Aufgabe 2.6: Zweiwegekanal

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Impulsantwort des Zweiwegekanals

Der so genannte Zweiwegekanal wird durch folgende Impulsantwort charakterisiert  $($mit  $T_1 < T_2)$:

$$h(t) = z_1 \cdot \delta ( t - T_1) + z_2 \cdot \delta ( t - T_2).$$
  • Bis auf wenige Kombinationen der Systemparameter  $z_1$,  $T_1$,  $z_2$  und  $T_2$  wird dieser Kanal zu linearen Verzerrungen führen.
  • Man spricht nur dann von einem verzerrungsfreien Kanal, wenn durch ihn kein einziges Eingangssignal verzerrt wird. Das bedeutet:   Auch bei verzerrendem Kanal kann es Sonderfälle geben, bei denen tatsächlich  $y(t) = \alpha \cdot x(t - \tau)$  gilt.


Als Testsignale werden an den Systemeingang angelegt:

  • ein  Diracpuls  $x_1(t)$  im Zeitabstand  $T_0 = 1 \ \rm ms$, dessen Spektralfunktion  $X_1(f)$  ebenfalls ein Diracpuls ist, und zwar mit Abstand  $f_0 = 1/T_0 = 1 \ \rm kHz$:
$$x_1(t) = \sum_{n = - \infty}^{+\infty} \delta ( t - n \cdot T_0) ,\hspace{0.5cm} X_1(f) = T_0 \cdot \sum_{k = - \infty}^{+\infty} \delta ( f - k \cdot f_0) ,$$
  • ein Cosinussignal mit der Frequenz  $f_2 = 250 \ \rm Hz$:
$$x_2(t) = \cos(2 \pi \cdot f_2 \cdot t) ,$$
  • die Summe zweier Cosinussignale mit den Frequenzen  $f_2 = 250 \ \rm Hz$  und  $f_3 = 1250 \ \rm Hz$:
$$x_3(t) = \cos(2 \pi \cdot f_2 \cdot t) + \cos(2 \pi \cdot f_3 \cdot t) .$$





Please note:

  • Um Ihnen Rechnungen zu ersparen, geben wir das Ergebnis für den Parametersatz  $\big [z_1 = 1$,  $T_1 = 0$,  $z_2 =0.5$,  $T_2 = 1 \ \rm ms\big ]$  an:
$$|H(f = f_2)| = |H(f = f_3)| = \sqrt{1.25} \approx 1.118, \; \; \; \; b(f = f_2) = b(f = f_3) = \arctan (0.5) \approx 0.464.$$


Questions

1

Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?

Der Parametersatz  $\big[z_1 = 1$, $T_1 = 0$, $z_2 =0 \big]$  ist der einzig mögliche zur Beschreibung des idealen Kanals.
Jeder verzerrungsfreie Kanal wird durch die beiden Kombinationen  $\big[z_1 \ne 0, \; z_2 = 0 \big]$  bzw.  $\big[z_1 = 0, \; z_2 \ne 0 \big]$  erfasst.
Die Werte  $\big[z_1 \ne 0\big]$  und  $\big[z_2 \ne 0\big]$  führen zu einem verzerrungsfreien Kanal, wenn  $T_1$  und  $T_2$  bestmöglich angepasst sind.

2

Es gelte  $\big[z_1 = 1$,  $T_1 = 0$,  $z_2 =0.5$,  $T_2 = 1 \ \rm ms\big ]$.  Berechnen Sie den Frequenzgang  $H(f)$  dieses Kanals.
Welche Werte gibt es bei Vielfachen von  $1 \ \rm kHz$?

${\rm Re}\big[H(f = n \cdot 1 \ {\rm kHz})\big] \ = \ $

${\rm Im}\big[H(f = n \cdot 1 \ {\rm kHz})\big] \ = \ $

3

Am Eingang des Systems mit gleichen Parametern wie in Teilaufgabe  (2)  liegt nun der Diracpuls  $x_1(t)$  an.
Welche Aussagen treffen für das Ausgangssignal  $y_1(t)$  zu?

$y_1(t)$  ist gegenüber  $x_1(t)$  um eine Konstante gedämpft/verstärkt.
$y_1(t)$  ist gegenüber  $x_1(t)$  verschoben.
$y_1(t)$  weist gegenüber  $x_1(t)$  Verzerrungen auf.

4

Berechnen Sie das Signal  $y_2(t)$  als Systemantwort auf das Cosinussignal  $x_2(t)$.   Welcher Signalwert tritt zum Zeitpunkt  $t = 0$  auf?

$y_2(t = 0) \ = \ $

5

Welche Aussagen treffen bezüglich der Signale  $x_3(t)$  und  $y_3(t)$  zu?

$y_3(t)$  weist gegenüber  $x_3(t)$  keine Verzerrungen auf.
$y_3(t)$  weist gegenüber  $x_3(t)$  Dämpfungsverzerrungen auf.
$y_3(t)$  weist gegenüber  $x_3(t)$  Phasenverzerrungen auf.


Solutions

(1)  Richtig sind die Aussagen 1 und 2:

  • Mit  $z_1 = 1$, $T_1 = 0$, $z_2 =0$  ist  $h(t) = \delta(t)$  und dementsprechend  $H(f) = 1$, so dass stets  $y(t) = x(t)$  gelten wird.
  • Jede verzerrungsfreie Kanalimpulsantwort  $h(t)$  besteht aus einer einzigen Diracfunktion, zum Beispiel bei  $t = T_1$.
  • Dieser Fall ist im Modell durch  $z_2 =0$  berücksichtigt. Damit lautet der Frequenzgang:
$$H(f)= z_1\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f T_1} \ \Rightarrow \ y(t) = z_1 \cdot x(t- T_1).$$
  • Dagegen wird der Kanal immer dann zu linearen Verzerrungen führen, wenn gleichzeitig  $z_1$  und  $z_2$  von Null verschieden sind.


(2)  Die Fouriertransformation der Impulsantwort  $h(t)$  führt auf die Gleichung:

$$H(f) = z_1\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f T_1}+ z_2\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f T_2} .$$
  • Mit  $z_1 = 1$, $T_1 = 0$, $z_2 =0.5$  und  $T_2 = 1 \ \rm ms$  erhält man daraus:
$$H(f) =1 + 0.5 \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f T_2}.$$
  • Aufgeschlüsselt nach Real– und Imaginärteil liefert dies:
$${\rm Re}\big[H(f)\big] = 1 + 0.5 \cdot \cos(2 \pi f \cdot 1\,{\rm ms}) \ \Rightarrow \ \underline{{\rm Re}[H(f = f_1 =1 \ \rm kHz)] = 1.5}, $$
$${\rm Im}\big[H(f)\big] = -0.5 \cdot \sin(2 \pi f \cdot 1\,{\rm ms}) \ \Rightarrow \ \underline{{\rm Im}\big[H(f = f_1 =1 \ \rm kHz)\big] = 0}, $$


(3)  Richtig ist nur die erste Antwort:

  • Aus  (2)  folgt für alle Vielfachen von  $f_1 =1 \ \rm kHz$  die Betragsfunktion  $|H(f)| = 1.5$  und die Phasenfunktion  $b(f) \equiv 0$.
  • Damit ist für diese diskreten Frequenzwerte auch die Phasenlaufzeit jeweils Null.
  • Da aber das Spektrum  $X_1(f)$  des Diracpulses genau bei diesen Frequenzen Spektrallinien aufweist, gilt  $y_1(t) = 1.5 \cdot x_1(t)$.


(4)  Die Betragsfunktion lautet:

$$|H(f)| = \sqrt{{\rm Re}[H(f)]^2 + {\rm Im}[H(f)]^2} $$
$$\Rightarrow \; |H(f)| = \sqrt{1 + 0.25 \cdot \cos^2(2 \pi f \cdot T_2)+ \cos(2 \pi f \cdot T_2) + 0.25 \cdot \sin^2(2 \pi f \cdot T_2)} = \sqrt{1.25 + \cos(2 \pi f \cdot T_2) }.$$
  • Für die Frequenz  $f_2 =0.25 \ \rm kHz$  erhält man somit:
$$|H(f)| = \sqrt{1.25 + \cos(\frac{\pi}{2} ) }= \sqrt{1.25} = 1.118.$$
  • Die Phasenfunktion lautet allgemein bzw. bei der Frequenz  $f_2 =0.25 \ \rm kHz$:
$$b(f) = - {\rm arctan}\hspace{0.1cm}\frac{{\rm Im}[H(f)]}{{\rm Re}[H(f)]} = - {\rm arctan}\hspace{0.1cm}\frac{-0.5 \cdot \sin(2 \pi f T_2)}{1+0.5 \cdot \cos(2 \pi f T_2)},$$
$$b(f = f_2) = - {\rm arctan}\hspace{0.1cm}\frac{-0.5 \cdot \sin( \pi/2)}{1+0.5 \cdot \cos(\pi/2)}={\rm arctan}\hspace{0.1cm}\frac{0.5}{1} = 0.464.$$
  • Damit beträgt die Phasenlaufzeit für diese Frequenz:
$$\tau_2 = \frac {b(f_2)}{2 \pi f_2} = \frac {0.464}{2 \pi \cdot 0.25\,{\rm kHz}} \approx 0.3\,{\rm ms},$$
  • Für das Ausgangssignal gilt somit:
$$y_2(t) = 1.118 \cdot \cos(2 \pi \cdot 0.25\,{\rm kHz}\cdot (t - 0.3\,{\rm ms})).$$
  • Der Signalwert zum Nullzeitpunkt ist somit:
$$y_2(t=0) = 1.118 \cdot \cos(-2 \pi \cdot 0.25\,{\rm kHz} \cdot 0.3\,{\rm ms}) \approx 1.118 \cdot 0.891 \hspace{0.15cm}\underline{= 0.996}.$$


(5)  Beide Frequenzen haben den gleichen Dämpfungsfaktor  $\alpha = 1.118$ , daher sind keine Dämpfungsverzerrungen festzustellen.

  • Mit  $f_3 = 1.25 \ \rm kHz$  und  $T_2 = 1 \ \rm ms$  ergibt sich für die Phasenfunktion:
$$b(f = f_3) = - {\rm arctan}\hspace{0.1cm}\frac{-0.5 \cdot \sin( 2.5 \pi)}{1+0.5 \cdot \cos(2.5 \pi)}= 0.464 = b(f = f_2),$$
also genau der gleiche Wert wie bei der Frequenz  $f_2 = 0.25 \ \rm kHz$.
  • Trotzdem kommt es aber nun zu Phasenverzerrungen, da für  $f_3$  die Phasenlaufzeit nur mehr  $\tau = 60 \ µ \rm s$  beträgt.
  • Für das Ausgangssignal kann also geschrieben werden:
$$y_3(t) = 1.118 \cdot \cos(2 \pi f_2 \cdot (t - 0.3\,{\rm ms}) + 1.118 \cdot \cos(2 \pi f_3 \cdot (t - 0.06\,{\rm ms})$$
$$\Rightarrow \; \; y_3(t) = 1.118 \cdot \cos(2 \pi f_2 \cdot t - 27^\circ) + 1.118 \cdot \cos(2 \pi f_3 \cdot t - 27^\circ).$$

Richtig ist demnach die Antwort 3:

  • Es gibt also Phasenverzerrungen, obwohl für beide Schwingungen  $\varphi_2 = \varphi_3= 27^\circ$  gilt.
  • Damit keine Phasenverzerrungen auftreten, müssten
    • die Phasenlaufzeiten $\tau_2$ und $\tau_3$ gleich sein, und
    • die Phasenwerte  $\varphi_2$  und  $\varphi_3$  linear mit den zugehörigen Frequenzen ansteigen.