Aufgaben:Aufgabe 3.2: Vom Spektrum zum Signal: Unterschied zwischen den Versionen

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'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u> &nbsp; &rArr; &nbsp;$x(t)$&nbsp; ist <u>rein reell</u>:
 
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u> &nbsp; &rArr; &nbsp;$x(t)$&nbsp; ist <u>rein reell</u>:
*Beim imaginären Signalanteil &nbsp; &rArr; &nbsp;  $x_{\rm I}(t)$&nbsp; ist der Integrand eine ungerade Funktion (gerader Zähler, ungerader Nenner).  
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*Beim imaginären Signalanteil &nbsp; &rArr; &nbsp;  $x_{\rm I}(t)$&nbsp; ist der Integrand eine ungerade Funktion&nbsp; (gerader Zähler, ungerader Nenner).  
 
*Somit ist das Integral von&nbsp; $-\infty$&nbsp; bis&nbsp; $+\infty$&nbsp; gleich Null.
 
*Somit ist das Integral von&nbsp; $-\infty$&nbsp; bis&nbsp; $+\infty$&nbsp; gleich Null.
*Demgegenüber liefert beim reellen Anteil&nbsp; $x_{\rm R}(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; gerader Integrand (ungerader Zähler, ungerader Nenner) einen von Null verschiedenen Wert.
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*Demgegenüber liefert beim reellen Anteil&nbsp; $x_{\rm R}(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; gerader Integrand&nbsp; (ungerader Zähler, ungerader Nenner)&nbsp; einen von Null verschiedenen Wert.
  
  
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'''(3)'''&nbsp; Bei&nbsp; $t = 0$&nbsp; besitzt&nbsp; $x(t)$&nbsp; eine Sprungstelle. Der rechtsseitige Grenzwert für&nbsp; $t \rightarrow 0$&nbsp; lautet&nbsp; $x_+ = +2\,\text{V}$.  
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'''(3)'''&nbsp; Bei&nbsp; $t = 0$&nbsp; besitzt&nbsp; $x(t)$&nbsp; eine Sprungstelle.&nbsp; Der rechtsseitige Grenzwert für&nbsp; $t \rightarrow 0$&nbsp; lautet&nbsp; $x_+ = +2\,\text{V}$.  
*Nähert man sich der Sprungstelle von negativen Zeiten beliebig nahe, so erhält man&nbsp; $x_– = -\hspace{-0.05cm}2\,\text{V}$. Für den tatsächlichen Signalwert bei&nbsp; $t = 0$&nbsp; gilt dann:
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*Nähert man sich der Sprungstelle von negativen Zeiten beliebig nahe, so erhält man&nbsp; $x_– = -\hspace{-0.05cm}2\,\text{V}$.&nbsp; Für den tatsächlichen Signalwert bei&nbsp; $t = 0$&nbsp; gilt dann:
 
   
 
   
 
:$$x( {t = 0} ) = {1}/{2}\cdot ( x_{+} +    x_{-} ) \hspace{0.15 cm}\underline{= 0}.$$
 
:$$x( {t = 0} ) = {1}/{2}\cdot ( x_{+} +    x_{-} ) \hspace{0.15 cm}\underline{= 0}.$$
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Hier noch ein zweiter Lösungsweg:  
 
Hier noch ein zweiter Lösungsweg:  
*Der rechtsseitige Grenzwert für&nbsp; $f → 0$&nbsp; ist&nbsp; $X_+ = -\text{j} \cdot \infty$, der linksseitige Grenzwert&nbsp; $X_- = \text{j} \cdot \infty$.  
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*Der rechtsseitige Grenzwert für&nbsp; $f → 0$&nbsp; ist&nbsp; $X_+ = -\text{j} \cdot \infty$,&nbsp; der linksseitige Grenzwert&nbsp; $X_- = \text{j} \cdot \infty$.  
 
*Auch bezüglich des Spektralwertes bei&nbsp; $f = 0$&nbsp; gilt also der Zusammenhang:
 
*Auch bezüglich des Spektralwertes bei&nbsp; $f = 0$&nbsp; gilt also der Zusammenhang:
  

Aktuelle Version vom 21. April 2021, 15:15 Uhr

Spektraldarstellung der Sprungfunktion

Gegeben sei die Spektralfunktion

$$X(f) = \frac{{2\,{\rm V}}}{ { {\rm j}\pi f}}.$$

Die zugehörige Zeitfunktion  $x(t)$  kann mit Hilfe des  zweiten Fourierintegrals  ermittelt werden:

$$x(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X(f)} \cdot {\rm e}^{{\rm j}2\pi ft} {\rm d} f = x_{\rm R} (t) + {\rm j} \cdot x_{\rm I} (t),$$

wobei für den Realteil bzw. den Imaginärteil gilt:

$$x_{\rm R} (t) = 2\,{\rm V} \cdot \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{\sin ( {2\pi ft} )}}{ {\pi f}}}\hspace{0.1cm} {\rm d}f, $$
$$x_{\rm I} (t) = -2\, {\rm V} \cdot \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{ {\cos ( {2\pi ft} )}}{ {\pi f}}} \hspace{0.1cm}{\rm d}f.$$





Hinweise:

  • Benutzen Sie zur Lösung eventuell die nachfolgenden Angaben:
$$x( {t = 0}) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X( f )}\hspace{0.1cm} {\rm d}f,\hspace{0.5cm} X( {f = 0} ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x( t)}\hspace{0.1cm} {\rm d}t ,\hspace{0.5cm}\int_0^\infty {\frac{{\sin ( {ax} )}}{x}}\hspace{0.1cm} {\rm d}x = {\rm sign} ( a ) \cdot{\pi }/{2}. $$


Fragebogen

1

Welche der folgenden Aussagen treffen für das Zeitsignal  $x(t)$  zu?

$x(t)$  ist eine komplexe Funktion.
$x(t)$  ist rein reell.
$x(t)$  ist rein imaginär.

2

Berechnen Sie den Signalverlauf  $x(t)$  im gesamten Definitionsgebiet. 
Welche Werte treten zu den Zeiten  $t = 1\, \text{ms}$  und  $t = -\hspace{-0.05cm}1\, \text{ ms}$  auf?

$x(t=+1\, \text{ms}) \ = \ $

$\ \text{V}$
$x(t=-1 \text{ms})\hspace{0.2cm} = \ $

$\ \text{V}$

3

Wie lautet der Signalwert zum Zeitpunkt  $t = 0$?

$x(t=0) \ = \ $

$\ \text{V}$

4

Wie groß ist der Spektralwert bei der Frequenz $f = 0$?

$X(f=0) \ = \ $

$\ \text{V/Hz}$


Musterlösung

(1)  Richtig ist der Lösungsvorschlag 2   ⇒  $x(t)$  ist rein reell:

  • Beim imaginären Signalanteil   ⇒   $x_{\rm I}(t)$  ist der Integrand eine ungerade Funktion  (gerader Zähler, ungerader Nenner).
  • Somit ist das Integral von  $-\infty$  bis  $+\infty$  gleich Null.
  • Demgegenüber liefert beim reellen Anteil  $x_{\rm R}(t)$   ⇒   gerader Integrand  (ungerader Zähler, ungerader Nenner)  einen von Null verschiedenen Wert.


(2)  Mit der Abkürzung  $a = 2\pi t$  kann für das Zeitsignal geschrieben werden:

$$x(t) = x_{\rm R} \left( t \right) = \frac{{4\,{\rm V}}}{\pi }\int_0^\infty {\frac{{\sin( {af} )}}{f}}\hspace{0.1cm} {\rm d}f.$$

Dies führt unter Verwendung des angegebenen bestimmten Integrals zum Ergebnis:

$$x(t) = \frac{{4\,{\rm V}}}{\pi } \cdot \frac{\pi }{2} \cdot {\mathop{\rm sign}\nolimits} ( t ) = 2\;{\rm V} \cdot {\mathop{\rm sign}\nolimits} ( t ).$$
  • Für  $t > 0$  ist  $x(t) = +2\,\text{V}$ .
  • Entsprechend gilt  $x(t) = -\hspace{-0.1cm}2\,\text{V}$  für  $t < 0$.
  • Das Signal  $x(t)$  beschreibt also eine Sprungfunktion von  $-\hspace{-0.05cm}2\,\text{V}$ auf $+2\,\text{V}$.


(3)  Bei  $t = 0$  besitzt  $x(t)$  eine Sprungstelle.  Der rechtsseitige Grenzwert für  $t \rightarrow 0$  lautet  $x_+ = +2\,\text{V}$.

  • Nähert man sich der Sprungstelle von negativen Zeiten beliebig nahe, so erhält man  $x_– = -\hspace{-0.05cm}2\,\text{V}$.  Für den tatsächlichen Signalwert bei  $t = 0$  gilt dann:
$$x( {t = 0} ) = {1}/{2}\cdot ( x_{+} + x_{-} ) \hspace{0.15 cm}\underline{= 0}.$$
  • Zum gleichen Ergebnis kommt man bei Berücksichtigung der Beziehung
$$x( t = 0) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X( f)}\hspace{0.1cm} {\rm d}f = 0.$$


(4)  Der Spektralwert bei  $f = 0$  ist gleich dem Integral von  $-\infty$  bis  $+\infty$  über die Zeitfunktion  $x(t)$:

$$X( f = 0) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x( t)}\hspace{0.1cm} {\rm d}t \hspace{0.15 cm}\underline{= 0}.$$

Hier noch ein zweiter Lösungsweg:

  • Der rechtsseitige Grenzwert für  $f → 0$  ist  $X_+ = -\text{j} \cdot \infty$,  der linksseitige Grenzwert  $X_- = \text{j} \cdot \infty$.
  • Auch bezüglich des Spektralwertes bei  $f = 0$  gilt also der Zusammenhang:
$$X( {f = 0}) = {1}/{2}\cdot \left( {X_{ +} + X_{-} } \right) = 0.$$