Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.2Z: About the Sampling Theorem"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Pulscodemodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1610__Mod_Z_4_2.png|right|frame|Harmonische Schwingungen unterschiedlicher Phase]]
+
[[File:P_ID1610__Mod_Z_4_2.png|right|frame|Harmonic oscillations of different phase]]
Das [[Signaldarstellung/Zeitdiskrete_Signaldarstellung#Das_Abtasttheorem|Abtasttheorem]] besagt, dass die Abtastfrequenz $f_{\rm A} = 1/T_{\rm A}$ mindestens doppelt so groß sein muss wie die größte im Quellensignal $q(t)$ enthaltene Frequenz $f_\text {N, max}$:
+
The  [[Signal_Representation/Discrete-Time_Signal_Representation#Sampling_theorem|sampling theorem]]  states that the sampling frequency  $f_{\rm A} = 1/T_{\rm A}$  must be at least twice as large as the largest frequency  $f_\text {N, max}$  contained in the source signal  $q(t)$:
 
:$$f_{\rm A} \ge 2 \cdot f_{\rm N,\hspace{0.05cm}max}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm A} \le \frac{1}{2 \cdot f_{\rm N, \hspace{0.05cm}max}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$f_{\rm A} \ge 2 \cdot f_{\rm N,\hspace{0.05cm}max}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm A} \le \frac{1}{2 \cdot f_{\rm N, \hspace{0.05cm}max}}\hspace{0.05cm}.$$
Wird diese Bedingung erfüllt, so kann beim Empfänger das Nachrichtensignal durch einen rechteckförmigen (idealen) Tiefpass mit dem Frequenzgang
+
If this condition is met,  then at the receiver the message signal can be passed through a rectangular  (ideal)  low-pass filter with frequency response
 
:$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} 1 \\ 1/2 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| < f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| = f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| > f_{\rm G}} \\ \end{array}$$
 
:$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} 1 \\ 1/2 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| < f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| = f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| > f_{\rm G}} \\ \end{array}$$
vollständig rekonstruiert werden, das heißt, es gilt dann $v(t) = q(t)$.  
+
can be completely reconstructed, that is, it is then&nbsp; $v(t) = q(t)$.  
*Die Grenzfrequenz $f_{\rm G}$ ist dabei gleich der halben Abtastfrequenz zu wählen.  
+
*The cutoff frequency&nbsp; $f_{\rm G}$&nbsp; is to be chosen equal to half the sampling frequency.  
*Das Gleichheitszeichen gilt allgemein nur dann, wenn das Spektrum $Q(f)$ keine diskrete Spektrallinie bei der Frequenz $f_\text {N, max}$ beinhaltet.
+
*The equal sign is generally valid only if the spectrum&nbsp; $Q(f)$&nbsp; does not contain a discrete spectral line at frequency&nbsp; $f_\text {N, max}$.
  
  
In dieser Aufgabe werden drei verschiedene Quellensignale betrachtet, die sich jeweils als harmonische Schwingung
+
In this exercise,&nbsp; three different source signals are considered,&nbsp; each of which can be expressed as a harmonic oscillation
 
:$$q(t) = A \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm N} \cdot t - \varphi)$$
 
:$$q(t) = A \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm N} \cdot t - \varphi)$$
mit der Amplitude $A = 1\ \rm V$ und der Frequenz $f_{\rm N}= 5 \ \rm kHz$ darstellen lassen. Für die Spektralfunktion $Q(f)$ aller dargestellten Zeitsignale gilt allgemein:
+
with amplitude&nbsp; $A = 1\ \rm V$&nbsp; and frequency&nbsp; $f_{\rm N}= 5 \ \rm kHz$.&nbsp; For the spectral function&nbsp; $Q(f)$&nbsp; of all represented time signals generally holds:
 
:$$Q(f) = \frac{A}{2} \cdot \delta (f- f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}+ \frac{A}{2} \cdot \delta (f+ f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{+{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$Q(f) = \frac{A}{2} \cdot \delta (f- f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}+ \frac{A}{2} \cdot \delta (f+ f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{+{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}\hspace{0.05cm}.$$
Die in der Grafik skizzierten Schwingungen unterscheiden sich allein durch die Phase $φ$:
+
The oscillations sketched in the graph differ only by the phase&nbsp; $φ$:
* $φ_1 = 0$ &nbsp; ⇒ &nbsp; Cosinussignal $q_1(t)$,
+
* $φ_1 = 0$ &nbsp; ⇒ &nbsp; cosine signal&nbsp; $q_1(t)$,
* $φ_2 = π/2 \ (= 90^\circ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; Sinussignal $q_2(t)$,
+
* $φ_2 = π/2 \ (= 90^\circ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; sinusoidal signal&nbsp; $q_2(t)$,
* $φ_3 = π/4 \ (= 45^\circ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; Signal $q_3(t)$.
+
* $φ_3 = π/4 \ (= 45^\circ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; signal&nbsp; $q_3(t)$.
  
  
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''Hinweise:''
+
Hints:  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]].
+
*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation"]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite&nbsp; [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation#Abtastung_und_Signalrekonstruktion|Abtastung und Signalrekonstruktion]].
+
*Reference is made in particular to the page&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation#Sampling_and_signal_reconstruction|"Sampling and Signal Reconstruction"]].
*Das abgetastete Quellensignal wird mit $q_{\rm A}(t)$ bezeichnet und dessen Spektralfunktion mit $Q_{\rm A}(f)$. Die Abtastung erfolgt stets bei · T_{\rm A}$.
+
*The sampled source signal is denoted by&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp; and its spectral function by&nbsp; $Q_{\rm A}(f)$.&nbsp;
 +
*Sampling is always performed at&nbsp; \cdot T_{\rm A}$.
 
   
 
   
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen gelten mit &nbsp;$f_{\rm A} = 11\ \rm kHz$?
+
{Which statements are valid with &nbsp;$f_{\rm A} = 11\ \rm kHz$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Das Abtasttheorem wird stets erfüllt.
+
+ The sampling theorem is always satisfied.
+ Alle Signale können durch einen Tiefpass rekonstruiert werden.
+
+ All signals can be reconstructed by a low-pass filter.
+ Es gilt stets &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ \rm kHz) = Q(f = 5 \ \rm kHz)$.
+
+ It is always true: &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz}) = Q(f = 5 \ \rm kHz)$.
  
  
{Welcher Abtastabstand ergibt sich mit &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
+
{What sampling distance results with &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$T_{\rm A} \ = \ $ { 0.1 3% } $\ \rm ms$  
 
$T_{\rm A} \ = \ $ { 0.1 3% } $\ \rm ms$  
  
{Welche Aussagen gelten für das Signal &nbsp;$q_1(t)$&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?  
+
{Which statements are valid for the signal &nbsp;$q_1(t)$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?  
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_1(f = 5 \ \rm kHz)$.
+
- It holds &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_1(f = 5 \ \rm kHz)$.
+ Eine vollständige Signalrekonstruktion ist möglich &nbsp; ⇒ &nbsp; $v_1(t) = q_1(t)$.
+
+ A complete signal reconstruction is possible &nbsp; ⇒ &nbsp; $v_1(t) = q_1(t)$.
- Das rekonstruierte Signal ist &nbsp;$v_1(t) \equiv 0$.
+
- The reconstructed signal is &nbsp;$v_1(t) \equiv 0$.
  
{Welche Aussagen gelten für das Signal &nbsp;$q_2(t)$&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
+
{What statements hold for the signal &nbsp;$q_2(t)$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt  &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_2(f = 5 \ \rm kHz)$.
+
- It holds &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_2(f = 5 \ \rm kHz)$.
- Eine vollständige Signalrekonstruktion ist möglich &nbsp; ⇒ &nbsp; $v_2(t) = q_2(t)$.
+
- A complete signal reconstruction is possible &nbsp; ⇒ &nbsp; $v_2(t) = q_2(t)$.
+ Das rekonstruierte Signal ist &nbsp;$v_2(t) \equiv 0$.
+
+ The reconstructed signal is &nbsp;$v_2(t) \equiv 0$.
  
{Welche Aussagen gelten für das Signal &nbsp;$q_3(t)$ und $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
+
{What statements hold for the signal &nbsp;$q_3(t)$ and $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt  &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_3(f = 5 \ \rm kHz)$.
+
- It holds &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_3(f = 5 \ \rm kHz)$.
- Eine vollständige Signalrekonstruktion ist möglich &nbsp; ⇒ &nbsp; $v_3(t) = q_3(t)$.
+
- A complete signal reconstruction is possible &nbsp; ⇒ &nbsp; $v_3(t) = q_3(t)$.
- Das rekonstruierte Signal ist &nbsp;$v_3(t) \equiv 0$.
+
- The reconstructed signal is &nbsp;$v_3(t) \equiv 0$.
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; <u>Alle Aussagen</u> sind zutreffend:
+
'''(1)'''&nbsp; <u>All statements</u>&nbsp; are true:
[[File:P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|right|frame|Spektralfunktion des abgetasteten Signals]]
+
[[File:P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|right|frame|Spectral function of the sampled signal]]
* Das Abtasttheorem wird mit $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz > 2 · 5 \ \rm kHz$ erfüllt, so dass eine vollständige Signalrekonstruktion immer möglich ist.  
+
*The sampling theorem is satisfied by&nbsp; $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz > 2 \cdot 5 \ \rm kHz$&nbsp; so that a complete signal reconstruction is always possible.  
*Das Spektrum $Q_{\rm A}(f)$ ergibt sich aus $Q(f)$ durch periodische Fortsetzung im jeweiligen Frequenzabstand $f_{\rm A}$, was in der ersten Grafik am Beispiel der Spektralfunktion $Q_3(f)$ allgemein verdeutlicht wird.
+
*The spectrum&nbsp; $Q_{\rm A}(f)$&nbsp; results from&nbsp; $Q(f)$&nbsp; by periodic continuation at the respective frequency spacing&nbsp; $f_{\rm A}$,&nbsp; which is generally illustrated in the graph.
*Durch einen rechteckförmigen Tiefpass mit Grenzfrequenz $f_{\rm G} = f_{\rm A}/2 = 5.5 \ \rm kHz$ erhält man das ursprüngliche Spektrum $Q(f)$.
+
*By a rectangular low-pass with&nbsp; $f_{\rm G} = f_{\rm A}/2 = 5.5 \ \rm kHz$&nbsp; the original spectrum&nbsp; $Q(f)$ is obtained.
  
  
Die Verschiebung um
+
The shift by
* $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$ liefert die Linien bei $+6 \ \rm kHz$ und $+16 \ \rm kHz$,
+
* $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; $+6 \ \rm kHz$&nbsp; and&nbsp; $+16 \ \rm kHz$,
* $-f_{\rm A} = -11 \ \rm kHz$ liefert die Linien bei $-6 \ \rm kHz$ und $-16 \ \rm kHz$,
+
* $-f_{\rm A} = -11 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; $-6 \ \rm kHz$&nbsp; and&nbsp; $-16 \ \rm kHz$,
* $2 · f_{\rm A} = 22 \ \rm kHz$ liefert die Linien bei $+17 \ \rm kHz$ und $+27 \ \rm kHz$,
+
* $2 - f_{\rm A} = 22 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; $+17 \ \rm kHz$&nbsp; and&nbsp; $+27 \ \rm kHz$,
* $-2 · f_{\rm A}= -22 \ \rm kHz$ liefert die Linien bei $-17 \ \rm kHz$, $-27 \ \rm kHz$.
+
* $-2 - f_{\rm A}= -22 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; $-17 \ \rm kHz$, $-27 \ \rm kHz$.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Der Abtastabstand ist gleich dem Kehrwert der Abtastfrequenz:
+
'''(2)'''&nbsp; The sampling distance is equal to the reciprocal of the sampling frequency:
 
:$$ T_{\rm A} = {1}/{f_{\rm A} }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.1\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ T_{\rm A} = {1}/{f_{\rm A} }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.1\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
 
*Beim cosinusförmigen Signal ergibt sich entsprechend der nächsten Grafik mit $f_{\rm A} = 10 \ \rm  kHz$ das Spektrum $Q_{\rm A}(f)$: &nbsp; Alle Spektrallinien sind reell.
 
*Die Periodifizierung von $Q(f)$ mit $f_{\rm A} = 10 \ \rm  kHz$ führt zu einem Diracpuls mit Spektrallinien bei $±f_{\rm N}$, $±f_{\rm N}± f_{\rm A}$, $±f_{\rm N}± 2f_{\rm A}$, ...
 
*Durch die Überlagerungen haben alle Diracfunktionen das Gewicht $A$, während die beiden Spektrallinien von $Q(f)$ nur jeweils mit $A/2$ gewichtet sind.
 
*Wegen $H(f = f_{\rm N}) = H(f = f_{\rm G}) = 0.5$ ist das Spektrum $V_1(f)$ nach dem Tiefpass identisch mit $Q_1(f)$ und dementsprechend gilt auch $v_1(t) = q_1(t)$.
 
*Im Zeitbereich kann man sich die Signalrekonstruktion wie folgt vorstellen: &nbsp; Die Abtastwerte von $q_1(t)$ liegen genau bei den Signalmaxima und –minima. &nbsp;  Der Tiefpass formt daraus das Cosinussignal mit richtiger Amplitude, Frequenz und Phase.
 
  
 +
'''(3)'''&nbsp; The correct solution is&nbsp; <u>suggestion 2</u>:
 +
[[File:P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|right|frame|Spectral function of the sampled cosine signal]]
  
[[File:P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|center|frame|Spektralfunktion des abgetasteten Cosinussignals]]
+
*For the cosinusoidal signal,&nbsp; according to this graph with&nbsp; $f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz$:&nbsp;  All spectral lines of&nbsp; $Q_{\rm A}(f)$:&nbsp; are real.
 
+
*The periodization of&nbsp; $Q(f)$&nbsp; with&nbsp; $f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz$&nbsp; leads to a Dirac comb with spectral lines at&nbsp; $±f_{\rm N}$,&nbsp; $±f_{\rm N}± f_{\rm A}$,&nbsp; $±f_{\rm N}± 2f_{\rm A}$, . ..
 
+
*Through the superpositions,&nbsp; all Dirac functions have weight&nbsp; $A$,&nbsp; while the spectral lines of&nbsp; $Q(f)$&nbsp; are weighted only by&nbsp; $A/2$&nbsp; each.
[[File:P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|right|frame|Abgetastetes Sinussignal]]
+
*Because&nbsp; $H(f = f_{\rm N}) = H(f = f_{\rm G}) = 0.5$&nbsp; the spectrum&nbsp; $V_1(f)$&nbsp; after the low-pass is identical to&nbsp; $Q_1(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $v_1(t) = q_1(t)$.
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
+
*In the time domain, the signal reconstruction can be thought of as follows: &nbsp; The samples of&nbsp; $q_1(t)$&nbsp; lie exactly at the signal maxima and minima. &nbsp; 
*Alle Abtastwerte von $q_2(t)$ liegen nun genau bei den Nulldurchgängen des Sinussignals, das heißt, dass hier $q_{\rm A}(t) \equiv 0$ gilt.  
+
*The lowpass filter forms the cosine signal with correct amplitude, frequency and phase.
*Damit ergibt sich aber natürlich auch $v_2(t) \equiv 0$.  
+
<br clear=all>
*Im Spektralbereich kann man das Ergebnis mit Hilfe der Grafik zur Teilaufgabe '''(1)''' herleiten. &nbsp; $Q(f)$ ist rein imaginär und die Imaginärteile bei $±f_{\rm N}$ haben unterschiedliche Vorzeichen. &nbsp; Somit heben sich bei der Periodifizierung jeweils ein positiver und ein negativer Anteil auf ⇒ $Q_{\rm A}(f) \equiv 0$ &nbsp; ⇒ &nbsp; $V_2(f) \equiv 0$.
+
[[File:P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|right|frame|Sampled sine signal]]
 +
'''(4)'''&nbsp; Correct is&nbsp; <u>suggested solution 2</u>:
 +
*All sampled values of&nbsp; $q_2(t)$&nbsp; now lie exactly at the zero crossings of the sinusoidal signal,&nbsp; which means that here&nbsp; $q_{\rm A}(t) \equiv 0$&nbsp; holds.&nbsp; However,&nbsp; this naturally also gives&nbsp; $v_2(t) \equiv 0$.  
 +
*In the spectral domain,&nbsp; the result can be derived using the graph for subtask&nbsp; '''(1)'''.&nbsp; <br>⇒ &nbsp;$Q(f)$&nbsp; is purely imaginary and the imaginary parts at&nbsp; $±f_{\rm N}$&nbsp; have different signs. &nbsp;  
 +
*Thus,&nbsp; one positive and one negative part cancel each other in periodization &nbsp; <br>&nbsp; $Q_{\rm A}(f) \equiv 0$ &nbsp; ⇒ &nbsp; $V_2(f) \equiv 0$.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
[[File:P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|right|frame|Abgetastete harmonische Schwingung mit Phase $φ_3 = π/4$]]
+
[[File:P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|right|frame|Sampled harmonic oscillation with phase&nbsp; $φ_3 = π/4$]]
'''(5)'''&nbsp; <u>Keiner der vorgegebenen Lösungsvorschlägen</u> ist richtig:
+
'''(5)'''&nbsp; <u>None of the given solutions</u>&nbsp; is correct:
*Ersetzt man in der Grafik zur Teilaufgabe '''(1)''' die Abtastfrequenz $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$ durch $f_{\rm A} = 10 \ \rm kHz$, so addieren sich zwar die Realteile, aber die Imaginärteile löschen sich aus.  
+
*If in the graph for the subtask&nbsp; '''(1)'''&nbsp; the sampling frequency&nbsp; $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$&nbsp; is replaced by&nbsp; $f_{\rm A} = 10 \ \rm kHz$,&nbsp; the real parts add up,&nbsp; but the imaginary parts cancel out.  
*Das heißt, dass nun $Q_{\rm A}(f)$ und $V_3(f)$ reelle Spektren sind. Das heißt weiter: &nbsp; Die Phaseninformation geht verloren $(φ = 0)$ und das Ausgangssignal $v_3(t)$ ist ein Cosinussignal.  
+
*This means that now&nbsp; $Q_{\rm A}(f)$&nbsp; and&nbsp; $V_3(f)$&nbsp; are real spectra.&nbsp; This further means:  
*Die Signale $q_3(t)$ und $v_3(t)$ unterscheiden sich somit sowohl in der Amplitude als auch in der Phase. Lediglich die Frequenz bleibt erhalten.
+
*The phase information is lost&nbsp; $(φ = 0)$&nbsp; and the output signal&nbsp; $v_3(t)$&nbsp; is a cosine signal.  
 +
*$q_3(t)$&nbsp; and&nbsp; $v_3(t)$&nbsp; thus differ in both amplitude and phase.&nbsp; Only the frequency remains the same.
  
  
Die Grafik zeigt
+
The graph shows
*türkisfarben das Signal $q_3(t)$ und dessen Abtastwerte (Kreise) sowie
+
*turquoise the signal $q_3(t)$&nbsp; and its samples&nbsp; (circles),&nbsp; and
*rot gestrichelt das Ausgangssignal $v_3(t)$ des Tiefpasses.  
+
*red dashed the output signal&nbsp; $v_3(t)$&nbsp; of the low-pass.  
  
  
Man erkennt, dass der Tiefpass genau das Ergebnis liefert, für das wahrscheinlich auch Sie sich entscheiden würden, wenn Sie durch die Abtastwerte (Kreise) einen Kurvenzug einzeichnen sollten.  
+
You can see that the low-pass gives exactly the result you would probably choose if you were to draw a curve through the samples&nbsp; (circles).  
  
  
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[[Category:Aufgaben zu  Modulationsverfahren|^4.1 Pulscodemodulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.1 Pulse Code Modulation^]]

Latest revision as of 11:28, 8 April 2022

Harmonic oscillations of different phase

The  sampling theorem  states that the sampling frequency  $f_{\rm A} = 1/T_{\rm A}$  must be at least twice as large as the largest frequency  $f_\text {N, max}$  contained in the source signal  $q(t)$:

$$f_{\rm A} \ge 2 \cdot f_{\rm N,\hspace{0.05cm}max}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm A} \le \frac{1}{2 \cdot f_{\rm N, \hspace{0.05cm}max}}\hspace{0.05cm}.$$

If this condition is met,  then at the receiver the message signal can be passed through a rectangular  (ideal)  low-pass filter with frequency response

$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} 1 \\ 1/2 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| < f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| = f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| > f_{\rm G}} \\ \end{array}$$

can be completely reconstructed, that is, it is then  $v(t) = q(t)$.

  • The cutoff frequency  $f_{\rm G}$  is to be chosen equal to half the sampling frequency.
  • The equal sign is generally valid only if the spectrum  $Q(f)$  does not contain a discrete spectral line at frequency  $f_\text {N, max}$.


In this exercise,  three different source signals are considered,  each of which can be expressed as a harmonic oscillation

$$q(t) = A \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm N} \cdot t - \varphi)$$

with amplitude  $A = 1\ \rm V$  and frequency  $f_{\rm N}= 5 \ \rm kHz$.  For the spectral function  $Q(f)$  of all represented time signals generally holds:

$$Q(f) = \frac{A}{2} \cdot \delta (f- f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}+ \frac{A}{2} \cdot \delta (f+ f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{+{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}\hspace{0.05cm}.$$

The oscillations sketched in the graph differ only by the phase  $φ$:

  • $φ_1 = 0$   ⇒   cosine signal  $q_1(t)$,
  • $φ_2 = π/2 \ (= 90^\circ)$   ⇒   sinusoidal signal  $q_2(t)$,
  • $φ_3 = π/4 \ (= 45^\circ)$   ⇒   signal  $q_3(t)$.




Hints:

  • The exercise belongs to the chapter  "Pulse Code Modulation".
  • Reference is made in particular to the page  "Sampling and Signal Reconstruction".
  • The sampled source signal is denoted by  $q_{\rm A}(t)$  and its spectral function by  $Q_{\rm A}(f)$. 
  • Sampling is always performed at  $ν \cdot T_{\rm A}$.


Questions

1

Which statements are valid with  $f_{\rm A} = 11\ \rm kHz$?

The sampling theorem is always satisfied.
All signals can be reconstructed by a low-pass filter.
It is always true:  $Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz}) = Q(f = 5 \ \rm kHz)$.

2

What sampling distance results with  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?

$T_{\rm A} \ = \ $

$\ \rm ms$

3

Which statements are valid for the signal  $q_1(t)$  and  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?

It holds  $Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_1(f = 5 \ \rm kHz)$.
A complete signal reconstruction is possible   ⇒   $v_1(t) = q_1(t)$.
The reconstructed signal is  $v_1(t) \equiv 0$.

4

What statements hold for the signal  $q_2(t)$  and  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?

It holds  $Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_2(f = 5 \ \rm kHz)$.
A complete signal reconstruction is possible   ⇒   $v_2(t) = q_2(t)$.
The reconstructed signal is  $v_2(t) \equiv 0$.

5

What statements hold for the signal  $q_3(t)$ and $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?

It holds  $Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_3(f = 5 \ \rm kHz)$.
A complete signal reconstruction is possible   ⇒   $v_3(t) = q_3(t)$.
The reconstructed signal is  $v_3(t) \equiv 0$.


Solution

(1)  All statements  are true:

Spectral function of the sampled signal
  • The sampling theorem is satisfied by  $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz > 2 \cdot 5 \ \rm kHz$  so that a complete signal reconstruction is always possible.
  • The spectrum  $Q_{\rm A}(f)$  results from  $Q(f)$  by periodic continuation at the respective frequency spacing  $f_{\rm A}$,  which is generally illustrated in the graph.
  • By a rectangular low-pass with  $f_{\rm G} = f_{\rm A}/2 = 5.5 \ \rm kHz$  the original spectrum  $Q(f)$ is obtained.


The shift by

  • $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$  yields the lines at  $+6 \ \rm kHz$  and  $+16 \ \rm kHz$,
  • $-f_{\rm A} = -11 \ \rm kHz$  yields the lines at  $-6 \ \rm kHz$  and  $-16 \ \rm kHz$,
  • $2 - f_{\rm A} = 22 \ \rm kHz$  yields the lines at  $+17 \ \rm kHz$  and  $+27 \ \rm kHz$,
  • $-2 - f_{\rm A}= -22 \ \rm kHz$  yields the lines at  $-17 \ \rm kHz$, $-27 \ \rm kHz$.


(2)  The sampling distance is equal to the reciprocal of the sampling frequency:

$$ T_{\rm A} = {1}/{f_{\rm A} }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.1\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  The correct solution is  suggestion 2:

Spectral function of the sampled cosine signal
  • For the cosinusoidal signal,  according to this graph with  $f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz$:  All spectral lines of  $Q_{\rm A}(f)$:  are real.
  • The periodization of  $Q(f)$  with  $f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz$  leads to a Dirac comb with spectral lines at  $±f_{\rm N}$,  $±f_{\rm N}± f_{\rm A}$,  $±f_{\rm N}± 2f_{\rm A}$, . ..
  • Through the superpositions,  all Dirac functions have weight  $A$,  while the spectral lines of  $Q(f)$  are weighted only by  $A/2$  each.
  • Because  $H(f = f_{\rm N}) = H(f = f_{\rm G}) = 0.5$  the spectrum  $V_1(f)$  after the low-pass is identical to  $Q_1(f)$   ⇒   $v_1(t) = q_1(t)$.
  • In the time domain, the signal reconstruction can be thought of as follows:   The samples of  $q_1(t)$  lie exactly at the signal maxima and minima.  
  • The lowpass filter forms the cosine signal with correct amplitude, frequency and phase.


Sampled sine signal

(4)  Correct is  suggested solution 2:

  • All sampled values of  $q_2(t)$  now lie exactly at the zero crossings of the sinusoidal signal,  which means that here  $q_{\rm A}(t) \equiv 0$  holds.  However,  this naturally also gives  $v_2(t) \equiv 0$.
  • In the spectral domain,  the result can be derived using the graph for subtask  (1)
    ⇒  $Q(f)$  is purely imaginary and the imaginary parts at  $±f_{\rm N}$  have different signs.  
  • Thus,  one positive and one negative part cancel each other in periodization  
    ⇒   $Q_{\rm A}(f) \equiv 0$   ⇒   $V_2(f) \equiv 0$.


Sampled harmonic oscillation with phase  $φ_3 = π/4$

(5)  None of the given solutions  is correct:

  • If in the graph for the subtask  (1)  the sampling frequency  $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$  is replaced by  $f_{\rm A} = 10 \ \rm kHz$,  the real parts add up,  but the imaginary parts cancel out.
  • This means that now  $Q_{\rm A}(f)$  and  $V_3(f)$  are real spectra.  This further means:
  • The phase information is lost  $(φ = 0)$  and the output signal  $v_3(t)$  is a cosine signal.
  • $q_3(t)$  and  $v_3(t)$  thus differ in both amplitude and phase.  Only the frequency remains the same.


The graph shows

  • turquoise the signal $q_3(t)$  and its samples  (circles),  and
  • red dashed the output signal  $v_3(t)$  of the low-pass.


You can see that the low-pass gives exactly the result you would probably choose if you were to draw a curve through the samples  (circles).