Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.2: Low-Pass for Signal Reconstruction"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Pulscodemodulation
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{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation
 
}}
 
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[[File:P_ID1608__Mod_A_4_2.png|right|frame|Kontinuierliches und diskretes Spektrum  (Beispiele)]]
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[[File:EN_Mod_A_4_2.png|right|frame|Examples of continuous and discrete spectra]]
Wir betrachten in dieser Aufgabe zwei verschiedene Quellensignale  $q_{\rm kon}(t)$  und  $q_{\rm dis}(t)$, deren Betragsspektren  $|Q_{\rm kon}(f)|$  und  $|Q_{\rm dis}(f)|$  grafisch dargestellt sind.  Die höchste in den Signalen vorkommende Frequenz ist jeweils  $4 \ \rm kHz$.
+
We consider in this exercise two different source signals  $q_{\rm con}(t)$  and  $q_{\rm dis}(t)$ whose magnitude spectra  $|Q_{\rm con}(f)|$  and  $|Q_{\rm dis}(f)|$  are plotted.   The highest frequency occurring in the signals is in each case  $4 \rm kHz$.
* Von der Spektralfunktion  $Q_{\rm kon}(f)$  ist nicht mehr bekannt, als dass es sich um ein kontinuierliches Spektrum handelt, wobei gilt:
+
* Nothing more is known of the spectral function  $Q_{\rm con}(f)$  than that it is a continuous spectrum,  where:
:$$Q_{\rm kon}(|f| \le 4\,{\rm kHz}) \ne 0 \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$Q_{\rm con}(|f| \le 4\,{\rm kHz}) \ne 0 \hspace{0.05cm}.$$
* Das Spektrum  $Q_{\rm dis}(f)$  beinhaltet Spektrallinien bei  $±1 \ \rm kHz$,  $±2 \ \rm kHz$,  $±3 \ \rm kHz$  und  $±4 \ \rm kHz$.  Somit gilt:
+
* The spectrum  $Q_{\rm dis}(f)$  contains spectral lines at  $±1 \ \rm kHz$,  $±2 \ \rm kHz$,  $±3 \ \rm kHz$  and  $±4 \ \rm kHz$.  Thus:
 
:$$q_{\rm dis}(t) = \sum_{i=1}^{4}C_i \cdot \cos (2 \pi \cdot f_i \cdot t - \varphi_i),$$
 
:$$q_{\rm dis}(t) = \sum_{i=1}^{4}C_i \cdot \cos (2 \pi \cdot f_i \cdot t - \varphi_i),$$
:Amplitudenwerte:   $C_1 = 1.0 \ \rm V$, $C_2 = 1.8 \ \rm V$, $C_3 = 0.8 \ \rm V$, $C_4 = 0.4 \ \rm V.$
+
:Amplitude values:   $C_1 = 1.0 \ \rm V$, $C_2 = 1.8 \ \rm V$, $C_3 = 0.8 \ \rm V$, $C_4 = 0.4 \ \rm V.$
  
:Die Phasenwerte  $φ_1$,  $φ_2$  und  $φ_3$  liegen jeweils im Bereich  $±18^\circ$  und es gilt  $φ_4 = 90^\circ$.
+
:The phase values  $φ_1$,  $φ_2$  and  $φ_3$  are respectively in the range  $±180^\circ$  and it holds  $φ_4 = 90^\circ$.
  
  
Die Signale werden jeweils mit der Frequenz  $f_{\rm A}$  abgetastet und sofort einem idealen, rechteckförmigen Tiefpass mit der Grenzfrequenz  $f_{\rm G}$  zugeführt.  Dieses Szenario gilt zum Beispiel für
+
The signals are each sampled at frequency  $f_{\rm A}$  and immediately fed to an ideal rectangular low-pass filter with cutoff frequency  $f_{\rm G}$  This scenario applies,  for example,  to
* die störungsfreie Pulsamplitudenmodulation (PAM) und
+
* the interference-free pulse amplitude modulation  $\rm (PAM)$  and
* die störungsfreie Pulscodemodulation (PCM) bei unendlich großer Quantisierungsstufenzahl  $M$.
+
* the interference-free pulse code modulation  $\rm (PCM)$  at infinitely large quantization stage number  $M$.
  
  
Das Ausgangssignal des (rechteckförmigen) Tiefpasses wird als Sinkensignal  $v(t)$  bezeichnet, und für das Fehlersignal gilt   
+
The output signal of the  (rectangular)  low-pass filter is called the sink signal  $v(t)$  and for the error signal:   
 
:$$ε(t) = v(t) - q(t).$$  
 
:$$ε(t) = v(t) - q(t).$$  
Dieses ist nur dann von Null verschieden, wenn die Parameter der Abtastung  $($Abtastfrequenz $f_{\rm A})$  und/oder der Signalrekonstruktion  $($Grenzfrequenz $f_{\rm G})$  nicht bestmöglich dimensioniert sind.
+
This is different from zero only if the parameters of the sampling  $($sampling frequency $f_{\rm A})$  and/or the signal reconstruction  $($cutoff frequency $f_{\rm G})$  are not dimensioned in the best possible way.
  
  
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Hints:  
 
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*The exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation"]].
 
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*Reference is made in particular to the page  [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation#Sampling_and_signal_reconstruction|"Sampling and Signal Reconstruction"]].
 
 
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite  [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation#Abtastung_und_Signalrekonstruktion|Abtastung und Signalrekonstruktion]].
 
 
   
 
   
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen treffen für &nbsp;$f_{\rm A} = 8\ \rm kHz$&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm G} = 4\ \rm kHz$&nbsp; zu?
+
{Which statements are true for &nbsp;$f_{\rm A} = 8\ \rm kHz$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm G} = 4\ \rm kHz$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Das Signal &nbsp;$q_{\rm kon}(t)$&nbsp; lässt sich vollständig rekonstruieren: &nbsp; $ε_{\rm kon}(t) = 0$.
+
+ The signal &nbsp;$q_{\rm con}(t)$&nbsp; can be completely reconstructed: &nbsp; $ε_{\rm con}(t) = 0$.
- Das Signal &nbsp;$q_{\rm dis}(t)$&nbsp; lässt sich vollständig rekonstruieren: &nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
+
- The signal &nbsp;$q_{\rm dis}(t)$&nbsp; can be completely reconstructed: &nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
  
  
{Welche Aussagen treffen für &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm G} = 5\ \rm kHz$&nbsp; zu?
+
{Which statements are true for &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm G} = 5\ \rm kHz$&nbsp;?
 
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+ Das Signal &nbsp;$q_{\rm dis}(t)$&nbsp; lässt sich vollständig rekonstruieren: &nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
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+ The signal &nbsp;$q_{\rm dis}(t)$&nbsp; can be completely reconstructed: &nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
- $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; ist eine harmonische Schwingung mit &nbsp;$4 \rm kHz$.
+
- $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; is a harmonic oscillation with &nbsp;$4 \rm kHz$.
- $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; ist eine harmonische Schwingung mit &nbsp;$6 \rm kHz$.
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- $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; is a harmonic oscillation with &nbsp;$6 \rm kHz$.
  
{Welche Aussagen treffen für &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm G} = 3.5\ \rm kHz$&nbsp; zu?
+
{Which statements are true for &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm G} = 3.5\ \rm kHz$&nbsp;?
 
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- Das Signal &nbsp;$q_{\rm dis}(t)$&nbsp; lässt sich vollständig rekonstruieren: &nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
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- The signal &nbsp;$q_{\rm dis}(t)$&nbsp; can be completely reconstructed: &nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
+ $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; ist eine harmonische Schwingung mit &nbsp;$4 \rm kHz$.
+
+ $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; is a harmonic oscillation with &nbsp;$4 \rm kHz$.
- $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; ist eine harmonische Schwingung mit &nbsp;$6 \rm kHz$.
+
- $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; is a harmonic oscillation with &nbsp;$6 \rm kHz$.
  
{Welche Aussagen treffen für &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm G} = 6.5\ \rm kHz$ zu?
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{Which statements are true for &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm G} = 6.5\ \rm kHz$?
 
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- Das Signal &nbsp;$q_{\rm dis}(t)$&nbsp; lässt sich vollständig rekonstruieren: &nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
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- The signal &nbsp;$q_{\rm dis}(t)$&nbsp; can be completely reconstructed: &nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
- $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; ist eine harmonische Schwingung mit &nbsp;$4 \rm kHz$.
+
- $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; is a harmonic oscillation with &nbsp;$4 \rm kHz$.
+ $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; ist eine harmonische Schwingung mit &nbsp;$6 \ \rm kHz$.
+
+ $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; is a harmonic oscillation with &nbsp;$6 \ \rm kHz$.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist nur die <u>erste Aussage</u>:  
+
'''(1)'''&nbsp; Only the&nbsp; <u>first statement</u>&nbsp; is correct:  
*Die Abtastung von&nbsp; $q_{\rm dis}(t)$&nbsp; mit der Abtastfrequenz&nbsp; $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$&nbsp; führt zu einem irreversiblen Fehler, da&nbsp; $Q_{\rm dis}(f)$&nbsp; einen diskreten Spektralanteil (Diraclinie) bei&nbsp; $f_4 = 4\ \rm kHz$&nbsp; beinhaltet und der Phasenwert&nbsp; $φ_4 ≠ 0$&nbsp; ist.  
+
*Sampling&nbsp; $q_{\rm dis}(t)$&nbsp; with sampling frequency&nbsp; $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$&nbsp; leads to an irreversible error,&nbsp; since&nbsp; $Q_{\rm dis}(f)$&nbsp; involves a discrete spectral component&nbsp; (Dirac delta line)&nbsp; at&nbsp; $f_4 = 4\ \rm kHz$&nbsp; and the phase value is&nbsp; $φ_4 ≠ 0$.  
*Mit dem hier angegebenen Phasenwert&nbsp; $φ_4 = 90^\circ$&nbsp; $(4 \ \rm kHz$– Sinuskomponente$)$&nbsp; gilt&nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = v_{\rm dis}(t) - q_{\rm dis}(t) = -0.4 \ \rm V · \sin(2π · f_4 · t)$.&nbsp; Siehe auch Musterlösung zur Aufgabe 4.2Z.  
+
*With the phase value&nbsp; $φ_4 = 90^\circ$&nbsp; $(4 \ \rm kHz$&nbsp; sinusoidal component$)$&nbsp; given here holds&nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = v_{\rm dis}(t) - q_{\rm dis}(t) = -0. 4 \ \rm V - \sin(2π \cdot f_4 \cdot t)$.&nbsp; See also solution to Exercise 4.2Z.  
*Dagegen kann das Signal&nbsp; $q_{\rm kon}(t)$&nbsp; mit dem kontinuierlichen Spektrum&nbsp; $Q_{\rm kon}(f)$&nbsp; auch dann mit einem Rechteck–Tiefpass&nbsp; $($mit der Grenzfrequenz&nbsp; $f_{\rm G} = 4\ \rm   kHz)$&nbsp; vollständig rekonstruiert werden, wenn die Abtastfrequenz&nbsp; $f_{\rm A} = 8\ \rm   kHz$&nbsp; verwendet wurde.&nbsp; Für alle Frequenzen ungleich&nbsp; $f_4$&nbsp; ist das Abtasttheorem erfüllt.  
+
*On the other hand,&nbsp; the signal&nbsp; $q_{\rm con}(t)$&nbsp; with the continuous spectrum&nbsp; $Q_{\rm con}(f)$&nbsp; can also then be measured with a rectangular low-pass filter&nbsp; $($with cutoff frequency&nbsp; $f_{\rm G} = 4\ \rm kHz)$&nbsp; be completely reconstructed if sampling frequency&nbsp; $f_{\rm A} = 8\ \rm kHz$&nbsp; was used. &nbsp; For all frequencies not equal to&nbsp; $f_4$&nbsp; the sampling theorem is satisfied.  
*Der Anteil der&nbsp; $f_4$–Komponente am gesamten Spektrum&nbsp; $Q_{\rm kon}(f)$&nbsp; ist aber nur verschwindend klein &nbsp; ⇒ &nbsp; ${\rm Pr}(f_4) → 0$, solange das Spektrum bei&nbsp; $f_4$&nbsp; keine Diraclinie aufweist.
+
*The contribution of the&nbsp; $f_4$ component to the total spectrum&nbsp; $Q_{\rm con}(f)$&nbsp; is only vanishingly small &nbsp; ⇒ &nbsp; ${\rm Pr}(f_4) → 0$&nbsp; as long as the spectrum has no Dirac delta line  at&nbsp; $f_4$.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig ist nur der <u>Lösungsvorschlag 1</u>:
+
'''(2)'''&nbsp; Only the&nbsp; <u>proposed solution 1</u>&nbsp; is correct:
*Mit&nbsp; $f_{\rm A} = 10\ \rm   kHz$&nbsp; wird das Abtasttheorem in beiden Fällen erfüllt.
+
*With&nbsp; $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$&nbsp; the sampling theorem is satisfied in both cases.
* Mit&nbsp; $f_{\rm G} = f_{\rm A} /2$&nbsp; sind beide Fehlersignale&nbsp; $ε_{\rm kon}(t)$ und $ε_{\rm dis}(t)$ identisch Null.
+
*With&nbsp; $f_{\rm G} = f_{\rm A} /2$&nbsp; both error signals&nbsp; $ε_{\rm con}(t)$&nbsp; and&nbsp; $ε_{\rm dis}(t)$&nbsp; are identically zero.
*Die Signalrekonstruktion funktioniert darüber hinaus auch dann, solange&nbsp; $f_{\rm G} > 4 \ \rm   kHz$&nbsp; und&nbsp; $f_{\rm G} < 6 \ \rm kHz$&nbsp; gilt.
+
*In addition,&nbsp; the signal reconstruction also works as long as&nbsp; $f_{\rm G} > 4 \ \rm kHz$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm G} < 6 \ \rm kHz$&nbsp; holds.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig ist hier der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
+
'''(3)'''&nbsp; The correct solution here is&nbsp; <u>suggested solution 2</u>:
*Mit&nbsp; $f_{\rm G} = 3.5 \ \rm kHz$&nbsp; entfernt der Tiefpass fälschlicherweise den&nbsp; $4\ \rm   kHz$–Anteil, das heißt dann gilt:
+
*With&nbsp; $f_{\rm G} = 3.5 \ \rm kHz$&nbsp; the low-pass incorrectly removes the&nbsp; $4\ \rm kHz$ component,&nbsp; that is,&nbsp; then holds:
 
:$$ v_{\rm dis}(t) = q_{\rm dis}(t) - 0.4\,{\rm V} \cdot \sin (2 \pi \cdot f_{\rm 4} \cdot t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \varepsilon_{\rm dis}(t) = - 0.4\,{\rm V} \cdot \sin (2 \pi \cdot f_{\rm 4} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ v_{\rm dis}(t) = q_{\rm dis}(t) - 0.4\,{\rm V} \cdot \sin (2 \pi \cdot f_{\rm 4} \cdot t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \varepsilon_{\rm dis}(t) = - 0.4\,{\rm V} \cdot \sin (2 \pi \cdot f_{\rm 4} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
  
  
  
[[File:P_ID1609__Mod_A_4_2d.png|P_ID1609__Mod_A_4_2d.png|right|frame|Signalrekonstruktion mit zu großer Grenzfrequenz]]
+
[[File:EN_Mod_A_4_2d_neu.png|P_ID1609__Mod_A_4_2d.png|right|frame|Signal reconstruction with too large cutoff frequency]]
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist hier der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
'''(4)'''&nbsp; The correct solution here is&nbsp; <u>suggested solution 3</u>:
*Durch die Abtastung mit&nbsp; $f_{\rm A} = 10\ \rm   kHz$&nbsp; ergibt sich das rechts skizzierte periodische Spektrum.
+
*Sampling with&nbsp; $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$&nbsp; yields the periodic spectrum sketched on the right.
*Der Tiefpass mit&nbsp; $f_{\rm G} = 6.5 \ \rm kHz$&nbsp; entfernt alle diskreten Frequenzanteile mit&nbsp; $|f| ≥ 7\ \rm   kHz$, nicht aber den&nbsp; $6\ \rm   kHz$–Anteil.  
+
*The low-pass with&nbsp; $f_{\rm G} = 6.5 \ \rm kHz$&nbsp; removes all discrete frequency components with&nbsp; $|f| ≥ 7\ \rm kHz$,&nbsp; but not the&nbsp; $6\ \rm kHz$ component.  
  
  
Das Fehlersignal&nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = v_{\rm dis}(t) - q_{\rm dis}(t)$&nbsp; ist dann eine harmonische Schwingung mit
+
The error signal&nbsp; $ε_{\rm dis}(t) = v_{\rm dis}(t) - q_{\rm dis}(t)$&nbsp; is then a harmonic oscillation with
* der Frequenz&nbsp; $f_6 = f_{\rm A} - f_4 = 6\ \rm kHz$,
+
* the frequency&nbsp; $f_6 = f_{\rm A} - f_4 = 6\ \rm kHz$,
* der Amplitude&nbsp; $A_4$ des&nbsp; $f_4$–Anteils,
+
* the amplitude&nbsp; $A_4$ of the&nbsp; $f_4$ component,
* der Phase&nbsp; $φ_{-4} = -φ_4$&nbsp; des&nbsp; $Q(f)$–Anteils bei&nbsp; $f = -f_4$.
+
* the phase&nbsp; $φ_{-4} = -φ_4$&nbsp; of the&nbsp; $Q(f)$&nbsp; component at&nbsp; $f = -f_4$.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^4.1 Pulscodemodulation^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.1 Pulse Code Modulation^]]

Latest revision as of 15:31, 18 January 2023

Examples of continuous and discrete spectra

We consider in this exercise two different source signals  $q_{\rm con}(t)$  and  $q_{\rm dis}(t)$ whose magnitude spectra  $|Q_{\rm con}(f)|$  and  $|Q_{\rm dis}(f)|$  are plotted.   The highest frequency occurring in the signals is in each case  $4 \rm kHz$.

  • Nothing more is known of the spectral function  $Q_{\rm con}(f)$  than that it is a continuous spectrum,  where:
$$Q_{\rm con}(|f| \le 4\,{\rm kHz}) \ne 0 \hspace{0.05cm}.$$
  • The spectrum  $Q_{\rm dis}(f)$  contains spectral lines at  $±1 \ \rm kHz$,  $±2 \ \rm kHz$,  $±3 \ \rm kHz$  and  $±4 \ \rm kHz$.  Thus:
$$q_{\rm dis}(t) = \sum_{i=1}^{4}C_i \cdot \cos (2 \pi \cdot f_i \cdot t - \varphi_i),$$
Amplitude values:   $C_1 = 1.0 \ \rm V$, $C_2 = 1.8 \ \rm V$, $C_3 = 0.8 \ \rm V$, $C_4 = 0.4 \ \rm V.$
The phase values  $φ_1$,  $φ_2$  and  $φ_3$  are respectively in the range  $±180^\circ$  and it holds  $φ_4 = 90^\circ$.


The signals are each sampled at frequency  $f_{\rm A}$  and immediately fed to an ideal rectangular low-pass filter with cutoff frequency  $f_{\rm G}$  This scenario applies,  for example,  to

  • the interference-free pulse amplitude modulation  $\rm (PAM)$  and
  • the interference-free pulse code modulation  $\rm (PCM)$  at infinitely large quantization stage number  $M$.


The output signal of the  (rectangular)  low-pass filter is called the sink signal  $v(t)$  and for the error signal: 

$$ε(t) = v(t) - q(t).$$

This is different from zero only if the parameters of the sampling  $($sampling frequency $f_{\rm A})$  and/or the signal reconstruction  $($cutoff frequency $f_{\rm G})$  are not dimensioned in the best possible way.



Hints:


Questions

1

Which statements are true for  $f_{\rm A} = 8\ \rm kHz$  and  $f_{\rm G} = 4\ \rm kHz$ ?

The signal  $q_{\rm con}(t)$  can be completely reconstructed:   $ε_{\rm con}(t) = 0$.
The signal  $q_{\rm dis}(t)$  can be completely reconstructed:   $ε_{\rm dis}(t) = 0$.

2

Which statements are true for  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$  and  $f_{\rm G} = 5\ \rm kHz$ ?

The signal  $q_{\rm dis}(t)$  can be completely reconstructed:   $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
$ε_{\rm dis}(t)$  is a harmonic oscillation with  $4 \rm kHz$.
$ε_{\rm dis}(t)$  is a harmonic oscillation with  $6 \rm kHz$.

3

Which statements are true for  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$  and  $f_{\rm G} = 3.5\ \rm kHz$ ?

The signal  $q_{\rm dis}(t)$  can be completely reconstructed:   $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
$ε_{\rm dis}(t)$  is a harmonic oscillation with  $4 \rm kHz$.
$ε_{\rm dis}(t)$  is a harmonic oscillation with  $6 \rm kHz$.

4

Which statements are true for  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$  and  $f_{\rm G} = 6.5\ \rm kHz$?

The signal  $q_{\rm dis}(t)$  can be completely reconstructed:   $ε_{\rm dis}(t) = 0$.
$ε_{\rm dis}(t)$  is a harmonic oscillation with  $4 \rm kHz$.
$ε_{\rm dis}(t)$  is a harmonic oscillation with  $6 \ \rm kHz$.


Solution

(1)  Only the  first statement  is correct:

  • Sampling  $q_{\rm dis}(t)$  with sampling frequency  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$  leads to an irreversible error,  since  $Q_{\rm dis}(f)$  involves a discrete spectral component  (Dirac delta line)  at  $f_4 = 4\ \rm kHz$  and the phase value is  $φ_4 ≠ 0$.
  • With the phase value  $φ_4 = 90^\circ$  $(4 \ \rm kHz$  sinusoidal component$)$  given here holds  $ε_{\rm dis}(t) = v_{\rm dis}(t) - q_{\rm dis}(t) = -0. 4 \ \rm V - \sin(2π \cdot f_4 \cdot t)$.  See also solution to Exercise 4.2Z.
  • On the other hand,  the signal  $q_{\rm con}(t)$  with the continuous spectrum  $Q_{\rm con}(f)$  can also then be measured with a rectangular low-pass filter  $($with cutoff frequency  $f_{\rm G} = 4\ \rm kHz)$  be completely reconstructed if sampling frequency  $f_{\rm A} = 8\ \rm kHz$  was used.   For all frequencies not equal to  $f_4$  the sampling theorem is satisfied.
  • The contribution of the  $f_4$ component to the total spectrum  $Q_{\rm con}(f)$  is only vanishingly small   ⇒   ${\rm Pr}(f_4) → 0$  as long as the spectrum has no Dirac delta line at  $f_4$.


(2)  Only the  proposed solution 1  is correct:

  • With  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$  the sampling theorem is satisfied in both cases.
  • With  $f_{\rm G} = f_{\rm A} /2$  both error signals  $ε_{\rm con}(t)$  and  $ε_{\rm dis}(t)$  are identically zero.
  • In addition,  the signal reconstruction also works as long as  $f_{\rm G} > 4 \ \rm kHz$  and  $f_{\rm G} < 6 \ \rm kHz$  holds.


(3)  The correct solution here is  suggested solution 2:

  • With  $f_{\rm G} = 3.5 \ \rm kHz$  the low-pass incorrectly removes the  $4\ \rm kHz$ component,  that is,  then holds:
$$ v_{\rm dis}(t) = q_{\rm dis}(t) - 0.4\,{\rm V} \cdot \sin (2 \pi \cdot f_{\rm 4} \cdot t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \varepsilon_{\rm dis}(t) = - 0.4\,{\rm V} \cdot \sin (2 \pi \cdot f_{\rm 4} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$


Signal reconstruction with too large cutoff frequency

(4)  The correct solution here is  suggested solution 3:

  • Sampling with  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$  yields the periodic spectrum sketched on the right.
  • The low-pass with  $f_{\rm G} = 6.5 \ \rm kHz$  removes all discrete frequency components with  $|f| ≥ 7\ \rm kHz$,  but not the  $6\ \rm kHz$ component.


The error signal  $ε_{\rm dis}(t) = v_{\rm dis}(t) - q_{\rm dis}(t)$  is then a harmonic oscillation with

  • the frequency  $f_6 = f_{\rm A} - f_4 = 6\ \rm kHz$,
  • the amplitude  $A_4$ of the  $f_4$ component,
  • the phase  $φ_{-4} = -φ_4$  of the  $Q(f)$  component at  $f = -f_4$.