:Zur Messung akustischer Echos in Räumen – zum Beispiel bedingt durch Reflexionen an einer Wand – kann die nebenstehende Anordnung verwendet werden. Der Rauschgenerator erzeugt ein „im relevanten Frequenzbereich Weißes Rauschen” <i>x</i>(<i>t</i>) mit der Rauschleistungsdichte <i>N</i><sub>0</sub> = 10<sup>–6</sup> W/Hz. Dieses ist bandbegrenzt auf <i>B<sub>x</sub></i> = 20 kHz und wird auf einen Lautsprecher gegeben. Die gesamte Messeinrichtung ist für den Widerstandswert <i>R</i> = 50 Ω ausgelegt.
To measure acoustic echoes in rooms – for example caused by reflections at a wall – the adjacent setup can be used:
*The noise generator produces a "white noise in the relevant frequency range" $x(t)$ with power density $N_0 = 10^{-6} \hspace{0.08cm} \rm W/Hz$.
*This is bandlimited to $B_x = 20 \hspace{0.08cm} \rm kHz$ and is given to a loudspeaker.
*The entire measurement setup is designed for the resistance value $R = 50 \hspace{0.08cm} \rm \Omega$.
:Das vom Mikrofon aufgenommene Signal ist im allgemeinsten Fall wie folgt beschreibbar:
In the most general case, the signal recorded by the microphone can be described as follows:
:$$y(t) = \sum_{\mu = 1}^M \alpha_\mu \cdot x ( t - t_\mu ) .$$
:$$y(t) = \sum_{\mu = 1}^M \alpha_\mu \cdot x ( t - t_\mu ) .$$
:Hierbei bezeichnen <i>α<sub>μ</sub></i> Dämpfungsfaktoren und <i>t<sub>μ</sub></i> Laufzeiten.
Here the $\alpha_\mu$ denote damping factors and $t_\mu$ delay times.
:Bei dem hier gezeichneten Zweiwegemodell gilt <i>M</i> = 2: Zu dem direkten Pfad <i>S</i><sub>1</sub> kommt hier der Umweg <i>S</i><sub>2</sub> hinzu. Benutzen Sie für numerische Berechnungen die Parameterwerte
:<b>Hinweis:</b> Diese Aufgabe bezieht sich auf den Lehrstoff von Kapitel 4.6.
===Fragebogen===
Hints:
*The exercise belongs to the chapter [[Theory_of_Stochastic_Signals/Cross-Correlation_Function_and_Cross_Power_Density|Cross-Correlation Function and Cross Power-Spectral Density]].
*Use for numerical calculations the parameter values.
{Geben Sie die AKF <i>φ<sub>x</sub></i>(<i>τ</i>) am Sender an. Wie lautet diese umgerechnet auf den Widerstand R = 1 Ω? Wie groß ist der Effektivwert <i>σ<sub>x</sub></i>?
{Apply the $\rm ACF$ $\varphi_x(\tau)$ at the transmitter. What means this converted to the resistor $R = 50 \hspace{0.08cm} \rm \Omega$ ? What is the rms value $\sigma_x$ ?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\sigma_x$ = { 1 3% } $V$
$\sigma_x \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm V$
{Berechnen Sie die KKF <i>φ<sub>xy</sub></i>(<i>τ</i>) zwischen Sende– und Empfangssignal. Welche Werte ergeben sich für <i>τ</i> = 0, <i>τ</i> = <i>t</i><sub>1</sub> und <i>τ</i> = <i>t</i><sub>2</sub>?
{Calculate the cross-correlation function $\rm (CCF)$ $\varphi_{xy}(\tau)$ between transmitted and received signal. <br>What values result for $\tau = 0$, $\tau = t_1 = 200 \hspace{0.08cm} \rm ms$ and $\tau = t_2 = 250 \hspace{0.08cm} \rm ms$ ?
{Welche der nachfolgenden Aussagen sind zutreffend, wenn Sie anstelle der in (a) berechneten AKF die Näherung <i>φ<sub>x</sub></i>(<i>τ</i>) ≈ <i>N</i><sub>0</sub>/2 · δ(<i>τ</i>) verwenden?
{Which of the following statements are true if you use the approximation $\varphi_{x}(\tau) \approx N_0/2 \cdot \delta(\tau)$ instead of the ACF calculated in '''(1)'''?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ Das Rauschen ist nun „echt” weiß – also nicht bandbegrenzt.
+ The noise is now "true white" – so it is not bandlimited.
- Die Rauschleistung wird gegenüber Punkt (1) vermindert.
- The noise power is reduced compared to subtask '''(1)'''.
+ Die KKF ist die Summe gewichteter und verschobener Diracs.
+ The cross-correlation function is the sum of weighted and shifted Dirac delta functions.
- Das Kreuzleistungsdichtespektrum ist wie unter (3) berechnet.
- The cross power-spectral density is calculated as in subtask '''(3)'''.
{Berechnen Sie unter Verwendung der Näherung <i>φ<sub>x</sub></i>(<i>τ</i>) ≈ <i>N</i><sub>0</sub>/2 · δ(<i>τ</i>) die AKF <i>φ<sub>y</sub></i>(<i>τ</i>). Welche Gewichte ergeben sich bei <i>τ</i> = 0 und <i>τ</i> = Δ<i>t</i> = <i>t</i><sub>2</sub> – <i>t</i><sub>1</sub>?
{Calculate the $\rm ACF$ $\varphi_y(\tau)$ using the approximation $\varphi_{xy}(\tau) \approx N_0/2 \cdot \delta(\tau)$. What weights result for $\tau = 0$ and $\tau = \Delta t = t_2 - t_1$?
:<b>1.</b> Das zweiseitige Leistungsdichtespektrum <i>Φ<sub>x</sub></i>(<i>f</i>) ist im Bereich von -<i>B<sub>x</sub></i> bis <i>B<sub>x</sub></i> konstant gleich <i>N</i><sub>0</sub>/2. Dessen Fouriertransformierte ergibt die AKF:
'''(1)''' The two-sided power-spectral density ${\it \Phi}_{x}(f)$ is constantly equal $N_0/2$ in the range $\pm B_x$.
*The sinc–function exhibits equidistant zero crossings at all multiples of $1/(2B_x) = 25 \hspace{0.08cm} µ \rm s$, related to the centers at $t_1 = 200 \hspace{0.08cm} {\rm ms}$ and $t_2 = 250 \hspace{0.08cm} {\rm ms}$. This results in the CCF values:
:Die si-Funktion weist äquidistante Nulldurchgänge bei allen Vielfachen von 1/(2<i>B<sub>x</sub></i>) = 25 μs auf, jeweils bezogen auf deren Mittellagen bei <i>t</i><sub>1</sub> = 200 ms bzw. <i>t</i><sub>2</sub> = 250 ms.
'''(3)''' The cross power-spectral density is the Fourier transform of the CCF, just as the power-spectral density $\rm (PSD)$ gives the Fourier transform of the ACF. It holds:
*Outside of the range $|f| \le B_x$ the power-spectral density ${\it \Phi}_{x}(f)$ – and correspondingly the cross power-spectral density ${\it \Phi}_{xy}(f)$ – is identically zero.
:<b>3.</b> Das Kreuzleistungsdichtespektrum ist die Fouriertransformierte der KKF, ebenso wie das LDS die Fouriertransformierte der AKF angibt. Mit den Ergebnissen aus 2) und 3) gilt deshalb:
*It is evident that ${\it \Phi}_{xy}(f)$ unlike ${\it \Phi}_{x}(f)$ is a complex function. For $f = 0$ holds:
:Außerhalb des Bereichs |<i>f</i>| ≤ <i>B<sub>x</sub></i> ist das LDS <i>Φ<sub>x</sub></i>(<i>f</i>) - und dementsprechend auch das KLDS <i>Φ<sub>xy</sub></i>(<i>f</i>) - identisch 0. Innerhalb dieses Intervalls gilt <i>Φ<sub>x</sub></i>(<i>f</i>) = <i>N</i><sub>0</sub>/2. Daraus folgt in diesem Bereich:
:Es ist ersichtlich, dass <i>Φ<sub>xy</sub></i>(<i>f</i>) im Gegensatz zu <i>Φ<sub>x</sub></i>(<i>f</i>) eine komplexe Funktion ist. Bei <i>f</i> = 0 gilt:
:<b>4.</b> Die Fouriertransformierte einer diracförmigen AKF führt zu einem für alle Frequenzen <i>f</i> konstanten LDS, das heißt tatsächlich zu echt „Weißem Rauschen”. Dieses besitzt eine unendlich große Leistung, und für die KKF kann dann geschrieben werden:
'''(4)''' Correct are <u>the proposed solutions 1 and 3</u>:
*In the frequency domain, no difference is detectable for $|f| \le B_x$ compared to subtask '''(3)''' .
*But since "true white noise" is now present, here the cross power-spectral density is not limited to this range.
:Dieser Verlauf ist in der Grafik oben skizziert.
:Im Frequenzbereich ist für |<i>f</i>| ≤ <i>B<sub>x</sub></i> tatsächlich kein Unterschied gegenüber Teilaufgabe 3) feststellbar. Da nun aber echt weißes Rauschen vorliegt, ist hier im Gegensatz zu Punkt c) das KLDS nicht auf diesen Bereich beschränkt. Richtig sind demnach <u>die Lösungsvorschläge 1 und 3</u>.
:<b>5.</b> Die AKF des echobehafteten Signals lautet wie folgt:
'''(5)''' For the ACF of the echoed signal, $\varphi_{y} (\tau) = \overline {y(t) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}y(t+\tau)}$.
The sinc–function exhibits equidistant zero crossings at all multiples of $1/(2B_x) = 25 \hspace{0.08cm} µ \rm s$, related to the centers at $t_1 = 200 \hspace{0.08cm} {\rm ms}$ and $t_2 = 250 \hspace{0.08cm} {\rm ms}$. This results in the CCF values:
(3) The cross power-spectral density is the Fourier transform of the CCF, just as the power-spectral density $\rm (PSD)$ gives the Fourier transform of the ACF. It holds:
Outside of the range $|f| \le B_x$ the power-spectral density ${\it \Phi}_{x}(f)$ – and correspondingly the cross power-spectral density ${\it \Phi}_{xy}(f)$ – is identically zero.
In contrast, inside this interval holds ${\it \Phi}_{x}(f) = N_0/2$. It follows in this range: