Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/fonts/TeX/fontdata.js

Applets:Pulses & Spectra

From LNTwww

Open Applet in new Tab

Description of the Applet


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 Pulses & Spectra.


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.


Beispiel:  Stellt man einen Rechteckimpuls mit Amplitude A1=1 und äquivalenter Impulsdauer Δt1=1 ein, so ist x1(t) im Bereich 0.5<t<+0.5 gleich 1 und außerhalb dieses Bereichs gleich 0. Die Spektralfunktion X1(f) verläuft si–förmig mit X1(f=0)=1 und der ersten Nullstelle bei f=1.

Soll mit dieser Einstellung ein Rechteckimpuls mit A=K=3 V und Δt=T=2 ms nachgebildet werden, dann sind alle Signalwerte mit K=3 V und alle Spektralwerte mit KT=0.006 V/Hz zu multiplizieren. Der maximale Spektralwert ist dann X(f=0)=0.006 V/Hz und die erste Nullstelle liegt bei f=1/T=0.5 kHz.


Theoretic Background


Zusammenhang x(t)X(f)

  • Der Zusammenhang zwischen Zeitfunktion x(t) und dem Spektrum X(f) ist durch das erste Fourierintegral gegeben:
X(f)=FT[x(t)]=+x(t)ej2πftdtFT: Fouriertransformation.
  • Um aus der Spektralfunktion X(f) die Zeitfunktion x(t) berechnen zu können, benötigt man das zweite Fourierintegral:
x(t)=IFT[X(f)]=+X(f)e+j2πftdfIFT:Inverse Fouriertransformation.
  • In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen. Somit gilt:
x(t)=+X(f)cos(2πft)df     X(f)=+x(t)cos(2πft)dt.
  • x(t) und X(f) haben unterschiedliche Einheiten, z. B. x(t) in V, X(f) in V/Hz.
  • Der Zusammenhang zwischen diesem Modul "Impulse & Spektren" und dem ähnlich aufgebauten Applet Frequenzgang & Impulsantwort basiert auf dem Vertauschungssatz.
  • Alle Zeiten sind auf eine Normierungszeit T normiert und alle Frequenzen auf 1/T die Spektralwerte X(f) müssen noch mit der Normierungszeit T multipliziert werden.


Beispiel:  Stellt man einen Rechteckimpuls mit Amplitude A1=1 und äquivalenter Impulsdauer Δt1=1 ein, so ist x1(t) im Bereich 0.5<t<+0.5 gleich 1 und außerhalb dieses Bereichs gleich 0. Die Spektralfunktion X1(f) verläuft si–förmig mit X1(f=0)=1 und der ersten Nullstelle bei f=1.

Soll mit dieser Einstellung ein Rechteckimpuls mit A=K=3 V und Δt=T=2 ms nachgebildet werden, dann sind alle Signalwerte mit K=3 V und alle Spektralwerte mit KT=0.006 V/Hz zu multiplizieren. Der maximale Spektralwert ist dann X(f=0)=0.006 V/Hz und die ersteNullstelle liegt bei f=1/T=0.5 kHz.


Gaussian Pulse

  • Die Zeitfunktion des Gaußimpulses mit der Höhe K und der (äquivalenten) Dauer Δt lautet:
x(t)=Keπ(t/Δt)2.
  • Die äquivalente Zeitdauer Δt ergibt sich aus dem flächengleichen Rechteck.
  • Der Wert bei t=Δt/2 ist um den Faktor 0.456 kleiner als der Wert bei t=0.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔteπ(fΔt)2.
  • Je kleiner die äquivalente Zeitdauer Δt ist, um so breiter und niedriger ist das Spektrum   ⇒   Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer.
  • Sowohl x(t) als auch X(f) 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 x(t) bereits bei t=1.5Δt auf weniger als 0.1% des Maximums abgefallen.

Rectangular Pulse

  • Die Zeitfunktion des Rechteckimpulses mit der Höhe K und der (äquivalenten) Dauer Δt lautet:
x(t)={KK/20f¨urf¨urf¨ur|t|<T/2,|t|=T/2,|t|>T/2.
  • Der ±Δt/2–Wert liegt mittig zwischen links- und rechtsseitigem Grenzwert.
  • Für die Spektralfunktion erhält man entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation (1. Fourierintegral):
X(f)=KΔtsi(πΔtf)mit si(x)=sin(x)x.
  • Der Spektralwert bei f=0 ist gleich der Rechteckfläche der Zeitfunktion.
  • Die Spektralfunktion besitzt Nullstellen in äquidistanten Abständen 1/Δt.
  • Das Integral über der Spektralfunktion X(f) ist gleich dem Signalwert zum Zeitpunkt t=0, also der Impulsamplitude K.

Triangular Pulse

  • Die Zeitfunktion des Dreieckimpulses mit der Höhe K und der (äquivalenten) Dauer Δt lautet:
x(t)={K(1|t|Δt)0f¨urf¨ur|t|<Δt,|t|Δt.
  • Die absolute Zeitdauer ist 2Δt; diese ist doppelt so groß als die des Rechtecks.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔfsi2(πΔtf)mit si(x)=sin(x)x.
  • Obige Zeitfunktion ist gleich der Faltung zweier Rechteckimpulse, jeweils mit Breite Δt
  • Daraus folgt: X(f) beinhaltet anstelle der si-Funktion die si2-Funktion.
  • X(f) weist somit ebenfalls Nullstellen im äquidistanten Abständen 1/Δf auf.
  • Der asymptotische Abfall von X(f) erfolgt hier mit 1/f2, während zum Vergleich der Rechteckimpuls mit 1/f abfällt.


Trapezoidal Pulse

Die Zeitfunktion des Trapezimpulses mit der Höhe K und den Zeitparametern t1 und t2 lautet:

x(t)={KKt2|t|t2t10f¨urf¨urf¨ur|t|t1,t1|t|t2,|t|t2.
  • Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt: Δt=t1+t2.
  • Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
r=t2t1t2+t1.
  • Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteckimpuls der Sonderfall r=1 dem Dreieckimpuls.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔtsi(πΔtf)si(πrΔtf)mit si(x)=sin(x)x.
  • Der asymptotische Abfall von X(f) liegt zwischen 1/f (für Rechteck, r=0) und 1/f2 (für Dreieck, r=1).

Cosine-rolloff Pulse

Die Zeitfunktion des Cosinus-Rolloff-Impulses mit der Höhe K und den Zeitparametern t1 und t2 lautet:

x(t)={KKcos2(|t|t1t2t1π2)0f¨urf¨urf¨ur|t|t1,t1|t|t2,|t|t2.
  • Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt: Δt=t1+t2.
  • Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
r=t2t1t2+t1.
  • Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteckimpuls der Sonderfall r=1 dem Cosinus-Quadrat-Impuls .
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔtcos(πrΔtf)1(2rΔtf)2si(πΔtf).
  • Je größer der Rolloff-Faktor r ist, desto schneller nimmt X(f) asymptotisch mit f ab.

Cosinus-Quadrat-Impuls ?????

  • Dies ist ein Sonderfall des Cosinus-Rolloff-Impulses und ergibt sich für r=1t1=0,t2=Δt:
x(t)={Kcos2(|t|π2Δt)0f¨urf¨ur|t|<Δt,|t|Δt.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔfπ4[si(π(Δtf+0.5))+si(π(Δtf0.5))]si(πΔtf).
  • Wegen der letzten si-Funktion ist X(f)=0 für alle Vielfachen von F=1/Δt. Die äquidistanten Nulldurchgänge des Cos-Rolloff-Impulses bleiben erhalten.
  • Aufgrund des Klammerausdrucks weist X(f) nun weitere Nulldurchgänge bei f=±1.5F, ±2.5F, ±3.5F, ... auf.
  • Für die Frequenz f=±F/2 erhält man die Spektralwerte KΔt/2.
  • Der asymptotische Abfall von X(f) verläuft in diesem Sonderfall mit 1/f3.

Vorschlag für die Versuchsdurchführung ????


"Rot" bezieht sich stets auf den ersten Parametersatz   ⇒   x1(t) X1(f) und "Blau" den zweiten   ⇒   x2(t) X2(f).

(1)   Vergleichen Sie den roten Gaußimpuls (A1=1,Δt1=1) mit dem blauen Rechteckimpuls (A2=1,Δt2=1)   ⇒   Voreinstellung.
Welche Unterschiede erkennt man im Zeit- und im Frequenzbereich?


  • Der Gaußimpuls reicht sowohl im Zeit– als auch im Frequenzbereich theoretisch bis ins Unendliche. Praktisch sind aber x1(t) für |t|>1.5 und X1(t) für |f|>1.5 nahezu Null.
  • Der Rechteckimpuls ist zeitlich steng begrenzt: x2(|t|0.5)0, während X2(f) in einem sehr viel größeren Bereich als X1(f) betragsmäßige Anteile besitzt.
  • Es gilt X1(f=0)=X2(f=0), weil das Integral über den Gaußimpuls x1(t) wie das Integral über den Rechteckimpuls x2(t).


(2)   Vergleichen Sie den roten Gaußimpuls (A1=1,Δt1=1) mit dem blauen Rechteckimpuls (A2=1,Δt2) und variieren Sie Δt2 zwischen 0.5 und 2. Interpretieren Sie die dargestellten Graphen.


  • Man erkennt das Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer. Je größer die äquivalente Impulsdauer Δt2 ist, um so höher und schmäler ist die Spektralfunktion X2(f).
  • Da bei jeder Einstellung von Δt2 die Zeitsignalwerte bei t=0 von x1(t) und x2(t) sind auch die Integrale über X1(f) und X2(f) identisch.


(3)   Vergleichen Sie den roten Rechteckimpuls (A1=1,Δt1=1) mit dem blauen Rechteckimpuls (A2=1,Δt2=0.5) und variieren Sie anschließend Δt2 zwischen 0.05 und 2. Interpretieren Sie die dargestellten Graphen und extrapolieren Sie das Ergebnis.


  • Mit Δt2=0.5 ist X2(f=0)=X1(f=0)=1. Das blaue Spektrum ist aber nun doppelt so breit, das heißt, dass sie erste Nullstelle von X2(f) erst bei f=2 auftritt, während X1(f) die x–Achse schon bei f=1 schneidet.
  • Verkleinert man Δt2 immer mehr, so wird X2(f) immer niedriger und breiter. Bei Δt2=0.05 ist X2(f=0)=0.1 und es ergibt sich ein sehr flacher Verlauf. Beispielsweise ist X2(f=±3)=0.096.
  • Würde man Δt2=ε wählen (was bei dem Programm nicht möglich ist), so wäre im Grenzübergang ε0 das Spektrum X2(f)=2ε (für A=2) bzw. X2(f)=ε (für A=1) nahezu konstant, aber sehr klein.
  • Erhöht man dafür die Amplitude auf A=1/ε, so ergibt sich die konstante Spektralfunktion X2(f)=1 der Diracfunktion δ(t) (im Zeitbereich).
  • Das bedeutet, dass δ(t) durch ein Rechteck der Breite Δt=ε0 und der Höhe A=1/ε approximiert werden kann. Die Impulsfläche ist dann Eins, was dem Gewicht der Diracfunktion entspricht:   x(t)=1δ(t).


(4)   Vergleichen Sie den roten Rechteckimpuls (A1=1,Δt1=1) mit dem blauen Dreieckimpuls (A2=1,Δt2=1) und interpretieren Sie deren Spektalfunktionen.


  • Das (normierte) Spektrum des Rechteckimpulses x1(t) mit den (normierte) Parametern A1=1 und Δt1=1 lautet X1(f)=si(πf).
  • Faltet man den Rechteckimpuls x1(t) mit sich selbst, so kommt man zum Dreieckimpuls x2(t)=x1(t)x1(t). Nach dem Faltungssatz gilt dann X2(f)=X1(f)X1(f)=X1(f)2.
  • Durch das Quadrieren der si–förmigen Spektralfunktion X1(f) bleiben die Nullstellen in X2(f) erhalten. Es gilt aber nun X2(f)0.


(5)   Vergleichen Sie den roten Trapezimpuls (A1=1,Δt1=1,r1=0.5) mit dem blauen Dreieckimpuls (A2=1,Δt2=1) und und variieren Sie r1 zwischen 0 und 1. Interpretieren Sie die Spektalfunktion X1(f).


  • Der Trapezimpuls mit dem Rolloff-Faktor r=0 ist identsisch mit dem Rechteckimpuls und das "normierte Spektrum" lautet: X1(f)=si(πf).
  • Der Trapezimpuls mit dem Rolloff-Faktor r=1 ist identsisch mit dem Dreieckimpuls und das "normierte Spektrum" lautet: X1(f)=si2(πf).
  • In beiden Fällen besitzt X1(f) äquidistante Nulldurchgänge bei ±1, ±2, ... Sonst gibt es keine Nulldurchgänge.

Mit 0<r1<1 gibt es dagegen zusätzliche Nulldurchgänge, deren Lagen von r1 abhängen.


(6)   Vergleichen Sie den roten Trapezimpuls (A1=1,Δt1=1,r1=0.5) mit dem blauen Cosinus-Rolloff-Impuls (A2=1,Δt2=1.0,r1=0.5) und und variieren Sie r2 zwischen 0 und 1. Interpretieren Sie die Spektalfunktion X2(f) für r2=0.7.


  • Der Vergleich von Trapezimpuls x1(t) und Cosinus-Rolloff-Impuls x2(t) bei gleichem Rolloff-Faktor r=0.5 zeigt, dass X2(f) für f>1 größere betragsmäßige Anteile besitzt als ist X1(f).
  • Bei gleichem Rolloff-Faktor r1=r2=0.5 verläuft der Flankenabfall des Cosinus-Rolloff-Impulses x2(t) um die Frequenz f=0.5 steiler als der Flankenabfall des Trapezimpulses x2(t). Mit r1=0.5 und r2=0.7 gilt x1(t)x2(t) und damit auch X1(f)X2(f).


(7)   Vergleichen Sie den roten Trapezimpuls (A1=1,Δt1=1,r1=1) mit dem blauen Cosinus-Rolloff-Impuls (A2=1,Δt2=1.0,r1=1). Interpretieren Sie die Funktionen x1(t) und X1(f).


  • Es handelt sich bei x1(t)=cos2(|t|π/2)  für |t|1 um den Cosinus-Quadrat-Impuls.
  • Wegen Δt=1 besitzt X1(f) Nulldurchgänge bei ±1, ±2, ...
  • Weitere Nulldurchgänge gibt es bei f=±1.5, ±2.5, ±3.5, ... , nicht jedoch bei ±0.5.
  • Für die Frequenz f=±0.5 erhält man die Spektralwerte 0.5.
  • Der asymptotische Abfall von X1(f) verläuft in diesem Sonderfall mit 1/f3.


Zur Handhabung des Programms


fehlt noch

About the authors

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.

Nochmalige Aufrufmöglichkeit des Applets in neuem Fenster ???

Open Applet in new Tab