Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.7Z: Rectangular Signal with Echo"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Faltungssatz und Faltungsoperation
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{{quiz-Header|Buchseite=Signal Representation/The Convolution Theorem and Operation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID531__Sig_Z_3_7_neu.png|right|Rechtecksignal mit Echo]]
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[[File:EN_Sig_Z_3_7.png|right|frame|Transmission signal&nbsp; $s(t)$, and&nbsp; <br>reception signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; with echo]]
Wir betrachten ein periodisches Rechtecksignal $s(t)$ mit den möglichen Amplitudenwerten $0\,\text{ V}$ und $2\,\text{ V}$ und der Periodendauer $T_0 = T = 1 \,\text{ms}$. Bei den Sprungstellen, zum Beispiel bei $t = T/4$, beträgt der Signalwert jeweils $1\,\text{ V}$. Der Gleichanteil (also der Fourierkoeffizient $A_0$) des Signals ist ebenfalls $1\,\text{ V}$. Weiter gilt:
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We consider a periodic rectangular signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; with the possible amplitude values&nbsp; $0\text{ V}$&nbsp; and&nbsp; $2\text{ V}$&nbsp; and the period duration&nbsp; $T_0 = T = 1 \text{ ms}$.&nbsp; At the jump points, e.g. at&nbsp; $t = T/4$, the signal value are&nbsp; $1\text{ V}$.&nbsp; The DC component&nbsp; $($i.e. the Fourier coefficient&nbsp; $A_0)$&nbsp; of the signal is&nbsp; $1\text{ V}$, too.  
  
:* Aufgrund der Symmetrie (gerade Funktion) sind alle Sinuskoeffizienten $B_n = 0$.
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Further applies:
  
:* Die Koeffizienten $A_n$ mit geradzahligem $n$ sind ebenfalls $0$.
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* Due to symmetry (even function), all sine coefficients&nbsp; $B_n = 0$.
  
:* Für ungeradzahlige Werte von $n$ gilt hingegen:
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* The coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; with even&nbsp; $n$&nbsp; are also zero.
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* For odd values of&nbsp; $n$,&nbsp; the following applies:
 
:$$A_n  = ( { - 1} )^{\left( {n - 1} \right)/2}  \cdot \frac{{4\;{\rm{V}}}}{{n \cdot {\rm{\pi }}}}.$$
 
:$$A_n  = ( { - 1} )^{\left( {n - 1} \right)/2}  \cdot \frac{{4\;{\rm{V}}}}{{n \cdot {\rm{\pi }}}}.$$
  
Das Signal $s(t)$ gelangt über zwei Wege zum Empfänger (siehe untere Skizze): Einmal auf dem direkten Pfad und zum zweiten über einen Nebenpfad. Dieser ist durch den Dämpfungsfaktor $\alpha$ und die Laufzeit $\tau$ gekennzeichnet. Daher gilt für das Empfangssignal:
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The signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; reaches the receiver via two paths (see sketch below):  
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*Once on the direct path and secondly via a secondary path.
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*The latter is characterised by the attenuation factor&nbsp; $\alpha$&nbsp; and the transit time&nbsp; $\tau$&nbsp;.
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*Therefore, the following applies to the received signal:
 
:$$r(t) = s(t) + \alpha  \cdot s( {t - \tau } ).$$
 
:$$r(t) = s(t) + \alpha  \cdot s( {t - \tau } ).$$
Der Frequenzgang des Kanals ist $H(f) = R(f)/S(f)$, die Impulsantwort wird mit $h(t)$ bezeichnet.
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The frequency response of the channel is&nbsp; $H(f) = R(f)/S(f)$,&nbsp; the impulse response is denoted by&nbsp; $h(t)$&nbsp;.
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''Hinweise:''  
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''Hints:''  
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Signaldarstellung/Faltungssatz_und_Faltungsoperation|Faltungssatz und Faltungsoperation]].
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|The Convolution Theorem and Operation]].
*Wichtige Informationen finden Sie vor allem auf der Seite [[Signaldarstellung/Faltungssatz_und_Faltungsoperation#Faltung_einer_Funktion_mit_einer_Diracfunktion|Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion]].
+
*Important information can be found on the page&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Convolution_of_a_function_with_a_Dirac_function|Convolution of a function with a Dirac function]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
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===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen treffen hinsichtlich der Impulsantwort $h(t)$ zu?
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{Which statements are true regarding the impulse response&nbsp; $h(t)$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Für $0 ≤ t < \tau$ gilt $h(t) = 1$, für $t  > \tau$ ist $h(t) = 1 + \alpha$.
+
- For&nbsp; $0 ≤ t < \tau$&nbsp; holds &nbsp;$h(t) = 1$, and for&nbsp; $t  > \tau$&nbsp; holds &nbsp; $h(t) = 1 + \alpha$.
+ Es gilt $h(t) = \delta (t) + \alpha \cdot \delta(t \tau)$.
+
+ It holds that &nbsp;$h(t) = \delta (t) + \alpha \cdot \delta(t - \tau)$.
- $h(t)$ verläuft gaußförmig.
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- $h(t)$&nbsp; has a Gaussian shape.
  
  
{Berechnen Sie das Signal $r(t)$ für die Kanalparameter $\alpha = –0.5$ und $\tau = T/4$. Welche Werte ergeben sich bei den normierten Zeiten $t/T = 0.2$ bzw. $t/T = 0.3$?
+
{Calculate the reception signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; for the channel parameters&nbsp; $\alpha = -0.5$&nbsp; and&nbsp; $\tau = T/4$. <br>What values result at the given times?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$r(t = 0.2 \cdot T)$ &nbsp;= { 1 3% } &nbsp;$\text{V}$
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$r(t = 0.2 \cdot T)\ = \ $ { 1 3% } &nbsp;$\text{V}$
$r(t = 0.3 \cdot T)$ &nbsp;= { -1.03--0.97 } &nbsp;$\text{V}$
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$r(t = 0.3 \cdot T)\ = \ $ { -1.03--0.97 } &nbsp;$\text{V}$
  
  
{Berechnen Sie das Signal $r(t)$ mit $\alpha = 1$ und $\tau = T/2$. Interpretieren Sie das Ergebnis im Frequenzbereich. Welcher Signalwert ergibt sich bei $t = T/2$?
+
{Calculate the reception signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; with&nbsp; $\alpha = 1$&nbsp; and&nbsp; $\tau = T/2$.&nbsp; Interpret the result in the frequency domain. <br>What value results for&nbsp; $t = T/2$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$r(t = T/2)$ &nbsp;= { 2 3% } &nbsp;$\text{V}$
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$r(t = T/2)\ = \ $ { 2 3% } &nbsp;$\text{V}$
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''  Die Impulsantwort ist gleich dem Empfangssignal $r(t)$, wenn am Eingang ein einzelner Diracimpuls zum Zeitpunkt $t = 0$ anliegt:
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'''(1)'''&nbsp; The <u>second suggested solution</u> is correct:
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*The impulse response is equal to the received signal&nbsp; $r(t)$, if a single Dirac delta is present at the input at time&nbsp; $t = 0$&nbsp;:
 
:$$h(t) = \delta (t) + \alpha  \cdot \delta( {t - \tau } ).$$
 
:$$h(t) = \delta (t) + \alpha  \cdot \delta( {t - \tau } ).$$
Richtig ist somit der <u>zweite Lösungsvorschlag</u>.
 
  
[[File:P_ID532__Sig_Z_3_7_b_neu.png|right|Faltung von Rechteck und Dirac]]
 
'''2.'''  Es gilt $r(t) = s(t) ∗ h(t)$. Diese Faltungsoperation lässt sich am einfachsten grafisch ausführen:
 
  
Die Werte des Empfangssignals lauten allgemein:
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[[File:P_ID532__Sig_Z_3_7_b_neu.png|right|frame|Convolution of square wave signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; and impulse response&nbsp; $h(t)$]]
 +
'''(2)'''&nbsp; It holds&nbsp; $r(t) = s(t) ∗ h(t)$.&nbsp; This convolution operation is most easily performed graphically:
  
:* $0.00 < t/T < 0.25:  r(t) = –1\text{ V}$,
+
The values of the received signal are generally:
  
:* $0.25 < t/T < 0.50:  r(t) = \,–1 \text{ V}$,
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* $0.00 < t/T < 0.25\text{:}\hspace{0.4cm}  r(t) = +1\hspace{0.02cm}\text{ V}$,
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* $0.25 < t/T < 0.50\text{:}\hspace{0.4cm}  r(t) = -1 \hspace{0.02cm}\text{ V}$,
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* $0.50 < t/T < 0.75\text{:}\hspace{0.4cm}   r(t) = 0 \hspace{0.02cm}\text{ V}$,
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* $0.75 < t/T < 1.00\text{:}\hspace{0.4cm}  r(t) = +2 \hspace{0.02cm}\text{ V}$.
  
:* $0.50 < t/T < 0.75:  r(t) = 0 \text{ V}$,
 
  
:* $0.75 < t/T < 1.00:   r(t) = +2 \text{ V}$.
+
The values we are looking for are thus
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:$$r(t = 0.2 \cdot T) \hspace{0.15cm}\underline{= +1 \hspace{0.02cm}\text{ V}},$$
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:$$r(t = 0.3 · T) \hspace{0.15cm}\underline{= -1 \hspace{0.02cm}\text{ V}}.$$
  
Die gesuchten Werte sind somit $r(t = 0.2 \cdot T) \underline{= +1 \text{ V}}$ und $r(t = 0.3 · T) \underline{= \,–1 \text{ V}}$.
 
  
'''3.'''  Bei ähnlicher Vorgehensweise wie unter 2) erhält man für $r(t)$ ein Gleichsignal von $2 \text{ V}$:  
+
'''(3)'''&nbsp; Using a similar procedure as in&nbsp; '''(2)''',&nbsp; a direct signal&nbsp; $\rm (DC)$&nbsp; of&nbsp; $2\hspace{0.02cm}\text{ V}$&nbsp; is obtained for&nbsp; $r(t)$ :  
*Die Lücken im Signal $s(t)$ werden durch das Echo $s(t T/2)$ vollständig aufgefüllt.  
+
*The gaps in the signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; are completely filled by the echo&nbsp; $s(t - T/2)$.
*Dieses Ergebnis lässt sich auch im Frequenzbereich ableiten. Der Kanalfrequenzgang lautet mit $\alpha = 1$ und $\tau = T/2$:
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*This result can also be derived in the frequency domain.&nbsp; The channel frequency response is with&nbsp; $\alpha = 1$&nbsp; and&nbsp; $\tau = T/2$:
 
:$$H( f ) = 1 + 1 \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j\pi }}fT}  = 1 + \cos ( {{\rm{\pi }}fT} ) - {\rm{j}} \cdot {\rm{sin}}( {{\rm{\pi }}fT} ).$$
 
:$$H( f ) = 1 + 1 \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j\pi }}fT}  = 1 + \cos ( {{\rm{\pi }}fT} ) - {\rm{j}} \cdot {\rm{sin}}( {{\rm{\pi }}fT} ).$$
*Das Eingangssignal ${s(t)}$ hat außer dem Gleichanteil nur Anteile bei $f = f_0 = 1/T$, $f = 3 \cdot f_0$, $f = 5 \cdot f_0$ usw..  
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*Apart from the DC component, the input signal&nbsp; ${s(t)}$&nbsp; only has components at&nbsp; $f = f_0 = 1/T$,&nbsp; $f = 3 \cdot f_0$,&nbsp; $f = 5 \cdot f_0$,&nbsp; etc..  
*Bei diesen Frequenzen sind aber sowohl der Real- als auch der Imaginärteil von ${H(f)}$ gleich Null.  
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*At these frequencies, however, both the real&ndash; and the imaginary part of&nbsp; ${H(f)}$&nbsp; are equal to zero.
*Damit erhält man für das Ausgangsspektrum mit $A_0 = 1 \text{ V}$ und $H(f = 0) = 2$:
+
*Thus, for the output spectrum with&nbsp; $A_0 = 1 \text{ V}$&nbsp; and&nbsp; $H(f = 0) = 2$&nbsp; we obtain:
 
:$$R(f) = A_0  \cdot H(f = 0) \cdot \delta (f) = 2\;{\rm{V}} \cdot \delta (f).$$
 
:$$R(f) = A_0  \cdot H(f = 0) \cdot \delta (f) = 2\;{\rm{V}} \cdot \delta (f).$$
Die Fourierrücktransformation liefert damit ebenfalls $r(t) \underline{= 2 \text{ V= const}}$.
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The inverse Fourier transformation thus also yields&nbsp; $r(t) \underline{= 2 \text{ V= const}}$.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^3. Aperiodische Signale - Impulse^]]
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[[Category:Signal Representation: Exercises|^3.4 The Convolution Theorem^]]

Latest revision as of 08:05, 26 May 2021

Transmission signal  $s(t)$, and 
reception signal  $r(t)$  with echo

We consider a periodic rectangular signal  $s(t)$  with the possible amplitude values  $0\text{ V}$  and  $2\text{ V}$  and the period duration  $T_0 = T = 1 \text{ ms}$.  At the jump points, e.g. at  $t = T/4$, the signal value are  $1\text{ V}$.  The DC component  $($i.e. the Fourier coefficient  $A_0)$  of the signal is  $1\text{ V}$, too.

Further applies:

  • Due to symmetry (even function), all sine coefficients  $B_n = 0$.
  • The coefficients  $A_n$  with even  $n$  are also zero.
  • For odd values of  $n$,  the following applies:
$$A_n = ( { - 1} )^{\left( {n - 1} \right)/2} \cdot \frac{{4\;{\rm{V}}}}{{n \cdot {\rm{\pi }}}}.$$

The signal  $s(t)$  reaches the receiver via two paths (see sketch below):

  • Once on the direct path and secondly via a secondary path.
  • The latter is characterised by the attenuation factor  $\alpha$  and the transit time  $\tau$ .
  • Therefore, the following applies to the received signal:
$$r(t) = s(t) + \alpha \cdot s( {t - \tau } ).$$

The frequency response of the channel is  $H(f) = R(f)/S(f)$,  the impulse response is denoted by  $h(t)$ .





Hints:


Questions

1

Which statements are true regarding the impulse response  $h(t)$?

For  $0 ≤ t < \tau$  holds  $h(t) = 1$, and for  $t > \tau$  holds   $h(t) = 1 + \alpha$.
It holds that  $h(t) = \delta (t) + \alpha \cdot \delta(t - \tau)$.
$h(t)$  has a Gaussian shape.

2

Calculate the reception signal  $r(t)$  for the channel parameters  $\alpha = -0.5$  and  $\tau = T/4$.
What values result at the given times?

$r(t = 0.2 \cdot T)\ = \ $

 $\text{V}$
$r(t = 0.3 \cdot T)\ = \ $

 $\text{V}$

3

Calculate the reception signal  $r(t)$  with  $\alpha = 1$  and  $\tau = T/2$.  Interpret the result in the frequency domain.
What value results for  $t = T/2$?

$r(t = T/2)\ = \ $

 $\text{V}$


Solution

(1)  The second suggested solution is correct:

  • The impulse response is equal to the received signal  $r(t)$, if a single Dirac delta is present at the input at time  $t = 0$ :
$$h(t) = \delta (t) + \alpha \cdot \delta( {t - \tau } ).$$


Convolution of square wave signal  $s(t)$  and impulse response  $h(t)$

(2)  It holds  $r(t) = s(t) ∗ h(t)$.  This convolution operation is most easily performed graphically:

The values of the received signal are generally:

  • $0.00 < t/T < 0.25\text{:}\hspace{0.4cm} r(t) = +1\hspace{0.02cm}\text{ V}$,
  • $0.25 < t/T < 0.50\text{:}\hspace{0.4cm} r(t) = -1 \hspace{0.02cm}\text{ V}$,
  • $0.50 < t/T < 0.75\text{:}\hspace{0.4cm} r(t) = 0 \hspace{0.02cm}\text{ V}$,
  • $0.75 < t/T < 1.00\text{:}\hspace{0.4cm} r(t) = +2 \hspace{0.02cm}\text{ V}$.


The values we are looking for are thus

$$r(t = 0.2 \cdot T) \hspace{0.15cm}\underline{= +1 \hspace{0.02cm}\text{ V}},$$
$$r(t = 0.3 · T) \hspace{0.15cm}\underline{= -1 \hspace{0.02cm}\text{ V}}.$$


(3)  Using a similar procedure as in  (2),  a direct signal  $\rm (DC)$  of  $2\hspace{0.02cm}\text{ V}$  is obtained for  $r(t)$ :

  • The gaps in the signal  $s(t)$  are completely filled by the echo  $s(t - T/2)$.
  • This result can also be derived in the frequency domain.  The channel frequency response is with  $\alpha = 1$  and  $\tau = T/2$:
$$H( f ) = 1 + 1 \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j\pi }}fT} = 1 + \cos ( {{\rm{\pi }}fT} ) - {\rm{j}} \cdot {\rm{sin}}( {{\rm{\pi }}fT} ).$$
  • Apart from the DC component, the input signal  ${s(t)}$  only has components at  $f = f_0 = 1/T$,  $f = 3 \cdot f_0$,  $f = 5 \cdot f_0$,  etc..
  • At these frequencies, however, both the real– and the imaginary part of  ${H(f)}$  are equal to zero.
  • Thus, for the output spectrum with  $A_0 = 1 \text{ V}$  and  $H(f = 0) = 2$  we obtain:
$$R(f) = A_0 \cdot H(f = 0) \cdot \delta (f) = 2\;{\rm{V}} \cdot \delta (f).$$

The inverse Fourier transformation thus also yields  $r(t) \underline{= 2 \text{ V= const}}$.