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

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID516__Sig_A_3_6_neu.png|250px|right|frame|„Keilfunktion” sowie ein gerades und ein ungerades Zeitsignal]]
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[[File:P_ID516__Sig_A_3_6_neu.png|250px|right|frame|"Wedge function" as well as an even and an odd time signal]]
  
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  $x(t)$ sketched opposite, which rises linearly from  $2\hspace{0.05cm} \text{V}$  to  $4\hspace{0.05cm} \text{V}$  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 (German:  gerade) rectangular time function  $g(t)$  has the spectrum
 
   
 
   
:$$G( f ) = A_g  \cdot T \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits}( { {\rm{\pi }}fT} ) \hspace{0.3cm} {\rm{mit}}\hspace{0.3cm} {\mathop{\rm si}\nolimits}( x ) =  {\sin ( x )}/{x}.$$
+
:$$G( f ) = A_g  \cdot T \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits}( { {\rm{\pi }}fT} ) \hspace{0.3cm} {\rm{with}}\hspace{0.3cm} {\mathop{\rm si}\nolimits}( x ) =  {\sin ( x )}/{x}.$$
  
*Das Spektrum der unsymmetrischen Funktion  $u(t)$  lautet:
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*The spectrum of the odd (German:  ungerade) function  $u(t)$  is:
 
   
 
   
 
:$$U( f ) =  - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_u  \cdot T}}{ {2{\rm{\pi }}fT}}\big[ {{\mathop{\rm si}\nolimits} ( { {\rm{\pi }}fT} ) - \cos ( { {\rm{\pi }}fT} )} \big].$$
 
:$$U( f ) =  - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_u  \cdot T}}{ {2{\rm{\pi }}fT}}\big[ {{\mathop{\rm si}\nolimits} ( { {\rm{\pi }}fT} ) - \cos ( { {\rm{\pi }}fT} )} \big].$$
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''Hints:''  
 
+
*This exercise belongs to the chapter  [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems|Fourier Transform Theorems]].
 
+
*All the theorems presented here are illustrated with examples in the (German language) learning video<br> &nbsp; &nbsp; &nbsp;[[Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation_(Lernvideo)|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]] &nbsp; &rArr; &nbsp;  "Regularities to the Fourier transform".
''Hinweise:''  
+
*Solve this task with the help of the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Assignment_Theorem|Assignment Theorem]].
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]].
+
*For the first two subtasks use the signal parameters&nbsp; $A_u = 1\,\text{V}$&nbsp; and&nbsp; $T = 1\,\text{ms}$.
*Alle diese Gesetzmäßigkeiten werden im Lernvideo&nbsp; [[Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation_(Lernvideo)|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]]&nbsp;  an Beispielen verdeutlicht.
 
*Lösen Sie diese Aufgabe mit Hilfe des&nbsp; [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Zuordnungssatz|Zuordnungssatzes]].
 
*Verwenden Sie für die beiden ersten Teilaufgaben die Signalparameter&nbsp; $A_u = 1\,\text{ V}$&nbsp; und&nbsp; $T = 1\,\text{ ms}$.
 
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die (rein imaginären) Spektralwerte des unsymmetrischen Signals&nbsp; $u(t)$&nbsp; bei den Frequenzen&nbsp; $f = 0.5\,\text{kHz}$&nbsp; und&nbsp; $f = 1\,\text{kHz}$.
+
{Calculate the (imaginary) spectral values of the odd signal&nbsp; $u(t)$&nbsp; at the frequencies&nbsp; $f = 0.5\,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $f = 1\,\text{kHz}$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
${\rm Im}\big[U(f=0.5 \,\text{kHz})\big] \ = \ $ { -0.205--0.195 } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
 
${\rm Im}\big[U(f=0.5 \,\text{kHz})\big] \ = \ $ { -0.205--0.195 } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
 
${\rm Im}\big[U(f=1.0 \,\text{kHz})\big]\ = \ $ { 0.159 3% } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
 
${\rm Im}\big[U(f=1.0 \,\text{kHz})\big]\ = \ $ { 0.159 3% } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
  
{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="{}"}
 
${\rm Im}\big[U(f=0)\big]\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
 
${\rm Im}\big[U(f=0)\big]\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
  
{Berechnen Sie unter Verwendung des Ergebnisses aus&nbsp; '''(1)'''&nbsp; den Spektralwert des Signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; bei der Frequenz&nbsp; $f=0.5 \,\text{kHz}$.  
+
{Using the result from&nbsp; '''(1)'''&nbsp; calculate the spectral value of the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; at the frequency&nbsp; $f=0.5 \,\text{kHz}$.  
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
${\rm Re}\big[X(f=0.5 \,\text{kHz})\big]\ = \ $ { 1.91 3% } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
 
${\rm Re}\big[X(f=0.5 \,\text{kHz})\big]\ = \ $ { 1.91 3% } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
Line 53: Line 50:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
  
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Für&nbsp; $f \cdot T  = 0.5$&nbsp; erhält man aus der angegebenen Gleichung:
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'''(1)'''&nbsp;  For&nbsp; $f \cdot T  = 0.5$&nbsp; one obtains from the given equation:
 
   
 
   
 
:$$U( {f = 0.5\;{\rm{kHz}}} ) =  - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_u  \cdot T}}{ {\rm{\pi }}} \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{ {\rm{\pi }}}/{2}} ) =  - {\rm{j}} \cdot \frac{2}{ { {\rm{\pi }}^{\rm{2}} }} \cdot A_{\rm u}  \cdot T.$$
 
:$$U( {f = 0.5\;{\rm{kHz}}} ) =  - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_u  \cdot T}}{ {\rm{\pi }}} \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{ {\rm{\pi }}}/{2}} ) =  - {\rm{j}} \cdot \frac{2}{ { {\rm{\pi }}^{\rm{2}} }} \cdot A_{\rm u}  \cdot T.$$
  
*Der Imaginärteil ist zahlenmäßig&nbsp;  ${\rm Im}[U(f=0.5 \,\text{kHz})]\; \underline{\approx 0.2 \,\text{mV/Hz}}$.  
+
*The imaginary part is&nbsp;  ${\rm Im}[U(f=0.5 \,\text{kHz})]\; \underline{\approx 0.2 \,\text{mV/Hz}}$.  
*Dagegen liefert die si-Funktion bei&nbsp; $f \cdot T = 1$&nbsp; den Wert Null, während der Cosinus gleich&nbsp; $-1$&nbsp; ist. Damit erhält man mit&nbsp; $A_u = 1\,\text{V}$&nbsp; und&nbsp; $T = 1\,\text{ms}$:
+
*In contrast, the&nbsp; $\rm si$&ndash;function at&nbsp; $f \cdot T = 1$&nbsp; yields the value zero, while the cosine is equal to&nbsp; $-1$.&nbsp; Thus with&nbsp; $A_u = 1\,\text{V}$&nbsp; and&nbsp; $T = 1\,\text{ms}$&nbsp; one obtains:
 
   
 
   
 
:$$U( {f = 1\;{\rm{kHz}}} ) = {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_{\rm u} \cdot T}}{ { {\rm{2\pi }}}} \hspace{0.3 cm} \Rightarrow \hspace{0.3 cm} {\rm Re} [\text{...}] \hspace{0.15 cm}\underline{ =  0}, \hspace{0.3 cm}{\rm Im} [\text{...}] \hspace{0.15 cm}\underline{\approx  0.159 \;{\rm{mV/Hz}}}.$$
 
:$$U( {f = 1\;{\rm{kHz}}} ) = {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_{\rm u} \cdot T}}{ { {\rm{2\pi }}}} \hspace{0.3 cm} \Rightarrow \hspace{0.3 cm} {\rm Re} [\text{...}] \hspace{0.15 cm}\underline{ =  0}, \hspace{0.3 cm}{\rm Im} [\text{...}] \hspace{0.15 cm}\underline{\approx  0.159 \;{\rm{mV/Hz}}}.$$
Line 67: Line 64:
  
  
'''(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&nbsp; "Assignment Theorem", an odd time function&nbsp; $u(t)$&nbsp; always has an imaginary and at the same time odd spectrum&nbsp; $U( { - f} ) =  - U( f )$.&nbsp; With the boundary transition&nbsp; $f \rightarrow \infty$&nbsp; follows from the given equation
$U( { - f} ) =  - U( f ).$ Mit dem Grenzübergang&nbsp; $f \rightarrow \infty$&nbsp; folgt aus der angegebenen Gleichung
 
 
   
 
   
 
:$$U( f ) =  - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_u  \cdot T}}{ {2{\rm{\pi }}fT}}\big[ { {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{\rm{\pi }}fT} ) - \cos ( { {\rm{\pi }}fT} )} \big]$$
 
:$$U( f ) =  - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A_u  \cdot T}}{ {2{\rm{\pi }}fT}}\big[ { {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{\rm{\pi }}fT} ) - \cos ( { {\rm{\pi }}fT} )} \big]$$
  
das Ergebnis&nbsp; $U(f = 0) = 0$. Formal könnte man dieses Ergebnis durch Anwendung der l'Hospitalschen Regel bestätigen.  
+
the result&nbsp; $U(f = 0) = 0$.&nbsp; 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; $f \cdot T = 0.01$, so erhält man:
+
*For example, if we set&nbsp; $f \cdot T = 0.01$, we obtain:
 
   
 
   
:$$U( {f \cdot T = 0.01}) = -{\rm{j}} \cdot \frac{ {A_{\rm u} \cdot T}}{{0.02{\rm{\pi }}}}\big[ {{\mathop{\rm si}\nolimits} ( {0.01{\rm{\pi }}} ) - \cos ( {0.01{\rm{\pi }}} )} \big ] =  - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A{\rm u} \cdot T}}{{0.02{\rm{\pi }}}}( {0.999836 - 0.999507} ) \approx  - {\rm{j}} \cdot 5 \cdot 10^{ - 6} \;{\rm{V/Hz}}{\rm{.}}$$
+
$$U( {f \cdot T = 0.01}) = -{\rm{j}} \cdot \frac{ {A_{\rm u} \cdot T}}{{0.02{\rm{\pi }}}}\big[ {{\mathop{\rm si}\nolimits} ( {0.01{\rm{\pi }}} ) - \cos ( {0.01{\rm{\pi }}} )} \big ] =  - {\rm{j}} \cdot \frac{ {A{\rm u} \cdot T}}{{0.02{\rm{\pi }}}}( {0.999836 - 0.999507} ) \approx  - {\rm{j}} \cdot 5 \cdot 10^{ - 6} \;{\rm{V/Hz}}{\rm{.}}$$
  
*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; $U(f = 0)\;\underline{ = 0}$, wenn man berücksichtigt, dass das Integral über&nbsp; $u(t)$&nbsp; verschwindet.  
+
*You get to the result&nbsp; $U(f = 0)\;\underline{ = 0}$&nbsp; 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 an even and an 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; $A_g = 3\,\text{V}$. Daraus folgt für den Realteil des Spektralwertes bei&nbsp; $f \cdot T = 0.5$:
+
*The even part is equal to the function&nbsp; $g(t)$&nbsp; with&nbsp; $A_g = 3\,\text{V}$.&nbsp; From this follows for the real part of the spectral value at&nbsp; $f \cdot T = 0.5$:
 
   
 
   
 
:$${\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {X( {f \cdot T = 0.5} )} \right] = A_{\rm g}  \cdot T \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{ {\rm{\pi }}}/{2}} ) \hspace{0.15 cm}\underline{= 1.91  \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}$$
 
:$${\mathop{\rm Re}\nolimits} \left[ {X( {f \cdot T = 0.5} )} \right] = A_{\rm g}  \cdot T \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{ {\rm{\pi }}}/{2}} ) \hspace{0.15 cm}\underline{= 1.91  \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}$$
  
*Der Imaginärteil ergibt sich aus der Spektralfunktion&nbsp; $U(f)$ mit $A_u = 1\,\text{V}$. Dieser wurde bereits in der Teilaufgabe&nbsp; '''(1)'''&nbsp; berechnet:
+
*The imaginary part results from the spectral function&nbsp; $U(f)$&nbsp; with $A_u = 1\,\text{V}$.&nbsp; This was already calculated in subtask&nbsp; '''(1)''':
 
   
 
   
 
:$${\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {X( {f \cdot T = 0.5} )} \right] \hspace{0.15 cm}\underline{\approx  - 0.2  \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}$$
 
:$${\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {X( {f \cdot T = 0.5} )} \right] \hspace{0.15 cm}\underline{\approx  - 0.2  \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}$$
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__NOEDITSECTION__
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^3. Aperiodische Signale - Impulse^]]
+
[[Category:Signal Representation: Exercises|^3.3 Fourier Transform Theorems^]]

Latest revision as of 14:22, 27 April 2021

"Wedge function" as well as an even and an odd time signal

We are looking for the spectrum  $X(f)$  of the pulse  $x(t)$ sketched opposite, which rises linearly from  $2\hspace{0.05cm} \text{V}$  to  $4\hspace{0.05cm} \text{V}$  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 (German:  gerade) rectangular time function  $g(t)$  has the spectrum
$$G( f ) = A_g \cdot T \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits}( { {\rm{\pi }}fT} ) \hspace{0.3cm} {\rm{with}}\hspace{0.3cm} {\mathop{\rm si}\nolimits}( x ) = {\sin ( x )}/{x}.$$
  • The spectrum of the odd (German:  ungerade) 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 (imaginary) spectral values of the odd 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  ${\rm Im}[U(f=0.5 \,\text{kHz})]\; \underline{\approx 0.2 \,\text{mV/Hz}}$.
  • In contrast, the  $\rm si$–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  "Assignment 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 an even and an 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):
$${\mathop{\rm Im}\nolimits} \left[ {X( {f \cdot T = 0.5} )} \right] \hspace{0.15 cm}\underline{\approx - 0.2 \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}$$