Difference between revisions of "Signal Representation/Special Cases of Pulses"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Aperiodische Signale - Impulse
+
|Untermenü=Aperiodic Signals - Impulses
|Vorherige Seite=Fouriertransformation und -rücktransformation
+
|Vorherige Seite=The Fourier Transform and its Inverse
|Nächste Seite=Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
+
|Nächste Seite=Fourier Transform Theorems
 
}}
 
}}
  
==Rechteckimpuls==
+
==Rectangular pulse==
 +
<br>
 +
[[File:Sig_T_3_2_S1_version3.png|right|frame|Rectangular pulse and its spectrum]]
 +
One speaks of a&nbsp; &raquo;'''rectangular pulse'''&laquo;,&nbsp; if the following applies for the time domain:
  
Man spricht von einem '''Rechteckimpuls''', wenn für die Zeitfunktion gilt:
+
:$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}A  \\  A /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\  \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c}  {\rm{for}}  \\  {\rm{for}}  \\  {\rm{for}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}  {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < T/2,}  \\  {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| = T/2,}  \\  {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| > T/2.}  \\ \end{array}$$
 +
 +
$A$&nbsp; denotes the amplitude of the pulse and&nbsp; $T$&nbsp; the pulse duration.
  
$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}\\  A /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\  \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c}   {\rm{f\ddot{u}r}}  \{\rm{f\ddot{u}r}}  \\  {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}  {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < T/2,} \{\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| = T/2,}  \\  {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| > T/2.}  \\ \end{array}$$
+
The corresponding spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; is obtained by using the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_first_Fourier_integral|&raquo;first Fourier integral&laquo;]]:
+
:$$X(f) = \int_{ - T/2}^{+T/2} \cdot {\rm e}^{ -{\rm j}2\pi ft}\, {\rm d}t ,$$
Hierbei bezeichnet $A$ die Impulsamplitude und $T$ die Impulsdauer.
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} X(f) =  A \cdot \int_{ - T/2}^{+T/2} {\cos ( {2\pi}ft )\,{\rm d}t - {\rm j} \cdot A} \int_{ - T/2}^{+T/2} {\sin ( {2\pi ft} )}\,{\rm d}t .$$
  
[[File:P_ID470__Sig_T_3_2_S1_rah.png|250px|right|Rechteckimpuls und Spektrum]]
+
*Here the integration limits&nbsp; $\pm T/2$&nbsp; take into account that&nbsp; $x(t)$&nbsp; is identical to zero outside the interval from&nbsp; $-T/2$&nbsp; to&nbsp; $+T/2$.
  
Die dazugehörige Spektralfunktion $X(f)$ erhält man durch Anwendung des ersten Fourierintegrals:
+
*The second integral disappears due to the odd integrand and you get
 
   
 
   
$$X(f) = \int_{ - T/2}^{+T/2} {A  \cdot {\rm e}^{ -{\rm j}2\pi  ft}\, {\rm d}t = A } \int_{ - T/2}^{+T/2} {\cos ( {2\pi}ft )\,{\rm d}t - {\rm j} \cdot A} \int_{ - T/2}^{+T/2} {\sin ( {2\pi ft} )}\,{\rm d}t .$$
+
:$$X(f) = \frac{A  \cdot \sin \left( {\pi fT} \right)}{\pi f}.$$
  
Hierbei berücksichtigen die Integrationsgrenzen $\pm T/2$, dass $x(t)$ ausserhalb des Intervalls von $+T/2$ bis $+T/2$ identisch 0 ist. Das zweite Integral verschwindet aufgrund des ungeraden Integranden und man erhält:
+
*By extending the numerator and denominator each with&nbsp; $T$&nbsp; one can also write for the spectral function of the rectangular pulse:
 
   
 
   
$$X(f) = \frac{{A  \cdot \sin \left( {\pi f T} \right)}}{{\pi f}}.$$
+
:$$X( f ) = A \cdot T \cdot {\rm si}\hspace{-0.08cm}\left( {\pi fT} \right)\hspace{1.3cm}\text{resp.}\hspace{1.3cm}\ X( f ) = A \cdot T \cdot {\rm sinc}\hspace{-0.08cm}\left( {fT} \right).$$
 +
 
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definitions:}$&nbsp; For abbreviation we define the following functions:
 +
*&raquo;'''sinc&ndash;function&laquo;'''&nbsp; $($predominantly used in Anglo-American literature$)$
 +
:$${\rm sinc}( x ) =  {\sin  (\pi  x) }/(\pi  x ),$$
 +
 
 +
*&raquo;'''si&ndash;function'''&laquo;&nbsp; or&nbsp; &raquo;$\text{splitting function}$&laquo; &nbsp;$($predominantly used in German literature$)$
 +
:$${\rm si}\left( x \right) = \sin \left( x \right)/x = {\rm sinc}(x/\pi ).$$}}
  
  
{{Definition}}
+
<u>Note:</u> &nbsp; In our&nbsp; $\rm LNTwww$&nbsp; (because of the German original)&nbsp; we mostly use the function&nbsp; ${\rm si}(x)$,&nbsp; but important results are also given in the&nbsp; ${\rm sinc}(x)$ form.
Zur Abkürzung definieren wir nachfolgende Funktion und bezeichnen diese als '''si-Funktion''' oder auch als '''Spaltfunktion''':
 
  
$${\rm si}\left( x \right) = {{\sin \left( x \right)}}/{x}.$$
+
&rArr; &nbsp; As the right graph on the top shows,&nbsp; $X(f)$&nbsp; has the following properties:
+
*The maximum is at frequency&nbsp; $f=0$&nbsp; and has the value&nbsp; $A \cdot T$&nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;area of the rectangle&laquo;.
{{end}}
 
  
 +
*For the frequencies&nbsp; $f_n = n/T$&nbsp; with&nbsp; $n = ±1, ±2, ±3,\text{ ...} $&nbsp; the spectral function has zeroes:
  
Durch eine Erweiterung von Zähler und Nenner jeweils mit $T$ kann man für die '''Spektralfunktion''' des Rechteckimpulses auch schreiben:
+
:$$X( {f = f_n } ) = 0.$$
 +
 +
*The following constraint applies to the magnitude spectrum:
 
   
 
   
$$X( f ) = A \cdot T \cdot {\rm si}\left( {\pi fT} \right).$$
+
:$$\left| {X( f )} \right| \le \frac{A}{\pi \cdot \left| f \right|}.$$
  
Wie die obere Grafik zeigt, besitzt $X(f)$ folgende Eigenschaften:
 
*Das Maximum liegt bei der Frequenz $f=0$ und hat den Wert $A \cdot T$ (Fläche des Rechtecks).
 
*Bei den Frequenzen $f_n = n/T$ mit $n$ = ±1, ±2, ±3, ... besitzt das Spektrum Nullstellen:
 
  
: $X( {f = f_n } ) = 0.$
+
==Gaussian pulse==
 +
<br>
 +
Another example of an aperiodic signal is the&nbsp; &raquo;'''Gaussian pulse'''&laquo;:
 
   
 
   
*Für das Betragsspektrum gilt folgende Schranke:
+
:$$x(t) = A  \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {t/\Delta t} \right)^2 } .$$
+
 
$$\left| {X( f )} \right| \le \frac{{A }}{{\pi \cdot \left| f \right|}}.$$
+
This pulse is described by two parameters,&nbsp; namely
 +
*the pulse amplitude&nbsp; $A$,&nbsp; and
 +
*the equivalent pulse duration&nbsp; $\Delta t$.
  
  
==Gaußimpuls==
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Definition:}$&nbsp; The term&nbsp; &raquo;'''equivalent pulse duration'''&laquo;&nbsp; is generally used to describe the duration of a rectangular pulse with the same amplitude and area as the given pulse-like signal&nbsp; $x(t)$:
  
Ein weiteres Beispiel eines aperiodischen Signals ist der '''Gaußimpuls''' mit dem Zeitverlauf
+
:$$\Delta t = \frac{1}{A }\cdot \hspace{-0.15cm} \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x( t )\, {\rm d}t.}$$}}
 
$x(t) = A \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {t/\Delta t} \right)^2 } .$
 
  
Dieser Impuls wird durch zwei Parameter beschrieben, nämlich durch
 
*die Impulsamplitude $A$ und
 
*die äquivalente Impulsdauer $\Delta t$.
 
  
{{Definition}}
+
The Gaussian pulse&nbsp; $x(t)$&nbsp; has the following properties&nbsp; $($see graphic in&nbsp; $\text{Example 1})$:
Die Dauer eines Rechteckimpulses mit gleicher Amplitude und Fläche wie das gegebene impulsförmige Signal x(t) bezeichnet man allgemein als '''äquivalente Impulsdauer''':
+
#The time function is for all times from&nbsp; $-\infty$&nbsp; to&nbsp; $+\infty$&nbsp; existent and positive.
{{end}}
+
#This means simultaneously:&nbsp; The absolute pulse duration is infinite.
 +
#With the above definition the pulse maximum&nbsp; $A$&nbsp; is at&nbsp; $t = 0$.
 +
#At&nbsp; $t = \pm \Delta t/2$&nbsp;, the pulse is decayed to &nbsp; $\text{e}^{-\pi/4} \approx 0.456$&nbsp; of the maximum.&nbsp; And at&nbsp; $t = \pm \Delta t$,&nbsp; the signal value is less than&nbsp; $3.5 \cdot 10^{-6} \cdot A$.
 +
#The  spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; is also Gaussian and has similar characteristics as the Gaussian pulse&nbsp; $x(t)$:
  
 +
::$$X(f) = A  \cdot \Delta t \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \Delta t} \right)^2 }.$$
 
   
 
   
$\Delta t = \frac{1}{{A }}\cdot \hspace{-0.15cm} \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x( t )\, {\rm d}t.}$
+
In the section&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Reciprocity_Theorem_of_time_duration_and_bandwidth|&raquo;Reciprocity Theorem&laquo;]]&nbsp;  the analogies of time domain and frequency domain of the Gaussian pulse are discussed in detail.
 +
 
 +
The following example illustrates the similarities and differences between the Gaussian pulse&nbsp; $x(t)$&nbsp; and its spectrum&nbsp; $X(f)$.
  
Der Gaußimpuls $x(t)$ weist folgende Eigenschaften auf (siehe Grafik am Seitenende):
+
{{GraueBox|TEXT=
*Die Zeitfunktion ist für alle Zeiten von $-\infty$ bis $+\infty$ existent und positiv. Das bedeutet gleichzeitig: Die absolute Impulsdauer ist unendlich groß.
+
[[File:P_ID559__Sig_T_3_2_S2_b_neu.png|right|frame|Gaussian pulse and its spectrum&nbsp; $($with numerical values$)$]] 
*Das Impulsmaximum $A$ liegt bei $t$ = 0.
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;
*Bei $t = \pm \Delta t/2$ ist der Impuls auf $\text{e}^{-\pi/4} \approx 0.456$ des Impulsmaximums abgeklungen, und bei$t = \pm \Delta t$ ist die Signalamplitude bereits kleiner als 0.0000035 · $A$.
+
The output power pulse&nbsp; $x(t)$&nbsp; of a laser for digital optical transmission can be assumed to be Gaussian in the equivalent low-pass range with good approximation.
*Die Spektralfunktion ist ebenfalls gaußförmig:
 
  
$X(f) = A  \cdot \Delta t \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {f \cdot \Delta t} \right)^2 }.$
+
Let the signal parameters be&nbsp; $A = 1 \,\text{mW}$&nbsp; and&nbsp; $\Delta t =1 \,\text{ns}$.  
 
*Das Spektrum $X(f)$ hat sinngemäß gleiche Eigenschaften wie der gaußförmige Impuls $x(t)$. Auf der Seite Reziprozitätsgesetz im Kapitel 3.3 wird auf die Analogien von Zeitbereich und Frequenzbereich des Gaußimpulses nochmals gesondert eingegangen.
 
  
 +
This gives the following comparable parameters in the spectral range:
 +
* The maximum&nbsp; $X_0 = X(f=0) = A \cdot \Delta t = 10^{-12} \,\text{W/Hz}$,
  
Die Grafik verdeutlicht Gemeinsamkeiten/Unterschiede zwischen $x(t)$ und $X(f)$ beim Gaußimpuls.
+
*the equivalent bandwidth&nbsp; $\Delta f = 1/\Delta t = 1 \,\text{GHz}$.  
  
  
{{Beispiel}}
+
Theoretically,&nbsp; the absolute frequency band extends to infinity.&nbsp; However,&nbsp; at&nbsp; $f = 2 \cdot \Delta f = 2\,\text{GHz}$&nbsp; the spectral function is already reduced by the factor&nbsp; $3.5 \cdot 10^{-6}$&nbsp; compared to its maximum.}}
Der Ausgangsleistungsimpuls $x(t)$ eines Lasers für die digitale optische Übertragung kann im äquivalenten Tiefpassbereich mit guter Näherung als gaußförmig angenommen werden.
 
  
Mit den Signalparametern $A$ = 1 Milliwatt, $\Delta t$ = 1 Nanosekunde erhält man im Spektralbereich die vergleichbaren Kenngrößen $X_0 = X(f=0) = A \cdot \Delta t = 10^{-12}$ W/Hz (Maximum) sowie die äquivalente Bandbreite $\Delta f = 1/\Delta t = 1 \si{GHz}$. Theoretisch erstreckt sich das Frequenzband absolut bis ins Unendliche. Allerdings ist bei $f = 2 \cdot \Delta f = 2 \si{GHz}$ die Spektralfunktion gegenüber ihrem Maximum schon um den Faktor $s.5 \cdot 10^{-6}$ abgeklungen.
 
{{end}}
 
  
 +
&rArr; &nbsp; We would like to draw your attention to two interactive applets on this topic with which you can display the time and frequency domain representations of the Gaussian pulse, rectangular pulse, triangular pulse, trapezoidal pulse and cosine rolloff pulse or the comparable quantities of an LTI system parameterized:
 +
*[[Applets:Pulses_and_Spectra|&raquo;Pulses and Spectra&laquo;]],
  
Wir möchten Sie auf zwei Interaktionsmodule zu dieser Thematik aufmerksam machen:
+
*[[Applets:Frequenzgang_und_Impulsantwort|&raquo;Frequency Response and Impulse Response&laquo;]].
*Zeitfunktion und zugehörige Spektralfunktion
 
*Frequenzgang und zugehörige Impulsantwort
 
Mit diesen Modulen können Sie sich die folgenden Zeit– und Frequenzbereichsdarstellungen parametrisiert anzeigen lassen:
 
*Gaußimpuls,
 
*Rechteckimpuls,
 
*Dreieckimpuls,
 
*Trapezimpuls,
 
*Cosinus–Rolloff–Impuls.
 
Ebenso ist die Darstellung der so genannten „dualen Korrespondenzen” möglich.
 
  
  
==Diracimpuls==
+
==Dirac delta or impulse==
 +
<br>
 +
In the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Direct_Current_Signal_-_Limit_Case_of_a_Periodic_Signal#Dirac_.28delta.29_function_in_frequency_domain|&raquo;Periodic Signals&laquo;]]&nbsp; the&nbsp; &raquo;Dirac delta function&laquo;&nbsp; was already used to describe the spectrum of a direct current&nbsp; $\rm (DC)$&nbsp; signal or a harmonic oscillation.&nbsp; However,&nbsp; in Communications Engineering it is also common and extremely advantageous to describe and analyze short-term processes with the help of this mathematical function in the time domain.
  
Im Kapitel 2 wurde die Diracfunktion zur Beschreibung des Spektrums eines Gleichsignals oder einer harmonischen Schwingung verwendet. In der Nachrichtentechnik ist es aber auch üblich und äußerst vorteilhaft, kurzfristige impulsartige Vorgänge mit Hilfe dieser mathematischen Funktion im Zeitbereich zu beschreiben und zu analysieren.
 
Man bezeichnet als '''Diracimpuls''' den Zeitverlauf
 
  
$x(t) = X_0 \cdot \delta (t)$,
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
[[File:Sig_T_3_2_S3_version3.png|right|frame|Dirac delta and corresponding spectrum]]
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
A &nbsp; &raquo;'''Dirac delta'''&laquo;,&nbsp; also called&raquo;'''impulse'''&laquo;,&nbsp; is denoted as
 +
:$$x(t) = X_0 \cdot \delta (t),$$
 
   
 
   
der wie folgt charakterisiert werden kann (siehe Skizze):
+
and can be characterised as follows&nbsp; $($see plot$)$:
*Der Diracimpuls ist unendlich schmal, das heißt, es ist $x(t)$ = 0 für $t \neq 0$.
+
*The Dirac delta is infinitely narrow &nbsp; &rArr; &nbsp; it holds&nbsp; $x(t)\equiv 0$&nbsp; for&nbsp; $t \neq 0$&nbsp; and at time&nbsp; $t = 0$&nbsp; the Dirac delta is infinitely high.
*Der Diracimpuls ist zum Zeitpunkt $t$ = 0 unendlich hoch.
+
 
*Beschreibt $x(t)$ einen Spannungsverlauf, so hat dessen Impulsgewicht $X_0$ die Einheit „Vs” (also die Einheit „V/Hz” einer Spektralfunktion), da $\delta (t)$ selbst die Einheit „1/s” besitzt.
+
*If&nbsp; $x(t)$&nbsp;describes a voltage curve,&nbsp; then the impulse weight&nbsp; $X_0$&nbsp; has the unit&nbsp; "$\textrm{V} \cdot \textrm{s}$"&nbsp; $($i.e. the unit&nbsp; "$\textrm{V}/\textrm{Hz}$"&nbsp; of a spectral function$)$,&nbsp; since&nbsp; $\delta (t)$&nbsp; itself has the unit&nbsp; "$1/\textrm{s}$".
*Die Spektralfunktion des Diracimpulses beinhaltet alle Frequenzen gleichermaßen:
+
 
+
*The Fourier transform of the Dirac delta includes all frequencies $f$&nbsp; equally: &nbsp;
$X(f) = X_0$ für alle Freqeunzen f.
+
:$$X(f) = X_0 = \rm const.$$}}
  
Die Grafik verdeutlicht diese Zusammenhänge beim Diracimpuls.
 
  
Die hier genannten Eigenschaften sind in einem Lernvideo zusammenfassend dargestellt:
+
The properties mentioned here are shown in the&nbsp; $($German language$)$&nbsp; learning video:&nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; &nbsp;[[Herleitung_und_Visualisierung_der_Diracfunktion_(Lernvideo)|&raquo;Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Derivation and visualisation of the Dirac delta function".
Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion (Dauer 2:50)
 
  
{{Beispiel}}
+
{{GraueBox|TEXT=
Wir betrachten ein elektrisches Netzwerk mit ausgeprägter Tiefpasscharakteristik, z. B. mit der sehr niedrigen Grenzfrequenz $f_G$ = 10 kHz. Dessen Ausgangssignal ändert sich (nahezu) nicht, wenn eines der nachfolgenden Signale an den Eingang angelegt wird:
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; We consider a network with low-pass characteristic and very low cutoff frequency&nbsp; $f_{\rm G} = 10\,\text{ kHz}$.&nbsp; The output signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; does not  change significantly when one of the sketched signals&nbsp; $x_1(t)$,&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; or&nbsp; $x_3(t)$&nbsp; is applied to the input.&nbsp; This result can be interpreted as follows:
 +
[[File:P_ID561__Sig_T_3_2_S3b_neu.png|right|frame|On the significance of the Dirac delta]] 
 +
 +
#The&nbsp; &raquo;equivalent pulse durations&laquo;&nbsp; are the same in each case&nbsp; $(\Delta t = 1\, &micro;\text{s})$&nbsp; and this is much smaller than&nbsp; $1/f_{\rm G} = 100 \, &micro;\text{s}$.&nbsp; The actual pulse shape&nbsp; $($rectangle or triangle$)$&nbsp; has only a minor influence on the output signal&nbsp; $y(t)$.&nbsp;
 +
#Both the rectangle&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and the triangle&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; can be approximated by the Dirac delta&nbsp; $x_3(t)$.&nbsp; The impulse weight&nbsp; $X_0 = 6 \cdot 10^{-6}\, \text{Vs}$&nbsp; must be equal to the pulse areas of&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; resp.&nbsp; $x_2(t)$.
 +
#However, a sufficiently small cutoff frequency is required for this approximation.&nbsp;  This simplification would not be permitted with&nbsp; $f_{\rm G} = 10 \, \text{MHz}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $1/f_{\rm G} = 100 \, \text{ns}$.
 +
#Even if the Dirac delta is drawn with the same height as the other two pulses,&nbsp; it still has an infinite value at the time&nbsp; $t = 0$.&nbsp;
 +
#For the Dirac delta the impulse area&nbsp; $($&raquo;impulse weight&laquo;$)$&nbsp; is always specified.&nbsp; This differs from the other pulse amplitudes already in the unit&nbsp; $($e.g.&nbsp; "Vs"&nbsp; instead of&nbsp; "V"$)$.}}
  
Diese Grafik kann wie folgt interpretiert werden:
 
*Da bei $x_1(t)$ und $x_2(t)$ die äquivalenten Impulsdauern jeweils gleich sind ($\Delta t$ = 1 μs) und diese sehr viel kleiner ist als $1/f_G$ = 100 μs, hat die tatsächliche Impulsform (Rechteck oder Dreieck) keinen oder nur einen untergeordneten Einfluss auf das Ausgangssignal.
 
*Deshalb können beide Eingangsimpulse – sowohl das Rechteck $x_1(t)$ als auch das Dreieck $x_2(t)$ – durch den Diracimpuls $x_3(t)$ angenähert werden, dessen Impulsfläche identisch mit den Impulsflächen von $x_1(t)$ und $x_2(t)$ ist: $X_0 = 6 · 10^{-6}$ Vs. Bei einer Grenzfrequenz $f_G$ = 10 MHz wäre diese vereinfachende Näherung dagegen nicht erlaubt.
 
*Auch wenn der Diracimpuls gleich hoch wie die beiden anderen Impulse gezeichnet ist, so hat er zum Zeitpunkt $t$ = 0 trotzdem einen unendlich großen Wert. Beim Diracimpuls ist immer die Impulsfläche („Impulsgewicht”) angegeben. Diese unterscheidet sich gegenüber den anderen Impulsamplituden bereits in der Einheit („Vs” anstelle von „V”).
 
{{end}}
 
  
==Aufgaben zu Kapitel 3.2==
+
==Exercises for the chapter==
  
 +
[[Aufgaben:Exercise 3.3: From The Signal to the Spectrum|Exercise 3.3: From the Signal to the Spectrum]]
  
 +
[[Aufgaben:Exercise_3.3Z:_Rectangular_Pulse_and_Dirac_Delta|Exercise 3.3Z: Rectangular Pulse and Dirac Delta]]
  
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 17:26, 15 November 2023

Rectangular pulse


Rectangular pulse and its spectrum

One speaks of a  »rectangular pulse«,  if the following applies for the time domain:

$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}A \\ A /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < T/2,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| = T/2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| > T/2.} \\ \end{array}$$

$A$  denotes the amplitude of the pulse and  $T$  the pulse duration.

The corresponding spectral function  $X(f)$  is obtained by using the  »first Fourier integral«:

$$X(f) = \int_{ - T/2}^{+T/2} A \cdot {\rm e}^{ -{\rm j}2\pi ft}\, {\rm d}t ,$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} X(f) = A \cdot \int_{ - T/2}^{+T/2} {\cos ( {2\pi}ft )\,{\rm d}t - {\rm j} \cdot A} \int_{ - T/2}^{+T/2} {\sin ( {2\pi ft} )}\,{\rm d}t .$$
  • Here the integration limits  $\pm T/2$  take into account that  $x(t)$  is identical to zero outside the interval from  $-T/2$  to  $+T/2$.
  • The second integral disappears due to the odd integrand and you get
$$X(f) = \frac{A \cdot \sin \left( {\pi fT} \right)}{\pi f}.$$
  • By extending the numerator and denominator each with  $T$  one can also write for the spectral function of the rectangular pulse:
$$X( f ) = A \cdot T \cdot {\rm si}\hspace{-0.08cm}\left( {\pi fT} \right)\hspace{1.3cm}\text{resp.}\hspace{1.3cm}\ X( f ) = A \cdot T \cdot {\rm sinc}\hspace{-0.08cm}\left( {fT} \right).$$

$\text{Definitions:}$  For abbreviation we define the following functions:

  • »sinc–function«  $($predominantly used in Anglo-American literature$)$
$${\rm sinc}( x ) = {\sin (\pi x) }/(\pi x ),$$
  • »si–function«  or  »$\text{splitting function}$«  $($predominantly used in German literature$)$
$${\rm si}\left( x \right) = \sin \left( x \right)/x = {\rm sinc}(x/\pi ).$$


Note:   In our  $\rm LNTwww$  (because of the German original)  we mostly use the function  ${\rm si}(x)$,  but important results are also given in the  ${\rm sinc}(x)$ form.

⇒   As the right graph on the top shows,  $X(f)$  has the following properties:

  • The maximum is at frequency  $f=0$  and has the value  $A \cdot T$  ⇒   »area of the rectangle«.
  • For the frequencies  $f_n = n/T$  with  $n = ±1, ±2, ±3,\text{ ...} $  the spectral function has zeroes:
$$X( {f = f_n } ) = 0.$$
  • The following constraint applies to the magnitude spectrum:
$$\left| {X( f )} \right| \le \frac{A}{\pi \cdot \left| f \right|}.$$


Gaussian pulse


Another example of an aperiodic signal is the  »Gaussian pulse«:

$$x(t) = A \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {t/\Delta t} \right)^2 } .$$

This pulse is described by two parameters,  namely

  • the pulse amplitude  $A$,  and
  • the equivalent pulse duration  $\Delta t$.


$\text{Definition:}$  The term  »equivalent pulse duration«  is generally used to describe the duration of a rectangular pulse with the same amplitude and area as the given pulse-like signal  $x(t)$:

$$\Delta t = \frac{1}{A }\cdot \hspace{-0.15cm} \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x( t )\, {\rm d}t.}$$


The Gaussian pulse  $x(t)$  has the following properties  $($see graphic in  $\text{Example 1})$:

  1. The time function is for all times from  $-\infty$  to  $+\infty$  existent and positive.
  2. This means simultaneously:  The absolute pulse duration is infinite.
  3. With the above definition the pulse maximum  $A$  is at  $t = 0$.
  4. At  $t = \pm \Delta t/2$ , the pulse is decayed to   $\text{e}^{-\pi/4} \approx 0.456$  of the maximum.  And at  $t = \pm \Delta t$,  the signal value is less than  $3.5 \cdot 10^{-6} \cdot A$.
  5. The spectral function  $X(f)$  is also Gaussian and has similar characteristics as the Gaussian pulse  $x(t)$:
$$X(f) = A \cdot \Delta t \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \Delta t} \right)^2 }.$$

In the section  »Reciprocity Theorem«  the analogies of time domain and frequency domain of the Gaussian pulse are discussed in detail.

The following example illustrates the similarities and differences between the Gaussian pulse  $x(t)$  and its spectrum  $X(f)$.

Gaussian pulse and its spectrum  $($with numerical values$)$

$\text{Example 1:}$  The output power pulse  $x(t)$  of a laser for digital optical transmission can be assumed to be Gaussian in the equivalent low-pass range with good approximation.

Let the signal parameters be  $A = 1 \,\text{mW}$  and  $\Delta t =1 \,\text{ns}$.

This gives the following comparable parameters in the spectral range:

  • The maximum  $X_0 = X(f=0) = A \cdot \Delta t = 10^{-12} \,\text{W/Hz}$,
  • the equivalent bandwidth  $\Delta f = 1/\Delta t = 1 \,\text{GHz}$.


Theoretically,  the absolute frequency band extends to infinity.  However,  at  $f = 2 \cdot \Delta f = 2\,\text{GHz}$  the spectral function is already reduced by the factor  $3.5 \cdot 10^{-6}$  compared to its maximum.


⇒   We would like to draw your attention to two interactive applets on this topic with which you can display the time and frequency domain representations of the Gaussian pulse, rectangular pulse, triangular pulse, trapezoidal pulse and cosine rolloff pulse or the comparable quantities of an LTI system parameterized:


Dirac delta or impulse


In the chapter  »Periodic Signals«  the  »Dirac delta function«  was already used to describe the spectrum of a direct current  $\rm (DC)$  signal or a harmonic oscillation.  However,  in Communications Engineering it is also common and extremely advantageous to describe and analyze short-term processes with the help of this mathematical function in the time domain.


Dirac delta and corresponding spectrum

$\text{Definition:}$  A   »Dirac delta«,  also called»impulse«,  is denoted as

$$x(t) = X_0 \cdot \delta (t),$$

and can be characterised as follows  $($see plot$)$:

  • The Dirac delta is infinitely narrow   ⇒   it holds  $x(t)\equiv 0$  for  $t \neq 0$  and at time  $t = 0$  the Dirac delta is infinitely high.
  • If  $x(t)$ describes a voltage curve,  then the impulse weight  $X_0$  has the unit  "$\textrm{V} \cdot \textrm{s}$"  $($i.e. the unit  "$\textrm{V}/\textrm{Hz}$"  of a spectral function$)$,  since  $\delta (t)$  itself has the unit  "$1/\textrm{s}$".
  • The Fourier transform of the Dirac delta includes all frequencies $f$  equally:  
$$X(f) = X_0 = \rm const.$$


The properties mentioned here are shown in the  $($German language$)$  learning video: 
     »Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion«   ⇒   "Derivation and visualisation of the Dirac delta function".

$\text{Example 2:}$  We consider a network with low-pass characteristic and very low cutoff frequency  $f_{\rm G} = 10\,\text{ kHz}$.  The output signal  $y(t)$  does not change significantly when one of the sketched signals  $x_1(t)$,  $x_2(t)$  or  $x_3(t)$  is applied to the input.  This result can be interpreted as follows:

On the significance of the Dirac delta
  1. The  »equivalent pulse durations«  are the same in each case  $(\Delta t = 1\, µ\text{s})$  and this is much smaller than  $1/f_{\rm G} = 100 \, µ\text{s}$.  The actual pulse shape  $($rectangle or triangle$)$  has only a minor influence on the output signal  $y(t)$. 
  2. Both the rectangle  $x_1(t)$  and the triangle  $x_2(t)$  can be approximated by the Dirac delta  $x_3(t)$.  The impulse weight  $X_0 = 6 \cdot 10^{-6}\, \text{Vs}$  must be equal to the pulse areas of  $x_1(t)$  resp.  $x_2(t)$.
  3. However, a sufficiently small cutoff frequency is required for this approximation.  This simplification would not be permitted with  $f_{\rm G} = 10 \, \text{MHz}$   ⇒   $1/f_{\rm G} = 100 \, \text{ns}$.
  4. Even if the Dirac delta is drawn with the same height as the other two pulses,  it still has an infinite value at the time  $t = 0$. 
  5. For the Dirac delta the impulse area  $($»impulse weight«$)$  is always specified.  This differs from the other pulse amplitudes already in the unit  $($e.g.  "Vs"  instead of  "V"$)$.


Exercises for the chapter

Exercise 3.3: From the Signal to the Spectrum

Exercise 3.3Z: Rectangular Pulse and Dirac Delta