Aufgabe 3.5Z: Integration von Diracfunktionen
Wie in Aufgabe 3.5 soll das Spektrum ${Y(f)}$ des Signals
- $$y( t ) = \left\{ \begin{array}{c} A \\ - A \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{20}c} {{\rm{f \ddot{u}r}}} \\ {{\rm{f\ddot{u} r}}} \\ {\rm{sonst.}} \\ \end{array}\;\begin{array}{*{20}c} { - T \le t < 0,} \\ {0 < t \le T,} \\ {} \\\end{array}$$
ermittelt werden. Es gelte wieder $A = 1 \,\text{V}$ und $T = 0.5 \,\text{ms}$.
Ausgegangen wird vom Zeitsignal $\text{x(t)}$ gemäß der mittleren Skizze, das sich aus drei Diracimpulsen bei $–T$, $0$ und $+T$ mit den Impulsgewichte $\text{AT}$, $-2\text{AT}$ und $\text{AT}$ zusammensetzt.
Die Spektralfunktion $\text{X(f)}$ kann durch Anwendung des Vertauschungssatzes direkt angegeben werden, wenn man berücksichtigt, dass die zu $\text{U(f)}$ gehörige Zeitfunktion wie folgt lautet (siehe untere Skizze):
- $$u( t ) = - 2A + 2A \cdot \cos ( {2{\rm{\pi }}f_0 t} ).$$
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation.
- Alle dort dargelegten Gesetzmäßigkeiten – unter Anderem auch der Verschiebungssatz und der Integrationssatz – werden im Lernvideo Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation (Dauer Teil 1: 5:57 – Teil 2: 5:55) an Beispielen verdeutlicht.
- In der Teilaufgabe (3) soll das Spektrum $Y(f)$ ausgehend von einem symmetrischen Rechteckimpuls $r(t)$ mit Amplitude $A$ und Dauer $T$ sowie dessen Spektrum $R(f) = A \cdot T \cdot \text{si}(\pi fT)$ berechnet werden. Dies erreicht man durch zweimalige Anwendung des Verschiebungssatzes.
- In der Aufgabe 3.5Z wird das gleiche Spektrum $Y(f)$ ausgehend von einem aus drei Diracfunktionen bestehenden Signal durch Anwendung des Integrationssatzes berechnet.
- Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
Hinweis: Diese Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von Kapitel 3.3. Zwischen $\text{x(t)}$ und $\text{y(t)}$ besteht folgender Zusammenhang:
- $$y( t ) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau )}\, {\rm d}\tau .$$
Der Integrationssatz lautet in entsprechend angepasster Form:
- $$\frac{1}{T}\cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau )}\,\, {\rm d}\tau\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X( f )\left( {\frac{1}{{{\rm{j}}2{\rm{\pi }}fT}} + \frac{1}{2T}\cdot {\rm \delta} ( f )} \right).$$
Alle im Kapitel 3.3 dargelegten Gesetzmäßigkeiten – unter Anderem auch der Integrationssatz – werden in einem Lernvideo an Beispielen verdeutlicht:
Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
Fragebogen
Musterlösung
- $$X( f ) = - 2 \cdot A \cdot T + 2 \cdot A \cdot T \cdot \cos \left( {{\rm{2\pi }}fT} \right).$$
Wegen der Beziehung $sin2(\alpha) = (1 – cos(\alpha))/2$ kann hierfür auch geschrieben werden:
- $$X( f ) = - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} ).$$
Bei der Frequenz $f = 0$ hat $\text{x(t)}$ keine Spektralanteile: $\text{X(f)} = 0$. Für $f = 1 \text{kHz}$, also $f \cdot T = 0.5$, gilt:
- $$X( f = 1\;{\rm{kHz}} ) = - 4 \cdot A \cdot T = -2 \cdot 10^{ - 3} \;{\rm{V/Hz}}\\ \Rightarrow |X( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )| \hspace{0.15 cm}\underline{= 2 \cdot 10^{ - 3} \;{\rm{V/Hz}}}{\rm{.}}$$
2. Das Spektrum $\text{Y(f)}$ kann aus $\text{X(f)}$ durch Anwendung des Integrationssatzes ermittelt werden. Wegen $\text{X(f = 0)} = 0$ muss die Diracfunktion bei der Frequenz $f = 0$ nicht berücksichtigt werden und man erhält:
- $$Y( f ) = \frac{X( f )}{{{\rm{j}} \cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = \frac{{ - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{j}}\cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = 2{\rm{j}} \cdot A \cdot T \cdot \frac{{\sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{\pi }}fT}}.$$
Es ergibt sich selbstverständlich das gleiche Ergebnis wie in Aufgabe A3.5. Der Spektralanteil bei der Frequenz f = 0 ist 0. Für $f = 1 \text{kHz}$ ($f \cdot T = 0.5$) erhält man wieder:
- $$|Y( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )| = \frac{4 \cdot A \cdot T}{\rm{\pi }} \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm{0}}{\rm{.636}} \cdot {\rm{10}}^{{\rm{ - 3}}} \;{\rm{V/Hz}}}{\rm{.}}$$
