Difference between revisions of "Applets:Bessel Functions of the First Kind"

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{{LntAppletLinkEnDe|besselFuns_en|besselFuns}}  
 
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==Applet Description==
==Programmbeschreibung==
 
 
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Dieses Applet ermöglicht die Berechnung und graphische Darstellung der Besselfunktionen erster Art und $n$&ndash;ter Ordnung entsprechend der Reihendarstellung:
+
This applet allows the calculation and graphical representation of the Bessel functions of the first kind and&nbsp; $n$&ndash;th order according to the series representation:
  
 
:$${\rm J}_n (x) = \sum\limits_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^k \cdot (x/2)^{n \hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm} 2
 
:$${\rm J}_n (x) = \sum\limits_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^k \cdot (x/2)^{n \hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm} 2
\hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.05cm}k}}{k! \cdot (n+k)!} \hspace{0.05cm}.$$
+
\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}k}}{k! \cdot (n+k)!} \hspace{0.05cm}.$$
  
*Graphisch dargestellt können die Funktionen ${\rm J}_n (x)$ für die Ordnung $n=0$ bis $n=9$ in verschiedenen Farben werden.
+
*The functions&nbsp; ${\rm J}_n (x)$&nbsp; can be represented graphically for the order&nbsp; $n=0$&nbsp; to&nbsp; $n=9$&nbsp; in different colors.
*Die linke Ausgabe liefert die Funktionswerte ${\rm J}_0 (x = x_1)$, ... , ${\rm J}_9 (x = x_1)$ für einen per Slider einstellbaren Wert $x_1$ im Bereich $0 \le x_1 \le 15$ mit Schrittweite $0.5$.  
+
*The left output provides the function values&nbsp; ${\rm J}_0 (x = x_1)$, ... , ${\rm J}_9 (x = x_1)$&nbsp; for a slider-settable value&nbsp; $x_1$&nbsp; in the range&nbsp; $0 \le x_1 \le 15$&nbsp; with increment&nbsp; $0.5$.  
*Die rechte Ausgabe liefert die Funktionswerte ${\rm J}_0 (x = x_2)$, ... , ${\rm J}_9 (x = x_2)$ für einen per Slider einstellbaren Wert $x_2$ (gleicher Wertebereich und Schrittweite wie links).  
+
*The right output provides the function values&nbsp; ${\rm J}_0 (x = x_2)$, ... , ${\rm J}_9 (x = x_2)$&nbsp; for a slider-settable value&nbsp; $x_2$&nbsp; (same range and value increment like on the left).
  
  
[[Applets:Physical_Signal_%26_Analytical_Signal|'''Englische Beschreibung''']]
 
  
==Theoretischer Hintergrund==
+
==Theoretical Background==
 
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===Allgemeines zu den Besselfunktionen===
+
===General Information about the Bessel Functions===
Besselfunktionen (oder auch Zylinderfunktionen) sind Lösungen der Besselschen Differentialgleichung der Form
+
Bessel functions (or cylinder functions) are solutions of the Bessel differential equation of the form
  
 
:$$x^2 \cdot \frac{ {\rm d}^2}{{\rm d}x^2}\ {\rm J}_n (x) \ + \ x \cdot \frac{ {\rm d}}{{\rm d}x}\ {\rm J}_n (x) \ + \ (x^2 - n^2)  
 
:$$x^2 \cdot \frac{ {\rm d}^2}{{\rm d}x^2}\ {\rm J}_n (x) \ + \ x \cdot \frac{ {\rm d}}{{\rm d}x}\ {\rm J}_n (x) \ + \ (x^2 - n^2)  
 
\cdot {\rm J}_n (x)= 0. $$
 
\cdot {\rm J}_n (x)= 0. $$
  
Hierbei handelt es sich um eine gewöhnliche lineare Differentialgleichung zweiter Ordnung. Der Parameter $n$ ist meistens ganzzahlig, so auch in diesem Programm. Diese bereits 1844 von [https://de.wikipedia.org/wiki/Friedrich_Wilhelm_Bessel Friedrich Wilhelm Bessel] eingeführten mathematischen Funktionen können auch in geschlossener Form als Integrale dargestellt werden:
+
This is an ordinary second-order linear differential equation.&nbsp; The parameter&nbsp; $ n $&nbsp; is usually integer, also in this program.&nbsp; These mathematical functions, introduced by&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Friedrich_Bessel "Friedrich Wilhelm Bessel"]&nbsp; in 1844, can also be represented in closed form as integrals:
  
 
:$${\rm J}_n (x) = \frac{1}{2\pi}\cdot \int_{-\pi}^{+\pi} {{\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}[\hspace{0.05cm}x \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sin(\alpha) -\hspace{0.05cm} n \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\alpha \hspace{0.05cm}]}}\hspace{0.1cm}{\rm d}\alpha
 
:$${\rm J}_n (x) = \frac{1}{2\pi}\cdot \int_{-\pi}^{+\pi} {{\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}[\hspace{0.05cm}x \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sin(\alpha) -\hspace{0.05cm} n \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\alpha \hspace{0.05cm}]}}\hspace{0.1cm}{\rm d}\alpha
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Die Funktionen ${\rm J}_n (x)$ gehören zur Klasse der Besselfunktionen erster Art (englisch: &nbsp; ''Bessel Functions of the First Kind''). Den Parameter $n$ nennt man die ''Ordnung''.  
+
The functions&nbsp; ${\rm J}_n (x)$&nbsp; belong to the class of Bessel functions of the first kind.&nbsp; The parameter&nbsp; $n$&nbsp; is called the "order".  
  
''Anmerkung:'' &nbsp; Es gibt eine Vielzahl von Abwandlungen der Besselfunktionen, unter anderem die mit ${\rm Y}_n (x)$ benannten Besselfunktionen zweiter Art. Für ganzzahliges $n$ lässt sich ${\rm Y}_n (x)$ durch ${\rm J}_n (x)$&ndash;Funktionen ausdrücken. In diesem Applet werden jedoch nur die Besselfunktionen erster Art &nbsp; &rArr; &nbsp; ${\rm J}_n (x)$ betrachtet.
+
''Note:'' &nbsp; There are a number of modifications of the Bessel functions, including the Bessel functions of the second kind named&nbsp; ${\rm Y}_n (x)$.&nbsp; For integer&nbsp; $n$,&nbsp; ${\rm Y}_n (x)$&nbsp; can be replaced by&nbsp; ${\rm J}_n (x)$&nbsp; functions.&nbsp; However, in this applet, only the first kind Bessel functions&nbsp; ${\rm J}_n (x)$&nbsp; are considered.
 
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===Eigenschaften der Besselfunktionen===
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===Properties of the Bessel Functions===
  
 
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{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Eigenschaft (A):}$&nbsp; &nbsp;Sind die Funktionswerte für $n = 0$ und $n = 1$ bekannt, so können daraus die Besselfunktionen für $n ≥ 2$ iterativ ermittelt werden:  
+
$\text{Property (A):}$&nbsp; &nbsp;If the function values for&nbsp; $n = 0$&nbsp; and&nbsp; $n = 1$&nbsp; are known, then the Bessel function for&nbsp; $n ≥ 2$&nbsp; can be determined iteratively:  
 
:$${\rm J}_n (x) ={2 \cdot (n-1)}/{x} \cdot {\rm J}_{n-1} (x) - {\rm J}_{n-2} (x) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm J}_n (x) ={2 \cdot (n-1)}/{x} \cdot {\rm J}_{n-1} (x) - {\rm J}_{n-2} (x) \hspace{0.05cm}.$$
 
}}
 
}}
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$\text{Beispiel (A):}$&nbsp; &nbsp;Es gelte ${\rm J}_0 (x = 2) = 0.22389$ und ${\rm J}_1 (x= 2) = 0.57672$. Daraus können iterativ berechnet werden:  
+
$\text{Example (A):}$&nbsp; &nbsp;Let&nbsp; ${\rm J}_0 (x = 2) = 0.22389$&nbsp; and&nbsp; ${\rm J}_1 (x= 2) = 0.57672$.&nbsp; From this it can be calculated iteratively:  
 
:$${\rm J}_2 (x= 2) ={2 \cdot 1}/{2} \cdot {\rm J}_{1} (x= 2) - {\rm J}_{0} (x= 2) = 0.57672 - 0.22389 = \hspace{0.15cm}\underline{0.35283}\hspace{0.05cm},$$
 
:$${\rm J}_2 (x= 2) ={2 \cdot 1}/{2} \cdot {\rm J}_{1} (x= 2) - {\rm J}_{0} (x= 2) = 0.57672 - 0.22389 = \hspace{0.15cm}\underline{0.35283}\hspace{0.05cm},$$
 
:$${\rm J}_3 (x= 2) ={2 \cdot 2}/{2} \cdot {\rm J}_{2} (x= 2) - {\rm J}_{1} (x= 2) = 2 \cdot 0.35283 - 0.57672  = \hspace{0.15cm}\underline{0.12894}\hspace{0.05cm},$$
 
:$${\rm J}_3 (x= 2) ={2 \cdot 2}/{2} \cdot {\rm J}_{2} (x= 2) - {\rm J}_{1} (x= 2) = 2 \cdot 0.35283 - 0.57672  = \hspace{0.15cm}\underline{0.12894}\hspace{0.05cm},$$
Line 49: Line 48:
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Eigenschaft (B):}$&nbsp; &nbsp;Es gilt die Symmetriebeziehung ${\rm J}_{–n}(x) = (–1)^n · {\rm J}_n(x)$:  
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$\text{Property (B):}$&nbsp; &nbsp;The symmetry relationship applies&nbsp; ${\rm J}_{–n}(x) = (–1)^n · {\rm J}_n(x)$:  
 
:$${\rm J}_{-1}(x) = - {\rm J}_{1}(x), \hspace{0.3cm}{\rm J}_{-2}(x) =  {\rm J}_{2}(x), \hspace{0.3cm}{\rm J}_{-3}(x) = - {\rm J}_{3}(x).$$
 
:$${\rm J}_{-1}(x) = - {\rm J}_{1}(x), \hspace{0.3cm}{\rm J}_{-2}(x) =  {\rm J}_{2}(x), \hspace{0.3cm}{\rm J}_{-3}(x) = - {\rm J}_{3}(x).$$
 
}}
 
}}
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{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel (B):}$&nbsp; &nbsp;Für das Spektrum des analytischen Signals gilt bei [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)#Spektralfunktion_eines_phasenmodulierten_Sinussignals|Phasenmodulation eines Sinussignals]]:
+
$\text{Example (B):}$&nbsp; &nbsp;For the spectrum of the analytic signal, the following applies to the case&nbsp; "phase modulation of a sinusoidal signal":
[[File:Mod_T_3_1_S4_version2.png|right|frame|Spektrum des analytischen Signals bei Phasenmodulation]]  
+
[[File:Mod_T_3_1_S4_version2.png|right|frame|Phase Modulation: &nbsp; Spectrum of the Analytic Signal]]  
 
:$$S_{\rm +}(f) = A_{\rm T} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}{\rm J}_n (\eta) \cdot \delta \big[f - (f_{\rm T}+ n \cdot f_{\rm N})\big]\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$S_{\rm +}(f) = A_{\rm T} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}{\rm J}_n (\eta) \cdot \delta \big[f - (f_{\rm T}+ n \cdot f_{\rm N})\big]\hspace{0.05cm}.$$
Hierbei bezeichnen
+
Denote this
*$f_{\rm T}$ die Trägerfrequenz,  
+
*$f_{\rm T}$&nbsp; the carrier frequency &nbsp; (German: &nbsp; $\rm T$rägerfrequenz),  
*$f_{\rm N}$ die Nachrichtenfrequenz,
+
*$f_{\rm N}$&nbsp; the frequency of the source signal &nbsp; (German: &nbsp; $\rm N$achrichtenfrequenz),
* $A_{\rm T}$ die Trägeramplitude.  
+
* $A_{\rm T}$&nbsp; the carrier amplitude &nbsp; (German: &nbsp; $\rm T$rägeramplitude).  
  
  
Der Parameter der Besselfunktionen ist bei dieser Anwendung der Modulationsindex $\eta$.
+
Parameter of the Bessel functions in this application is the modulation index&nbsp; $\eta$.
  
Anhand der Grafik sind folgende Aussagen möglich:  
+
Based on the graphic, the following statements are possible:
*$S_+(f)$ besteht hier aus unendlich vielen diskreten Linien im Abstand von $f_{\rm N}$.  
+
*$S_+(f)$&nbsp; consists here of an infinite number of discrete lines at a distance of $f_{\rm N}$.  
*Es ist somit prinzipiell unendlich weit ausgedehnt.  
+
*Thus the sectrum is in principle infinitely extended.
*Die Gewichte der Spektrallinien bei $f_{\rm T} + n · f_{\rm N}$ ($n$ ganzzahlig) sind durch den Modulationsindex $η$ über die Besselfunktionen ${\rm J}_n(η)$ festgelegt.  
+
*The weights of the spectral lines at $f_{\rm T} + n · f_{\rm N}$&nbsp; $(n$ integer$)$&nbsp; are determined by the modulation index&nbsp; $η$&nbsp; over the Bessel functions&nbsp; ${\rm J}_n(η)$.  
*Die Spektrallinien sind bei sinusförmigem Quellensignal und cosinusförmigem Träger reell und für gerades $n$ symmetrisch um $f_{\rm T}$.  
+
*The spectral lines are real in the case of a sinusoidal source signal and a cosinusoidal carrier and symmetrical about $f_{\rm T}$&nbsp; for even&nbsp; $n$.  
*Bei ungeradem $n$ ist ein Vorzeichenwechsel entsprechend der $\text{Eigenschaft (B)}$ zu berücksichtigen.  
+
*In the case of odd&nbsp; $n$, a change of sign corresponding to&nbsp; $\text{Property (B)}$&nbsp; must be taken into account.
*Die Phasenmodulation einer Schwingung mit anderer Phase von Quellen– und/oder Trägersignal liefert das gleiche Betragsspektrum.}}  
+
*The phase modulation of another phase oscillation of source and / or carrier signal provides the same magnitude spectrum.}}  
 
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<br><br>
===Anwendungen der Besselfunktionen===
 
  
Die Anwendungen der Besselfunktionen in den Natur&ndash; und Ingenieurswissenschaften sind vielfältig und spielen eine wichtige Rolle in der Physik, zum Beispiel:
+
===Applications of the Bessel Functions===
*Untersuchung von Eigenschwingungen von zylindrischen Resonatoren,
 
*Lösung der radialen Schrödinger&ndash;Gleichung,
 
*Schalldruckamplituden von dünnflüssgigen Rotationsströmen,
 
*Wärmeleitung in zylindrischen Körpern,
 
*Streuungsproblem eines Gitters,
 
*Dynamik von Schwingkörpern,
 
*Winkelauflösung.
 
  
Man zählt die Besselfunktionen wegen ihrer vielfältigen Anwendungen in der mathematischen Physik zu den speziellen Funktionen.
+
The applications of the Bessel functions in nature and engineering are diverse and play an important role in physics, for example:
 +
* Electromagnetic waves in a cylindrical waveguide,
 +
* Solutions to the radial Schroedinger equation,
 +
* Pressure amplitudes of inviscid rotational flows,
 +
* Heat conduction in a cylindrical object,
 +
* Diffusion problems on a lattice,
 +
* Dynamics of floating bodies,
 +
*Frequency-dependent friction in circular pipelines,
 +
* Angular resolution.
  
Wir beschränken uns im Folgenden auf einige Gebiete, die in unserem Lerntutorial $\rm LNTwww$ angesprochen werden. 
 
  
'''Im enlischen Original'''
+
The Bessel functions belong to the "Special Functions" because of their many applications in mathematical physics.
Electromagnetic waves in a cylindrical waveguide
+
 
Pressure amplitudes of inviscid rotational flows
+
In the following, we restrict ourselves to a few areas that are addressed in our tutorial&nbsp; $\rm LNTwww$.
Heat conduction in a cylindrical object
 
Modes of vibration of a thin circular (or annular) acoustic membrane (such as a drum or other membranophone)
 
Diffusion problems on a lattice
 
Solutions to the radial Schrödinger equation (in spherical and cylindrical coordinates) for a free particle
 
Solving for patterns of acoustical radiation
 
Frequency-dependent friction in circular pipelines
 
Dynamics of floating bodies
 
Angular resolution
 
'''Ende'''
 
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel (C):} \hspace{0.5cm} \text{Einsatz in der Spektralanalyse} \ \Rightarrow \ \text{Kaiser-Bessel-Filter}$
+
$\text{Example (C):} \hspace{0.5cm} \text{Use in Spectral Analysis} \ \Rightarrow \ \text{Kaiser-Bessel filter}$
  
Als '''spektralen Leckeffekt''' bezeichnet man die Verfälschung des Spektrums eines periodischen und damit zeitlich unbegrenzten Signals aufgrund der impliziten Zeitbegrenzung der Diskreten Fouriertransformation (DFT). Dadurch werden zum Beispiel von einem Spektrumanalyzer
+
The&nbsp; '''Spectral Leakage Effect'''&nbsp; is the falsification of the spectrum of a periodic and thereby time unlimited signal due to the implicit time limitation of the discrete Fourier transform (DFT).&nbsp; This will be done, for example, by a spectrum analyzer
*im Zeitsignal nicht vorhandene Frequenzanteile vorgetäuscht, und/oder
+
* in the time signal not existing frequency components simulated, and/or
*tatsächlich vorhandene Spektralkomponenten durch Seitenkeulen verdeckt.
+
* actually existing spectral components are obscured by sidelobes.
  
Aufgabe der [[Signaldarstellung/Spektralanalyse|Spektralanalyse]] ist es, durch die Bereitstellung geeigneter Fensterfunktionen den Einfluss des ''spektralen Leckeffektes'' zu begrenzen.
 
  
Eine solche Fensterfunktion liefert zum Beispiel das Kaiser&ndash;Bessel&ndash;Fenster &nbsp; &rArr; &nbsp; siehe Abschnitt [[Signaldarstellung/Spektralanalyse#Spezielle_Fensterfunktionen|Spezielle Fensterfunktionen]]. Dessen zeitdiskrete Fenserfunktion lautet mit der Besselfunktion nullter Ordnung &nbsp; &rArr; &nbsp; ${\rm J}_0(x)$, dem Parameter $\alpha=3.5$ und der Fensterlänge $N$:
+
The task of the&nbsp; [[Signal_Representation/Spectrum_Analysis|"Spectrum Analysis"]]&nbsp; is to limit the influence of the spectral leakage effect by providing suitable window functions.
 +
 
 +
Such a window function provides, for example, the Kaiser&ndash;Bessel window &nbsp; &rArr; &nbsp; see section&nbsp; [[Signal_Representation/Spectrum_Analysis#Special_window_functions|"Special Window Functions"]].&nbsp; Its time-discrete window function with the Bessel function zero order &nbsp; &rArr; &nbsp; ${\rm J}_0(x)$, the parameter&nbsp; $\alpha=3.5$&nbsp; and the window length&nbsp; $N$:
 
:$$w_\nu = \frac{ {\rm J}_0\big(\pi \cdot \alpha \cdot \sqrt{1 - (2\nu/N)^2}\big)}{ {\rm J}_0\big(\pi \cdot \alpha \big)}.$$
 
:$$w_\nu = \frac{ {\rm J}_0\big(\pi \cdot \alpha \cdot \sqrt{1 - (2\nu/N)^2}\big)}{ {\rm J}_0\big(\pi \cdot \alpha \big)}.$$
Auf der Seite [[Signaldarstellung/Spektralanalyse#G.C3.BCtekriterien_von_Fensterfunktionen|Gütekriterien von Fensterfunktionen]] sind u.a. die Kenngrößen des Kaiser&ndash;Bessel&ndash;Fensters angegeben:
+
In the section&nbsp; [[Signal_Representation/Spectrum_Analysis#Quality_criteria_of_window_functions|"Quality Criteria of Window Functions"]]&nbsp; the parameters of the Kaiser-Bessel window are given.
*Günstig sind der große &bdquo;Minimale Abstand zwischen Hauptkeule und Seitenkeulen&rdquo; und der gewünscht kleine &bdquo;Maximale Skalierungsfehler&rdquo;.
+
*The large "Minimum Distance between the main lobe and side lobes" and the desired small "maximum Scaling Error" are favourable.
*Aufgrund der sehr großen &bdquo;Äquivalenten Rauschbreite&rdquo; schneidet das Kaiser&ndash;Bessel&ndash;Fenster im wichtigsten Vergleichskriterium &bdquo;Maximaler Prozessverlust&rdquo; doch schlechter ab als die etablierten Hamming&ndash; und Hanning&ndash;Fenster.}}
+
*Due to the very large "Equivalent Noise Width" the Kaiser-Bessel window cuts in the most important comparison criterion "Maximum Process Loss" but worse than the established Hamming and Hanning windows.}}
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel (D):} \hspace{0.5cm} \text{Rice-Fading-Kanalmodell}$
+
$\text{Example (D):} \hspace{0.5cm} \text{Rice Fading Channel Model}$
  
Die [[Mobile_Kommunikation/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh%E2%80%93Fadings#Allgemeine_Beschreibung_des_Mobilfunkkanals| Rayleigh&ndash;Verteilung]] beschreibt den Mobilfunkkanal unter der Annahme, dass kein direkter Pfad vorhanden ist und sich somit der multiplikative Faktor $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$ allein aus diffus gestreuten Komponenten zusammensetzt.  
+
The&nbsp; [[Mobile_Communications/Probability_Density_of_Rayleigh_Fading#A_very_general_description_of_the_mobile_communication_channel| "Rayleigh distribution"]]&nbsp; describes the mobile channel on the assumption that there is no direct path and thus the multiplicative factor&nbsp; $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$&nbsp; is composed solely of diffusely scattered components.  
  
Bei Vorhandensein einer Direktkomponente (englisch: <i>Line of Sight</i>, LoS) muss man im Modell zu den mittelwertfreien Gaußprozessen $x(t)$ und $y(t)$ noch Gleichkomponenten $x_0$ und/oder $y_0$ hinzufügen:
+
In the case of a direct component&nbsp; (<i>Line of Sight</i>, LoS) one has to add  in the model DC components&nbsp; $x_0$&nbsp; and/or&nbsp; $y_0$&nbsp; for the zero mean Gaussian processes&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp;:
  
[[File:P ID2126 Mob T 1 4 S1 v3.png|right|frame|Rice-Fading-Kanalmodell|class=fit]]
+
[[File:EN_Mob_T_1_4_S1.png|right|frame|Rice fading channel model|class=fit]]
$$\hspace{0.2cm}x(t) \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} x(t) +x_0 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} y(t) \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} y(t) +y_0\hspace{0.05cm},$$
+
:$$x(t) \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} x(t) +x_0 \hspace{0.05cm}, $$
 +
:$$y(t) \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} y(t) +y_0\hspace{0.05cm},$$
  
$$\hspace{0.2cm}z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} z(t) +z_0 \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}
+
:$$z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)\hspace{0.1cm}\Rightarrow \hspace{0.1cm} z(t) +z_0 \hspace{0.05cm},$$
  z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0\hspace{0.05cm}.$$
  
Die Grafik zeigt das ''Rice&ndash;Fading&ndash;Kanalmodell''. Es lässt sich wie folgt zusammenfassen:
+
The graph shows the  Rice fading channel model.&nbsp; It can be summarized as follows:
*Der Realteil $x(t)$ ist gaußverteilt mit Mittelwert $x_0$ und Varianz $\sigma ^2$.  
+
*The real part&nbsp; $x(t)$&nbsp; is Gaussian with mean&nbsp; $x_0$&nbsp; and variance&nbsp; $\sigma ^2$.  
*Der Imaginärteil $y(t)$ ist ebenfalls gaußverteilt  (Mittelwert $y_0$, gleiche Varianz $\sigma ^2$) sowie unabhängig von $x(t)$.<br>
+
*The imaginary part&nbsp; $y(t)$&nbsp; is also Gaussian&nbsp; $($mean&nbsp; $y_0$,&nbsp; equal variance&nbsp; $\sigma ^2)$&nbsp; and independent of&nbsp; $x(t)$.<br>
  
*Für $z_0 \ne 0$ ist der Betrag $\vert z(t)\vert$ riceverteilt, woraus die Bezeichnung &bdquo;<i>Rice&ndash;Fading</i>&rdquo; herrührt.  
+
*For&nbsp; $z_0 \ne 0$, the magnitude&nbsp; $\vert z(t)\vert$&nbsp; is Rice distributed, from which the term "Rice Fading</i>" arises.  
  
*Zur Vereinfachung der Schreibweise setzen wir  $\vert z(t)\vert = a(t)$. Für $a < 0$ ist die Betrags&ndash;WDF $f_a(a) \equiv 0$, für $a \ge  0$ gilt folgende Gleichung, wobei ${\rm I_0}(x)$ die <i>modifizierte Besselfunktion</i> nullter Ordnung bezeichnet:
+
*To simplify the notation, we set&nbsp; $\vert z(t)\vert = a(t)$.&nbsp; For $a < 0$ , the pdf is&nbsp; $f_a(a) \equiv 0$, for&nbsp; $a \ge  0$&nbsp; the following equation holds, where&nbsp; ${\rm I_0}(x)$&nbsp; is the modified Bessel function of zero order:
:$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{  - (a^2 + \vert z_0 \vert ^2)/(2\sigma^2)} \cdot {\rm I}_0 \left [ \frac{a \cdot \vert z_0 \vert}{\sigma^2} \right ] \hspace{0.5cm}\text{mit}\hspace{0.5cm}{\rm I }_0 (u) = {\rm J }_0 ({\rm j} \cdot u) =  
+
:$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{  - (a^2 + \vert z_0 \vert ^2)/(2\sigma^2)} \cdot {\rm I}_0 \left [ \frac{a \cdot \vert z_0 \vert}{\sigma^2} \right ] \hspace{0.5cm}\text{with}\hspace{0.5cm}{\rm I }_0 (u) = {\rm J }_0 ({\rm j} \cdot u) =  
 
  \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{ (u/2)^{2k} }{k! \cdot \Gamma (k+1)}
 
  \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{ (u/2)^{2k} }{k! \cdot \Gamma (k+1)}
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
*Zwischen der modifizierten Besselfunktion und der herkömmlichen Besselfunktion ${\rm I_0}(x)$ &ndash; jeweils erster Art &ndash; besteht also der Zusammenhang ${\rm I }_0 (u) = {\rm J }_0 ({\rm j} \cdot u)$.}}
+
*Between the modified Bessel function&nbsp; ${\rm J_0}(x)$&nbsp; and the traditional Bessel function&nbsp; ${\rm I_0}(x)$&nbsp; of first kind  the following relation exists:&nbsp; ${\rm I }_0 (u) = {\rm J }_0 ({\rm j} \cdot u)$.}}
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel (E):} \hspace{0.5cm} \text{Analyse des Frequenzspektrums von frequenzmodulierten Signalen}$
+
$\text{Example (E):} \hspace{0.5cm} \text{Analysis of the Frequency Spectrum of Frequency Modulated Signals}$
 
 
Im $\text{Beispiel (B)}$ wurde bereits gezeigt, dass die Winkelmodulation einer harmonischen Schwingung der Frequenz $f_{\rm N}$ zu einem Linienspektrum führt. Die Spektrallinien liegen um die Trägerfrequenz $f_{\rm T}$ bei $f_{\rm T} + n \cdot f_{\rm N}$ mit $n \in \{ \ \text{...}, -2, -1, \ 0, +1, +2, \text{...} \ \}$. Die Gewichte der Diraclinien sind ${\rm J }_n(\eta)$, abhängig vom Modulationsindex $\eta$.
 
 
 
[[File:P_ID1095__Mod_T_3_2_S4_neu.png|center|frame|Diskrete Spektren bei Phasenmodulation (links) und Frequenzmodulation (rechts)]] 
 
  
Die Grafik zeigt das Betragsspektrum $\vert S_{\rm +}(f) \vert$ des analytischen Signals bei Phasenmodulation (PM) und Frequenzmodulation (FM), zwei unterschiedliche Formen der Winkelmodulation (WM). Bessellinien mit Werten kleiner als $0.03$ sind hierbei in beiden Fällen vernachlässigt.  
+
$\text{Example (B)}$&nbsp;  has already been shown that the angle modulation of a harmonic oscillation of the frequency $f_{\rm N}$&nbsp; leads to a line spectrum.&nbsp; The spectral lines are around the carrier frequency $f_{\rm T}$&nbsp; at&nbsp; $f_{\rm T} + n \cdot f_{\rm N}$&nbsp; with&nbsp; $n \in \{ \ \text{...}, -2, -1, \ 0, +1, +2, \text{...} \ \}$.&nbsp; The weights of the Dirac delta lines are&nbsp; ${\rm J }_n(\eta)$, depending on the modulation index&nbsp; $\eta$.
  
Für die obere Bildhälfte sind die Modulatorparameter so gewählt, dass sich für $f_{\rm N} = 5  \ \rm kHz$ jeweils ein Besselspektrum mit dem Modulationsindex $η = 1.5$ ergibt. Lässt man die Phasenbeziehungen außer Acht, so ergeben sich für beide Systeme gleiche Spektren und gleiche Signale.
+
The graph shows the magnitude spectrum&nbsp; $\vert S_{\rm +}(f) \vert$&nbsp; of the analytic signal in phase modulation (PM) and frequency modulation (FM), two different forms of angle modulation.&nbsp; Bessel lines with values less than&nbsp; $0.03$&nbsp; are neglected in both cases.
  
Die unteren Grafiken gelten bei sonst gleichen Einstellungen für die Nachrichtenfrequenz $f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$. Man erkennt:  
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[[File:P_ID1095__Mod_T_3_2_S4_neu.png|right|frame|Discrete spectra with phase modulation (left) and frequency modulation (right)]] 
*Bei der Phasenmodulation ergibt sich gegenüber $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$ eine schmalere Spektralfunktion, da nun der Abstand der Bessellinien nur mehr $3 \ \rm kHz$ beträgt. Da bei PM der Modulationsindex unabhängig von $f_{\rm N}$ ist, ergeben sich die gleichen Besselgewichte wie bei $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$.
 
*Auch bei der Frequenzmodulation treten nun die Bessellinien im Abstand von $3 \ \rm kHz$ auf. Da aber bei FM der Modulationsindex umgekehrt proportional zu $f_{\rm N}$  ist, gibt es nun unten aufgrund des größeren Modulationsindex $η = 2.5$  deutlich mehr Bessellinien als im rechten oberen (für $η = 1.5$ gültigen) Diagramm. }}
 
  
   
+
For the upper half of the graphic, the modulator parameters are chosen so that for each $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$&nbsp; here is a Bessel spectrum with the modulation index&nbsp; $η = 1.5$.&nbsp; Disregarding the phase relationships, the same spectra and the same signals result for both systems.
'''Das folgende Kapitel muss noch angepasst werden!'''
 
  
==Zur Handhabung des Applets==
+
The lower graphics apply with otherwise identical settings for the same message frequency $f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$.&nbsp; One notices:
[[File:Handhabung_binomial.png|left|600px]]
+
*In phase modulation, the spectral function is narrower than&nbsp; $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$, because the distance of the Bessel lines is now only&nbsp; $3 \ \rm kHz$.&nbsp; Since the PN modulation index is independent of $f_{\rm N}$, the same bessel weights result as in $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$.
&nbsp; &nbsp; '''(A)''' &nbsp; &nbsp; Vorauswahl für blauen Parametersatz
+
*Also in the frequency modulation, the Bessel lines now occur at a distance of&nbsp; $3 \ \rm kHz$.&nbsp; However, since FM has a modulation index inversely proportional to $f_{\rm N}$, there are now significantly more Bessel lines at the bottom due to the larger modulation index&nbsp; $η = 2.5$ than in the upper right chart&nbsp; $($for&nbsp; $η = 1.5$&nbsp; valid$)$.}}
  
&nbsp; &nbsp; '''(B)''' &nbsp; &nbsp; Parametereingabe $I$ und $p$ per Slider
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(C)''' &nbsp; &nbsp; Vorauswahl für roten Parametersatz
+
==Applet Manual==
 +
[[File:Bessel_abzug3.png|left|600px]]
 +
&nbsp; &nbsp; '''(A)''' &nbsp; &nbsp; Sum formula of the Bessel functions&nbsp; ${\rm J}_n(x)$
  
&nbsp; &nbsp; '''(D)''' &nbsp; &nbsp; Parametereingabe $\lambda$ per Slider
+
&nbsp; &nbsp; '''(B)''' &nbsp; &nbsp; Selection of the order&nbsp; $n$&nbsp; for the graphical representation
  
&nbsp; &nbsp; '''(E)''' &nbsp; &nbsp; Graphische Darstellung der Verteilungen
+
&nbsp; &nbsp; '''(C)''' &nbsp; &nbsp; Plot area of the Bessel functions
  
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; Momentenausgabe für blauen Parametersatz
+
&nbsp; &nbsp; '''(D)''' &nbsp; &nbsp; Variation of the graphic representation
  
&nbsp; &nbsp; '''(G)''' &nbsp; &nbsp; Momentenausgabe für roten Parametersatz
+
$\hspace{1.5cm}$"$+$" (Enlarge),
  
&nbsp; &nbsp; '''(H)''' &nbsp; &nbsp; Variation der grafischen Darstellung
+
$\hspace{1.5cm}$ "$-$" (Decrease)
  
$\hspace{1.5cm}$&bdquo;$+$&rdquo; (Vergrößern),
+
$\hspace{1.5cm}$ "$\rm o$" (Reset to default)
  
$\hspace{1.5cm}$ &bdquo;$-$&rdquo; (Verkleinern)
+
$\hspace{1.5cm}$ "$\leftarrow$" (pushed to the left),  usw.
  
$\hspace{1.5cm}$ &bdquo;$\rm o$&rdquo; (Zurücksetzen)
+
&nbsp; &nbsp; '''(E)''' &nbsp; &nbsp; Selection of the abscissa value&nbsp; $x_1$&nbsp; for the left numeric output
  
$\hspace{1.5cm}$ &bdquo;$\leftarrow$&rdquo; (Verschieben nach links),  usw.
+
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; Numerical output of the Bessel function values&nbsp; ${\rm J}_n(x_1)$
  
&nbsp; &nbsp; '''( I )''' &nbsp; &nbsp; Ausgabe von ${\rm Pr} (z = \mu)$ und ${\rm Pr} (z  \le \mu)$  
+
&nbsp; &nbsp; '''(G)''' &nbsp; &nbsp; Selection of the abscissa value&nbsp; $x_2$ for&nbsp; the right numeric output
  
&nbsp; &nbsp; '''(J)''' &nbsp; &nbsp; Bereich für die Versuchsdurchführung
+
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; Numerical output of the Bessel function values&nbsp; ${\rm J}_n(x_2)$
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
<br>'''Andere Möglichkeiten zur Variation der grafischen Darstellung''':
 
*Gedrückte Shifttaste und Scrollen:  Zoomen im Koordinatensystem,
 
*Gedrückte Shifttaste und linke Maustaste: Verschieben des Koordinatensystems.
 
  
 +
==About the Authors==
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This interactive applet was designed and realized  at the&nbsp; [https://www.ei.tum.de/en/lnt/home/ Institute for Communications Engineering]&nbsp; at the&nbsp; [https://www.tum.de/en Technical University of Munich].
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*The original version was created in 2005 by&nbsp; [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Markus_Elsberger_.28Diplomarbeit_LB_2006.29|Markus Elsberger]]&nbsp; and&nbsp; [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Slim_Lamine_.28Studienarbeit_EI_2006.29|Slim Lamine]] as part of thesis using  "FlashMX&ndash;Actionscript" (Supervisor:&nbsp; [[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]]).
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*In 2018 this Applet was redesigned and updated to "HTML5" by&nbsp; [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Xiaohan_Liu_.28Bachelorarbeit_2018.29|Xiaohan Liu]]&nbsp; as part of her Bachelor's thesis (Supervisor:&nbsp; [[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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==Once again: Open Applet in new Tab==
  
==Über die Autoren==
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{{LntAppletLinkEnDe|besselFuns_en|besselFuns}}
Dieses interaktive Berechnungstool  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 [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Markus_Elsberger_.28Diplomarbeit_LB_2006.29|Markus Elsberger]] und [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Slim_Lamine_.28Studienarbeit_EI_2006.29|Slim Lamine]] im Rahmen von Abschlussarbeiten mit &bdquo;FlashMX&ndash;Actionscript&rdquo; erstellt (Betreuer: [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Mitarbeiter_und_Dozenten#Prof._Dr.-Ing._habil._G.C3.BCnter_S.C3.B6der_.28am_LNT_seit_1974.29|Günter Söder]]).
 
*2018 wurde das Programm  von [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Xiaohan_Liu_.28Bachelorarbeit_2018.29|Xiaohan Liu]]  (Bachelorarbeit, Betreuer: [[Biografien_und_Bibliografien/Beteiligte_der_Professur_Leitungsgebundene_%C3%9Cbertragungstechnik#Tasn.C3.A1d_Kernetzky.2C_M.Sc._.28bei_L.C3.9CT_seit_2014.29|Tasnád Kernetzky]] )  auf  &bdquo;HTML5&rdquo; umgesetzt.
 
 
 
==Nochmalige Aufrufmöglichkeit des Applets in neuem Fenster==
 
 
 
{{LntAppletLink|bessel}}
 

Latest revision as of 21:20, 26 March 2023

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Applet Description


This applet allows the calculation and graphical representation of the Bessel functions of the first kind and  $n$–th order according to the series representation:

$${\rm J}_n (x) = \sum\limits_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^k \cdot (x/2)^{n \hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm} 2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}k}}{k! \cdot (n+k)!} \hspace{0.05cm}.$$
  • The functions  ${\rm J}_n (x)$  can be represented graphically for the order  $n=0$  to  $n=9$  in different colors.
  • The left output provides the function values  ${\rm J}_0 (x = x_1)$, ... , ${\rm J}_9 (x = x_1)$  for a slider-settable value  $x_1$  in the range  $0 \le x_1 \le 15$  with increment  $0.5$.
  • The right output provides the function values  ${\rm J}_0 (x = x_2)$, ... , ${\rm J}_9 (x = x_2)$  for a slider-settable value  $x_2$  (same range and value increment like on the left).


Theoretical Background


General Information about the Bessel Functions

Bessel functions (or cylinder functions) are solutions of the Bessel differential equation of the form

$$x^2 \cdot \frac{ {\rm d}^2}{{\rm d}x^2}\ {\rm J}_n (x) \ + \ x \cdot \frac{ {\rm d}}{{\rm d}x}\ {\rm J}_n (x) \ + \ (x^2 - n^2) \cdot {\rm J}_n (x)= 0. $$

This is an ordinary second-order linear differential equation.  The parameter  $ n $  is usually integer, also in this program.  These mathematical functions, introduced by  "Friedrich Wilhelm Bessel"  in 1844, can also be represented in closed form as integrals:

$${\rm J}_n (x) = \frac{1}{2\pi}\cdot \int_{-\pi}^{+\pi} {{\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}[\hspace{0.05cm}x \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sin(\alpha) -\hspace{0.05cm} n \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\alpha \hspace{0.05cm}]}}\hspace{0.1cm}{\rm d}\alpha \hspace{0.05cm}.$$

The functions  ${\rm J}_n (x)$  belong to the class of Bessel functions of the first kind.  The parameter  $n$  is called the "order".

Note:   There are a number of modifications of the Bessel functions, including the Bessel functions of the second kind named  ${\rm Y}_n (x)$.  For integer  $n$,  ${\rm Y}_n (x)$  can be replaced by  ${\rm J}_n (x)$  functions.  However, in this applet, only the first kind Bessel functions  ${\rm J}_n (x)$  are considered.

Properties of the Bessel Functions

$\text{Property (A):}$   If the function values for  $n = 0$  and  $n = 1$  are known, then the Bessel function for  $n ≥ 2$  can be determined iteratively:

$${\rm J}_n (x) ={2 \cdot (n-1)}/{x} \cdot {\rm J}_{n-1} (x) - {\rm J}_{n-2} (x) \hspace{0.05cm}.$$


$\text{Example (A):}$   Let  ${\rm J}_0 (x = 2) = 0.22389$  and  ${\rm J}_1 (x= 2) = 0.57672$.  From this it can be calculated iteratively:

$${\rm J}_2 (x= 2) ={2 \cdot 1}/{2} \cdot {\rm J}_{1} (x= 2) - {\rm J}_{0} (x= 2) = 0.57672 - 0.22389 = \hspace{0.15cm}\underline{0.35283}\hspace{0.05cm},$$
$${\rm J}_3 (x= 2) ={2 \cdot 2}/{2} \cdot {\rm J}_{2} (x= 2) - {\rm J}_{1} (x= 2) = 2 \cdot 0.35283 - 0.57672 = \hspace{0.15cm}\underline{0.12894}\hspace{0.05cm},$$
$${\rm J}_4 (x= 2) ={2 \cdot 3}/{2} \cdot {\rm J}_{3} (x= 2) - {\rm J}_{2} (x= 2) = 3 \cdot 0.12894 - 0.35283 = \hspace{0.15cm}\underline{0.03400}\hspace{0.05cm}.$$


$\text{Property (B):}$   The symmetry relationship applies  ${\rm J}_{–n}(x) = (–1)^n · {\rm J}_n(x)$:

$${\rm J}_{-1}(x) = - {\rm J}_{1}(x), \hspace{0.3cm}{\rm J}_{-2}(x) = {\rm J}_{2}(x), \hspace{0.3cm}{\rm J}_{-3}(x) = - {\rm J}_{3}(x).$$


$\text{Example (B):}$   For the spectrum of the analytic signal, the following applies to the case  "phase modulation of a sinusoidal signal":

Phase Modulation:   Spectrum of the Analytic Signal
$$S_{\rm +}(f) = A_{\rm T} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}{\rm J}_n (\eta) \cdot \delta \big[f - (f_{\rm T}+ n \cdot f_{\rm N})\big]\hspace{0.05cm}.$$

Denote this

  • $f_{\rm T}$  the carrier frequency   (German:   $\rm T$rägerfrequenz),
  • $f_{\rm N}$  the frequency of the source signal   (German:   $\rm N$achrichtenfrequenz),
  • $A_{\rm T}$  the carrier amplitude   (German:   $\rm T$rägeramplitude).


Parameter of the Bessel functions in this application is the modulation index  $\eta$.

Based on the graphic, the following statements are possible:

  • $S_+(f)$  consists here of an infinite number of discrete lines at a distance of $f_{\rm N}$.
  • Thus the sectrum is in principle infinitely extended.
  • The weights of the spectral lines at $f_{\rm T} + n · f_{\rm N}$  $(n$ integer$)$  are determined by the modulation index  $η$  over the Bessel functions  ${\rm J}_n(η)$.
  • The spectral lines are real in the case of a sinusoidal source signal and a cosinusoidal carrier and symmetrical about $f_{\rm T}$  for even  $n$.
  • In the case of odd  $n$, a change of sign corresponding to  $\text{Property (B)}$  must be taken into account.
  • The phase modulation of another phase oscillation of source and / or carrier signal provides the same magnitude spectrum.



Applications of the Bessel Functions

The applications of the Bessel functions in nature and engineering are diverse and play an important role in physics, for example:

  • Electromagnetic waves in a cylindrical waveguide,
  • Solutions to the radial Schroedinger equation,
  • Pressure amplitudes of inviscid rotational flows,
  • Heat conduction in a cylindrical object,
  • Diffusion problems on a lattice,
  • Dynamics of floating bodies,
  • Frequency-dependent friction in circular pipelines,
  • Angular resolution.


The Bessel functions belong to the "Special Functions" because of their many applications in mathematical physics.

In the following, we restrict ourselves to a few areas that are addressed in our tutorial  $\rm LNTwww$.

$\text{Example (C):} \hspace{0.5cm} \text{Use in Spectral Analysis} \ \Rightarrow \ \text{Kaiser-Bessel filter}$

The  Spectral Leakage Effect  is the falsification of the spectrum of a periodic and thereby time unlimited signal due to the implicit time limitation of the discrete Fourier transform (DFT).  This will be done, for example, by a spectrum analyzer

  • in the time signal not existing frequency components simulated, and/or
  • actually existing spectral components are obscured by sidelobes.


The task of the  "Spectrum Analysis"  is to limit the influence of the spectral leakage effect by providing suitable window functions.

Such a window function provides, for example, the Kaiser–Bessel window   ⇒   see section  "Special Window Functions".  Its time-discrete window function with the Bessel function zero order   ⇒   ${\rm J}_0(x)$, the parameter  $\alpha=3.5$  and the window length  $N$:

$$w_\nu = \frac{ {\rm J}_0\big(\pi \cdot \alpha \cdot \sqrt{1 - (2\nu/N)^2}\big)}{ {\rm J}_0\big(\pi \cdot \alpha \big)}.$$

In the section  "Quality Criteria of Window Functions"  the parameters of the Kaiser-Bessel window are given.

  • The large "Minimum Distance between the main lobe and side lobes" and the desired small "maximum Scaling Error" are favourable.
  • Due to the very large "Equivalent Noise Width" the Kaiser-Bessel window cuts in the most important comparison criterion "Maximum Process Loss" but worse than the established Hamming and Hanning windows.


$\text{Example (D):} \hspace{0.5cm} \text{Rice Fading Channel Model}$

The  "Rayleigh distribution"  describes the mobile channel on the assumption that there is no direct path and thus the multiplicative factor  $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$  is composed solely of diffusely scattered components.

In the case of a direct component  (Line of Sight, LoS) one has to add in the model DC components  $x_0$  and/or  $y_0$  for the zero mean Gaussian processes  $x(t)$  and  $y(t)$ :

Rice fading channel model
$$x(t) \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} x(t) +x_0 \hspace{0.05cm}, $$
$$y(t) \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} y(t) +y_0\hspace{0.05cm},$$
$$z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)\hspace{0.1cm}\Rightarrow \hspace{0.1cm} z(t) +z_0 \hspace{0.05cm},$$
$$ z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0\hspace{0.05cm}.$$

The graph shows the Rice fading channel model.  It can be summarized as follows:

  • The real part  $x(t)$  is Gaussian with mean  $x_0$  and variance  $\sigma ^2$.
  • The imaginary part  $y(t)$  is also Gaussian  $($mean  $y_0$,  equal variance  $\sigma ^2)$  and independent of  $x(t)$.
  • For  $z_0 \ne 0$, the magnitude  $\vert z(t)\vert$  is Rice distributed, from which the term "Rice Fading" arises.
  • To simplify the notation, we set  $\vert z(t)\vert = a(t)$.  For $a < 0$ , the pdf is  $f_a(a) \equiv 0$, for  $a \ge 0$  the following equation holds, where  ${\rm I_0}(x)$  is the modified Bessel function of zero order:
$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ - (a^2 + \vert z_0 \vert ^2)/(2\sigma^2)} \cdot {\rm I}_0 \left [ \frac{a \cdot \vert z_0 \vert}{\sigma^2} \right ] \hspace{0.5cm}\text{with}\hspace{0.5cm}{\rm I }_0 (u) = {\rm J }_0 ({\rm j} \cdot u) = \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{ (u/2)^{2k} }{k! \cdot \Gamma (k+1)} \hspace{0.05cm}.$$
  • Between the modified Bessel function  ${\rm J_0}(x)$  and the traditional Bessel function  ${\rm I_0}(x)$  of first kind the following relation exists:  ${\rm I }_0 (u) = {\rm J }_0 ({\rm j} \cdot u)$.


$\text{Example (E):} \hspace{0.5cm} \text{Analysis of the Frequency Spectrum of Frequency Modulated Signals}$

$\text{Example (B)}$  has already been shown that the angle modulation of a harmonic oscillation of the frequency $f_{\rm N}$  leads to a line spectrum.  The spectral lines are around the carrier frequency $f_{\rm T}$  at  $f_{\rm T} + n \cdot f_{\rm N}$  with  $n \in \{ \ \text{...}, -2, -1, \ 0, +1, +2, \text{...} \ \}$.  The weights of the Dirac delta lines are  ${\rm J }_n(\eta)$, depending on the modulation index  $\eta$.

The graph shows the magnitude spectrum  $\vert S_{\rm +}(f) \vert$  of the analytic signal in phase modulation (PM) and frequency modulation (FM), two different forms of angle modulation.  Bessel lines with values less than  $0.03$  are neglected in both cases.

Discrete spectra with phase modulation (left) and frequency modulation (right)

For the upper half of the graphic, the modulator parameters are chosen so that for each $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$  here is a Bessel spectrum with the modulation index  $η = 1.5$.  Disregarding the phase relationships, the same spectra and the same signals result for both systems.

The lower graphics apply with otherwise identical settings for the same message frequency $f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$.  One notices:

  • In phase modulation, the spectral function is narrower than  $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$, because the distance of the Bessel lines is now only  $3 \ \rm kHz$.  Since the PN modulation index is independent of $f_{\rm N}$, the same bessel weights result as in $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$.
  • Also in the frequency modulation, the Bessel lines now occur at a distance of  $3 \ \rm kHz$.  However, since FM has a modulation index inversely proportional to $f_{\rm N}$, there are now significantly more Bessel lines at the bottom due to the larger modulation index  $η = 2.5$ than in the upper right chart  $($for  $η = 1.5$  valid$)$.


Applet Manual

Bessel abzug3.png

    (A)     Sum formula of the Bessel functions  ${\rm J}_n(x)$

    (B)     Selection of the order  $n$  for the graphical representation

    (C)     Plot area of the Bessel functions

    (D)     Variation of the graphic representation

$\hspace{1.5cm}$"$+$" (Enlarge),

$\hspace{1.5cm}$ "$-$" (Decrease)

$\hspace{1.5cm}$ "$\rm o$" (Reset to default)

$\hspace{1.5cm}$ "$\leftarrow$" (pushed to the left), usw.

    (E)     Selection of the abscissa value  $x_1$  for the left numeric output

    (F)     Numerical output of the Bessel function values  ${\rm J}_n(x_1)$

    (G)     Selection of the abscissa value  $x_2$ for  the right numeric output

    (F)     Numerical output of the Bessel function values  ${\rm J}_n(x_2)$

About the Authors

This interactive applet was designed and realized at the  Institute for Communications Engineering  at the  Technical University of Munich.

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