Zur Messung akustischer Echos in Räumen – zum Beispiel bedingt durch Reflexionen an einer Wand – kann die nebenstehende Anordnung verwendet werden.
To measure acoustic echoes in rooms – for example caused by reflections at a wall – the adjacent setup can be used:
*Der Rauschgenerator erzeugt ein "im relevanten Frequenzbereich Weißes Rauschen" $x(t)$ mit Leistungsdichte $N_0 = 10^{-6} \hspace{0.08cm} \rm W/Hz$.
*The noise generator produces a "white noise in the relevant frequency range" $x(t)$ with power density $N_0 = 10^{-6} \hspace{0.08cm} \rm W/Hz$.
*Dieses ist bandbegrenzt auf $B_x = 20 \hspace{0.08cm} \rm kHz$ und wird auf einen Lautsprecher gegeben.
*This is bandlimited to $B_x = 20 \hspace{0.08cm} \rm kHz$ and is given to a loudspeaker.
*Die gesamte Messeinrichtung ist für den Widerstandswert $R = 50 \hspace{0.08cm} \rm \Omega$ ausgelegt.
*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:
:$$y(t) = \sum_{\mu = 1}^M \alpha_\mu \cdot x ( t - t_\mu ) .$$
:$$y(t) = \sum_{\mu = 1}^M \alpha_\mu \cdot x ( t - t_\mu ) .$$
Here the $\alpha_\mu$ denote damping factors and $t_\mu$ delay times.
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]].
''Hinweise:''
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Theory_of_Stochastic_Signals/Kreuzkorrelationsfunktion_und_Kreuzleistungsdichte|Kreuzkorrelationsfunktion und Kreuzleistungsdichte]].
*Benutzen Sie für numerische Berechnungen die Parameterwerte
*Use for numerical calculations the parameter values.
{Geben Sie die AKF $\varphi_x(\tau)$ am Sender an. Wie lautet diese umgerechnet auf den Widerstand $R = 50 \hspace{0.08cm} \rm \Omega$ ? Wie groß ist der Effektivwert $\sigma_x$ ?
{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% } $\ \rm V$
$\sigma_x \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm V$
{Berechnen Sie die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) $\varphi_{xy}(\tau)$ zwischen Sende– und Empfangssignal. <br>Welche Werte ergeben sich für $\tau = 0$, $\tau = t_1 = 200 \hspace{0.08cm} \rm ms$ und $\tau = t_2 = 250 \hspace{0.08cm} \rm ms$ ?
{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 folgenden Aussagen sind zutreffend, wenn Sie anstelle der in '''(1)''' berechneten AKF die Näherung $\varphi_{xy}(\tau) \approx N_0/2 \cdot \delta(\tau)$ 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 der Teilaufgabe '''(1)''' vermindert.
- The noise power is reduced compared to subtask '''(1)'''.
+ Die Kreuzkorrelationsfunktion 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 in der Teilaufgabe '''(3)''' berechnet.
- The cross power-spectral density is calculated as in subtask '''(3)'''.
{Berechnen Sie unter Verwendung der Näherung $\varphi_{xy}(\tau) \approx N_0/2 \cdot \delta(\tau)$ die AKF $\varphi_y(\tau)$. Welche Gewichte ergeben sich für $\tau = 0$ und $\tau = \Delta t = t_2 - t_1$ ?
{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 $\tau = \Delta t = t_2 - t_1$?
'''(1)''' Das zweiseitige Leistungsdichtespektrum ${\it \Phi}_{x}(f)$ ist im Bereich $\pm B_x$ konstant gleich $N_0/2$.
'''(1)''' The two-sided power-spectral density ${\it \Phi}_{x}(f)$ is constantly equal $N_0/2$ in the range $\pm B_x$.
*Die si-Funktion weist äquidistante Nulldurchgänge bei Vielfachen von $1/(2B_x) = 25 \hspace{0.08cm} µ \rm s$ auf, jeweils bezogen auf die Mitten bei $t_1 = 200 \hspace{0.08cm} {\rm ms}$ bzw. $t_2 = 250 \hspace{0.08cm} {\rm ms}$.
*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)''' Das Kreuzleistungsdichtespektrum (KLDS) ist die Fouriertransformierte der KKF, ebenso wie das Leistungsdichtespektrum (LDS) die Fouriertransformierte der AKF angibt. Für dieses gilt:
'''(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:
*Außerhalb des Bereichs $|f| \le B_x$ ist das LDS ${\it \Phi}_{x}(f)$ – und dementsprechend auch das KLDS ${\it \Phi}_{xy}(f)$ – identisch Null.
*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.
*Innerhalb dieses Intervalls gilt dagegen ${\it \Phi}_{x}(f) = N_0/2$. Daraus folgt in diesem Bereich:
*In contrast, inside this interval holds ${\it \Phi}_{x}(f) = N_0/2$. It follows in this range:
[[File:P_ID450__Sto_Z_4_14_d.png|right|frame|AKF und KKF bei weißem Rauschen]]
[[File:P_ID450__Sto_Z_4_14_d.png|right|frame|ACF and CCF with white noise]]
*Es ist ersichtlich, dass ${\it \Phi}_{xy}(f)$ im Gegensatz zu ${\it \Phi}_{x}(f)$ eine komplexe Funktion ist. Bei $f = 0$ gilt:
*It is evident that ${\it \Phi}_{xy}(f)$ unlike ${\it \Phi}_{x}(f)$ is a complex function. For $f = 0$ holds:
'''(4)''' Richtig sind <u>die Lösungsvorschläge 1 und 3</u>:
'''(4)''' Correct are <u>the proposed solutions 1 and 3</u>:
*Die Fouriertransformierte einer diracförmigen AKF führt zu einem für alle Frequenzen $f$ konstanten LDS, das heißt tatsächlich zu "echt Weißem Rauschen".
*The Fourier transform of a Dirac-shaped ACF leads to a constant PSD for all frequencies $f$ ⇒ "true white noise".
*Dieses besitzt eine unendlich große Leistung, und für die KKF kann dann gemäß der oberen Grafik geschrieben werden:
*This has an infinitely large power, and for the CCF can then be written according to the above graph:
*Im Frequenzbereich ist für $|f| \le B_x$ tatsächlich kein Unterschied gegenüber der Teilaufgabe '''(3)''' feststellbar.
*In the frequency domain, no difference is detectable for $|f| \le B_x$ compared to subtask '''(3)''' .
*Da nun aber echt weißes Rauschen vorliegt, ist aber hier das KLDS nicht auf diesen Bereich beschränkt.
*But since "true white noise" is now present, here the cross power-spectral density is not limited to this range.
'''(5)''' Für die AKF des echobehafteten Signals gilt: $\varphi_{y} (\tau) = \overline {y(t) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}y(t+\tau)}$.
'''(5)''' For the ACF of the echoed signal, $\varphi_{y} (\tau) = \overline {y(t) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}y(t+\tau)}$.
*Diese AKF $\varphi_{y} (\tau)$ lässt sich demzufolge als die folgende Summe darstellen:
*This ACF $\varphi_{y} (\tau)$ can consequently be represented as the following sum:
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: