Difference between revisions of "Applets:Zur Verdeutlichung der grafischen Faltung"
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==Programmbeschreibung== | ==Programmbeschreibung== | ||
<br> | <br> | ||
− | Dieses Applet verdeutlicht die | + | Dieses Applet verdeutlicht die Faltungsoperation im Zeitbereich |
+ | *zwischen einem Eingangsimpuls $x(t)$ ⇒ Rechteck, Dreieck, Gauß, Exponentialfunktion | ||
+ | *und der Impulsantwort $h(t)$ eines LZI–Systems mit Tiefpass–Charakter ⇒ Spalt–Tiefpass, Tiefpass erster bzw. zweiter Ordnung, Gauß–Tiefpass. | ||
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− | + | Für das Ausgangssignal $y(t)$ entsprechend dem Blockschaltbild im $\text{Beispiel 1}$ gilt dann, wie im Kapitel [[Applets:Zur_Verdeutlichung_der_grafischen_Faltung#Grafische_Faltung|Grafische Faltung]] dargelegt: | |
+ | :$$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau )} \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau .$$ | ||
− | + | Bei kausalen Systemen ⇒ $h(t) \equiv 0$ für $t < 0$ (Beispiele: Spalt–Tiefpass sowie Tiefpass erster und zweiter Ordnung) kann hierfür auch geschrieben werden: | |
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+ | :$$y( t ) = \int_{ - \infty }^{ t } \hspace{-0.15cm}{x( \tau )} \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau .$$ | ||
+ | Bitte beachten Sie: | ||
+ | *Alle Größen – auch die Zeit $t$ – sind normiert (dimensionslos) zu verstehen. | ||
+ | *Die Zeitfunktionen $x(t)$, $h(t)$ und $y(t)$ können im Programm keine negativen Signalwerte annehmen. | ||
+ | *Die ''absolute Dauer'' eines Impulses $y(t)$ ist der (zusammenhängende) Zeitbereich, für den $y(t) > 0$ gilt. | ||
+ | *Die ''äquivalente Dauer'' eines Impulses ist über das flächengleiche Rechteck berechenbar. | ||
==Theoretischer Hintergrund== | ==Theoretischer Hintergrund== | ||
<br> | <br> | ||
===Faltung im Zeitbereich=== | ===Faltung im Zeitbereich=== | ||
− | + | ||
− | Der [[ | + | Der [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|Faltungssatz]] ist mit das wichtigste Gesetz der Fouriertransformation. Wir betrachten zunächst den Faltungssatz im Zeitbereich und setzen voraus, dass die Spektren zweier Zeitfunktionen $x_1(t)$ und $x_2(t)$ bekannt sind: |
:$$X_1 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}x_1( t ),\quad X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_2 ( t ).$$ | :$$X_1 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}x_1( t ),\quad X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_2 ( t ).$$ | ||
− | Dann gilt für die Zeitfunktion des Produktes $X_1(f) \cdot X_2(f)$: | + | Dann gilt für die Zeitfunktion des Produktes $X_1(f) \cdot X_2(f)$: |
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$ | :$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$ | ||
− | Hierbei ist $\tau$ eine formale Integrationsvariable mit der Dimension einer Zeit. | + | Hierbei ist $\tau$ eine formale Integrationsvariable mit der Dimension einer Zeit. |
{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
− | $\text{Definition:}$ Die obige Verknüpfung der Zeitfunktion $x_1(t)$ und $x_2(t)$ bezeichnet man als '''Faltung''' und stellt diesen Funktionalzusammenhang mit einem Stern dar: | + | $\text{Definition:}$ Die obige Verknüpfung der Zeitfunktion $x_1(t)$ und $x_2(t)$ bezeichnet man als '''Faltung''' und stellt diesen Funktionalzusammenhang mit einem Stern dar: |
− | :$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) } \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau | + | :$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) } \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$ |
Damit lässt sich obige Fourierkorrespondenz auch wie folgt schreiben: | Damit lässt sich obige Fourierkorrespondenz auch wie folgt schreiben: | ||
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:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$ | :$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$ | ||
− | [[ | + | [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Beweis_des_Faltungssatzes|$\text{Beweis}$]]}} |
− | ''Anmerkung'': Die Faltung ist '''kommutativ''' ⇒ Die Reihenfolge der Operanden ist vertauschbar: ${ {x}}_{\rm{1}} ( t ) * { {x}}_{\rm{2}} (t ) ={ {x}}_{\rm{2}} ( t ) * { {x}}_{\rm{1}} (t ) $. | + | ''Anmerkung'': Die Faltung ist '''kommutativ''' ⇒ Die Reihenfolge der Operanden ist vertauschbar: ${ {x}}_{\rm{1}} ( t ) * { {x}}_{\rm{2}} (t ) ={ {x}}_{\rm{2}} ( t ) * { {x}}_{\rm{1}} (t ) $. |
[[File:P_ID579__Sig_T_3_4_S1_neu.png|right|frame|Zur Berechnung von Signal und Spektrum am LZI–Ausgang]] | [[File:P_ID579__Sig_T_3_4_S1_neu.png|right|frame|Zur Berechnung von Signal und Spektrum am LZI–Ausgang]] | ||
{{GraueBox|TEXT= | {{GraueBox|TEXT= | ||
− | $\text{Beispiel 1:}$ Ein jedes lineare zeitinvariante (LZI-) System kann sowohl durch den Frequenzgang $H(f)$ als auch durch die Impulsantwort $h(t)$ beschrieben werden, wobei der Zusammenhang zwischen diesen beiden Systemgrößen ebenfalls durch die Fouriertransformation gegeben ist. | + | $\text{Beispiel 1:}$ Ein jedes lineare zeitinvariante (LZI-) System kann sowohl durch den Frequenzgang $H(f)$ als auch durch die Impulsantwort $h(t)$ beschrieben werden, wobei der Zusammenhang zwischen diesen beiden Systemgrößen ebenfalls durch die Fouriertransformation gegeben ist. |
− | Legt man an den Eingang ein Signal $x(t)$ mit dem Spektrum $X(f)$ an, so gilt für das Spektrum des Ausgangssignals: | + | Legt man an den Eingang ein Signal $x(t)$ mit dem Spektrum $X(f)$ an, so gilt für das Spektrum des Ausgangssignals: |
:$$Y(f) = X(f) \cdot H(f)\hspace{0.05cm}.$$ | :$$Y(f) = X(f) \cdot H(f)\hspace{0.05cm}.$$ | ||
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:$$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau )} \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau )} \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$ | :$$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau )} \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau )} \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$ | ||
− | Aus dieser Gleichung geht nochmals hervor, dass die Faltungsoperation ''kommutativ'' ist.}} | + | Aus dieser Gleichung geht nochmals hervor, dass die Faltungsoperation ''kommutativ'' ist.}} |
− | ==Faltung im Frequenzbereich== | + | ===Faltung im Frequenzbereich=== |
− | + | ||
− | Die Dualität zwischen Zeit– und Frequenzbereich erlaubt auch Aussagen hinsichtlich des Spektrums | + | Die Dualität zwischen Zeit– und Frequenzbereich erlaubt auch Aussagen hinsichtlich des Spektrums eines Produktsignals: |
:$$x_1 ( t ) \cdot x_2 ( t )\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_1 (f) * X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X_1 ( \nu )} \cdot X_2 ( {f - \nu })\hspace{0.1cm}{\rm d}\nu.$$ | :$$x_1 ( t ) \cdot x_2 ( t )\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_1 (f) * X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X_1 ( \nu )} \cdot X_2 ( {f - \nu })\hspace{0.1cm}{\rm d}\nu.$$ | ||
− | Dieses Resultat lässt sich ähnlich wie der [[ | + | Dieses Resultat lässt sich ähnlich wie der [[Applets:Zur_Verdeutlichung_der_grafischen_Faltung#Faltung_im_Zeitbereich|Faltungssatz im Zeitbereich]] beweisen. Die Integrationsvariable $\nu$ hat aber nun die Dimension einer Frequenz. |
[[File:P_ID580__Sig_T_3_4_S2_neu.png|right|frame|Faltung im Frequenzbereich]] | [[File:P_ID580__Sig_T_3_4_S2_neu.png|right|frame|Faltung im Frequenzbereich]] | ||
{{GraueBox|TEXT= | {{GraueBox|TEXT= | ||
− | $\text{Beispiel 2:}$ Die [[ | + | $\text{Beispiel 2:}$ Die [[Modulation_Methods/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#Beschreibung_im_Zeitbereich|Zweiseitenband-Amplitudenmodulation]] (ZSB-AM) ohne Träger wird durch das skizzierte Modell beschrieben. |
− | *Bei der Zeitbereichsdarstellung (blau) ergibt sich das modulierte Signal $s(t)$ als das Produkt aus dem Nachrichtensignal $q(t)$ und dem (normierten) Trägersignal $z(t)$. | + | *Bei der Zeitbereichsdarstellung (blau) ergibt sich das modulierte Signal $s(t)$ als das Produkt aus dem Nachrichtensignal $q(t)$ und dem (normierten) Trägersignal $z(t)$. |
− | *Nach dem Faltungssatz folgt daraus für den Frequenzbereich (rot), dass das Ausgangsspektrum $S(f)$ gleich dem Faltungsprodukt aus $Q(f)$ und $Z(f)$ ist.}} | + | *Nach dem Faltungssatz folgt daraus für den Frequenzbereich (rot), dass das Ausgangsspektrum $S(f)$ gleich dem Faltungsprodukt aus $Q(f)$ und $Z(f)$ ist.}} |
− | ==Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion== | + | ===Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion=== |
− | + | ||
− | Sehr einfach wird die Faltungsoperation, wenn einer der beiden Operanden eine [[ | + | Sehr einfach wird die Faltungsoperation, wenn einer der beiden Operanden eine [[Signal_Representation/Gleichsignal_-_Grenzfall_eines_periodischen_Signals#Diracfunktion_im_Frequenzbereich|Diracfunktion]] ist. Dies gilt für die Faltung im Zeit– und im Frequenzbereich gleichermaßen. |
− | Wir betrachten beispielhaft die Faltung einer Funktion $x_1(t)$ mit der Funktion | + | Wir betrachten beispielhaft die Faltung einer Funktion $x_1(t)$ mit der Funktion |
:$$x_2 ( t ) = \alpha \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.03cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.01cm}f\hspace{0.01cm}T}.$$ | :$$x_2 ( t ) = \alpha \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.03cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.01cm}f\hspace{0.01cm}T}.$$ | ||
− | Für die Spektralfunktion des Signals $y(t) = x_1(t) \ast x_2(t)$ gilt dann: | + | Für die Spektralfunktion des Signals $y(t) = x_1(t) \ast x_2(t)$ gilt dann: |
:$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.03cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.01cm}f\hspace{0.01cm}T} .$$ | :$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.03cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.01cm}f\hspace{0.01cm}T} .$$ | ||
− | Die komplexe Exponentialfunktion führt zur Verschiebung um $T$ ⇒ [[ | + | Die komplexe Exponentialfunktion führt zur Verschiebung um $T$ ⇒ [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Verschiebungssatz|Verschiebungssatz]], der Faktor $\alpha$ zu einer Dämpfung $(\alpha < 1)$ bzw. einer Verstärkung $(\alpha > 1)$. Daraus folgt: |
:$$x_1 (t) * x_2 (t) = \alpha \cdot x_1 ( {t - T} ).$$ | :$$x_1 (t) * x_2 (t) = \alpha \cdot x_1 ( {t - T} ).$$ | ||
{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
− | $\text{In Worten: }$ Die Faltung einer beliebigen Funktion mit einer Diracfunktion bei $t = T$ ergibt die um $T$ nach rechts verschobene Funktion, wobei noch die Gewichtung der Diracfunktion durch den Faktor $\alpha$ zu berücksichtigen ist.}} | + | $\text{In Worten: }$ Die Faltung einer beliebigen Funktion mit einer Diracfunktion bei $t = T$ ergibt die um $T$ nach rechts verschobene Funktion, wobei noch die Gewichtung der Diracfunktion durch den Faktor $\alpha$ zu berücksichtigen ist.}} |
{{GraueBox|TEXT= | {{GraueBox|TEXT= | ||
− | $\text{Beispiel 3:}$ Ein Rechtecksignal $x(t)$ wird durch ein LZI-System um eine Laufzeit $\tau = 3\,\text{ ms}$ verzögert und um den Faktor $\alpha = 0.5$ gedämpft. | + | $\text{Beispiel 3:}$ Ein Rechtecksignal $x(t)$ wird durch ein LZI-System um eine Laufzeit $\tau = 3\,\text{ ms}$ verzögert und um den Faktor $\alpha = 0.5$ gedämpft. |
[[File:P_ID522__Sig_T_3_4_S3_neu.png|center|frame|Faltung eines Rechtecks mit einer Diracfunktion]] | [[File:P_ID522__Sig_T_3_4_S3_neu.png|center|frame|Faltung eines Rechtecks mit einer Diracfunktion]] | ||
− | Verschiebung und Dämpfung erkennt man sowohl am Ausgangssignal $y(t)$ als auch an der Impulsantwort $h(t)$.}} | + | Verschiebung und Dämpfung erkennt man sowohl am Ausgangssignal $y(t)$ als auch an der Impulsantwort $h(t)$.}} |
− | ==Grafische Faltung== | + | ===Grafische Faltung=== |
− | + | ||
− | + | In diesem Applet wird von folgender Faltungsoperation ausgegangen: | |
− | [[File:P_ID2723__Sig_T_3_4_programm.png|right|frame|Bildschirmabzug des Programms „Grafische Faltung”]] | + | [[File:P_ID2723__Sig_T_3_4_programm.png|right|frame|Bildschirmabzug des Programms „Grafische Faltung” (frühere Version)]] |
− | :$$y(t) = | + | :$$y(t) = x (t) * h (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x ( \tau )} \cdot h ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$ |
− | Die Lösung des Faltungsintegrals soll auf grafischem Wege erfolgen. Es wird vorausgesetzt, dass $ | + | Die Lösung des Faltungsintegrals soll auf grafischem Wege erfolgen. Es wird vorausgesetzt, dass $x(t)$ und $h(t)$ zeitkontinuierliche Signale sind. |
Dann sind die folgenden Schritte erforderlich: | Dann sind die folgenden Schritte erforderlich: | ||
− | # Die '''Zeitvariablen''' der beiden Funktionen '''ändern''': <br> $ | + | # Die '''Zeitvariablen''' der beiden Funktionen '''ändern''': <br> $x(t) \to x(\tau)$, $h(t) \to h(\tau)$. |
− | # Zweite '''Funktion spiegeln''': $ | + | # Zweite '''Funktion spiegeln''': $h(\tau) \to h(-\tau)$. |
− | # Gespiegelte '''Funktion''' um $t$ '''verschieben''': $ | + | # Gespiegelte '''Funktion''' um $t$ '''verschieben''': $h(-\tau) \to h(t-\tau)$. |
− | # '''Multiplikation''' der beiden Funktionen $ | + | # '''Multiplikation''' der beiden Funktionen $x(\tau)$ und $h(t-\tau)$. |
− | # '''Integration''' über das Produkt bezüglich $\tau$ in den Grenzen von $-\infty$ bis $+\infty$. | + | # '''Integration''' über das Produkt bezüglich $\tau$ in den Grenzen von $-\infty$ bis $+\infty$. |
− | |||
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+ | Da die Faltung kommutativ ist, kann anstelle von $h(\tau)$ auch $x(\tau)$ gespiegelt werden. | ||
<br><br> | <br><br> | ||
− | + | Nebenstehende Grafik zeigt einen Bildschirmabzug einer älteren Version des vorliegenden Applets. | |
<br><br> | <br><br> | ||
Line 136: | Line 136: | ||
$\text{Beispiel 4:}$ | $\text{Beispiel 4:}$ | ||
Die Vorgehensweise bei der grafischen Faltung wird nun anhand eines ausführlichen Beispiels erklärt: | Die Vorgehensweise bei der grafischen Faltung wird nun anhand eines ausführlichen Beispiels erklärt: | ||
− | *Am Eingang eines Filters liege eine Sprungfunktion $x(t) = \gamma(t)$ an. | + | *Am Eingang eines Filters liege eine Sprungfunktion $x(t) = \gamma(t)$ an. |
− | *Die Impulsantwort des RC-Tiefpasses sei $h( t ) = {1}/{T} \cdot {\rm{e} }^{ - t/T}.$ | + | *Die Impulsantwort des RC-Tiefpasses sei $h( t ) = {1}/{T} \cdot {\rm{e} }^{ - t/T}.$ |
− | Die Grafik zeigt rot das Eingangssignal $x(\tau)$, blau die Impulsantwort $h(\tau)$ und grau das Ausgangssignal $y(\tau)$. | + | Die Grafik zeigt rot das Eingangssignal $x(\tau)$, blau die Impulsantwort $h(\tau)$ und grau das Ausgangssignal $y(\tau)$. |
− | Die Zeitachse ist bereits in $\tau$ umbenannt. | + | Die Zeitachse ist bereits in $\tau$ umbenannt. |
Das Ausgangssignal kann zum Beispiel nach folgender Gleichung berechnet werden: | Das Ausgangssignal kann zum Beispiel nach folgender Gleichung berechnet werden: | ||
Line 148: | Line 148: | ||
Noch einige Anmerkungen zur grafischen Faltung: | Noch einige Anmerkungen zur grafischen Faltung: | ||
− | *Der Ausgangswert bei $t = 0$ ergibt sich, indem man das Eingangssignal $x(\tau)$ spiegelt, dieses gespiegelte Signal $x(-\tau)$ mit der Impulsantwort $h(\tau)$ multipliziert und darüber integriert. | + | *Der Ausgangswert bei $t = 0$ ergibt sich, indem man das Eingangssignal $x(\tau)$ spiegelt, dieses gespiegelte Signal $x(-\tau)$ mit der Impulsantwort $h(\tau)$ multipliziert und darüber integriert. |
− | *Da es hier kein Zeitintervall gibt, bei dem sowohl die blaue Kurve $h(\tau)$ und gleichzeitig auch die rot gestrichelte Spiegelung $x(-\tau)$ ungleich Null ist, folgt daraus $y(t=0)=0$. | + | *Da es hier kein Zeitintervall gibt, bei dem sowohl die blaue Kurve $h(\tau)$ und gleichzeitig auch die rot gestrichelte Spiegelung $x(-\tau)$ ungleich Null ist, folgt daraus $y(t=0)=0$. |
− | *Für jeden anderen Zeitpunkt $t$ muss das Eingangssignal verschoben werden ⇒ $x(t-\tau)$, beispielsweise entsprechend der grün gestrichelten Kurve für $t=T$. | + | *Für jeden anderen Zeitpunkt $t$ muss das Eingangssignal verschoben werden ⇒ $x(t-\tau)$, beispielsweise entsprechend der grün gestrichelten Kurve für $t=T$. |
− | *Da in diesem Beispiel auch $x(t-\tau)$ nur die Werte $0$ oder $1$ annehmen kann, wird die Integration (allgemein von $\tau_1$ bis $\tau_2$ | + | *Da in diesem Beispiel auch $x(t-\tau)$ nur die Werte $0$ oder $1$ annehmen kann, wird die Integration $($allgemein von $\tau_1$ bis $\tau_2)$ einfach und man erhält mit $\tau_1 = 0$ und $\tau_2 = t$ : |
:$$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$ | :$$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$ | ||
− | Die Skizze gilt für $t=T$ und führt zum Ausgangswert $y(t=T) = 1 – 1/\text{e} \approx 0.632$.}} | + | Die Skizze gilt für $t=T$ und führt zum Ausgangswert $y(t=T) = 1 – 1/\text{e} \approx 0.632$.}} |
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==Versuchsdurchführung== | ==Versuchsdurchführung== | ||
− | + | <br> | |
− | [[File: | + | [[File:Musterlösung_Faltung_3.png|right]] |
− | *Wählen Sie | + | *Wählen Sie die Aufgabennummer. Eine Aufgabenbeschreibung wird angezeigt. |
*Alle Parameter sind angepasst. Alle Grafiken und Ergebniswerte sind aktualisiert. | *Alle Parameter sind angepasst. Alle Grafiken und Ergebniswerte sind aktualisiert. | ||
*Musterlösung nach Drücken des entsprechenden Buttons. | *Musterlösung nach Drücken des entsprechenden Buttons. | ||
− | *Nummer | + | *Nummer "0": Gleiche Einstellung wie beim Programmstart. |
<br clear=all> | <br clear=all> | ||
{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
Line 174: | Line 170: | ||
::* Nach Umbenennung: Eingangssignal $x(\tau)$ ⇒ rote Kurve, Impulsantwort $h(\tau)$ ⇒ blaue Kurve, nach Spiegelung $h(-\tau)$ ⇒ grüne Kurve. | ::* Nach Umbenennung: Eingangssignal $x(\tau)$ ⇒ rote Kurve, Impulsantwort $h(\tau)$ ⇒ blaue Kurve, nach Spiegelung $h(-\tau)$ ⇒ grüne Kurve. | ||
− | ::* Verschiebt man die grüne Kurve um $t$ nach rechts, so erhält man $h(t-\tau)$. $y(t)$ ergibt sich durch Multiplikation und Integration bzgl. $\tau$: | + | ::* Verschiebt man die grüne Kurve um $t$ nach rechts, so erhält man $h(t-\tau)$. Das Ausgangssignal $y(t)$ ergibt sich durch Multiplikation und Integration bzgl. $\tau$: |
:::$$y (t) = \int_{ - \infty }^{ +\infty } {x ( \tau ) } \cdot h ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = \int_{ - \infty }^{ t } {x ( \tau ) } \cdot h ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau .$$ | :::$$y (t) = \int_{ - \infty }^{ +\infty } {x ( \tau ) } \cdot h ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = \int_{ - \infty }^{ t } {x ( \tau ) } \cdot h ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau .$$ | ||
Line 182: | Line 178: | ||
'''(2)''' Was ändert sich, wenn man die äquivalente Impulsdauer von $h(t)$ auf $\Delta t_h= 1.5$ erhöht? }} | '''(2)''' Was ändert sich, wenn man die äquivalente Impulsdauer von $h(t)$ auf $\Delta t_h= 1.5$ erhöht? }} | ||
− | ::* $y_{\rm max}\approx 0.53$ tritt nun bei $t_{\rm max}\approx 1.75$ auf. Durch die ungünstigere Impulsantwort wird der Eingangsimpuls stärker verformt. | + | ::* $y_{\rm max}\approx 0.53$ tritt nun bei $t_{\rm max}\approx 1.75$ auf. Durch die ungünstigere (breitere) Impulsantwort wird der Eingangsimpuls stärker verformt. |
− | ::* Bei einem digitalen Nachrichtenübertragungssystem hätte dies stärkere Impulsinterenzen ( | + | ::* Bei einem digitalen Nachrichtenübertragungssystem hätte dies stärkere Impulsinterenzen ("Intersymbol Interference") zur Folge. |
{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
Line 191: | Line 187: | ||
::* Die Faltung zweier Rechtecke mit jeweiliger Dauer $1$ ergibt ein Dreieck mit absoluter Dauer $2$ ⇒ äquivalente Impulsdauer $\Delta t_y= 1$. | ::* Die Faltung zweier Rechtecke mit jeweiliger Dauer $1$ ergibt ein Dreieck mit absoluter Dauer $2$ ⇒ äquivalente Impulsdauer $\Delta t_y= 1$. | ||
::* $y(t)$ ist im Bereich von $-0.5$ bis $+1.5$ von Null verschieden. Impulsmaximum $y_{\rm max} = 1$ bei $t_{\rm max} = +0.5$. | ::* $y(t)$ ist im Bereich von $-0.5$ bis $+1.5$ von Null verschieden. Impulsmaximum $y_{\rm max} = 1$ bei $t_{\rm max} = +0.5$. | ||
− | ::* $h(t)$ beschreibt ein kausales System, da $h(t) \equiv 0$ für $t < 0$ ⇒ die | + | ::* $h(t)$ beschreibt ein kausales System, da $h(t) \equiv 0$ für $t < 0$ ⇒ die "Wirkung" $y(t)$ kommt nicht vor der "Ursache" $x(t)$. |
{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
Line 216: | Line 212: | ||
{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
'''(7)''' Für den Rest dieser Versuchsdurchführung betrachten wir stets den Gauß–Tiefpass. Die äquivalente Dauer der Impulsantwort $h(t)$ sei zunächst $\Delta t_h= 0.8$. | '''(7)''' Für den Rest dieser Versuchsdurchführung betrachten wir stets den Gauß–Tiefpass. Die äquivalente Dauer der Impulsantwort $h(t)$ sei zunächst $\Delta t_h= 0.8$. | ||
− | <br> Analsyieren und interpretieren Sie dieses | + | <br> Analsyieren und interpretieren Sie dieses "System" im Hinblick auf Kausalität und die entstehenden Verzerrungen für ein Rechtecksignal. }} |
::* Der Tiefpass ist nicht kausal (realisierbar): für $t < 0$ gilt nicht $h(t) \equiv 0$ gilt. Geeignetes Modell, wenn man die unendliche Laufzeit außer Acht lässt. | ::* Der Tiefpass ist nicht kausal (realisierbar): für $t < 0$ gilt nicht $h(t) \equiv 0$ gilt. Geeignetes Modell, wenn man die unendliche Laufzeit außer Acht lässt. | ||
::* Je größer $\Delta t_h$ ist, desto breiter wird der Ausgangsimpuls und um so stärker die Degradation eines Digitalsystems durch Impulsinterferenzen. | ::* Je größer $\Delta t_h$ ist, desto breiter wird der Ausgangsimpuls und um so stärker die Degradation eines Digitalsystems durch Impulsinterferenzen. | ||
− | ::* Der Tiefpass–Frequenzgang $H(f)$ ist die Fouriertransformierte von $h(t)$. Je größer $\Delta t_h$ ist, desto kleiner ist $\Delta f_h = 1/\Delta t_h$. | + | ::* Der Tiefpass–Frequenzgang $H(f)$ ist die Fouriertransformierte von $h(t)$. Je größer $\Delta t_h$ ist, desto kleiner ist $\Delta f_h = 1/\Delta t_h$ ⇒ System schmalbandiger. |
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::* $y(t)$ ist gaußähnlich, aber nicht exakt gaußförmig. Merksatz: '''Gauß gefaltet mit Nicht–Gauß ergibt niemals exakt Gauß'''. | ::* $y(t)$ ist gaußähnlich, aber nicht exakt gaußförmig. Merksatz: '''Gauß gefaltet mit Nicht–Gauß ergibt niemals exakt Gauß'''. | ||
− | ::* Die abgefragten Kenngrößen des Ausgangsimpules $y(t)$ unterscheiden sich nur geringfügig gegenüber '''(8)''': $\Delta t_y \approx 2. | + | ::* Die abgefragten Kenngrößen des Ausgangsimpules $y(t)$ unterscheiden sich nur geringfügig gegenüber '''(8)''': $\Delta t_y \approx 2.551$, $y_{\rm max} \approx 0.588$. |
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+ | '''(A)''' Auswahl: Form des Eingangsimpulses $x(t)$ | ||
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− | '''( | + | '''(E)''' Bedienfeld (Start; Pause/Weiter ; Step > ; Step < ; Reset) |
− | '''( | + | '''(F)''' Ausgabe des Ausgangswertes $y(t)$ zur fortlaufenden Zeit $t$ |
− | '''( | + | '''(G)''' Maximalwert $y_{\rm max} = y(t_{\rm max})$ und äquivalente Breite $\Delta\hspace{0.03cm} t_y$ |
− | | + | Nach Umbenennung der Abszisse: $t \ \to \ \tau$: |
− | '''( | + | '''(H)''' Darstellung von $x(\tau)$ ⇒ rote statische Kurve |
− | '''( | + | '''(I)''' Darstellung von $h(\tau)$ ⇒ blaue Kurve und $h(t-\tau)$ ⇒ grüne Kurve <br> (diese wird mit dem Bewegungsparameter $t$ nach rechts verschoben) |
− | '''( | + | '''(J)''' Darstellung von $x(\tau) \cdot h(t - \tau)$ ⇒ violette Kurve, dynamisch mit $t$ |
− | '''( | + | '''(K)''' Sukzessive Darstellung des Ausgangssignals $y(t)$ ⇒ braune Kurve |
− | '''( | + | '''(L)''' Bereich für die Versuchsdurchführung: Aufgabenauswahl |
− | '''( | + | '''(M)''' Versuchsdurchführung: Bereich für die Aufgabenstellung |
− | '''( | + | '''(N)''' Versuchsdurchführung: Bereich für die Musterlösung |
<br clear=all> | <br clear=all> | ||
==Über die Autoren== | ==Über die Autoren== | ||
Dieses interaktive Applet wurde am [http://www.lnt.ei.tum.de/startseite Lehrstuhl für Nachrichtentechnik] der [https://www.tum.de/ Technischen Universität München] konzipiert und realisiert. | Dieses interaktive Applet wurde am [http://www.lnt.ei.tum.de/startseite Lehrstuhl für Nachrichtentechnik] der [https://www.tum.de/ Technischen Universität München] konzipiert und realisiert. | ||
− | *Die erste Version wurde 2006 von [[ | + | *Die erste Version wurde 2006 von [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Markus_Elsberger_.28Diplomarbeit_LB_2006.29|Markus Elsberger]] im Rahmen seiner Bachelorarbeit mit "FlashMX–Actionscript" erstellt (Betreuer: [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Mitarbeiter_und_Dozenten#Prof._Dr.-Ing._habil._G.C3.BCnter_S.C3.B6der_.28am_LNT_seit_1974.29|Günter Söder]]). |
− | *2019 wurde das Programm von [[ | + | *2019 wurde das Programm von [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Carolin_Mirschina_.28Ingenieurspraxis_Math_2019.2C_danach_Werkstudentin.29|Carolin Mirschina]] im Rahmen einer Werkstudententätigkeit auf "HTML5" umgesetzt und neu gestaltet (Betreuer: [[Biographies_and_Bibliographies/Beteiligte_der_Professur_Leitungsgebundene_%C3%9Cbertragungstechnik#Tasn.C3.A1d_Kernetzky.2C_M.Sc._.28bei_L.C3.9CT_seit_2014.29|Tasnád Kernetzky]]). |
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==Nochmalige Aufrufmöglichkeit des Applets in neuem Fenster== | ==Nochmalige Aufrufmöglichkeit des Applets in neuem Fenster== | ||
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Latest revision as of 15:40, 28 May 2021
Contents
Programmbeschreibung
Dieses Applet verdeutlicht die Faltungsoperation im Zeitbereich
- zwischen einem Eingangsimpuls $x(t)$ ⇒ Rechteck, Dreieck, Gauß, Exponentialfunktion
- und der Impulsantwort $h(t)$ eines LZI–Systems mit Tiefpass–Charakter ⇒ Spalt–Tiefpass, Tiefpass erster bzw. zweiter Ordnung, Gauß–Tiefpass.
Für das Ausgangssignal $y(t)$ entsprechend dem Blockschaltbild im $\text{Beispiel 1}$ gilt dann, wie im Kapitel Grafische Faltung dargelegt:
- $$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau )} \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau .$$
Bei kausalen Systemen ⇒ $h(t) \equiv 0$ für $t < 0$ (Beispiele: Spalt–Tiefpass sowie Tiefpass erster und zweiter Ordnung) kann hierfür auch geschrieben werden:
- $$y( t ) = \int_{ - \infty }^{ t } \hspace{-0.15cm}{x( \tau )} \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau .$$
Bitte beachten Sie:
- Alle Größen – auch die Zeit $t$ – sind normiert (dimensionslos) zu verstehen.
- Die Zeitfunktionen $x(t)$, $h(t)$ und $y(t)$ können im Programm keine negativen Signalwerte annehmen.
- Die absolute Dauer eines Impulses $y(t)$ ist der (zusammenhängende) Zeitbereich, für den $y(t) > 0$ gilt.
- Die äquivalente Dauer eines Impulses ist über das flächengleiche Rechteck berechenbar.
Theoretischer Hintergrund
Faltung im Zeitbereich
Der Faltungssatz ist mit das wichtigste Gesetz der Fouriertransformation. Wir betrachten zunächst den Faltungssatz im Zeitbereich und setzen voraus, dass die Spektren zweier Zeitfunktionen $x_1(t)$ und $x_2(t)$ bekannt sind:
- $$X_1 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}x_1( t ),\quad X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_2 ( t ).$$
Dann gilt für die Zeitfunktion des Produktes $X_1(f) \cdot X_2(f)$:
- $$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
Hierbei ist $\tau$ eine formale Integrationsvariable mit der Dimension einer Zeit.
$\text{Definition:}$ Die obige Verknüpfung der Zeitfunktion $x_1(t)$ und $x_2(t)$ bezeichnet man als Faltung und stellt diesen Funktionalzusammenhang mit einem Stern dar:
- $$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) } \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
Damit lässt sich obige Fourierkorrespondenz auch wie folgt schreiben:
- $$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$
Anmerkung: Die Faltung ist kommutativ ⇒ Die Reihenfolge der Operanden ist vertauschbar: ${ {x}}_{\rm{1}} ( t ) * { {x}}_{\rm{2}} (t ) ={ {x}}_{\rm{2}} ( t ) * { {x}}_{\rm{1}} (t ) $.
$\text{Beispiel 1:}$ Ein jedes lineare zeitinvariante (LZI-) System kann sowohl durch den Frequenzgang $H(f)$ als auch durch die Impulsantwort $h(t)$ beschrieben werden, wobei der Zusammenhang zwischen diesen beiden Systemgrößen ebenfalls durch die Fouriertransformation gegeben ist.
Legt man an den Eingang ein Signal $x(t)$ mit dem Spektrum $X(f)$ an, so gilt für das Spektrum des Ausgangssignals:
- $$Y(f) = X(f) \cdot H(f)\hspace{0.05cm}.$$
Mit dem Faltungssatz ist es nun möglich, das Ausgangssignal auch direkt im Zeitbereich zu berechnen:
- $$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau )} \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau )} \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$
Aus dieser Gleichung geht nochmals hervor, dass die Faltungsoperation kommutativ ist.
Faltung im Frequenzbereich
Die Dualität zwischen Zeit– und Frequenzbereich erlaubt auch Aussagen hinsichtlich des Spektrums eines Produktsignals:
- $$x_1 ( t ) \cdot x_2 ( t )\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_1 (f) * X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X_1 ( \nu )} \cdot X_2 ( {f - \nu })\hspace{0.1cm}{\rm d}\nu.$$
Dieses Resultat lässt sich ähnlich wie der Faltungssatz im Zeitbereich beweisen. Die Integrationsvariable $\nu$ hat aber nun die Dimension einer Frequenz.
$\text{Beispiel 2:}$ Die Zweiseitenband-Amplitudenmodulation (ZSB-AM) ohne Träger wird durch das skizzierte Modell beschrieben.
- Bei der Zeitbereichsdarstellung (blau) ergibt sich das modulierte Signal $s(t)$ als das Produkt aus dem Nachrichtensignal $q(t)$ und dem (normierten) Trägersignal $z(t)$.
- Nach dem Faltungssatz folgt daraus für den Frequenzbereich (rot), dass das Ausgangsspektrum $S(f)$ gleich dem Faltungsprodukt aus $Q(f)$ und $Z(f)$ ist.
Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion
Sehr einfach wird die Faltungsoperation, wenn einer der beiden Operanden eine Diracfunktion ist. Dies gilt für die Faltung im Zeit– und im Frequenzbereich gleichermaßen.
Wir betrachten beispielhaft die Faltung einer Funktion $x_1(t)$ mit der Funktion
- $$x_2 ( t ) = \alpha \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.03cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.01cm}f\hspace{0.01cm}T}.$$
Für die Spektralfunktion des Signals $y(t) = x_1(t) \ast x_2(t)$ gilt dann:
- $$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.03cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.01cm}f\hspace{0.01cm}T} .$$
Die komplexe Exponentialfunktion führt zur Verschiebung um $T$ ⇒ Verschiebungssatz, der Faktor $\alpha$ zu einer Dämpfung $(\alpha < 1)$ bzw. einer Verstärkung $(\alpha > 1)$. Daraus folgt:
- $$x_1 (t) * x_2 (t) = \alpha \cdot x_1 ( {t - T} ).$$
$\text{In Worten: }$ Die Faltung einer beliebigen Funktion mit einer Diracfunktion bei $t = T$ ergibt die um $T$ nach rechts verschobene Funktion, wobei noch die Gewichtung der Diracfunktion durch den Faktor $\alpha$ zu berücksichtigen ist.
$\text{Beispiel 3:}$ Ein Rechtecksignal $x(t)$ wird durch ein LZI-System um eine Laufzeit $\tau = 3\,\text{ ms}$ verzögert und um den Faktor $\alpha = 0.5$ gedämpft.
Verschiebung und Dämpfung erkennt man sowohl am Ausgangssignal $y(t)$ als auch an der Impulsantwort $h(t)$.
Grafische Faltung
In diesem Applet wird von folgender Faltungsoperation ausgegangen:
- $$y(t) = x (t) * h (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x ( \tau )} \cdot h ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
Die Lösung des Faltungsintegrals soll auf grafischem Wege erfolgen. Es wird vorausgesetzt, dass $x(t)$ und $h(t)$ zeitkontinuierliche Signale sind.
Dann sind die folgenden Schritte erforderlich:
- Die Zeitvariablen der beiden Funktionen ändern:
$x(t) \to x(\tau)$, $h(t) \to h(\tau)$. - Zweite Funktion spiegeln: $h(\tau) \to h(-\tau)$.
- Gespiegelte Funktion um $t$ verschieben: $h(-\tau) \to h(t-\tau)$.
- Multiplikation der beiden Funktionen $x(\tau)$ und $h(t-\tau)$.
- Integration über das Produkt bezüglich $\tau$ in den Grenzen von $-\infty$ bis $+\infty$.
Da die Faltung kommutativ ist, kann anstelle von $h(\tau)$ auch $x(\tau)$ gespiegelt werden.
Nebenstehende Grafik zeigt einen Bildschirmabzug einer älteren Version des vorliegenden Applets.
$\text{Beispiel 4:}$ Die Vorgehensweise bei der grafischen Faltung wird nun anhand eines ausführlichen Beispiels erklärt:
- Am Eingang eines Filters liege eine Sprungfunktion $x(t) = \gamma(t)$ an.
- Die Impulsantwort des RC-Tiefpasses sei $h( t ) = {1}/{T} \cdot {\rm{e} }^{ - t/T}.$
Die Grafik zeigt rot das Eingangssignal $x(\tau)$, blau die Impulsantwort $h(\tau)$ und grau das Ausgangssignal $y(\tau)$.
Die Zeitachse ist bereits in $\tau$ umbenannt.
Das Ausgangssignal kann zum Beispiel nach folgender Gleichung berechnet werden:
- $$y(t) = h(t) * x(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {h( \tau )} \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
Noch einige Anmerkungen zur grafischen Faltung:
- Der Ausgangswert bei $t = 0$ ergibt sich, indem man das Eingangssignal $x(\tau)$ spiegelt, dieses gespiegelte Signal $x(-\tau)$ mit der Impulsantwort $h(\tau)$ multipliziert und darüber integriert.
- Da es hier kein Zeitintervall gibt, bei dem sowohl die blaue Kurve $h(\tau)$ und gleichzeitig auch die rot gestrichelte Spiegelung $x(-\tau)$ ungleich Null ist, folgt daraus $y(t=0)=0$.
- Für jeden anderen Zeitpunkt $t$ muss das Eingangssignal verschoben werden ⇒ $x(t-\tau)$, beispielsweise entsprechend der grün gestrichelten Kurve für $t=T$.
- Da in diesem Beispiel auch $x(t-\tau)$ nur die Werte $0$ oder $1$ annehmen kann, wird die Integration $($allgemein von $\tau_1$ bis $\tau_2)$ einfach und man erhält mit $\tau_1 = 0$ und $\tau_2 = t$ :
- $$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$
Die Skizze gilt für $t=T$ und führt zum Ausgangswert $y(t=T) = 1 – 1/\text{e} \approx 0.632$.
Versuchsdurchführung
- Wählen Sie die Aufgabennummer. Eine Aufgabenbeschreibung wird angezeigt.
- Alle Parameter sind angepasst. Alle Grafiken und Ergebniswerte sind aktualisiert.
- Musterlösung nach Drücken des entsprechenden Buttons.
- Nummer "0": Gleiche Einstellung wie beim Programmstart.
(1) Wählen Sie die Parameter gemäß Voreinstellung $\text{(Gaußimpuls: }A_x = 1, \ \Delta t_x= 1, \ \tau_x = 1; \text{ Impulsantwort gemäß Tiefpass 2. Ordnung: }\Delta t_h= 1)$.
Interpretieren Sie die dargestellten Grafiken. Wie groß ist der maximale Ausgangswert $y_{\rm max}$? Zu welcher Zeit $t_{\rm max}$ tritt dieser auf?
- Nach Umbenennung: Eingangssignal $x(\tau)$ ⇒ rote Kurve, Impulsantwort $h(\tau)$ ⇒ blaue Kurve, nach Spiegelung $h(-\tau)$ ⇒ grüne Kurve.
- Verschiebt man die grüne Kurve um $t$ nach rechts, so erhält man $h(t-\tau)$. Das Ausgangssignal $y(t)$ ergibt sich durch Multiplikation und Integration bzgl. $\tau$:
- $$y (t) = \int_{ - \infty }^{ +\infty } {x ( \tau ) } \cdot h ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = \int_{ - \infty }^{ t } {x ( \tau ) } \cdot h ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau .$$
- Der Ausgangsimpuls $y_(t)$ ist im vorliegenden Fall unsymmetrisch; der maximale Ausgangswert $y_{\rm max}\approx 0.67$ tritt bei $t_{\rm max}\approx 1.5$ auf.
(2) Was ändert sich, wenn man die äquivalente Impulsdauer von $h(t)$ auf $\Delta t_h= 1.5$ erhöht?
- $y_{\rm max}\approx 0.53$ tritt nun bei $t_{\rm max}\approx 1.75$ auf. Durch die ungünstigere (breitere) Impulsantwort wird der Eingangsimpuls stärker verformt.
- Bei einem digitalen Nachrichtenübertragungssystem hätte dies stärkere Impulsinterenzen ("Intersymbol Interference") zur Folge.
(3) Wählen Sie nun den symetrischen $\text{Rechteckimpuls: }A_x = 1, \ \Delta t_x= 1, \ \tau_x = 0$ und die $\text{Impulsantwort gemäß Spalt–Tiefpass: }\Delta t_h= 1$.
Interpretieren Sie das Faltungsergebnis. Wie groß ist der maximale Ausgangswert $y_{\rm max}$? Zu welchen Zeiten ist $y(t)>0$? Beschreibt $h(t)$ ein kausales System?
- Die Faltung zweier Rechtecke mit jeweiliger Dauer $1$ ergibt ein Dreieck mit absoluter Dauer $2$ ⇒ äquivalente Impulsdauer $\Delta t_y= 1$.
- $y(t)$ ist im Bereich von $-0.5$ bis $+1.5$ von Null verschieden. Impulsmaximum $y_{\rm max} = 1$ bei $t_{\rm max} = +0.5$.
- $h(t)$ beschreibt ein kausales System, da $h(t) \equiv 0$ für $t < 0$ ⇒ die "Wirkung" $y(t)$ kommt nicht vor der "Ursache" $x(t)$.
(4) Was ändert sich, wenn man die äquivalente Impulsdauer von $h(t)$ auf $\Delta t_h= 2$ erhöht?
- Die Faltung zweier unterschiedlich breiten Rechtecke ergibt ein Trapez, hier zwischen $-0.5$ und $+2.5$ ⇒ äquivalente Impulsdauer $\Delta t_y= 2$.
- Das Maximum $y_{\rm max} = 0.5$ tritt im Bereich $0.5 \le t \le 1.5$ auf. Bezüglich der Kausalität ändert sich nichts.
(5) Wählen Sie nun den (unsymetrischen) $\text{Rechteckimpuls: }A_x = 1, \ \Delta t_x= 1, \ \tau_x = 0.5$ und die $\text{ Impulsantwort eines Tiefpasses 1. Ordnung: }\Delta t_h= 1$.
Interpretieren Sie die Ergebnisse. Wie groß ist $y_{\rm max}$? Zu welchen Zeiten ist $y(t)>0$ ? Beschreibt $h(t)$ ein kausales System?
- $h(t)$ hat für $t > 0$ einen exponentiell abfallenden Verlauf. Für $t > 0$ gilt stets $y(t) > 0$, aber die Signalwerte können sehr klein werden.
- $y_{\rm max} = 0.63$ tritt bei $t_{\rm max} = +1$ auf. Für $ t < t_{\rm max}$ ist der Verlauf exponentiell ansteigend, für $ t > t_{\rm max}$ exponentiell abfallend.
- Der Tiefpass 1. Ordnung kann mit einem Widerstand und einer Kapazität realisiert werden. Jedes realisierbare System ist per se kausal.
(6) Wählen Sie wie in (3) die rechteckförmige Impulsantwort $\text{(Spalt–Tiefpass; }\Delta t_h= 1)$. Mit welchem $x(t)$ ergibt sich das gleiche $y(t)$ wie bei (5)?
- Das Signal $y(t)$ in (5) ergab sich als Faltung zwischen dem rechteckigen Eingang $x(t)$ und der Exponentialfunktion $h(t)$.
- Da die Faltungsoperation kommutativ ist, ergibt sich das gleiche Ergebnis mit der Exponentialfunktion $x(t)$ und der Rechteckfunktion $h(t)$.
- Die richtige Einstellung für das Eingangssignal $x(t)$ ist somit $\text{Exponentialimpuls: }A_x = 1, \ \Delta t_x= 1, \ \tau_x = 0$ .
(7) Für den Rest dieser Versuchsdurchführung betrachten wir stets den Gauß–Tiefpass. Die äquivalente Dauer der Impulsantwort $h(t)$ sei zunächst $\Delta t_h= 0.8$.
Analsyieren und interpretieren Sie dieses "System" im Hinblick auf Kausalität und die entstehenden Verzerrungen für ein Rechtecksignal.
- Der Tiefpass ist nicht kausal (realisierbar): für $t < 0$ gilt nicht $h(t) \equiv 0$ gilt. Geeignetes Modell, wenn man die unendliche Laufzeit außer Acht lässt.
- Je größer $\Delta t_h$ ist, desto breiter wird der Ausgangsimpuls und um so stärker die Degradation eines Digitalsystems durch Impulsinterferenzen.
- Der Tiefpass–Frequenzgang $H(f)$ ist die Fouriertransformierte von $h(t)$. Je größer $\Delta t_h$ ist, desto kleiner ist $\Delta f_h = 1/\Delta t_h$ ⇒ System schmalbandiger.
(8) Wählen Sie nun den $\text{Gaußimpuls: }A_x = 1, \ \Delta t_x= 1.5, \ \tau_x = 0$ und den $\text{Gauß–Tiefpass: }\Delta t_h= 2$. Welche Form hat der Ausgangsimpuls $y(t)$?
Wie groß ist die äquivalente Dauer $\Delta t_y$ des Ausgangsimpulses und der maximale Ausgangswert $y_{\rm max}$? Zu welcher Zeit $t_{\rm max}$ tritt dieser auf?
- $y(t)$ ist ebenfalls (exakt) gaußförmig. Merksatz: Gauß gefaltet mit Gauß ergibt immer Gauß.
- Äquivalente Dauer: $\Delta t_y =\sqrt{\Delta t_x^2+ \Delta t_h^2} = 2.5$. Impulsmaximum $($bei $t=0)$: $y_{\rm max} = A_x \cdot \Delta t_x/\Delta t_y = 1 \cdot 1.5/2.5 = 0.6$.
(9) Wählen Sie nun den $\text{Dreieckimpuls: }A_x = 1, \ \Delta t_x= 1.5, \ \tau_x = 0$ und den $\text{Gauß–Tiefpass: }\Delta t_h= 2$. Welche Form hat der Ausgangsimpuls $y(t)$?
Wie groß ist die äquivalente Dauer $\Delta t_y$ des Ausgangsimpulses und der maximale Ausgangswert $y_{\rm max}$? Zu welcher Zeit $t_{\rm max}$ tritt dieser auf?
- $y(t)$ ist gaußähnlich, aber nicht exakt gaußförmig. Merksatz: Gauß gefaltet mit Nicht–Gauß ergibt niemals exakt Gauß.
- Die abgefragten Kenngrößen des Ausgangsimpules $y(t)$ unterscheiden sich nur geringfügig gegenüber (8): $\Delta t_y \approx 2.551$, $y_{\rm max} \approx 0.588$.
Zur Handhabung des Applets
(A) Auswahl: Form des Eingangsimpulses $x(t)$
(B) Parametereingabe für den Eingangsimpuls $x(t)$
(C) Auswahl: Form der Impulsantwort $h(t)$ des Tiefpass–Systems
(D) Parametereingabe für die Impulsantwort $h(t)$
(E) Bedienfeld (Start; Pause/Weiter ; Step > ; Step < ; Reset)
(F) Ausgabe des Ausgangswertes $y(t)$ zur fortlaufenden Zeit $t$
(G) Maximalwert $y_{\rm max} = y(t_{\rm max})$ und äquivalente Breite $\Delta\hspace{0.03cm} t_y$
Nach Umbenennung der Abszisse: $t \ \to \ \tau$:
(H) Darstellung von $x(\tau)$ ⇒ rote statische Kurve
(I) Darstellung von $h(\tau)$ ⇒ blaue Kurve und $h(t-\tau)$ ⇒ grüne Kurve
(diese wird mit dem Bewegungsparameter $t$ nach rechts verschoben)
(J) Darstellung von $x(\tau) \cdot h(t - \tau)$ ⇒ violette Kurve, dynamisch mit $t$
(K) Sukzessive Darstellung des Ausgangssignals $y(t)$ ⇒ braune Kurve
(L) Bereich für die Versuchsdurchführung: Aufgabenauswahl
(M) Versuchsdurchführung: Bereich für die Aufgabenstellung
(N) Versuchsdurchführung: Bereich für die Musterlösung
Über die Autoren
Dieses interaktive Applet wurde am Lehrstuhl für Nachrichtentechnik der Technischen Universität München konzipiert und realisiert.
- Die erste Version wurde 2006 von Markus Elsberger im Rahmen seiner Bachelorarbeit mit "FlashMX–Actionscript" erstellt (Betreuer: Günter Söder).
- 2019 wurde das Programm von Carolin Mirschina im Rahmen einer Werkstudententätigkeit auf "HTML5" umgesetzt und neu gestaltet (Betreuer: Tasnád Kernetzky).
Die Umsetzung dieses Applets auf HTML 5 wurde durch Studienzuschüsse der Fakultät EI der TU München finanziell unterstützt. Wir bedanken uns.