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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.6: Even and Odd Time Signals"

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[[File:P_ID516__Sig_A_3_6_neu.png|250px|right|frame|„Keilfunktion” sowie ein gerades und ein ungerades Zeitsignal]]
 
[[File:P_ID516__Sig_A_3_6_neu.png|250px|right|frame|„Keilfunktion” sowie ein gerades und ein ungerades Zeitsignal]]
  
Gesucht ist das Spektrum  X(f)  des nebenstehend skizzierten impulsförmigen Signals  x(t), das im Bereich von  $–T/2$  bis  $+T/2$  linear von  $2\,\text{ V}$  auf  $4\,\text{ V}$  ansteigt und außerhalb Null ist.
+
We are looking for the spectrum  X(f)  of the pulse-shaped signal  x(t) sketched opposite, which rises linearly from  $2\,\text{ V}$  to  $4\,\text{ V}$  in the range from  $–T/2$  to  $+T/2$  and is zero outside.
  
Die Spektralfunktionen der unten dargestellten Signale  g(t)  und  u(t)  werden als bekannt vorausgesetzt:
+
The spectral functions of the signals  g(t)  and  u(t)  shown below are assumed to be known:
*Die gerade, rechteckförmige Zeitfunktion  g(t)  hat das Spektrum
+
*The even, rectangular time function  g(t)  has the spectrum
 
   
 
   
 
:G(f)=AgTsi(πfT)mitsi(x)=sin(x)/x.
 
:G(f)=AgTsi(πfT)mitsi(x)=sin(x)/x.
  
*Das Spektrum der unsymmetrischen Funktion  u(t)  lautet:
+
*The spectrum of the asymmetric function  u(t)  is:
 
   
 
   
 
:U(f)=jAuT2πfT[si(πfT)cos(πfT)].
 
:U(f)=jAuT2πfT[si(πfT)cos(πfT)].
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''Hinweise:''  
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''Hints:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]].
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*This exercise belongs to the chapter  [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws|Fourier Transform Laws]].
*Alle diese Gesetzmäßigkeiten werden im Lernvideo  [[Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation_(Lernvideo)|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]]  an Beispielen verdeutlicht.
+
*All of these laws are illustrated with examples in the learning video  [[Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation_(Lernvideo)|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]] .
*Lösen Sie diese Aufgabe mit Hilfe des  [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Zuordnungssatz|Zuordnungssatzes]].
+
*Solve this task with the help of the  [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Mapping_theorem|mapping theorem]].
*Verwenden Sie für die beiden ersten Teilaufgaben die Signalparameter  Au=1 V  und  T=1 ms.
+
*Use the signal parameters  Au=1 V  and  T=1 ms for the first two subtasks.
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die (rein imaginären) Spektralwerte des unsymmetrischen Signals&nbsp; u(t)&nbsp; bei den Frequenzen&nbsp; f=0.5kHz&nbsp; und&nbsp; f=1kHz.
+
{Calculate the (purely imaginary) spectral values of the unbalanced signal&nbsp; u(t)&nbsp; at the frequencies&nbsp; f=0.5kHz&nbsp; and&nbsp; f=1kHz.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
Im[U(f=0.5kHz)] =  { -0.205--0.195 } &nbsp;mV/Hz
 
Im[U(f=0.5kHz)] =  { -0.205--0.195 } &nbsp;mV/Hz
 
Im[U(f=1.0kHz)] =  { 0.159 3% } &nbsp;mV/Hz
 
Im[U(f=1.0kHz)] =  { 0.159 3% } &nbsp;mV/Hz
  
{Wie groß ist der Spektralwert von&nbsp; u(t)&nbsp; bei der Frequenz&nbsp; f=0? &nbsp; &nbsp;
+
{What is the spectral value of&nbsp; u(t)&nbsp; at the frequency&nbsp; f=0? &nbsp; &nbsp;
''Hinweis'': Lieber denken als rechnen.
+
''Hint'': Think before you calculate.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
Im[U(f=0)] =  { 0. } &nbsp;mV/Hz
 
Im[U(f=0)] =  { 0. } &nbsp;mV/Hz
  
{Berechnen Sie unter Verwendung des Ergebnisses aus&nbsp; '''(1)'''&nbsp; den Spektralwert des Signals&nbsp; x(t)&nbsp; bei der Frequenz&nbsp; f=0.5kHz.  
+
{Using the result from&nbsp; '''(1)'''&nbsp; calculate the spectral value of the signal&nbsp; x(t)&nbsp; at the frequency&nbsp; f=0.5kHz.  
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
Re[X(f=0.5kHz)] =  { 1.91 3% } &nbsp;mV/Hz
 
Re[X(f=0.5kHz)] =  { 1.91 3% } &nbsp;mV/Hz
Line 53: Line 53:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
  
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Für&nbsp; fT=0.5&nbsp; erhält man aus der angegebenen Gleichung:
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'''(1)'''&nbsp;  For&nbsp; fT=0.5&nbsp; one obtains from the given equation:
 
   
 
   
 
:U(f=0.5kHz)=jAuTπsi(π/2)=j2π2AuT.
 
:U(f=0.5kHz)=jAuTπsi(π/2)=j2π2AuT.
  
*Der Imaginärteil ist zahlenmäßig&nbsp;  Im[U(f=0.5kHz)]0.2mV/Hz_.  
+
*The imaginary part is numerically&nbsp;  Im[U(f=0.5kHz)]0.2mV/Hz_.  
*Dagegen liefert die si-Funktion bei&nbsp; fT=1&nbsp; den Wert Null, während der Cosinus gleich&nbsp; 1&nbsp; ist. Damit erhält man mit&nbsp; Au=1V&nbsp; und&nbsp; T=1ms:
+
*In contrast, the si function at&nbsp; fT=1&nbsp; yields the value zero, while the cosine is equal to&nbsp; 1&nbsp;. Thus, with&nbsp; Au=1V&nbsp; and&nbsp; T=1ms one obtains:
 
   
 
   
 
:U(f=1kHz)=jAuT2πRe[...]=0_,Im[...]0.159mV/Hz_.
 
:U(f=1kHz)=jAuT2πRe[...]=0_,Im[...]0.159mV/Hz_.
Line 67: Line 67:
  
  
'''(2)'''&nbsp; Eine ungerade Zeitfunktion&nbsp; u(t)&nbsp; besitzt nach dem Zuordnungssatz stets ein imaginäres und gleichzeitig ungerades Spektrum: &nbsp;  
+
'''(2)'''&nbsp; According to the mapping theorem, an odd time function&nbsp; u(t)&nbsp; always has an imaginary and at the same time odd spectrum &nbsp;  
U(f)=U(f). Mit dem Grenzübergang&nbsp; f&nbsp; folgt aus der angegebenen Gleichung
+
U(f)=U(f). With the boundary transition&nbsp; f&nbsp; follows from the given equation
 
   
 
   
 
:U(f)=jAuT2πfT[si(πfT)cos(πfT)]
 
:U(f)=jAuT2πfT[si(πfT)cos(πfT)]
  
das Ergebnis&nbsp; U(f=0)=0. Formal könnte man dieses Ergebnis durch Anwendung der l'Hospitalschen Regel bestätigen.  
+
the result&nbsp; U(f=0)=0. Formally, one could confirm this result by applying l'Hospital's rule.  
  
Wir gehen etwas pragmatischer vor.  
+
We proceed a little more pragmatically.
*Setzen wir zum Beispiel&nbsp; fT=0.01, so erhält man:
+
*For example, if we set&nbsp; fT=0.01, we obtain:
 
   
 
   
:U(fT=0.01)=jAuT0.02π[si(0.01π)cos(0.01π)]=jAuT0.02π(0.9998360.999507)j5106V/Hz.
+
U(fT=0.01)=jAuT0.02π[si(0.01π)cos(0.01π)]=jAuT0.02π(0.9998360.999507)j5106V/Hz.
  
*Für noch kleinere Frequenzwerte wird auch das Ergebnis immer kleiner.  
+
*For even smaller frequency values, the result also becomes smaller and smaller.
*Schneller kommt man zum Ergebnis&nbsp; U(f=0)=0_, wenn man berücksichtigt, dass das Integral über&nbsp; u(t)&nbsp; verschwindet.  
+
*You get to the result&nbsp; U(f=0)=0_, more quickly if you take into account that the integral over&nbsp; u(t)&nbsp; disappears.  
*Man muss also gar nicht rechnen.
+
*So you don't have to calculate at all.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Das Signal&nbsp; x(t)&nbsp; kann in den geraden und den ungeraden Anteil aufgeteilt werden, die zum geraden Realteil bzw. ungeraden Imaginärteil von&nbsp; X(f)&nbsp; führen:  
+
'''(3)'''&nbsp; The signal&nbsp; x(t)&nbsp; can be divided into the even and the odd part, which lead to the even real part and the odd imaginary part of&nbsp; X(f)&nbsp;:
*Der gerade Anteil ist gleich der Funktion&nbsp; g(t)&nbsp; mit&nbsp; Ag=3V. Daraus folgt für den Realteil des Spektralwertes bei&nbsp; fT=0.5:
+
*The even part is equal to the function&nbsp; g(t)&nbsp; with&nbsp; Ag=3V. From this follows for the real part of the spectral value at&nbsp; fT=0.5:
 
   
 
   
 
:Re[X(fT=0.5)]=AgTsi(π/2)=1.91mV/Hz_.
 
:Re[X(fT=0.5)]=AgTsi(π/2)=1.91mV/Hz_.
  
*Der Imaginärteil ergibt sich aus der Spektralfunktion&nbsp; U(f) mit Au=1V. Dieser wurde bereits in der Teilaufgabe&nbsp; '''(1)'''&nbsp; berechnet:
+
*The imaginary part results from the spectral function&nbsp; U(f) with Au=1V. This was already calculated in subtask&nbsp; '''(1)'''&nbsp;:
 
   
 
   
 
:Im[X(fT=0.5)]0.2mV/Hz_.
 
:Im[X(fT=0.5)]0.2mV/Hz_.

Revision as of 19:36, 27 January 2021

„Keilfunktion” sowie ein gerades und ein ungerades Zeitsignal

We are looking for the spectrum  X(f)  of the pulse-shaped signal  x(t) sketched opposite, which rises linearly from  2 V  to  4 V  in the range from  –T/2  to  +T/2  and is zero outside.

The spectral functions of the signals  g(t)  and  u(t)  shown below are assumed to be known:

  • The even, rectangular time function  g(t)  has the spectrum
G( f ) = A_g \cdot T \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits}( { {\rm{\pi }}fT} ) \hspace{0.3cm} {\rm{mit}}\hspace{0.3cm} {\mathop{\rm si}\nolimits}( x ) = {\sin ( x )}/{x}.
  • The spectrum of the asymmetric function  u(t)  is:
U( f ) = - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_u \cdot T}}{ {2{\rm{\pi }}fT}}\big[ {{\mathop{\rm si}\nolimits} ( { {\rm{\pi }}fT} ) - \cos ( { {\rm{\pi }}fT} )} \big].





Hints:



Questions

1

Calculate the (purely imaginary) spectral values of the unbalanced signal  u(t)  at the frequencies  f = 0.5\,\text{kHz}  and  f = 1\,\text{kHz}.

{\rm Im}\big[U(f=0.5 \,\text{kHz})\big] \ = \

 \text{mV/Hz}
{\rm Im}\big[U(f=1.0 \,\text{kHz})\big]\ = \

 \text{mV/Hz}

2

What is the spectral value of  u(t)  at the frequency  f = 0?     Hint: Think before you calculate.

{\rm Im}\big[U(f=0)\big]\ = \

 \text{mV/Hz}

3

Using the result from  (1)  calculate the spectral value of the signal  x(t)  at the frequency  f=0.5 \,\text{kHz}.

{\rm Re}\big[X(f=0.5 \,\text{kHz})\big]\ = \

 \text{mV/Hz}
{\rm Im}\big[X(f=0.5 \,\text{kHz})\big]\ = \

 \text{mV/Hz}


Solution

(1)  For  f \cdot T = 0.5  one obtains from the given equation:

U( {f = 0.5\;{\rm{kHz}}} ) = - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_u \cdot T}}{ {\rm{\pi }}} \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{ {\rm{\pi }}}/{2}} ) = - {\rm{j}} \cdot \frac{2}{ { {\rm{\pi }}^{\rm{2}} }} \cdot A_{\rm u} \cdot T.
  • The imaginary part is numerically  {\rm Im}[U(f=0.5 \,\text{kHz})]\; \underline{\approx 0.2 \,\text{mV/Hz}}.
  • In contrast, the si function at  f \cdot T = 1  yields the value zero, while the cosine is equal to  -1 . Thus, with  A_u = 1\,\text{V}  and  T = 1\,\text{ms} one obtains:
U( {f = 1\;{\rm{kHz}}} ) = {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_{\rm u} \cdot T}}{ { {\rm{2\pi }}}} \hspace{0.3 cm} \Rightarrow \hspace{0.3 cm} {\rm Re} [\text{...}] \hspace{0.15 cm}\underline{ = 0}, \hspace{0.3 cm}{\rm Im} [\text{...}] \hspace{0.15 cm}\underline{\approx 0.159 \;{\rm{mV/Hz}}}.


(2)  According to the mapping theorem, an odd time function  u(t)  always has an imaginary and at the same time odd spectrum   U( { - f} ) = - U( f ). With the boundary transition  f \rightarrow \infty  follows from the given equation

U( f ) = - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_u \cdot T}}{ {2{\rm{\pi }}fT}}\big[ { {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{\rm{\pi }}fT} ) - \cos ( { {\rm{\pi }}fT} )} \big]

the result  U(f = 0) = 0. Formally, one could confirm this result by applying l'Hospital's rule.

We proceed a little more pragmatically.

  • For example, if we set  f \cdot T = 0.01, we obtain:

U( {f \cdot T = 0.01}) = -{\rm{j}} \cdot \frac{ {A_{\rm u} \cdot T}}{{0.02{\rm{\pi }}}}\big[ {{\mathop{\rm si}\nolimits} ( {0.01{\rm{\pi }}} ) - \cos ( {0.01{\rm{\pi }}} )} \big ] = - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A{\rm u} \cdot T}}{{0.02{\rm{\pi }}}}( {0.999836 - 0.999507} ) \approx - {\rm{j}} \cdot 5 \cdot 10^{ - 6} \;{\rm{V/Hz}}{\rm{.}}

  • For even smaller frequency values, the result also becomes smaller and smaller.
  • You get to the result  U(f = 0)\;\underline{ = 0}, more quickly if you take into account that the integral over  u(t)  disappears.
  • So you don't have to calculate at all.


(3)  The signal  x(t)  can be divided into the even and the odd part, which lead to the even real part and the odd imaginary part of  X(f) :

  • The even part is equal to the function  g(t)  with  A_g = 3\,\text{V}. From this follows for the real part of the spectral value at  f \cdot T = 0.5:
{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {X( {f \cdot T = 0.5} )} \right] = A_{\rm g} \cdot T \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{ {\rm{\pi }}}/{2}} ) \hspace{0.15 cm}\underline{= 1.91 \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}
  • The imaginary part results from the spectral function  U(f) with A_u = 1\,\text{V}. This was already calculated in subtask  (1) :
{\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {X( {f \cdot T = 0.5} )} \right] \hspace{0.15 cm}\underline{\approx - 0.2 \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}