Aufgabe 5.3Z: Nichtrekursives Filter
Betrachtet wird das nebenstehende nichtrekursive Filter mit den Filterkoeffizienten
- $$a_0 = 1,\quad a_1 = 2,\quad a_2 = 1.$$
Gesucht sind die jeweiligen Ausgangsfolgen $\left\langle \hspace{0.05cm}{y_\nu } \hspace{0.05cm}\right\rangle$, wenn am Eingang folgende Wertefolgen angelegt werden:
- die "Gleichfolge":
- $$\left\langle \hspace{0.05cm}{x_\nu } \hspace{0.05cm}\right\rangle = \left\langle \hspace{0.05cm}{g_\nu } \right\rangle = \left\langle {\;1,\;1,\;1,\;1,\;1,\;1,\;1,\;1,\;\text{...} } \hspace{0.05cm} \right\rangle .$$
- die "Sinusfolge" mit der Periodendauer $T_0 = 4 \cdot T_{\rm A}$:
- $$\left\langle \hspace{0.05cm}{x_\nu } \hspace{0.05cm}\right\rangle = \left\langle \hspace{0.05cm}{s_\nu } \right\rangle = \left\langle {\;0,\;1,\;0, - 1,\;0,\;1,\;0, - 1,\;\text{...} } \hspace{0.05cm}\right\rangle .$$
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Digitale Filter im vorliegenden Buch.
- Bezug genommen wird auch auf einige Kapitel im Buch Signaldarstellung.
- Das Applet "Digitale Filter" verdeutlicht den Themenkomplex dieses Kapitels.
Fragebogen
Musterlösung
- $$h(t) = \delta (t) + 2 \cdot \delta ( {t - T_{\rm A} } ) + \delta ( {t - 2T_{\rm A} } ).$$
- Das Maximum liegt bei $T_{\rm A}$ ⇒ $\underline{\nu = 1}$.
(2) Der Frequenzgang $H(f)$ ist die Fouriertransformierte der Impulsantwort $h(t)$.
- Die um $T_{\rm A}$ nach links verschobene Impulsantwort
- $$h\hspace{0.05cm}'(t) = \delta ( {t + T_{\rm A} } ) + 2 \cdot \delta ( t ) + \delta ( {t - T_{\rm A} } )$$
- ist symmetrisch um $t= 0$ und hat dementsprechend den rein reellen Frequenzgang
- $$H\hspace{0.05cm}'(f) = 2\big [ {1 + \cos ( {2{\rm{\pi }}fT_{\rm A} } )} \big ].$$
- Durch Anwendung des Verschiebungssatzes folgt weiter:
- $$H(f) = 2\big [ {1 + \cos ( {2{\rm{\pi }}fT_{\rm A} } )} \big ] \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}fT_{\rm A} } .$$
- Der Wert des Frequenzgangs bei der Frequenz $f=0$ ist demzufolge
- $$H(f = 0)\hspace{0.15cm}\underline{ = 4}.$$
(3) Die zeitdiskrete Faltung der Eingangsfolge $\left\langle \hspace{0.05cm}{g_\nu } \hspace{0.05cm} \right\rangle$ mit der Impulsantwort $\left\langle \hspace{0.05cm}{h_\nu } \hspace{0.05cm}\right\rangle = \left\langle \hspace{0.05cm}{1, 2, 1 } \hspace{0.05cm}\right\rangle$ ergibt
- $$\left\langle \hspace{0.05cm}{y_\nu } \hspace{0.05cm}\right\rangle = \left\langle {\;1,\;3,\;4,\;4,\;4,\;4,\;4,\;4,\;4,\;4,\;4,\; \text{...} \;} \right\rangle $$
- Insbesondere gilt $y_4\hspace{0.15cm}\underline{ = 4}$.
- Mit Ausnahme der Werte $y_0$ und $y_1$ (Einschwingvorgang) erhält man auch am Ausgang eine Gleichfolge mit dem konstanten Wert 4:
- $$y(t) = H( {f = 0} ) \cdot x( t ) = 4 \cdot 1 = 4.$$
(4) Analog zur Teilaufgabe (3) erhält man nun durch Verschiebung, Gewichtung mit $a_1$, $a_2$, $a_3$ und anschließender Überlagerung:
- $$\left\langle \hspace{0.05cm}{y_\nu } \hspace{0.05cm}\right\rangle = \left\langle \hspace{0.05cm}{\;0,\;1,\;2,\;0,\; - 2,\;0,\;2,\;0,\; - 2,\;0,\;...\;}\hspace{0.05cm} \right\rangle .$$
- Der gesuchte Wert ist somit $y_4\hspace{0.15cm}\underline{ = -2}$.
Anderer Lösungsweg:
- Die Eingangsfolge $\left\langle \hspace{0.05cm}{s_\nu }\hspace{0.05cm} \right\rangle$ verläuft sinusförmig mit der Periode $4 \cdot T_{\rm A}$. Die Grundfrequenz ist dementsprechend $f_0 = 1/(4 \cdot T_{\rm A})$.
- Bei dieser Frequenz hat der Frequenzgang $H(f)$ gemäß Teilaufgabe (2) den folgenden Wert:
- $$H( {f = f_0 } ) = 2\big[ {1 + \cos ( {{{\rm{\pi }}}/{2}} )} \big] \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j\pi /2}}} = 2 \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j\pi /2}}} .$$
- Lässt man den Einschwingungsvorgang $($abgeschlossen bei $t = T_{\rm A})$ außer Betracht, so ergibt sich mit $\tau = T_{\rm A}$ $($Phase: $90^\circ)$ folgender Zusammenhang zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal:
- $$y(t) = 2 \cdot x( {t - T_{\rm A} } ).$$
- Das heißt: Aus der Sinusfunktion wird die Funktion „Minus-Cosinus” mit der Amplitude 2.
