Applets:Frequenzgang und Impulsantwort: Unterschied zwischen den Versionen
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*Wegen der letzten ${\rm si}$-Funktion ist $h(t)=0$ für alle Vielfachen von $T=1/\Delta f$ ⇒ Die äquidistanten Nulldurchgänge des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses bleiben erhalten. | *Wegen der letzten ${\rm si}$-Funktion ist $h(t)=0$ für alle Vielfachen von $T=1/\Delta f$ ⇒ Die äquidistanten Nulldurchgänge des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses bleiben erhalten. | ||
*Aufgrund des Klammerausdrucks weist $h(t)$ nun weitere Nulldurchgänge bei $t=\pm1.5 T$, $\pm2.5 T$, $\pm3.5 T$, ... auf. | *Aufgrund des Klammerausdrucks weist $h(t)$ nun weitere Nulldurchgänge bei $t=\pm1.5 T$, $\pm2.5 T$, $\pm3.5 T$, ... auf. | ||
− | *Für t=\pm T/2$ erhält man die Spektralwerte $K\cdot \Delta f/2$. | + | *Für $t=\pm T/2$ erhält man die Spektralwerte $K\cdot \Delta f/2$. |
*Der asymptotische Abfall von $h(t)$ verläuft in diesem Sonderfall mit $1/t^3$. | *Der asymptotische Abfall von $h(t)$ verläuft in diesem Sonderfall mit $1/t^3$. | ||
==Vorschlag für die Versuchsdurchführung== | ==Vorschlag für die Versuchsdurchführung== | ||
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− | „Rot” bezieht sich stets auf den ersten Parametersatz ⇒ $ | + | „Rot” bezieht sich stets auf den ersten Parametersatz ⇒ $H_1(f) \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\ h_1(t)$ und „Blau” den zweiten ⇒ $H_2(f) \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\ h_2(t)$. |
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− | '''(1)''' Vergleichen Sie den '''roten Gauß–Tiefpass''' $(K_1 = 1, \Delta f_1 = 1)$ mit dem '''blauen Rechteck–Tiefpass''' $( | + | '''(1)''' Vergleichen Sie den '''roten Gauß–Tiefpass''' $(K_1 = 1, \Delta f_1 = 1)$ mit dem '''blauen Rechteck–Tiefpass''' $(K_2 = 1, \Delta f_2 = 1)$ ⇒ Voreinstellung. und beantworten Sie folgende Fragen:<br> |
− | + | *Welche Signale $y(t)$ treten am Ausgang der Tiefpässe auf, wenn am Eingang das Signal $x(t) = 2 \cdot \cos (2\pi f_0 t -\varphi_0)$ mit $f_0 = 0.5$ anliegt? | |
− | + | *Welche Unterschiede ergeben sich bei beiden Tiefpässen mit $f_0 = 0.5 \pm f_\varepsilon$, wobei $f_\varepsilon \ne 0, \ f_\varepsilon \to 0$?}} | |
− | + | *In beiden Fällen gilt $y(t) = A \cdot \cos (2\pi f_0 t -\varphi_0)$ mit $A = 2 \cdot H(f = f_0) \ \Rightarrow \ A_1 = 0.912, A_2 = 1.000$. Die Phase $\varphi_0$ bleibt erhalten. | |
− | + | *Beim Gauß–Tiefpass gilt weiterhin $ A_1 = 0.912$. Beim Rechteck–Tiefpass ist $A_2 = 0$ für $f_0 = 0.5000\text{...}001$ und $A_2 = 2$ für $f_0 = 0.4999\text{...}999$. | |
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− | *Um das erste Nyquistkriterium zu erfüllen, muss die Impulsantwort $h(t)$ äquidistante Nulldurchgänge bei Vielfachen der (normierten) Zeit $t = 1, 2$, ... aufweisen. Die Impulsantwort $h(t) = {\rm si}(\pi | + | *Um das erste Nyquistkriterium zu erfüllen, muss die Impulsantwort $h(t)$ äquidistante Nulldurchgänge bei Vielfachen der (normierten) Zeit $t = 1, 2$, ... aufweisen. Die Impulsantwort $h(t) = {\rm si}(\pi \cdot \Delta f \cdot t)$ des Rechteck–Tiefpasses erfüllt dieses Kriterium mit $\Delta f = 1$. Dagegen ist beim Gauß–Tiefpass das erste Nyquistkriterium nie erfüllt und es kommt immer zu [[Digitalsignalübertragung/Ursachen_und_Auswirkungen_von_Impulsinterferenzen|Impulsinterferenzen]]. |
*Das zweite Nyquistkriterium erfüllt der Rechteck–Tiefpass dagegen nicht. | *Das zweite Nyquistkriterium erfüllt der Rechteck–Tiefpass dagegen nicht. | ||
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− | '''(3)''' Vergleichen Sie den '''roten Trapez–Tiefpass''' $(K_1 = 1, \Delta f_1 = 1, r_1 = 0.5)$ mit dem '''blauen Rechteck–Tiefpass''' $( | + | '''(3)''' Vergleichen Sie den '''roten Trapez–Tiefpass''' $(K_1 = 1, \Delta f_1 = 1, r_1 = 0.5)$ mit dem '''blauen Rechteck–Tiefpass''' $(K_2 = 1, \Delta f_2 = 1)$ und variieren Sie anschließend $r_1$ zwischen $0$ und $1$. }} |
*Bei der Einstellung $r_1 = 0.5$ sind die Unterschwinger in der Impulsantwort $h(t)$ beim Trapez–Tiefpass aufgrund des flacheren Flankenabfalls geringer als beim Rechteck–Tiefpass. | *Bei der Einstellung $r_1 = 0.5$ sind die Unterschwinger in der Impulsantwort $h(t)$ beim Trapez–Tiefpass aufgrund des flacheren Flankenabfalls geringer als beim Rechteck–Tiefpass. |
Version vom 18. Oktober 2017, 12:30 Uhr
Inhaltsverzeichnis
- 1 Aufruf des Applets in neuem Fenster
- 2 Programmbeschreibung
- 3 Theoretischer Hintergrund
- 3.1 Frequenzgang $H(f)$ und Impulsantwort $h(t)$
- 3.2 Gauß–Tiefpass $\Rightarrow$ Gaussian Low–pass
- 3.3 Idealer (rechteckförmiger) Tiefpass $\Rightarrow$ Rectangular Low–pass
- 3.4 Dreieck–Tiefpass $\Rightarrow$ Triangular Low–pass
- 3.5 Trapez–Tiefpass $\Rightarrow$ Trapezoidal Low–pass
- 3.6 Cosinus-Rolloff-Tiefpass $\Rightarrow$ Cosine-rolloff Low–pass
- 3.7 Cosinus-Quadrat-Tiefpass
- 4 Vorschlag für die Versuchsdurchführung
- 5 Zur Handhabung des Programms
- 6 Über die Autoren
- 7 Nochmalige Aufrufmöglichkeit des Applets in neuem Fenster
Aufruf des Applets in neuem Fenster
Programmbeschreibung
noch überarbeiten
Dargestellt werden impulsförmige symmetrische Zeitsignale ⇒ „Impulse” $x(t)$ und die dazugehörigen Spektralfunktionen $X(f)$, nämlich
- Gaußimpuls (englisch: Gaussian pulse),
- Rechteckimpuls (englisch: Rectangular pulse),
- Dreieckimpuls (englisch: Triangular pulse),
- Trapezimpuls (englisch: Trapezoidal pulse),
- Cosinus–Rolloff–Impuls (englisch: Cosine-rolloff pulse).
Das aufzurufende Applet verwendet die englischen Begriffe im Gegensatz zu dieser deutschen Beschreibung. Die englische Beschreibung finden Sie unter Englische Version: Frequency response & Pulse response.
Weiter ist zu beachten:
- Die Funktionen $x(t)$ bzw. $X(f)$ werden für bis zu zwei Parametersätzen in jeweils einem Diagramm dargestellt.
- Die roten Kurven und Zahlenangaben gelten für den linken Parametersatz, die blauen für den rechten Parametersatz.
- Die Abszissen $t$ (Zeit) und $f$ (Frequenz) sowie die Ordinaten $x(t)$ (Signalwerte) bzw. $X(f)$ (Spektralwerte) sind jeweils normiert.
$\text{Beispiel:}$ Stellt man einen Rechteckimpuls mit Amplitude $A_1 = 1$ und äquivalenter Impulsdauer $\Delta t_1 = 1$ ein, so ist $x_1(t)$ im Bereich $-0.5 < t < +0.5$ gleich $1$ und außerhalb dieses Bereichs gleich $0$. Die Spektralfunktion $X_1(f)$ verläuft si–förmig mit $X_1(f= 0) = 1$ und der ersten Nullstelle bei $f=1$.
Soll mit dieser Einstellung ein Rechteckimpuls mit $A = K = 3 \ \rm V$ und $\Delta t = T = 2 \ \rm ms$ nachgebildet werden, dann sind alle Signalwerte mit $K = 3 \ \rm V$ und alle Spektralwerte mit $K \cdot T = 0.006 \ \rm V/Hz$ zu multiplizieren. Der maximale Spektralwert ist dann $X(f= 0) = 0.006 \ \rm V/Hz$ und die erste Nullstelle liegt bei $f=1/T = 0.5 \ \rm kHz$.
Theoretischer Hintergrund
Frequenzgang $H(f)$ und Impulsantwort $h(t)$
- Der Frequenzgang (oder auch die Übertragungsfunktion eines linearen zeitinvarianten Übertragungssystems $H(f)$ gibt das Verhältnis zwischen Zusammenhang zwischen Zeitfunktion $x(t)$ und dem dem Eingangsspektrum $X(f)$ an:
- $$H(f) = \frac{Y(f)}{X(f)}.$$
- Ist das Übertragungsverhalten bei tiefen Frequenzen besser als bei höheren, so spricht man von einem Tiefpass (englisch: Low-pass Filter).
- Die Eigenschaften von $H(f)$ werden im Zeitbereich durch die Impulsantwort $h(t)$ ausgedrückt. Entsprechend dem zweiten Fourierintegral gilt:
- $$h(t)={\rm IFT} [H(f)] = \int_{-\infty}^{+\infty}H(f)\cdot {\rm e}^{+{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}f\hspace{1cm} {\rm IFT}\hspace{-0.1cm}: \rm Inverse \ Fouriertransformation.$$
- Die Gegenrichtung wird durch das erste Fourierintegral beschrieben:
- $$H(f)={\rm FT} [h(t)] = \int_{-\infty}^{+\infty}h(t)\cdot {\rm e}^{-{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}t\hspace{1cm} \rm FT\hspace{-0.1cm}: \ Fouriertransformation.$$
- In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen. Somit gilt:
- $$h(t)=\int_{-\infty}^{+\infty}H(f)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}f \ \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ \ \ H(f)=\int_{-\infty}^{+\infty}h(t)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}t .$$
- Bei einem Vierpol ⇒ $X(f)$ und $Y(f)$ haben gleiche Einheiten ist $Y(f)$ dimensionslos. Die Einheit der Impulsantwort ist $\rm 1/s$. Es gilt zwar $\rm 1/s = 1 \ Hz$, aber die Einheit „Hertz” ist in diesem Zusammenhang unüblich.
- Der Zusammenhang zwischen diesem Modul „Frequenzgang & Impulsantwort” und dem ähnlich aufgebauten Applet Impulse und Spektren basiert auf dem Vertauschungssatz.
- Alle Zeiten sind auf eine Normierungszeit $T$ normiert und alle Frequenzen auf $1/T \Rightarrow$ die Impulsantwortwerte $h(t)$ müssen noch durch die Normierungszeit $T$ dividiert werden.
$\text{Beispiel:}$ Stellt man einen Rechteck–Tiefpass mit Höhe $K_1 = 1$ und äquivalenter Bandbreite $\Delta f_1 = 1$ ein, so ist der Frequenzgang $H_1(f)$ im Bereich $-1 < f < 1$ gleich $1.5$ und außerhalb dieses Bereichs gleich $0$. Die Impulsantwort $h_1(t)$ verläuft si–förmig mit $h_1(t= 0) = 1$ und der ersten Nullstelle bei $t=1$.
Mit dieser Einstellung soll nun ein Rechteck–Tiefpass mit $\Delta f = 2 \ \rm kHz$ nachgebildet werden, wobei wir die Normierungszeit $T= 1 \ \rm ms$. Dann liegt die erste Nullstelle bei $t=0.5\ \rm ms$ und das Impulsantwortmaximum ist dann $h(t= 0) = 2 \cdot 10^3 \ \rm 1/s$.
Bitte überprüfen
Gauß–Tiefpass $\Rightarrow$ Gaussian Low–pass
- Der Gauß–Tiefpass lautet mit der Höhe $K$ und der (äquivalenten) Bandbreite $\Delta f$:
- $$H(f)=K\cdot {\rm e}^{-\pi\cdot(f/\Delta f)^2}.$$
- Die äquivalente Bandbreite $\Delta f$ ergibt sich aus dem flächengleichen Rechteck.
- Der Wert bei $f = \Delta f/2$ ist um den Faktor $0.456$ kleiner als der Wert bei $f=0$.
- Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
- $$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm e}^{-\pi(t\cdot \Delta f)^2} .$$
- Je kleiner $\Delta f$ ist, um so breiter und niedriger ist die Impulsantwort ⇒ Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer.
- Sowohl $H(f)$ als auch $h(t)$ sind zu keinem $f$- bzw. $t$-Wert exakt gleich Null.
- Für praktische Anwendungen kann der Gaußimpuls jedoch in Zeit und Frequenz als begrenzt angenommen werden. Zum Beispiel ist $h(t)$ bereits bei $t=1.5 \cdot \Delta t$ auf weniger als $0.1\% $ des Maximums abgefallen.
Idealer (rechteckförmiger) Tiefpass $\Rightarrow$ Rectangular Low–pass
- Der Rechteck–Tiefpass lautet mit der Höhe $K$ und der (äquivalenten) Bandbreite $\Delta f$:
- $$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| < \Delta f/2,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| = \Delta f/2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm} \right| > \Delta f/2.} \\ \end{array}$$
- Der $\pm \Delta f/2$–Wert liegt mittig zwischen links- und rechtsseitigem Grenzwert.
- Für die Impulsantwort $h(t)$ erhält man entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Fourierrücktransformation (2. Fourierintegral):
- $$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm si}(\pi\cdot \Delta f \cdot t) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)={\sin(x)}/{x}.$$
- Der $h(t)$–Wert bei $t=0$ ist gleich der Rechteckfläche des Frequenzgangs.
- Die Impulsantwort besitzt Nullstellen in äquidistanten Abständen $1/\Delta f$.
- Das Integral über die Impulsantwort $h(t)$ ist gleich dem Frequenzgang $H(f)$ bei der Frequenz $f=0$, also gleich $K$.
Dreieck–Tiefpass $\Rightarrow$ Triangular Low–pass
- Der Dreieck–Tiefpass lautet mit der Höhe $K$ und der (äquivalenten) Bandbreite $\Delta f$:
- $$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K\cdot \Big(1-\frac{|f|}{\Delta f}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| < \Delta f,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| \ge \Delta f.} \\ \end{array}$$
- Die absolute physikalische Bandbreite $B$ ⇒ nur positive Frequenzen ist ebenfalls gleich $\Delta f$, also so groß wie beim Rechteck–Tiefpass.
- Für die Impulsantwort $h(t)$ erhält man gemäß der Fouriertransformation:
- $$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm si}^2(\pi\cdot \Delta f \cdot t) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)={\sin(x)}/{x}.$$
- $H(f)$ kann man als Faltung zweier Rechteckfunktionen, jeweils mit Breite $\Delta f$ darstellen.
- Daraus folgt: $h(t)$ beinhaltet anstelle der ${\rm si}$-Funktion die ${\rm si}^2$-Funktion.
- $h(t)$ weist somit ebenfalls Nullstellen im äquidistanten Abständen $1/\Delta f$ auf.
- Der asymptotische Abfall von $X(f)$ erfolgt hier mit $1/f^2$, während zum Vergleich der Rechteckimpuls mit $1/f$ abfällt.
Trapez–Tiefpass $\Rightarrow$ Trapezoidal Low–pass
Der Trapez–Tiefpass lautet mit der Höhe $K$ und den Eckfrequenzen $f_1$ und $f_2$:
- $$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K\cdot \frac{f_2-|f|}{f_2-f_1} \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| \le f_1,} \\ {f_1\le \left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| \le f_2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm} \right| \ge 2_2.} \\ \end{array}$$
- Für die äquivalente Bandbreite (flächengleiches Rechteck) gilt: $\Delta f = f_1+f_2$.
- Der Rolloff-Faktor (im Frequenzbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
- $$r=\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}.$$
- Der Sonderfall $r=0$ entspricht dem Rechteck–Tiefpass der Sonderfall $r=1$ dem Dreieck–Tiefpass.
- Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
- $$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm si}(\pi\cdot \Delta f \cdot t)\cdot {\rm si}(\pi \cdot r \cdot \Delta f \cdot t) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)={\sin(x)}/{x}.$$
- Der asymptotische Abfall von $h(t)$ liegt zwischen $1/t$ (für Rechteck–Tiefpass, $r=0$) und $1/f^2$ (für Dreieck–Tiefpass, $r=1$).
Cosinus-Rolloff-Tiefpass $\Rightarrow$ Cosine-rolloff Low–pass
ab hier noch anpassen Der Cosinus–Rolloff–Tiefpass lautet mit der Höhe $K$ und den Eckfrequenzen $f_1$ und $f_2$:
- $$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K\cdot \cos^2\Big(\frac{|f|-f_1}{f_2-f_1}\cdot \frac{\pi}{2}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| \le f_1,} \\ {f_1\le \left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| \le f_2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm} \right| \ge f_2.} \\ \end{array}$$
- Für die äquivalente Bandbreite (flächengleiches Rechteck) gilt: $\Delta f = f_1+f_2$.
- Der Rolloff-Faktor (im Frequenzbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
- $$r=\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}.$$
- Der Sonderfall $r=0$ entspricht dem Rechteck–Tiefpass der Sonderfall $r=1$ dem Dreieck–Tiefpass.
- Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
- $$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot \frac{\cos(\pi \cdot r\cdot \Delta f \cdot t)}{1-(2\cdot r\cdot \Delta f \cdot t)^2} \cdot si(\pi \cdot \Delta f \cdot t).$$
- Je größer der Rolloff-Faktor $r$ ist, desto schneller nimmt $h(t)$ asymptotisch mit $t$ ab.
Cosinus-Quadrat-Tiefpass
- Dies ist ein Sonderfall des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses und ergibt sich für $r=1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}f_1=0, f_2= \Delta f$:
- $$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K\cdot \cos^2\Big(\frac{|f|\cdot \pi}{2\cdot \Delta f}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| < \Delta f,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| \ge \Delta f.} \\ \end{array}$$
Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
- $$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\pi}/{4}\cdot \big [{\rm si}(\pi(\Delta f\cdot t +0.5))+{\rm si}(\pi(\Delta f\cdot t -0.5))\big ]\cdot {\rm si}(\pi \cdot \Delta f \cdot t).$$
- Wegen der letzten ${\rm si}$-Funktion ist $h(t)=0$ für alle Vielfachen von $T=1/\Delta f$ ⇒ Die äquidistanten Nulldurchgänge des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses bleiben erhalten.
- Aufgrund des Klammerausdrucks weist $h(t)$ nun weitere Nulldurchgänge bei $t=\pm1.5 T$, $\pm2.5 T$, $\pm3.5 T$, ... auf.
- Für $t=\pm T/2$ erhält man die Spektralwerte $K\cdot \Delta f/2$.
- Der asymptotische Abfall von $h(t)$ verläuft in diesem Sonderfall mit $1/t^3$.
Vorschlag für die Versuchsdurchführung
„Rot” bezieht sich stets auf den ersten Parametersatz ⇒ $H_1(f) \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\ h_1(t)$ und „Blau” den zweiten ⇒ $H_2(f) \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\ h_2(t)$.
(1) Vergleichen Sie den roten Gauß–Tiefpass $(K_1 = 1, \Delta f_1 = 1)$ mit dem blauen Rechteck–Tiefpass $(K_2 = 1, \Delta f_2 = 1)$ ⇒ Voreinstellung. und beantworten Sie folgende Fragen:
- Welche Signale $y(t)$ treten am Ausgang der Tiefpässe auf, wenn am Eingang das Signal $x(t) = 2 \cdot \cos (2\pi f_0 t -\varphi_0)$ mit $f_0 = 0.5$ anliegt?
- Welche Unterschiede ergeben sich bei beiden Tiefpässen mit $f_0 = 0.5 \pm f_\varepsilon$, wobei $f_\varepsilon \ne 0, \ f_\varepsilon \to 0$?
- In beiden Fällen gilt $y(t) = A \cdot \cos (2\pi f_0 t -\varphi_0)$ mit $A = 2 \cdot H(f = f_0) \ \Rightarrow \ A_1 = 0.912, A_2 = 1.000$. Die Phase $\varphi_0$ bleibt erhalten.
- Beim Gauß–Tiefpass gilt weiterhin $ A_1 = 0.912$. Beim Rechteck–Tiefpass ist $A_2 = 0$ für $f_0 = 0.5000\text{...}001$ und $A_2 = 2$ für $f_0 = 0.4999\text{...}999$.
(2) Lassen Sie die Einstellungen unverändert. Welcher Tiefpass kann das erste Nyquistkriterium oder das zweite Nyquistkriterium erfüllen, wenn $H(f)$ den Gesamtfrequenzgang von Sender, Kanal und Empfangsfilter bezeichnet.
- Um das erste Nyquistkriterium zu erfüllen, muss die Impulsantwort $h(t)$ äquidistante Nulldurchgänge bei Vielfachen der (normierten) Zeit $t = 1, 2$, ... aufweisen. Die Impulsantwort $h(t) = {\rm si}(\pi \cdot \Delta f \cdot t)$ des Rechteck–Tiefpasses erfüllt dieses Kriterium mit $\Delta f = 1$. Dagegen ist beim Gauß–Tiefpass das erste Nyquistkriterium nie erfüllt und es kommt immer zu Impulsinterferenzen.
- Das zweite Nyquistkriterium erfüllt der Rechteck–Tiefpass dagegen nicht.
(3) Vergleichen Sie den roten Trapez–Tiefpass $(K_1 = 1, \Delta f_1 = 1, r_1 = 0.5)$ mit dem blauen Rechteck–Tiefpass $(K_2 = 1, \Delta f_2 = 1)$ und variieren Sie anschließend $r_1$ zwischen $0$ und $1$.
- Bei der Einstellung $r_1 = 0.5$ sind die Unterschwinger in der Impulsantwort $h(t)$ beim Trapez–Tiefpass aufgrund des flacheren Flankenabfalls geringer als beim Rechteck–Tiefpass.
- Je kleiner der Roll–off–Faktor $r_1$ wird, desto größer werden die Unterschwinger. Bei $r_1= 0$ ist der Trapez–Tiefpass identisch mit dem Rechteck–Tiefpass ⇒ $h(t)= {\rm si}(\pi \cdot t)$.
- Erhöht man dagegen den Roll–off–Faktor $r_1$, so größer werden die Unterschwinger kleiner. Bei $r_1= 1$ ist der Trapez–Tiefpass identisch mit dem Dreieck–Tiefpass ⇒ $h(t)= {\rm si}^2(\pi \cdot t)$.
(4) Vergleichen Sie den roten Trapez–Tiefpass $(K_1 = 1, \Delta f_1 = 1, r_1 = 0.5)$ mit dem blauen Cosinus-Rolloff-Tiefpass $(K_2 = 1,\Delta f_2 = 1.0, r_1 = 0.5)$ und und variieren Sie $r_2$ zwischen $0$ und $1$. Interpretieren Sie die Spektalfunktion $X_2(f)$ für $r_2 = 0.7$.
Fragen und Antworten noch überarbeiten
- Der Vergleich von Trapezimpuls $x_1(t)$ und Cosinus-Rolloff-Impuls $x_2(t)$ bei gleichem Rolloff-Faktor $r= 0.5$ zeigt, dass $X_2(f)$ für $f > 1$ größere betragsmäßige Anteile besitzt als ist $X_1(f)$.
- Bei gleichem Rolloff-Faktor $r_1 = r_2= 0.5$ verläuft der Flankenabfall des Cosinus-Rolloff-Impulses $x_2(t)$ um die Frequenz $f = 0.5$ steiler als der Flankenabfall des Trapezimpulses $x_2(t)$. Mit $r_1 = 0.5$ und $r_2 = 0.7$ gilt $x_1(t) \approx x_2(t)$ und damit auch $X_1(f) \approx X_2(f)$.
(5) Vergleichen Sie den roten Trapez–Tiefpass' $(K_1 = 1, \Delta f_1 = 1, r_1 = 1)$ mit dem blauen Cosinus-Rolloff-Impuls $(K_2 = 1,\Delta f_2 = 1.0, r_1 = 1)$. Interpretieren Sie die Funktionen $x_1(t)$ und $X_1(f)$.
Fragen und Antworten noch überarbeiten
- Es handelt sich bei $x_1(t) = \cos^2(|t| \cdot \pi/2) \ \ \text{für} \ |t| \le 1$ um den Cosinus-Quadrat-Impuls.
- Wegen $\Delta t = 1$ besitzt $X_1(f)$ Nulldurchgänge bei $\pm 1$, $\pm 2$, ...
- Weitere Nulldurchgänge gibt es bei $f=\pm 1.5$, $\pm 2.5$, $\pm 3.5$, ... , nicht jedoch bei $\pm 0.5$.
- Für die Frequenz $f=\pm 0.5$ erhält man die Spektralwerte $0.5$.
- Der asymptotische Abfall von $X_1(f)$ verläuft in diesem Sonderfall mit $1/f^3$.
Zur Handhabung des Programms
(A) Bereich der graphischen Darstellung für $H(f)$
(B) Bereich der graphischen Darstellung für $h(t)$
(C) Variationsmöglichkeit für die graphischen Darstellungen
(D) Parametereingabe per Slider
links (rot): „Low–pass 1”, rechts (blau): „Low–pass 2”
(E) Parameter entsprechend der Voreinstellung ⇒ „Reset”
(F) Einstellung von $t_*$ und $f_*$ für Numerikausgabe
(G) Numerikausgabe von $H(f_*)$ und $h(t_*)$
links (rot): „Low–pass 1”, rechts (blau): „Low–pass 2”
Details zum obigen Punkt (C)
(*) Zoom–Funktionen „$+$” (Vergrößern), „$-$” (Verkleinern) und $\rm o$ (Zurücksetzen)
(*) Verschiebe–Funktionen „$\leftarrow$” (Bildausschnitt nach links, Ordinate nach rechts) sowie „$\uparrow$” „$\downarrow$” „$\rightarrow$”
Andere Möglichkeiten:
- Bei gedrückter Shifttaste und Scrollen kann im Koordinatensystem gezoomt werden.
- Bei gedrückter Shifttaste und gedrückter linker Maustaste kann das Koordinatensystem verschoben werden.
Über die Autoren
Dieses interaktive Berechnungstool wurde am Lehrstuhl für Nachrichtentechnik der Technischen Universität München konzipiert und realisiert.
- Die erste Version wurde 2005 von Ji Li im Rahmen ihrer Diplomarbeit mit „FlashMX–Actionscript” erstellt (Betreuer: Günter Söder und Klaus Eichin).
- 2017 wurde „Impulse & Spektren” von David Jobst im Rahmen seiner Ingenieurspraxis (Betreuer: Tasnád Kernetzky) auf „HTML5” umgesetzt und neu gestaltet.