Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.1Z: High-Pass System"

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[[File:EN_Sig_Z_4_1.png|right|frame|Beispiele für Tiefpass und Hochpass]]
 
[[File:EN_Sig_Z_4_1.png|right|frame|Beispiele für Tiefpass und Hochpass]]
Die auf der Seite  [[Signal_Representation/Differences_and_Similarities_of_LP_and_BP_Signals#Eigenschaften_von_BP-Signalen|Eigenschaften von Bandpass-Signalen]]  dargestellten Beziehungen gelten nicht nur für Signale und Spektren, sondern in gleicher Weise auch für
+
The relationships shown on the page  [[Signal_Representation/Differences_and_Similarities_of_LP_and_BP_Signals#Properties_of_BP-Signals|Properties of Bandpass Signals]]  apply not only to signals and spectra, but also in the same way to
*den Frequenzgang  $H(f)$  und
+
*the frequency response  $H(f)$  and
*die Impulsantwort  $h(t)$  
+
*the impulse response  $h(t)$  
  
  
eines LZI-Systems. Auch diese stehen über die  [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_Its_Inverse|Fouriertransformation]]  im Zusammenhang. Nähere Informationen hierzu finden Sie im Buch  [[Lineare zeitinvariante Systeme]].
+
of an LTI system. These are also related via the  [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_Its_Inverse|Fourier Transform]] . More information on this can be found in the book  [[Linear and timeinvariant systems]].
  
Die Schaltung gemäß der oberen Grafik ist die einfachste Realisierung eines Tiefpasses:  
+
The circuit shown in the upper diagram is the simplest realisation of a low-pass filter:
*Für sehr hohe Frequenzen wirkt die Kapazität  $C$  als Kurzschluss, so dass hochfrequente Anteile im Ausgangssignal nicht mehr enthalten sind.  
+
*For very high frequencies, the capacitance  $C$  acts as a short circuit, so that high-frequency components are no longer included in the output signal.
*Dagegen werden niederfrequente Signalanteile durch den Spannungsteiler nur unmerklich abgeschwächt.  
+
*In contrast, low-frequency signal components are only imperceptibly attenuated by the voltage divider.  
*Mit der 3dB–Grenzfrequenz  $f_{\rm G}$  gilt für den Frequenzgang:
+
*With the 3dB–cut-off frequency  $f_{\rm G}$ , the following applies to the frequency response:
 
:$$H_{\rm TP}(f) = \frac{1}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}  =
 
:$$H_{\rm TP}(f) = \frac{1}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}  =
 
|H_{\rm TP}(f)|\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \varphi_{\rm TP}(f)} .$$
 
|H_{\rm TP}(f)|\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \varphi_{\rm TP}(f)} .$$
  
Im zweiten Gleichungsteil ist der Frequenzgang  $H_{\rm TP}(f)$  nach Betrag und Phase aufgespalten.
+
In the second part of the equation, the frequency response  $H_{\rm TP}(f)$  is split according to magnitude and phase.
  
Die Impulsantwort  $h_{\rm TP}(t)$  erhält man durch Fouriertransformation von  $H_{\rm TP}(f)$, wobei die Zeitkonstante  $\tau = R \cdot C = {1}/({2\pi \cdot f_{\rm G}}) $  zu setzen ist.  
+
The impulse response  $h_{\rm TP}(t)$  is obtained by Fourier transformation of  $H_{\rm TP}(f)$, where the time constant  $\tau = R \cdot C = {1}/({2\pi \cdot f_{\rm G}}) $  is to be set.  
  
Für&nbsp; $t < 0$&nbsp; ist die Impulsantwort identisch Null, für positive Zeiten gilt:
+
For&nbsp; $t < 0$&nbsp; the impulse response is identically zero, for positive times:
 
:$$h_{\rm TP}(t) = \frac{1}{\tau} \cdot {\rm e}^{-t / \tau} .$$
 
:$$h_{\rm TP}(t) = \frac{1}{\tau} \cdot {\rm e}^{-t / \tau} .$$
  
Die unten dargestellte Schaltung beschreibt einen Hochpass, dessen Frequenzgang&nbsp; $H_{\rm HP}(f)$&nbsp; und Impulsantwort&nbsp; $h_{\rm HP}(t)$&nbsp; in dieser Aufgabe ermittelt werden sollen. Ein solcher Hochpass kann auch als Grenzfall eines Bandpasses interpretiert werden.
+
The circuit shown below describes a high-pass filter whose frequency response&nbsp; $H_{\rm HP}(f)$&nbsp; and impulse response&nbsp; $h_{\rm HP}(t)$&nbsp; are to be determined in this task. Such a high pass can also be interpreted as a limiting case of a band pass.
  
  
Line 34: Line 34:
  
  
''Hinweis:''  
+
''Hints:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Signal_Representation/Differences_and_Similarities_of_LP_and_BP_Signals|Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Tiefpass- und Bandpass-Signalen]].
+
*The task belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Differences_and_Similarities_of_LP_and_BP_Signals|Differences and Similarities of Lowpass and Bandpass Signals]].
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der folgenden Aussagen sind beim TP-System zutreffend?
+
{Which of the following statements are true for the TP system??
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
 
- Der Gleichsignalübertragungsfaktor beträgt&nbsp; $H_{\rm TP}(f = 0) = 2$.
 
- Der Gleichsignalübertragungsfaktor beträgt&nbsp; $H_{\rm TP}(f = 0) = 2$.
+ $|H_{\rm TP}(f)|$&nbsp; ist bei&nbsp; $f = f_{\rm G}$&nbsp; um&nbsp; $\sqrt{2}$&nbsp; kleiner als bei&nbsp; $f = 0$.
+
+ $|H_{\rm TP}(f)|$&nbsp; is smaller by&nbsp; $f = f_{\rm G}$&nbsp; um&nbsp; $\sqrt{2}$&nbsp; than at&nbsp; $f = 0$.
+ Die Phasenfunktion lautet: &nbsp; $\varphi_{\rm TP}(f) = \arctan(f/f_{\rm G})$.
+
+ The phase function is: &nbsp; $\varphi_{\rm TP}(f) = \arctan(f/f_{\rm G})$.
  
  
{Begründen Sie, warum stets&nbsp; $H_{\rm HP}(f) = 1 - H_{\rm TP}(f)$&nbsp; gelten muss. Berechnen Sie&nbsp; $H_{\rm HP}(f)$, insbesondere den Wert bei&nbsp; $f = 0$.
+
{Justify why&nbsp; $H_{\rm HP}(f) = 1 - H_{\rm TP}(f)$&nbsp; must always hold. Calculate&nbsp; $H_{\rm HP}(f)$, in particular the value at&nbsp; $f = 0$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$H_{\rm HP}(f = 0)\ = \ $ { 0. }
 
$H_{\rm HP}(f = 0)\ = \ $ { 0. }
  
  
{Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{Which of the following statements is true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt &nbsp;$|H_{\rm HP}(f = f_{\rm G})| = 1 - |H_{\rm TP}(f = f_{\rm G})|$.
+
- Es gilt &nbsp;$|H_{\rm HP}(f = f_{\rm G})| = 1 - |H_{\rm TP}(f = f_{\rm G})|$ is true.
+ Es gilt &nbsp;$|H_{\rm HP}(f = f_{\rm G})| = |H_{\rm TP}(f = f_{\rm G})|$.
+
+ Es gilt &nbsp;$|H_{\rm HP}(f = f_{\rm G})| = |H_{\rm TP}(f = f_{\rm G})|$ is true.
+ Für positive Frequenzen gilt: &nbsp; $\varphi_{\rm HP}(f) = \varphi_{\rm TP}(f) - \pi/2$.
+
+ For positive frequencies it holds: &nbsp; $\varphi_{\rm HP}(f) = \varphi_{\rm TP}(f) - \pi/2$.
  
  
{Berechnen Sie die Impulsantwort&nbsp; $h_{\rm  TP}(t)$. Interpretieren Sie das Ergebnis. Welche der folgenden Aussagen sind richtig?
+
{Calculate the impulse response&nbsp; $h_{\rm  TP}(t)$. Interpret the result. Which of the following statements are correct?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt &nbsp;$h_{\rm HP}(t) = \tau/t \cdot {\rm e}^{-t/\tau}$.
+
- &nbsp;$h_{\rm HP}(t) = \tau/t \cdot {\rm e}^{-t/\tau}$ is true.
+ Es gilt &nbsp;$h_{\rm HP}(t) = \delta (t) - 1/\tau \cdot {\rm e}^{-t/\tau}$.
+
+ &nbsp;$h_{\rm HP}(t) = \delta (t) - 1/\tau \cdot {\rm e}^{-t/\tau}$ is true.
+ Zum Zeitpunkt&nbsp; $t = 0$&nbsp; ist die Impulsantwort unendlich groß.
+
+ At time&nbsp; $t = 0$&nbsp; the impulse response is infinite..
- Zum Zeitpunkt&nbsp; $t = \tau$&nbsp; ist die Impulsantwort gleich ${\rm e}/\tau$.
+
- At time&nbsp; $t = \tau$&nbsp; the impulse response is equal to. ${\rm e}/\tau$.
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
+
'''(1)'''&nbsp;  The correct <u> solutions are 2 and 3</u>:
 
*Der Gleichsignalübertragungsfaktor ist&nbsp; $H_{\rm TP}(f = 0) = 1$.  
 
*Der Gleichsignalübertragungsfaktor ist&nbsp; $H_{\rm TP}(f = 0) = 1$.  
*Für den Betragsfrequenzgang gilt:
+
*For the magnitude frequency response holds:
 
:$$|H_{\rm TP}(f)| = \frac{1}{\sqrt{1 + ( f / f_{\rm G})^2}} .$$
 
:$$|H_{\rm TP}(f)| = \frac{1}{\sqrt{1 + ( f / f_{\rm G})^2}} .$$
*Somit ist der Wert bei&nbsp; $f_{\rm G}$ gleich $\sqrt{1/2}$. Die Leistungsübertragungsfunktion&nbsp; $|H_{\rm TP}(f)|^2$&nbsp; ist daher bei&nbsp; $f = f_{\rm G}$&nbsp; nur halb so groß als bei&nbsp; $f = 0$, worauf die Bezeichnung &bdquo;3dB&ndash;Grenzfrequenz&rdquo; für&nbsp; $f_{\rm G}$&nbsp; zurückzuführen ist.  
+
*Thus, the value at&nbsp; $f_{\rm G}$ is equal to $\sqrt{1/2}$. The power transfer function&nbsp; $|H_{\rm TP}(f)|^2$&nbsp; is therefore only half as large at&nbsp; $f = f_{\rm G}$&nbsp; as at&nbsp; $f = 0$, which is the reason for the designation &bdquo;3dB&ndash;cut-off frequency&rdquo; for&nbsp; $f_{\rm G}$&nbsp;.
*Die Phasenfunktion wird allgemein nach folgender Gleichung berechnet:
+
*The phase function is generally calculated according to the following equation:
 
:$$\varphi_{\rm TP}(f) = -\arctan\frac{{\rm Im}\left[H_{\rm
 
:$$\varphi_{\rm TP}(f) = -\arctan\frac{{\rm Im}\left[H_{\rm
 
TP}(f)\right]}{{\rm Re}\left[H_{\rm TP}(f)\right]}  .$$
 
TP}(f)\right]}{{\rm Re}\left[H_{\rm TP}(f)\right]}  .$$
*Mit der konjugiert–komplexen Erweiterung erhält man:
+
*With the conjugate-complex expansion one obtains:
 
:$$H_{\rm TP}(f) = \frac{1}{1 - ( f / f_{\rm G})^2} - \frac{{\rm j}
 
:$$H_{\rm TP}(f) = \frac{1}{1 - ( f / f_{\rm G})^2} - \frac{{\rm j}
 
\cdot f / f_{\rm G}}{1 - ( f / f_{\rm G})^2}.$$
 
\cdot f / f_{\rm G}}{1 - ( f / f_{\rm G})^2}.$$
*Setzt man dieses Ergebnis in obige Gleichung ein, so ergibt sich:
+
*Substituting this result into the above equation gives:
 
:$$\varphi_{\rm TP}(f) = \arctan\left(f / f_{\rm G}\right) .$$
 
:$$\varphi_{\rm TP}(f) = \arctan\left(f / f_{\rm G}\right) .$$
*Der Verlauf ist ausgehend von&nbsp; $0$&nbsp; $($bei&nbsp; $f = 0)$&nbsp; über&nbsp; $\pi/2$&nbsp; $($bei&nbsp; $f = f_{\rm G})$&nbsp; bis zu&nbsp; $\pi$&nbsp; $($bei&nbsp; $f \rightarrow \infty)$&nbsp; monoton steigend.  
+
*The progression is monotonically increasing from&nbsp; $0$&nbsp; $($at&nbsp; $f = 0)$&nbsp; via&nbsp; $\pi/2$&nbsp; $($at&nbsp; $f = f_{\rm G})$&nbsp; to&nbsp; $\pi$&nbsp; $($bei&nbsp; $f \rightarrow \infty)$&nbsp;.
  
  
  
 +
'''(2)'''&nbsp; On the page [[Signal_Representation/Differences_and_Similarities_of_LP_and_BP_Signals#Properties_of_BP-Signals|Properties of Bandpass Signals]]it was shown that any bandpass signal can be represented as the difference of two low-pass signals.
  
'''(2)'''&nbsp; Auf der Seite [[Signal_Representation/Differences_and_Similarities_of_LP_and_BP_Signals#Eigenschaften_von_BP-Signalen|Eigenschaften von Bandpass-Signalen]] wurde gezeigt, dass ein jedes Bandpass&ndash;Signal als Differenz zweier Tiefpass&ndash;Signale dargestellt werden kann.
+
[[File:P_ID703__Sig_Z_4_1_b.png|right|frame|Low-pass and high-pass spectrum]]
 
+
The same applies to frequency responses:
[[File:P_ID703__Sig_Z_4_1_b.png|right|frame|Tiefpass&ndash; und Hochpass&ndash;Spektrum]]
 
Gleiches gilt für Frequenzgänge:
 
 
:$$H_{\rm BP}(f) = H_1(f) - H_2(f).$$
 
:$$H_{\rm BP}(f) = H_1(f) - H_2(f).$$
*Setzt man&nbsp; $H_2(f) = H_{\rm TP}(f)$&nbsp; und betrachtet&nbsp; $H_1(f) = 1$&nbsp; als Grenzfall einer Tiefpassfunktion mit unendlich großer Bandbreite, so ergibt sich:
+
*If we set&nbsp; $H_2(f) = H_{\rm TP}(f)$&nbsp; and consider&nbsp; $H_1(f) = 1$&nbsp; as the limiting case of a low-pass function with an infinitely large bandwidth, we get:
 
:$$H_{\rm HP}(f) = 1 - H_{\rm TP}(f).$$
 
:$$H_{\rm HP}(f) = 1 - H_{\rm TP}(f).$$
*Wie die Grafik zeigt, ist das Ergebnis wegen&nbsp; $H_1(f) = 1$&nbsp; nun ein Hochpass. Mit der vorgegebenen Tiefpassfunktion&nbsp; $H_{\rm TP}(f)$&nbsp; erhält man weiter:
+
*As the graph shows, the result is now a high-pass because of &nbsp; $H_1(f) = 1$&nbsp;. With the given low-pass function&nbsp; $H_{\rm TP}(f)$&nbsp; one further obtains:
 
:$$H_{\rm HP}(f) = 1 - \frac{1}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}  =
 
:$$H_{\rm HP}(f) = 1 - \frac{1}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}  =
 
\frac{{\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm
 
\frac{{\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm
 
G}} .$$
 
G}} .$$
*Für&nbsp; $f = 0$&nbsp; ergibt sich&nbsp; $H_{\rm HP}(f = 0) \;\underline{= 0}$. Anzumerken ist, dass die tatsächliche (komplexe) Funktion&nbsp; $H_{\rm TP}(f)$&nbsp; und nicht deren Betrag zu substrahieren ist. Daher ist die obige Skizze nur qualitativ zu verstehen.
+
*For&nbsp; $f = 0$&nbsp; &nbsp; $H_{\rm HP}(f = 0) \;\underline{= 0}$ is obtained. Note that it is the actual (complex) function&nbsp; $H_{\rm TP}(f)$&nbsp; and not its magnitude that is to be subtracted. Therefore, the above sketch is to be understood only qualitatively.
  
  
Zum genau gleichen Ergebnis kommt man ausgehend von der konkreten Schaltung auf der Angabenseite. Entsprechend einem frequenzabhängigen Spannungsteiler mit den Widerständen&nbsp; $R$&nbsp; und&nbsp; $1/(j\omega C)$&nbsp; gilt:
+
One arrives at exactly the same result starting from the concrete circuit on the information page. Corresponding to a frequency-dependent voltage divider with resistors&nbsp; $R$&nbsp; and&nbsp; $1/(j\omega C)$&nbsp; applies:
 
:$$H_{\rm HP}(f) =  \frac{R}{R + 1/({\rm j}\cdot \omega \cdot C)} =
 
:$$H_{\rm HP}(f) =  \frac{R}{R + 1/({\rm j}\cdot \omega \cdot C)} =
 
\frac{{\rm j}\cdot \omega \cdot C \cdot R}{1+{\rm j} \cdot \omega
 
\frac{{\rm j}\cdot \omega \cdot C \cdot R}{1+{\rm j} \cdot \omega
Line 114: Line 113:
  
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
+
'''(3)'''&nbsp; : The correct <u>solutions are 2 and 3</u>:
*Die Betragsfunktion des Hochpasses lautet:
+
*The magnitude function of the high pass is:
 
:$$|H_{\rm HP}(f)| = \frac{|f / f_{\rm G}|}{\sqrt{1 + ( f / f_{\rm
 
:$$|H_{\rm HP}(f)| = \frac{|f / f_{\rm G}|}{\sqrt{1 + ( f / f_{\rm
 
G})^2}} .$$
 
G})^2}} .$$
*Bei der Grenzfrequenz&nbsp; $f_{\rm G}$&nbsp; sind somit die Beträge von Hochpass&ndash; und Tiefpass&ndash;Frequenzgang gleich groß, und zwar jeweils&nbsp; $0.707$.  
+
*At the cut-off frequency&nbsp; $f_{\rm G}$&nbsp; , the magnitudes of the high-pass and low-pass frequency response are thus equal, namely&nbsp; $0.707$ each.  
*Dagegen ist die erste Aussage offensichtlich falsch:&nbsp; Demnach müsste sich nämlich der Wert&nbsp; $|H_{HP}(f = f_{\rm G})| = 1 – 0.707 \approx 0.293$&nbsp; ergeben.
+
*On the other hand, the first statement is obviously wrong:&nbsp; According to this, the value&nbsp; $|H_{HP}(f = f_{\rm G})| = 1 – 0.707 \approx 0.293$&nbsp; should result.
 
[[File:EN_Sig_Z_4_1_c.png|right|frame|Tiefpass&ndash; und Hochpass&ndash;Phasengang]]
 
[[File:EN_Sig_Z_4_1_c.png|right|frame|Tiefpass&ndash; und Hochpass&ndash;Phasengang]]
*Der unter&nbsp; '''(2)'''&nbsp; berechnete Frequenzgang kann auch wie folgt dargestellt werden:
+
*The frequency response calculated under&nbsp; '''(2)'''&nbsp; can also be represented as follows:
 
:$$H_{\rm HP}(f) = \frac{( f / f_{\rm G})^2 + {\rm j} \cdot f /
 
:$$H_{\rm HP}(f) = \frac{( f / f_{\rm G})^2 + {\rm j} \cdot f /
 
f_{\rm G}}{{1 + ( f / f_{\rm G})^2}} .$$
 
f_{\rm G}}{{1 + ( f / f_{\rm G})^2}} .$$
:Damit ergibt sich für die Phasenfunktion:
+
:This gives for the phase function:
 
:$$\varphi_{\rm HP}(f) =-\arctan\frac{f / f_{\rm G}}{( f /
 
:$$\varphi_{\rm HP}(f) =-\arctan\frac{f / f_{\rm G}}{( f /
 
f_{\rm G})^2}=  
 
f_{\rm G})^2}=  
Line 130: Line 129:
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\varphi_{\rm HP}(f)  =  {\rm arctan} (\frac{f}{f_{\rm G}}) - \frac{\pi}{2}= \varphi_{\rm TP}(f)- \frac{\pi}{2}.$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\varphi_{\rm HP}(f)  =  {\rm arctan} (\frac{f}{f_{\rm G}}) - \frac{\pi}{2}= \varphi_{\rm TP}(f)- \frac{\pi}{2}.$$
  
*Bei positiven Frequenzen ergibt sich also bis auf eine Verschiebung um&nbsp; $\pi /2$&nbsp; nach unten der gleiche Verlauf wie beim Tiefpass-System. Da die Phasenfunktion ungerade ist, gibt es bei negativen Frequenzen eine Verschiebung um&nbsp; $\pi /2$&nbsp; nach oben.  
+
*At positive frequencies, therefore, the same course as with the low-pass system results, except for a shift of&nbsp; $\pi /2$&nbsp; downwards. Since the phase function is odd, there is an upward shift of&nbsp; $\pi /2$&nbsp; at negative frequencies.
  
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
+
'''(4)'''&nbsp; Proposed <u>solutions 2 and 3</u> are correct:
*Aufgrund der Linearität der Fourier(rück)transformation gilt für den Zeitverlauf für&nbsp; $t > 0$:
+
*Due to the linearity of the (inverse) Fourier transformation, the following applies to the time course for&nbsp; $t > 0$:
 
:$$h_{\rm HP}(t) = h_1(t) - h_2(t)= \delta(t) - \frac{1}{\tau}\cdot
 
:$$h_{\rm HP}(t) = h_1(t) - h_2(t)= \delta(t) - \frac{1}{\tau}\cdot
 
{\rm e}^{-t / \tau} .$$
 
{\rm e}^{-t / \tau} .$$
*Die Diracfunktion ist die Fourierrücktransformierte der konstanten Frequenzfunktion „1”.  
+
*The Dirac function is the inverse Fourier transform of the constant frequency function „1”.  
*Der zweite Anteil ist bis auf das Vorzeichen identisch mit der TP&ndash;Impulsantwort.  
+
*The second component is identical to the LP impulse response except for the sign.
*Die Diracfunktion bewirkt, dass&nbsp; $h_{\rm HP}(t)$&nbsp; zum Zeitpunkt&nbsp; $t = 0$&nbsp; unendlich groß ist. Dagegen gilt für&nbsp; $t = \tau$:
+
*The Dirac function causes&nbsp; $h_{\rm HP}(t)$&nbsp; to be infinitely large at time&nbsp; $t = 0$&nbsp;.In contrast, the following applies for&nbsp; $t = \tau$:
 
:$$h_{\rm HP}(t = \tau) =  - \frac{1}{\tau}\cdot {\rm e}^{-1} =  -
 
:$$h_{\rm HP}(t = \tau) =  - \frac{1}{\tau}\cdot {\rm e}^{-1} =  -
 
{{\rm e}\cdot \tau}^{-1}.$$
 
{{\rm e}\cdot \tau}^{-1}.$$
*Die letzte Aussage ist somit aufgrund des Vorzeichens ebenfalls falsch.  
+
*The last statement is therefore also false due to the sign.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  

Revision as of 18:59, 4 February 2021

Beispiele für Tiefpass und Hochpass

The relationships shown on the page  Properties of Bandpass Signals  apply not only to signals and spectra, but also in the same way to

  • the frequency response  $H(f)$  and
  • the impulse response  $h(t)$


of an LTI system. These are also related via the  Fourier Transform . More information on this can be found in the book  Linear and timeinvariant systems.

The circuit shown in the upper diagram is the simplest realisation of a low-pass filter:

  • For very high frequencies, the capacitance  $C$  acts as a short circuit, so that high-frequency components are no longer included in the output signal.
  • In contrast, low-frequency signal components are only imperceptibly attenuated by the voltage divider.
  • With the 3dB–cut-off frequency  $f_{\rm G}$ , the following applies to the frequency response:
$$H_{\rm TP}(f) = \frac{1}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm G}} = |H_{\rm TP}(f)|\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \varphi_{\rm TP}(f)} .$$

In the second part of the equation, the frequency response  $H_{\rm TP}(f)$  is split according to magnitude and phase.

The impulse response  $h_{\rm TP}(t)$  is obtained by Fourier transformation of  $H_{\rm TP}(f)$, where the time constant  $\tau = R \cdot C = {1}/({2\pi \cdot f_{\rm G}}) $  is to be set.

For  $t < 0$  the impulse response is identically zero, for positive times:

$$h_{\rm TP}(t) = \frac{1}{\tau} \cdot {\rm e}^{-t / \tau} .$$

The circuit shown below describes a high-pass filter whose frequency response  $H_{\rm HP}(f)$  and impulse response  $h_{\rm HP}(t)$  are to be determined in this task. Such a high pass can also be interpreted as a limiting case of a band pass.





Hints:



Questions

1

Which of the following statements are true for the TP system??

Der Gleichsignalübertragungsfaktor beträgt  $H_{\rm TP}(f = 0) = 2$.
$|H_{\rm TP}(f)|$  is smaller by  $f = f_{\rm G}$  um  $\sqrt{2}$  than at  $f = 0$.
The phase function is:   $\varphi_{\rm TP}(f) = \arctan(f/f_{\rm G})$.

2

Justify why  $H_{\rm HP}(f) = 1 - H_{\rm TP}(f)$  must always hold. Calculate  $H_{\rm HP}(f)$, in particular the value at  $f = 0$.

$H_{\rm HP}(f = 0)\ = \ $

3

Which of the following statements is true?

Es gilt  $|H_{\rm HP}(f = f_{\rm G})| = 1 - |H_{\rm TP}(f = f_{\rm G})|$ is true.
Es gilt  $|H_{\rm HP}(f = f_{\rm G})| = |H_{\rm TP}(f = f_{\rm G})|$ is true.
For positive frequencies it holds:   $\varphi_{\rm HP}(f) = \varphi_{\rm TP}(f) - \pi/2$.

4

Calculate the impulse response  $h_{\rm TP}(t)$. Interpret the result. Which of the following statements are correct?

 $h_{\rm HP}(t) = \tau/t \cdot {\rm e}^{-t/\tau}$ is true.
 $h_{\rm HP}(t) = \delta (t) - 1/\tau \cdot {\rm e}^{-t/\tau}$ is true.
At time  $t = 0$  the impulse response is infinite..
At time  $t = \tau$  the impulse response is equal to. ${\rm e}/\tau$.


Solution

(1)  The correct solutions are 2 and 3:

  • Der Gleichsignalübertragungsfaktor ist  $H_{\rm TP}(f = 0) = 1$.
  • For the magnitude frequency response holds:
$$|H_{\rm TP}(f)| = \frac{1}{\sqrt{1 + ( f / f_{\rm G})^2}} .$$
  • Thus, the value at  $f_{\rm G}$ is equal to $\sqrt{1/2}$. The power transfer function  $|H_{\rm TP}(f)|^2$  is therefore only half as large at  $f = f_{\rm G}$  as at  $f = 0$, which is the reason for the designation „3dB–cut-off frequency” for  $f_{\rm G}$ .
  • The phase function is generally calculated according to the following equation:
$$\varphi_{\rm TP}(f) = -\arctan\frac{{\rm Im}\left[H_{\rm TP}(f)\right]}{{\rm Re}\left[H_{\rm TP}(f)\right]} .$$
  • With the conjugate-complex expansion one obtains:
$$H_{\rm TP}(f) = \frac{1}{1 - ( f / f_{\rm G})^2} - \frac{{\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}{1 - ( f / f_{\rm G})^2}.$$
  • Substituting this result into the above equation gives:
$$\varphi_{\rm TP}(f) = \arctan\left(f / f_{\rm G}\right) .$$
  • The progression is monotonically increasing from  $0$  $($at  $f = 0)$  via  $\pi/2$  $($at  $f = f_{\rm G})$  to  $\pi$  $($bei  $f \rightarrow \infty)$ .


(2)  On the page Properties of Bandpass Signalsit was shown that any bandpass signal can be represented as the difference of two low-pass signals.

Low-pass and high-pass spectrum

The same applies to frequency responses:

$$H_{\rm BP}(f) = H_1(f) - H_2(f).$$
  • If we set  $H_2(f) = H_{\rm TP}(f)$  and consider  $H_1(f) = 1$  as the limiting case of a low-pass function with an infinitely large bandwidth, we get:
$$H_{\rm HP}(f) = 1 - H_{\rm TP}(f).$$
  • As the graph shows, the result is now a high-pass because of   $H_1(f) = 1$ . With the given low-pass function  $H_{\rm TP}(f)$  one further obtains:
$$H_{\rm HP}(f) = 1 - \frac{1}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm G}} = \frac{{\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm G}} .$$
  • For  $f = 0$    $H_{\rm HP}(f = 0) \;\underline{= 0}$ is obtained. Note that it is the actual (complex) function  $H_{\rm TP}(f)$  and not its magnitude that is to be subtracted. Therefore, the above sketch is to be understood only qualitatively.


One arrives at exactly the same result starting from the concrete circuit on the information page. Corresponding to a frequency-dependent voltage divider with resistors  $R$  and  $1/(j\omega C)$  applies:

$$H_{\rm HP}(f) = \frac{R}{R + 1/({\rm j}\cdot \omega \cdot C)} = \frac{{\rm j}\cdot \omega \cdot C \cdot R}{1+{\rm j} \cdot \omega \cdot C \cdot R} = \frac{{\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}{1 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}.$$


(3)  : The correct solutions are 2 and 3:

  • The magnitude function of the high pass is:
$$|H_{\rm HP}(f)| = \frac{|f / f_{\rm G}|}{\sqrt{1 + ( f / f_{\rm G})^2}} .$$
  • At the cut-off frequency  $f_{\rm G}$  , the magnitudes of the high-pass and low-pass frequency response are thus equal, namely  $0.707$ each.
  • On the other hand, the first statement is obviously wrong:  According to this, the value  $|H_{HP}(f = f_{\rm G})| = 1 – 0.707 \approx 0.293$  should result.
Tiefpass– und Hochpass–Phasengang
  • The frequency response calculated under  (2)  can also be represented as follows:
$$H_{\rm HP}(f) = \frac{( f / f_{\rm G})^2 + {\rm j} \cdot f / f_{\rm G}}{{1 + ( f / f_{\rm G})^2}} .$$
This gives for the phase function:
$$\varphi_{\rm HP}(f) =-\arctan\frac{f / f_{\rm G}}{( f / f_{\rm G})^2}= -{\rm arcctg} ({f}/{f_{\rm G}}) $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\varphi_{\rm HP}(f) = {\rm arctan} (\frac{f}{f_{\rm G}}) - \frac{\pi}{2}= \varphi_{\rm TP}(f)- \frac{\pi}{2}.$$
  • At positive frequencies, therefore, the same course as with the low-pass system results, except for a shift of  $\pi /2$  downwards. Since the phase function is odd, there is an upward shift of  $\pi /2$  at negative frequencies.



(4)  Proposed solutions 2 and 3 are correct:

  • Due to the linearity of the (inverse) Fourier transformation, the following applies to the time course for  $t > 0$:
$$h_{\rm HP}(t) = h_1(t) - h_2(t)= \delta(t) - \frac{1}{\tau}\cdot {\rm e}^{-t / \tau} .$$
  • The Dirac function is the inverse Fourier transform of the constant frequency function „1”.
  • The second component is identical to the LP impulse response except for the sign.
  • The Dirac function causes  $h_{\rm HP}(t)$  to be infinitely large at time  $t = 0$ .In contrast, the following applies for  $t = \tau$:
$$h_{\rm HP}(t = \tau) = - \frac{1}{\tau}\cdot {\rm e}^{-1} = - {{\rm e}\cdot \tau}^{-1}.$$
  • The last statement is therefore also false due to the sign.