Die Zeitfunktion ist für alle Zeiten von $-\infty$ bis $+\infty$ existent und positiv. Das bedeutet gleichzeitig: Die absolute Impulsdauer ist unendlich groß.
• Das Impulsmaximum $A$ liegt bei $t$ = 0.
• Bei $t = \pm \Delta t/2$ ist der Impuls auf $\text{e}^{-\pi/4} \approx 0.456$ des Impulsmaximums abgeklungen, und bei$t = \pm \Delta t$ ist die Signalamplitude bereits kleiner als 0.0000035 · $A$.
• Die Spektralfunktion ist ebenfalls gaußförmig:

$$X(f) = A \cdot \Delta t \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {f \cdot \Delta t} \right)^2 }.$$

• Das Spektrum $X(f)$ hat sinngemäß gleiche Eigenschaften wie der gaußförmige Impuls $x(t)$. Auf der Seite Reziprozitätsgesetz im Kapitel 3.3 wird auf die Analogien von Zeitbereich und Frequenzbereich des Gaußimpulses nochmals gesondert eingegangen.

Die Grafik verdeutlicht Gemeinsamkeiten/Unterschiede zwischen $x(t)$ und $X(f)$ beim Gaußimpuls.

Der Ausgangsleistungsimpuls $x(t)$ eines Lasers für die digitale optische Übertragung kann im äquivalenten Tiefpassbereich mit guter Näherung als gaußförmig angenommen werden.

Mit den Signalparametern $A$ = 1 Milliwatt, $\Delta t$ = 1 Nanosekunde erhält man im Spektralbereich die vergleichbaren Kenngrößen $X_0 = X(f=0) = A \cdot \Delta t = 10^{-12}$ W/Hz (Maximum) sowie die äquivalente Bandbreite $\Delta f = 1/\Delta t = 1 \text{GHz}$. Theoretisch erstreckt sich das Frequenzband absolut bis ins Unendliche. Allerdings ist bei $f = 2 \cdot \Delta f = 2 \text{GHz}$ die Spektralfunktion gegenüber ihrem Maximum schon um den Faktor $s.5 \cdot 10^{-6}$ abgeklungen.

Wir möchten Sie auf zwei Interaktionsmodule zu dieser Thematik aufmerksam machen:

• Zeitfunktion und zugehörige Spektralfunktion
• Frequenzgang und zugehörige Impulsantwort

Mit diesen Modulen können Sie sich die folgenden Zeit– und Frequenzbereichsdarstellungen parametrisiert anzeigen lassen:

• Gaußimpuls,
• Rechteckimpuls,
• Dreieckimpuls,
• Trapezimpuls,
• Cosinus–Rolloff–Impuls.

Ebenso ist die Darstellung der so genannten „dualen Korrespondenzen” möglich.

Diracimpuls

Im Kapitel 2 wurde die Diracfunktion zur Beschreibung des Spektrums eines Gleichsignals oder einer harmonischen Schwingung verwendet. In der Nachrichtentechnik ist es aber auch üblich und äußerst vorteilhaft, kurzfristige impulsartige Vorgänge mit Hilfe dieser mathematischen Funktion im Zeitbereich zu beschreiben und zu analysieren. Man bezeichnet als Diracimpuls den Zeitverlauf

$$x(t) = X_0 \cdot \delta (t),$$

der wie folgt charakterisiert werden kann (siehe Skizze):

• Der Diracimpuls ist unendlich schmal, das heißt, es ist $x(t)$ = 0 für $t \neq 0$.
• Der Diracimpuls ist zum Zeitpunkt $t$ = 0 unendlich hoch.
• Beschreibt $x(t)$ einen Spannungsverlauf, so hat dessen Impulsgewicht $X_0$ die Einheit „Vs” (also die Einheit „V/Hz” einer Spektralfunktion), da $\delta (t)$ selbst die Einheit „1/s” besitzt.
• Die Spektralfunktion des Diracimpulses beinhaltet alle Frequenzen gleichermaßen:

$X(f) = X_0$ für alle Freqeunzen f.

Die Grafik verdeutlicht diese Zusammenhänge beim Diracimpuls.

Die hier genannten Eigenschaften sind in einem Lernvideo zusammenfassend dargestellt: Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion (Dauer 2:50)

Wir betrachten ein elektrisches Netzwerk mit ausgeprägter Tiefpasscharakteristik, z. B. mit der sehr niedrigen Grenzfrequenz $f_G$ = 10 kHz. Dessen Ausgangssignal ändert sich (nahezu) nicht, wenn eines der nachfolgenden Signale an den Eingang angelegt wird:

Diese Grafik kann wie folgt interpretiert werden:

• Da bei $x_1(t)$ und $x_2(t)$ die äquivalenten Impulsdauern jeweils gleich sind ($\Delta t$ = 1 μs) und diese sehr viel kleiner ist als $1/f_G$ = 100 μs, hat die tatsächliche Impulsform (Rechteck oder Dreieck) keinen oder nur einen untergeordneten Einfluss auf das Ausgangssignal.
• Deshalb können beide Eingangsimpulse – sowohl das Rechteck $x_1(t)$ als auch das Dreieck $x_2(t)$ – durch den Diracimpuls $x_3(t)$ angenähert werden, dessen Impulsfläche identisch mit den Impulsflächen von $x_1(t)$ und $x_2(t)$ ist: $X_0 = 6 · 10^{-6}$ Vs. Bei einer Grenzfrequenz $f_G$ = 10 MHz wäre diese vereinfachende Näherung dagegen nicht erlaubt.
• Auch wenn der Diracimpuls gleich hoch wie die beiden anderen Impulse gezeichnet ist, so hat er zum Zeitpunkt $t$ = 0 trotzdem einen unendlich großen Wert. Beim Diracimpuls ist immer die Impulsfläche („Impulsgewicht”) angegeben. Diese unterscheidet sich gegenüber den anderen Impulsamplituden bereits in der Einheit („Vs” anstelle von „V”).

Aufgaben

3.3 Vom Signal zum Spektrum