Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.5Z: Integration of Dirac Functions"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
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{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID515__Sig_Z_3_5_neu.png|right|Integration von Diracfunktionen ]]
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[[File:P_ID515__Sig_Z_3_5_neu.png|right|frame|Integration of Dirac functions ]]
Wie in [[Aufgaben:3.5_Differentiation_eines_Dreicksignals|Aufgabe 3.5]] soll das Spektrum ${Y(f)}$ des Signals
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Like in  [[Aufgaben:3.5_Differentiation_eines_Dreicksignals|Exercise 3.5]]  the spectrum  ${Y(f)}$  of the signal
:$$y( t ) = \left\{ \begin{array}{c} A \\  - A \\  0 \\  \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{20}c}  {{\rm{f \ddot{u}r}}}  \\  {{\rm{f\ddot{u} r}}}  \\  {\rm{sonst.}}  \\ \end{array}\;\begin{array}{*{20}c}  { - T \le t < 0,}  \\  {0 < t \le T,}  \\  {}  \\\end{array}$$
+
:$$y( t ) = \left\{ \begin{array}{c} A \\  - A \\  0 \\  \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{20}c}  {{\rm{for}}}  \\  {{\rm{for}}}  \\  {\rm{else.}}  \\ \end{array}\;\begin{array}{*{20}c}  { - T \le t < 0,}  \\  {0 < t \le T,}  \\  {}  \\\end{array}$$
ermittelt werden. Es gelte wieder $A = 1 \,\text{V}$ und $T = 0.5 \,\text{ms}$.
+
can be determined.&nbsp; Again,&nbsp; $A = 1 \,\text{V}$&nbsp; and&nbsp; $T = 0.5 \,\text{ms}$&nbsp; apply.
  
Ausgegangen wird vom Zeitsignal ${x(t)}$ gemäß der mittleren Skizze, das sich aus drei Diracimpulsen bei $–T$, $0$ und $+T$ mit den Impulsgewichte ${AT}$, $-2{AT}$ und ${AT}$ zusammensetzt.
+
Assume the time signal&nbsp; ${x(t)}$&nbsp; according to the middle sketch, which is composed of three Dirac pulses at&nbsp; $–T$,&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $+T$&nbsp; with the pulse weights&nbsp; ${AT}$,&nbsp; $-2{AT}$&nbsp; und&nbsp; ${AT}$&nbsp;.
  
Die Spektralfunktion ${X(f)}$ kann durch Anwendung des [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Vertauschungssatz|Vertauschungssatzes]] direkt angegeben werden, wenn man berücksichtigt, dass die zu ${U(f)}$ gehörige Zeitfunktion wie folgt lautet (siehe untere Skizze):
+
The spectral function&nbsp; ${X(f)}$&nbsp; can be given directly by applying the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Duality_Theorem|Duality Theorem]]&nbsp; if one takes into account that the time function belonging to&nbsp; ${U(f)}$&nbsp; is as follows (see lower sketch):
 
:$$u( t ) =  - 2A + 2A \cdot \cos ( {2{\rm{\pi }}f_0 t} ).$$
 
:$$u( t ) =  - 2A + 2A \cdot \cos ( {2{\rm{\pi }}f_0 t} ).$$
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]].
 
*Alle dort dargelegten Gesetzmäßigkeiten werden im Lernvideo [[Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation (Dauer Teil 1: 5:57 – Teil 2: 5:55)]] an Beispielen verdeutlicht.
 
*Zwischen ${x(t)}$ und ${y(t)}$ besteht folgender Zusammenhang:
 
:$$y( t ) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau  )}\, {\rm d}\tau .$$
 
*Der [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Integrationssatz|Integrationssatz]] lautet in entsprechend angepasster Form:
 
:$$\frac{1}{T}\cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau  )}\,\, {\rm d}\tau\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X( f )\left( {\frac{1}{{{\rm{j}}2{\rm{\pi }}fT}} + \frac{1}{2T}\cdot {\rm \delta} ( f )} \right).$$
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
  
  
  
Alle im Kapitel 3.3 dargelegten Gesetzmäßigkeiten – unter Anderem auch der Integrationssatz – werden in einem Lernvideo an Beispielen verdeutlicht:
 
  
Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
 
  
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems|Fourier Transform Theorems]].
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*All the laws presented here  are illustrated with examples in the (German language) learning video<br> &nbsp; &nbsp; &nbsp;[[Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation_(Lernvideo)|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]] &nbsp; &rArr; &nbsp;  "Regularities to the Fourier transform".
 +
*The following relationship exists between&nbsp; ${x(t)}$&nbsp; and&nbsp; ${y(t)}$&nbsp;:
 +
:$$y( t ) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau  )}\, {\rm d}\tau .$$
 +
*The&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Integration_Theorem|Integration Theorem]]&nbsp; reads in a correspondingly adapted form:
 +
:$$\frac{1}{T}\cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau  )}\,\, {\rm d}\tau\ \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ \ X( f ) \cdot \left( {\frac{1}{{{\rm{j}}\cdot 2{\rm{\pi }\cdot }fT}} + \frac{1}{2T}\cdot {\rm \delta} ( f )} \right).$$
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===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die Spektralfunktion $\text{X(f)}$. Wie groß ist deren Betrag bei den Frequenzen $f = 0$ und $f = 1 \text{kHz}$?
+
{Calculate the spectral function&nbsp; ${X(f)}$.&nbsp; What is its magnitude at the frequencies&nbsp; $f = 0$&nbsp; and&nbsp; $f = 1\, \text{kHz}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$|\text{X(f = 0)}|$ = { 0 3% } $\text{V/Hz}$
+
$|{X(f = 0)}| \ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
$|\text{X(f = 1 kHz)}|$ = { 2 3% } $\cdot 10^{-3}\ \text{V/Hz}$
+
$|{X(f = 1\, \text{kHz})}|\ = \ $ { 2 3% } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
  
  
{Berechnen Sie die Spektralfunktion $\text{Y(f)}$. Welche Werte ergeben sich bei den Frequenzen $f = 0$ und $f = 1 \text{kHz}$?
+
{Calculate the spectral function&nbsp; ${Y(f)}$.&nbsp; What values result at the frequencies&nbsp; $f = 0$&nbsp; and&nbsp; $f = 1\, \text{kHz}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$|\text{Y(f = 0)}|$ = { 0 3% } $\text{V/Hz}$
+
$|{Y(f = 0)}|\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
$|\text{Y(f = 1 kHz)}|$ = { 0.636 3% } $\cdot 10^{-3}\ \text{V/Hz}$
+
$|{Y(f = 1\, \text{kHz})}| \ = \ $ { 0.636 3% } &nbsp;$\text{mV/Hz}$
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''  Im Angabenteil zur Aufgabe finden Sie die Fourierkorrespondenz zwischen $\text{u(t)}$ und $\text{U(f)}$. Da sowohl die Zeitfunktionen $\text{u(t)}$ und $\text{x(t)}$ als auch die dazugehörigen Spektren $\text{U(f)}$ und $\text{X(f)}$ gerade und reell sind, kann man $\text{X(f)}$ durch Anwendung des Vertauschungssatzes leicht berechnen:
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'''(1)'''&nbsp; In the task description you will find the Fourier correspondence between&nbsp; ${u(t)}$&nbsp; and&nbsp; ${U(f)}$.  
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*Since both the time functions&nbsp; ${u(t)}$&nbsp; and&nbsp; ${x(t)}$&nbsp; and the corresponding spectra&nbsp; ${U(f)}$&nbsp; and&nbsp; ${X(f)}$&nbsp; are even and real,&nbsp; ${X(f)}$&nbsp; can be easily calculated by applying the "Duality Theorem":
 
:$$X( f ) =  - 2 \cdot A \cdot T  + 2 \cdot A \cdot T \cdot \cos \left( {{\rm{2\pi }}fT} \right).$$
 
:$$X( f ) =  - 2 \cdot A \cdot T  + 2 \cdot A \cdot T \cdot \cos \left( {{\rm{2\pi }}fT} \right).$$
Wegen der Beziehung $sin2(\alpha) = (1 – cos(\alpha))/2$ kann hierfür auch geschrieben werden:
+
*Because of the relation&nbsp; $\sin^{2}(\alpha) = (1 – \cos(\alpha))/2$&nbsp; it can also be written for this:
 
:$$X( f ) =  - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} ).$$
 
:$$X( f ) =  - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} ).$$
Bei der Frequenz $f = 0$ hat $\text{x(t)}$ keine Spektralanteile: $\text{X(f)} = 0$. Für $f = 1 \text{kHz}$, also $f \cdot T = 0.5$, gilt:
+
:*At frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp; the signal&nbsp; ${x(t)}$&nbsp; has no spectral components&nbsp; &rArr; &nbsp;  ${X(f = 0)} \;\underline{= 0}$.  
:$$X( f  =  1\;{\rm{kHz}} )  =    - 4 \cdot A \cdot T = -2 \cdot 10^{ - 3} \;{\rm{V/Hz}}\\ \Rightarrow  
+
:*For&nbsp; $f = 1 \,\text{kHz}$&nbsp; &ndash; and also&nbsp; $f \cdot T = 0.5$&nbsp; &ndash; &nbsp; on the other hand:
|X( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )|  \hspace{0.15 cm}\underline{=  2 \cdot 10^{ - 3} \;{\rm{V/Hz}}}{\rm{.}}$$
+
:$$X( f  =  1\;{\rm{kHz}} )  =    - 4 \cdot A \cdot T = -2 \cdot 10^{ - 3} \;{\rm{V/Hz}}\; \Rightarrow \;
 +
|X( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )|  \hspace{0.15 cm}\underline{=  2 \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}$$
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 +
 
  
'''2.''' Das Spektrum $\text{Y(f)}$ kann aus $\text{X(f)}$ durch Anwendung des Integrationssatzes ermittelt werden. Wegen $\text{X(f = 0)} = 0$ muss die Diracfunktion bei der Frequenz $f = 0$ nicht berücksichtigt werden und man erhält:
+
'''(2)'''&nbsp; The spectrum&nbsp; ${Y(f)}$&nbsp; can be determined from&nbsp; ${X(f)}$&nbsp; by applying the&nbsp; "Integration Theorem".
 +
*Because of&nbsp; ${X(f = 0)} = 0$&nbsp; the Dirac function does not have to be taken into account at the frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp; and one obtains:
 
:$$Y( f ) = \frac{X( f )}{{{\rm{j}} \cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = \frac{{ - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{j}}\cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = 2{\rm{j}} \cdot A \cdot T \cdot \frac{{\sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{\pi }}fT}}.$$
 
:$$Y( f ) = \frac{X( f )}{{{\rm{j}} \cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = \frac{{ - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{j}}\cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = 2{\rm{j}} \cdot A \cdot T \cdot \frac{{\sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{\pi }}fT}}.$$
Es ergibt sich selbstverständlich das gleiche Ergebnis wie in Aufgabe A3.5. Der <u>Spektralanteil bei der Frequenz f = 0 ist 0</u>. Für $f = 1 \text{kHz}$ ($f \cdot T = 0.5$) erhält man wieder:
+
*Of course, the result is the same as in&nbsp; [[Aufgaben:3.5_Differentiation_eines_Dreicksignals|Exercise 3.5]]:
:$$|Y( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )| =  \frac{4 \cdot A \cdot T}{\rm{\pi }} \hspace{0.15 cm}\underline{=  {\rm{0}}{\rm{.636}} \cdot {\rm{10}}^{{\rm{ - 3}}} \;{\rm{V/Hz}}}{\rm{.}}$$
+
:*At frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp; The signal&nbsp;  ${y(t)}$&nbsp; also has no spectral components&nbsp; &rArr; &nbsp;  ${Y(f = 0)} \;\underline{= 0}$.
 +
:*For&nbsp; $f = 1\,\text{kHz} \ \ (f \cdot T = 0.5)$&nbsp; one obtains a value smaller by a factor&nbsp; $\pi$&nbsp; compared to&nbsp; $X(f)$:
 +
:$$|Y( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )| =  \frac{4 \cdot A \cdot T}{\rm{\pi }} \hspace{0.15 cm}\underline{=  {\rm{0}}{\rm{.636}} \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
 
__NOEDITSECTION__
 
__NOEDITSECTION__
[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^3. Aperiodische Signale - Impulse^]]
+
[[Category:Signal Representation: Exercises|^3.3 Fourier Transform Theorems^]]

Latest revision as of 14:21, 24 May 2021

Integration of Dirac functions

Like in  Exercise 3.5  the spectrum  ${Y(f)}$  of the signal

$$y( t ) = \left\{ \begin{array}{c} A \\ - A \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{20}c} {{\rm{for}}} \\ {{\rm{for}}} \\ {\rm{else.}} \\ \end{array}\;\begin{array}{*{20}c} { - T \le t < 0,} \\ {0 < t \le T,} \\ {} \\\end{array}$$

can be determined.  Again,  $A = 1 \,\text{V}$  and  $T = 0.5 \,\text{ms}$  apply.

Assume the time signal  ${x(t)}$  according to the middle sketch, which is composed of three Dirac pulses at  $–T$,  $0$  and  $+T$  with the pulse weights  ${AT}$,  $-2{AT}$  und  ${AT}$ .

The spectral function  ${X(f)}$  can be given directly by applying the  Duality Theorem  if one takes into account that the time function belonging to  ${U(f)}$  is as follows (see lower sketch):

$$u( t ) = - 2A + 2A \cdot \cos ( {2{\rm{\pi }}f_0 t} ).$$




Hints:

$$y( t ) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau )}\, {\rm d}\tau .$$
$$\frac{1}{T}\cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau )}\,\, {\rm d}\tau\ \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ \ X( f ) \cdot \left( {\frac{1}{{{\rm{j}}\cdot 2{\rm{\pi }\cdot }fT}} + \frac{1}{2T}\cdot {\rm \delta} ( f )} \right).$$


Questions

1

Calculate the spectral function  ${X(f)}$.  What is its magnitude at the frequencies  $f = 0$  and  $f = 1\, \text{kHz}$?

$|{X(f = 0)}| \ = \ $

 $\text{mV/Hz}$
$|{X(f = 1\, \text{kHz})}|\ = \ $

 $\text{mV/Hz}$

2

Calculate the spectral function  ${Y(f)}$.  What values result at the frequencies  $f = 0$  and  $f = 1\, \text{kHz}$?

$|{Y(f = 0)}|\ = \ $

 $\text{mV/Hz}$
$|{Y(f = 1\, \text{kHz})}| \ = \ $

 $\text{mV/Hz}$


Solution

(1)  In the task description you will find the Fourier correspondence between  ${u(t)}$  and  ${U(f)}$.

  • Since both the time functions  ${u(t)}$  and  ${x(t)}$  and the corresponding spectra  ${U(f)}$  and  ${X(f)}$  are even and real,  ${X(f)}$  can be easily calculated by applying the "Duality Theorem":
$$X( f ) = - 2 \cdot A \cdot T + 2 \cdot A \cdot T \cdot \cos \left( {{\rm{2\pi }}fT} \right).$$
  • Because of the relation  $\sin^{2}(\alpha) = (1 – \cos(\alpha))/2$  it can also be written for this:
$$X( f ) = - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} ).$$
  • At frequency  $f = 0$  the signal  ${x(t)}$  has no spectral components  ⇒   ${X(f = 0)} \;\underline{= 0}$.
  • For  $f = 1 \,\text{kHz}$  – and also  $f \cdot T = 0.5$  –   on the other hand:
$$X( f = 1\;{\rm{kHz}} ) = - 4 \cdot A \cdot T = -2 \cdot 10^{ - 3} \;{\rm{V/Hz}}\; \Rightarrow \; |X( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )| \hspace{0.15 cm}\underline{= 2 \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}$$


(2)  The spectrum  ${Y(f)}$  can be determined from  ${X(f)}$  by applying the  "Integration Theorem".

  • Because of  ${X(f = 0)} = 0$  the Dirac function does not have to be taken into account at the frequency  $f = 0$  and one obtains:
$$Y( f ) = \frac{X( f )}{{{\rm{j}} \cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = \frac{{ - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{j}}\cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = 2{\rm{j}} \cdot A \cdot T \cdot \frac{{\sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{\pi }}fT}}.$$
  • At frequency  $f = 0$  The signal  ${y(t)}$  also has no spectral components  ⇒   ${Y(f = 0)} \;\underline{= 0}$.
  • For  $f = 1\,\text{kHz} \ \ (f \cdot T = 0.5)$  one obtains a value smaller by a factor  $\pi$  compared to  $X(f)$:
$$|Y( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )| = \frac{4 \cdot A \cdot T}{\rm{\pi }} \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm{0}}{\rm{.636}} \;{\rm{mV/Hz}}}{\rm{.}}$$