Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.2Z: Multiplication with a Sine Signal"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Unterschiede und Gemeinsamkeiten von TP- und BP-Signalen
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{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Differences_and_Similarities_of_Low-Pass_and_Band-Pass_Signals
 
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[[File:P_ID697__Sig_Z_4_2_neu.png|right|]]
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[[File:P_ID697__Sig_Z_4_2_neu.png|right|frame|Spectral functions  $Q(f)$  and  $Z(f)$]]
Betrachtet wird ein periodisches Nachrichtensignal $q(t)$, dessen Spektralfunktion $Q(f)$ im oberen Bild zu sehen ist.
+
A periodic message signal  $q(t)$  is considered, whose spectral function  $Q(f)$  can be seen in the upper graph.
  
Eine Multiplikation mit dem dimensionslosen Träger $z(t)$, dessen Spektrum $Z(f)$ ebenfalls dargestellt ist, führt zum Signal
+
A multiplication with the dimensionless carrier  $z(t)$, whose spectrum  $Z(f)$  is also shown, leads to the signal  $s(t) = q(t) \cdot z(t).$
:$$s(t) = q(t) \cdot z(t).$$
 
In dieser Aufgabe soll die Spektralfunktion $S(f)$ dieses Signals ermittelt werden, wobei die Lösung entweder im Zeit- oder im Frequenzbereich erfolgen kann.
 
  
<b>Hinweis:</b> Diese Aufgabe bezieht sich auf den Lehrstoff von [http://en.lntwww.de/Signaldarstellung/Unterschiede_und_Gemeinsamkeiten_von_TP-_und_BP-Signalen Kapitel 4.1].
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In this task, the spectral function&nbsp; $S(f)$&nbsp; of this signal is to be determined, whereby the solution can be either in the time or frequency domain.
  
  
===Fragebogen===
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''Hint:''
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Differences_and_Similarities_of_Low-Pass_and_Band-Pass_Signals|Differences and Similarities of Low-Pass and Band-Pass Signals]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Geben Sie das Quellensignal $q(t)$ in analytischer Form an. Welche Werte ergeben sich für $t = 0$ und $t = 0.125 \text{ms}$?
+
{Give the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; in analytical form.&nbsp; Which values result for&nbsp; $t = 0$&nbsp; und&nbsp; $t = 0.125\, \text{ms}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$q(t = 0)$ = { 4 3% } $\text{V}$
+
$q(t = 0)\ = \ $ { 4 3% } &nbsp;$\text{V}$
$q(t = 0.125 \text{ms})$ = { 0.828 3% } $\text{V}$
+
$q(t = 0.125 \,\text{ms})\ = \ $ { 0.828 3% } $\text{V}$
  
  
{Wie lautet das Trägersignal $z(t)$? Wie groß ist dessen Maximalwert?
+
{What is the (dimensionless) carrier signal&nbsp; $z(t)$?&nbsp; What is its maximum value?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$z_{max}$ = { 6 3% }
+
$z_{\rm max}\ = \ $ { 6 3% }
  
  
{Berechnen Sie die Spektrum $S(f)$ getrennt nach Real– und Imaginärteil. Bei welchen Frequenzen gibt es Diraclinien mit einem Realteil $\neq 0$?
+
{Calculate the spectrum&nbsp; $S(f)$&nbsp; separately for real and imaginary parts.&nbsp; At which frequencies are there lines with a non-zero real part?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ $3\ \text{kHz}$
+
+ $3\ \text{kHz},$
- $4\ \text{kHz}$
+
- $4\ \text{kHz},$
- $5\ \text{kHz}$
+
- $5\ \text{kHz},$
- $6\ \text{kHz}$
+
- $6\ \text{kHz},$
+ $7\ \text{kHz}$
+
+ $7\ \text{kHz}.$
  
  
  
{Bei welchen Frequenzen treten rein imaginäre Spektrallinien auf?
+
{At which frequencies do purely imaginary spectral lines occur?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- $3\ \text{kHz}$
+
- $3\ \text{kHz},$
+ $4\ \text{kHz}$
+
+ $4\ \text{kHz},$
- $5\ \text{kHz}$
+
- $5\ \text{kHz},$
+ $6\ \text{kHz}$
+
+ $6\ \text{kHz},$
- $7\ \text{kHz}$
+
- $7\ \text{kHz}.$
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''  Das Nachrichtensignal lässt sich mit den Abkürzungen $f_1 = 1 \text{kHz}$ und $T_1 = 1/f_1 = 1 \text{ms}$ wie folgt darstellen (beachten Sie, dass $f_2 = 2f_1$ gilt):
+
'''(1)'''&nbsp; The source signal can be represented with the abbreviations&nbsp; $f_1 = 1\ \text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $T_1 = 1/f_1 = 1 \ \text{ms}$&nbsp; as follows&nbsp; $($&nbsp; $f_2 = 2f_1 applies)$:
 
:$$q(t ) = 4\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
:$$q(t ) = 4\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
  \cdot  {\cos} ( 2 \pi f_1 t) - 2\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
  \cdot  {\cos} ( 2 \pi f_1 t) - 2\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
  \cdot  {\sin} ( 4 \pi f_1 t)=
 
  \cdot  {\sin} ( 4 \pi f_1 t)=
 
  4\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
  4\hspace{0.05cm}{\rm V}
  \cdot  {\cos} ( 2 \pi \frac{t}{T_1}) - 2\hspace{0.05cm}{\rm V}
+
  \cdot  {\cos} ( 2 \pi {t}/{T_1}) - 2\hspace{0.05cm}{\rm V}
  \cdot  {\sin} ( 4 \pi \frac{t}{T_1}) .$$
+
  \cdot  {\sin} ( 4 \pi {t}/{T_1}) .$$
Zum Zeitpunkt $t = 0$ verschwindet der zweite Anteil und es ergibt sich $q(t = 0) \underline{= 4 \text{V}}$. Dagegen erhält man für $t = 0.125 \text{ms} = T_1/8$:
+
*At time&nbsp; $t = 0$&nbsp;, the second component disappears and&nbsp; $q(t = 0)\; \underline{= 4 \ \text{V}}$.  
 +
*On the other hand, for&nbsp; $t = 0.125 \ \text{ms} = T_1/8$ is obtained:
 
:$$q(t = 0.125{\rm ms})  =  4\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
:$$q(t = 0.125{\rm ms})  =  4\hspace{0.05cm}{\rm V}
  \cdot  {\cos} ( \frac{\pi}{4}) - 2\hspace{0.05cm}{\rm V}
+
  \cdot  {\cos} ( {\pi}/{4}) - 2\hspace{0.05cm}{\rm V}
  \cdot  {\sin} ( \frac{\pi}{2}) = \frac
+
  \cdot  {\sin} ( {\pi}/{2}) = \frac
 
  {4\hspace{0.05cm}{\rm V}}{\sqrt{2}} - 2\hspace{0.05cm}{\rm V} \hspace{0.15 cm}\underline{=
 
  {4\hspace{0.05cm}{\rm V}}{\sqrt{2}} - 2\hspace{0.05cm}{\rm V} \hspace{0.15 cm}\underline{=
 
  0.828 \hspace{0.05cm}{\rm V}}.$$
 
  0.828 \hspace{0.05cm}{\rm V}}.$$
  
'''2.''' Entsprechend dem rein imaginären Spektrum $Z(f)$ und den Impulsgewichten $\pm 3$ muss gelten:
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; According to the purely imaginary spectrum&nbsp; $Z(f)$&nbsp; and the impulse weights&nbsp; $\pm 3$&nbsp; must hold:
 
:$$z(t )  = 6 \cdot  {\sin} ( 2 \pi \cdot 5\hspace{0.05cm}{\rm
 
:$$z(t )  = 6 \cdot  {\sin} ( 2 \pi \cdot 5\hspace{0.05cm}{\rm
 
kHz})\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} z_{\rm max}\hspace{0.15 cm}\underline{ = 6} .$$
 
kHz})\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} z_{\rm max}\hspace{0.15 cm}\underline{ = 6} .$$
  
'''3.''' und '''4.''' Die Spektralfunktion $S(f)$ ergibt sich aus der Faltung zwischen $Q(f)$ und $Z(f)$. Man erhält:
+
 
 +
[[File:EN_Sig_Z_4_2_c_neu.png|right|frame|Discrete band-pass spectrum]]
 +
'''(3)'''&nbsp; The spectral function&nbsp; $S(f)$&nbsp; results from the convolution between&nbsp; $Q(f)$&nbsp; and&nbsp; $Z(f)$. One obtains:
 
:$$S(f)  = - 3{\rm j} \cdot Q(f- f_{\rm T}) + 3{\rm j} \cdot Q(f+
 
:$$S(f)  = - 3{\rm j} \cdot Q(f- f_{\rm T}) + 3{\rm j} \cdot Q(f+
 
f_{\rm T}).$$
 
f_{\rm T}).$$
[[File:P_ID706__Sig_Z_4_2_c.png|right|]]
+
This results in spectral lines at
Es ergeben sich Spektrallinien bei $3\ \text{kHz}\ (–3V), 4\ \text{kHz} (–j \cdot 6V), 6\ \text{kHz} (–j \cdot 6V)$ sowie $7\ \text{kHz}\ (–3V)$, und dazu noch die konjugiert–komplexen Anteile bei negativen Frequenzen:
+
*$3\ \text{kHz}\ (–3\ {\rm V})$,  
 +
*$4\ \text{kHz} (–{\rm j} \cdot 6\ {\rm V})$,  
 +
*$6\ \text{kHz} (–{\rm j} \cdot 6\ {\rm V})$,
 +
* $7\ \text{kHz}\ (–3\ {\rm V})$.
  
:* Teilaufgabe (3): Linien mit reellen Gewichten bei $\underline{\pm 3 \text{kHz}}$ <u>und</u> $\underline{\pm 7 \text{kHz}}$,
+
 +
Plus the conjugate-complex components at negative frequencies.
  
:* Teilaufgabe (4): Imaginäre Linien bei $\underline{\pm 4 \text{kHz}}$ <u>und</u> $\underline{\pm 6 \text{kHz}}$.
+
Lines with real weights at&nbsp; $\underline{\pm 3 \ \text{kHz}}$&nbsp; <u>and</u>&nbsp; $\underline{\pm 7 \ \text{kHz}}$.
  
Eine alternative Möglichkeit zur Lösung dieser Aufgabe ist die Anwendung trigonometrischer Gleichungen. Im Folgenden bezeichnet zum Beispiel $f_5 = 5 \text{kHz}$. Dann gilt:
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'''(4)'''&nbsp;  Imaginary lines appear at&nbsp; $\underline{\pm 4 \ \text{kHz}}$&nbsp; <u>and</u>&nbsp; $\underline{\pm 6 \ \text{kHz}}$.
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An alternative way to solve this problem is to use trigonometric equations.
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In the following, for example,&nbsp; $f_5 = 5 \text{ kHz}$.&nbsp; Then it applies:
 
:$$4\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
:$$4\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
  \cdot  {\cos} ( 2 \pi f_1 \hspace{0.03cm}t) \cdot 3
 
  \cdot  {\cos} ( 2 \pi f_1 \hspace{0.03cm}t) \cdot 3
 
  \cdot  {\sin} ( 2 \pi f_5 \hspace{0.03cm} t)=
 
  \cdot  {\sin} ( 2 \pi f_5 \hspace{0.03cm} t)=
  \frac{12\hspace{0.05cm}{\rm V}}{2}\cdot \left[{\sin} ( 2 \pi f_4 \hspace{0.03cm}
+
  \frac{12\hspace{0.05cm}{\rm V}}{2}\cdot \big[{\sin} ( 2 \pi f_4 \hspace{0.03cm}
  t)+ {\sin} ( 2 \pi f_6 \hspace{0.03cm} t)\right],$$
+
  t)+ {\sin} ( 2 \pi f_6 \hspace{0.03cm} t)\big],$$
 
:$$-2\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
:$$-2\hspace{0.05cm}{\rm V}
 
  \cdot  {\sin} ( 2 \pi f_2 \hspace{0.03cm}t) \cdot 3
 
  \cdot  {\sin} ( 2 \pi f_2 \hspace{0.03cm}t) \cdot 3
 
  \cdot  {\sin} ( 2 \pi f_5 \hspace{0.03cm} t)=
 
  \cdot  {\sin} ( 2 \pi f_5 \hspace{0.03cm} t)=
  \frac{-6\hspace{0.05cm}{\rm V}}{2}\cdot \left[{\cos} ( 2 \pi f_3 \hspace{0.03cm}
+
  \frac{-6\hspace{0.05cm}{\rm V}}{2}\cdot \big[{\cos} ( 2 \pi f_3 \hspace{0.03cm}
  t)+ {\cos} ( 2 \pi f_7 \hspace{0.03cm} t)\right].$$
+
  t)+ {\cos} ( 2 \pi f_7 \hspace{0.03cm} t)\big].$$
Aus der ersten Gleichung ergeben sich folgende Spektrallinien:  
+
 
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*From the first equation, the following spectral lines are obtained:
 +
 
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:* at&nbsp; $+f_4$&nbsp; and&nbsp; $-f_4$&nbsp; with weights&nbsp; $–{\rm j} \cdot 3\ {\rm V}$&nbsp; bzw.&nbsp; $+{\rm j}\cdot 3 \ {\rm V}$ respectively,
 +
 
 +
:* at&nbsp; $+f_6$&nbsp; and&nbsp; $-f_6$&nbsp; with weights&nbsp; $–{\rm j} \cdot 3 \ {\rm V}$&nbsp; bzw.&nbsp; $+{\rm j} \cdot 3 \ {\rm V}$ respectively.
  
:* bei $f_4$ bzw. $–f_4$ mit den Gewichten $–j \cdot 3V$ bzw. $+j \cdot 3V$,
+
*The second equation gives a total of four Dirac delta lines&nbsp; (all&nbsp; $6 \ {\rm V}$, real and negative) at&nbsp; $\pm f_3$&nbsp; and&nbsp; $\pm f_7$.  
  
:* bei $f_6$ bzw. $–f_6$ mit den Gewichten $–j \cdot 3V$ bzw. $+j \cdot 3V$.
 
  
Die zweite Gleichung liefert insgesamt $4$ Diraclinien (alle $6 V$, reell und negativ) bei $\pm f_3$ und $\pm f_7$. Ein Vergleich mit obiger Skizze zeigt, dass beide Lösungswege zum gleichen Ergebnis führen.
+
A comparison with the sketch above shows that both solutions lead to the same result.
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^4. Bandpassartige Signale^]]
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[[Category:Signal Representation: Exercises|^4.1 Differences between Low-Pass and Band-Pass^]]

Latest revision as of 15:21, 18 January 2023

Spectral functions  $Q(f)$  and  $Z(f)$

A periodic message signal  $q(t)$  is considered, whose spectral function  $Q(f)$  can be seen in the upper graph.

A multiplication with the dimensionless carrier  $z(t)$, whose spectrum  $Z(f)$  is also shown, leads to the signal  $s(t) = q(t) \cdot z(t).$

In this task, the spectral function  $S(f)$  of this signal is to be determined, whereby the solution can be either in the time or frequency domain.




Hint:



Questions

1

Give the source signal  $q(t)$  in analytical form.  Which values result for  $t = 0$  und  $t = 0.125\, \text{ms}$?

$q(t = 0)\ = \ $

 $\text{V}$
$q(t = 0.125 \,\text{ms})\ = \ $

$\text{V}$

2

What is the (dimensionless) carrier signal  $z(t)$?  What is its maximum value?

$z_{\rm max}\ = \ $

3

Calculate the spectrum  $S(f)$  separately for real and imaginary parts.  At which frequencies are there lines with a non-zero real part?

$3\ \text{kHz},$
$4\ \text{kHz},$
$5\ \text{kHz},$
$6\ \text{kHz},$
$7\ \text{kHz}.$

4

At which frequencies do purely imaginary spectral lines occur?

$3\ \text{kHz},$
$4\ \text{kHz},$
$5\ \text{kHz},$
$6\ \text{kHz},$
$7\ \text{kHz}.$


Solution

(1)  The source signal can be represented with the abbreviations  $f_1 = 1\ \text{kHz}$  and  $T_1 = 1/f_1 = 1 \ \text{ms}$  as follows  $($  $f_2 = 2f_1 applies)$:

$$q(t ) = 4\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\cos} ( 2 \pi f_1 t) - 2\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\sin} ( 4 \pi f_1 t)= 4\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\cos} ( 2 \pi {t}/{T_1}) - 2\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\sin} ( 4 \pi {t}/{T_1}) .$$
  • At time  $t = 0$ , the second component disappears and  $q(t = 0)\; \underline{= 4 \ \text{V}}$.
  • On the other hand, for  $t = 0.125 \ \text{ms} = T_1/8$ is obtained:
$$q(t = 0.125{\rm ms}) = 4\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\cos} ( {\pi}/{4}) - 2\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\sin} ( {\pi}/{2}) = \frac {4\hspace{0.05cm}{\rm V}}{\sqrt{2}} - 2\hspace{0.05cm}{\rm V} \hspace{0.15 cm}\underline{= 0.828 \hspace{0.05cm}{\rm V}}.$$


(2)  According to the purely imaginary spectrum  $Z(f)$  and the impulse weights  $\pm 3$  must hold:

$$z(t ) = 6 \cdot {\sin} ( 2 \pi \cdot 5\hspace{0.05cm}{\rm kHz})\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} z_{\rm max}\hspace{0.15 cm}\underline{ = 6} .$$


Discrete band-pass spectrum

(3)  The spectral function  $S(f)$  results from the convolution between  $Q(f)$  and  $Z(f)$. One obtains:

$$S(f) = - 3{\rm j} \cdot Q(f- f_{\rm T}) + 3{\rm j} \cdot Q(f+ f_{\rm T}).$$

This results in spectral lines at

  • $3\ \text{kHz}\ (–3\ {\rm V})$,
  • $4\ \text{kHz} (–{\rm j} \cdot 6\ {\rm V})$,
  • $6\ \text{kHz} (–{\rm j} \cdot 6\ {\rm V})$,
  • $7\ \text{kHz}\ (–3\ {\rm V})$.


Plus the conjugate-complex components at negative frequencies.

Lines with real weights at  $\underline{\pm 3 \ \text{kHz}}$  and  $\underline{\pm 7 \ \text{kHz}}$.


(4)  Imaginary lines appear at  $\underline{\pm 4 \ \text{kHz}}$  and  $\underline{\pm 6 \ \text{kHz}}$.

An alternative way to solve this problem is to use trigonometric equations.

In the following, for example,  $f_5 = 5 \text{ kHz}$.  Then it applies:

$$4\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\cos} ( 2 \pi f_1 \hspace{0.03cm}t) \cdot 3 \cdot {\sin} ( 2 \pi f_5 \hspace{0.03cm} t)= \frac{12\hspace{0.05cm}{\rm V}}{2}\cdot \big[{\sin} ( 2 \pi f_4 \hspace{0.03cm} t)+ {\sin} ( 2 \pi f_6 \hspace{0.03cm} t)\big],$$
$$-2\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\sin} ( 2 \pi f_2 \hspace{0.03cm}t) \cdot 3 \cdot {\sin} ( 2 \pi f_5 \hspace{0.03cm} t)= \frac{-6\hspace{0.05cm}{\rm V}}{2}\cdot \big[{\cos} ( 2 \pi f_3 \hspace{0.03cm} t)+ {\cos} ( 2 \pi f_7 \hspace{0.03cm} t)\big].$$
  • From the first equation, the following spectral lines are obtained:
  • at  $+f_4$  and  $-f_4$  with weights  $–{\rm j} \cdot 3\ {\rm V}$  bzw.  $+{\rm j}\cdot 3 \ {\rm V}$ respectively,
  • at  $+f_6$  and  $-f_6$  with weights  $–{\rm j} \cdot 3 \ {\rm V}$  bzw.  $+{\rm j} \cdot 3 \ {\rm V}$ respectively.
  • The second equation gives a total of four Dirac delta lines  (all  $6 \ {\rm V}$, real and negative) at  $\pm f_3$  and  $\pm f_7$.


A comparison with the sketch above shows that both solutions lead to the same result.