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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.4Z: Pointer Diagram for SSB-AM"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Analytisches Signal und zugehörige Spektralfunktion
+
{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Analytical_Signal_and_Its_Spectral_Function
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID732__Sig_Z_4_4_neu.png|right|Zeigerdiagramm bei ESB-AM]]
+
[[File:P_ID732__Sig_Z_4_4_neu.png|right|frame|Given analytical spectrum  S+(f)]]
Betrachtet werden soll das analytische Signal s+(t) mit dem Linienspektrum
+
 
 +
The analytical signal  s+(t)  with the line spectrum
 
:$$S_{+}(f) =  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot\delta (f - f_{\rm
 
:$$S_{+}(f) =  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot\delta (f - f_{\rm
 
50})- {\rm j} \cdot {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot\delta (f -
 
50})- {\rm j} \cdot {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot\delta (f -
f_{\rm 60}).$$
+
f_{\rm 60})$$  
Hierbei stehen f50 und f60 als Abkürzungen für die Frequenzen 50 kHz bzw. 60 kHz.
+
is to be considered.
 +
Here  f50  and  f60  are abbreviations for the frequencies  50 kHz  and  60 kHz, respectively.
 +
 
 +
This analytical signal could occur, for example, with the  [[Modulation_Methods/Einseitenbandmodulation|Single Sideband Amplitude Modulation]]  (SSB–AM)  of a sinusoidal message signal  (Frequenz  fN=10 kHz)  with a cosinusoidal carrier signal  $(f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}) , whereby only the upper sideband is transmitted   ⇒  \text{Upper Sideband Modulation}$.
 +
 
 +
However, the analytical signal could also result from a  Lower Sideband Modulation  of the same sinusoidal signal if a sinusoidal carrier with frequency  $f_{\rm T} = 60 \ \text{kHz}$  is used.
  
Dieses analytische Signal könnte zum Beispiel bei der [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation|Einseitenband–Amplitudenmodulation]] (ESB-AM) eines sinusförmigen Nachrichtensignals (Frequenz fN=10 kHz) mit einem cosinusförmigen Trägersignal (fT=50 kHz) auftreten, wobei <u>nur das obere Seitenband</u> übertragen wird (''OSB-Modulation'').
 
  
Das analytische Signal könnte aber auch durch eine ''USB-Modulation'' des gleichen Sinussignals entstehen, wenn ein sinusförmiges Trägersignal mit der Trägerfrequenz fT=60 kHz verwendet wird.
 
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Signaldarstellung/Analytisches_Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion|Analytisches Signal und zugehörige Spektralfunktion]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
*Sie können Ihre Lösung mit dem Interaktionsmodul [[Zeigerdiagramm – Darstellung des analytischen Signals]] überprüfen.
 
  
 +
''Hints:''
 +
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Analytical_Signal_and_Its_Spectral_Function|Analytical Signal and its Spectral Function]].
 +
 +
*You can check your solution with the interaction module&nbsp; [[Applets:Physical_Signal_%26_Analytic_Signal|Physical and Analytical Signal]].
  
===Fragebogen===
+
 
 +
 
 +
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Geben Sie das analytische Signal s+(t) formelmäßig an. Welcher Wert ergibt sich zum Startzeitpunkt t=0?
+
{Give the analytical signal&nbsp; s+(t)&nbsp; as a formula.&nbsp; What value results at the starting time&nbsp; t=0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Re[s+(t=0)] &nbsp;= { 1 3% } &nbsp;V
+
$\text{Re}[s_+(t = 0)]\ = \ $ { 1 3% } &nbsp;V
Im[s+(t=0)] &nbsp;= { -1.03--0.97 } &nbsp;V
+
$\text{Im}[s_+(t = 0)]\ = \ { -1.03--0.97 } &nbsp;\text{V}$
  
  
{Zu welcher Zeit t1 tritt der erste Nulldurchgang des physikalischen Signals s(t) relativ zum ersten Nulldurchgang des $50 \ \text{kHz-Cosinussignals}$ auf? ''Hinweis:'' Letzterer ist zur Zeit $T_0/4 = 1/(4 \cdot f_{50}) = 5 \ \mu \text{s}$.
+
{At what time&nbsp; t1&nbsp; does the first zero crossing of the physical signal&nbsp; s(t)&nbsp; occur relative to the first zero crossing of the&nbsp; $50 \ \text{kHz-cosine signal}$&nbsp;? <br>''Note:'' &nbsp; The latter is at time&nbsp; $T_0/4 = 1/(4 \cdot f_{50}) = 5 \ &micro; \text{s}$.
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Es gilt $t_1 < 5 \ \mu \text{s}$.
+
- It is&nbsp; $t_1 < 5 \ {\rm &micro;} \text{s}$.
- Es gilt $t_1 = 5 \ \mu \text{s}$.
+
- It is&nbsp; $t_1 = 5 \ {\rm &micro;}\text{s}$.
+ Es gilt $t_1 > 5 \ \mu \text{s}$.
+
+ It is&nbsp; $t_1 > 5 \ {\rm &micro;} \text{s}$.
  
  
{Welchen Maximalwert nimmt der Betrag |s+(t)| an? Zu welchem Zeitpunkt t2 wird dieser Maximalwert zum ersten Mal erreicht?
+
{What is the maximum value of&nbsp; |s+(t)|?&nbsp; At what time&nbsp; t2&nbsp; is this maximum value reached for the first time?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
|s+(t)|max &nbsp;={ 2 3% } &nbsp;V
+
$|s_+(t)|_{\rm max}\ = \ { 2 3% } &nbsp;\text{V}$
t2 &nbsp;= { 25 3% } &nbsp;$\mu \text{s}$
+
$t_2\ = \ { 25 3% } &nbsp;{\rm &micro; s}$
  
  
{Zu welchem Zeitpunkt t3 ist die Zeigerlänge |s+(t)| erstmalig gleich 0?
+
{At what time&nbsp; t3&nbsp; is the pointer length&nbsp; |s+(t)|&nbsp; equal to zero for the first time?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
t3 &nbsp;= { 75 3% }  &nbsp;$\mu \text{s}$
+
$t_3\ = \ { 75 3% }  &nbsp;{\rm &micro; s}$
  
  
Line 50: Line 57:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''  Das analytische Signal lautet allgemein:
+
[[File:EN_Sig_Z_4_4_ML.png|right|frame|Three different analytical signals]]
 +
'''(1)'''&nbsp; The analytical signal is generally:
 
:$$s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
:$$s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t } - {\rm
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t } - {\rm
 
j}\cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 60} \hspace{0.05cm} t }.$$
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 60} \hspace{0.05cm} t }.$$
Zum Zeitpunkt t=0 nehmen die komplexen Exponentialfunktionen jeweils den Wert 1 an und man erhält Re[s+(t=0)]=1 V_ und $\text{Im}[s_+(t = 0)]\; \underline{ = \,\hspace{-0.08cm}1\ \text{V}}$ (siehe linke Grafik).
+
At time&nbsp; t=0&nbsp; the complex exponential functions each take the value&nbsp; 1&nbsp; and one obtains (see left graph):
 
+
*$\text{Re}[s_+(t = 0)] \; \underline{= +1\ \text{V}}$,
[[File:P_ID733__Sig_Z_4_4_ML.png|center|Drei verschiedene analytische Signale]]
+
*$\text{Im}[s_+(t = 0)]\; \underline{ = \,-\hspace{-0.08cm}1\ \text{V}}$.
 
+
<br clear=all>
 
+
'''(2)'''&nbsp; For the analytical signal it can also be written:
'''2.'''  Für das analytische Signal kann auch geschrieben werden:
 
 
:$$s_{+}(t)  =  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
:$$s_{+}(t)  =  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm j} \cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V}
 
50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm j} \cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V}
\cdot \sin({ \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t })+\\ - {\rm j}
+
\cdot \sin({ \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t })  - {\rm j}
 
\cdot
 
\cdot
 
  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
60}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({
 
60}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({
 
\omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).$$
 
\omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).$$
Der Realteil hiervon beschreibt das tatsächliche, physikalische Signal:
+
The real part of this describes the actual physical signal:
 
:$$s(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
:$$s(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({
 
50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({
 
\omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).$$
 
\omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).$$
Bei alleiniger Berücksichtigung des 50 kHz-Cosinussignals würde der erste Nulldurchgang bei t1=T0/4 auftreten, also nach 5 μs, wobei T0=1/f50=20 μs die Periodendauer dieses Signals bezeichnet. Das Sinussignal mit der Frequenz 60  kHz ist während der gesamten ersten Halbwelle (0...8.33 μs) positiv. Aufgrund des Pluszeichens verzögert sich der erste Nulldurchgang von s(t)t1>5 μs. Richtig ist also der <u>Lösungsvorschlag 3</u>.
 
  
Die mittlere Grafik zeigt das analytische Signal zum Zeitpunkt t=T0/4, zu dem der rote Träger seinen Nulldurchgang hätte. Der Nulldurchgang des violetten Summenzeigers tritt erst dann auf, wenn dieser in Richtung der imaginären Achse zeigt. Dann gilt s(t1)=Re[s+(t1)]=0.
+
Correct is the <u>proposed solution 3</u>:
 +
*Considering the&nbsp; 50 kHz&nbsp; cosine signal alone, the first zero crossing would occur at&nbsp; t1=T0/4&nbsp; , i.e. after&nbsp; 5 \ {\rm &micro; s}, where&nbsp; T_0 = 1/f_{50} = 20 \ {\rm &micro; s}&nbsp; denotes the period duration of this signal.
 +
*The sinusoidal signal with the frequency&nbsp; 60 kHz&nbsp; is positive during the entire first half-wave&nbsp; (0 \, \text{...} \, 8.33\ {\rm &micro; s})&nbsp;.
 +
*Due to the plus sign, the first zero crossing of&nbsp; s(t) \ \Rightarrow \ t_1 > 5\ {\rm &micro; s} is delayed.
 +
*The middle graph shows the analytical signal at time&nbsp; t=T0/4, when the red carrier would have its zero crossing.
 +
*The zero crossing of the violet cumulative pointer only occurs when it points in the direction of the imaginary axis. Then&nbsp; s(t1)=Re[s+(t1)]=0.
 +
 
  
  
'''3.'''  Der Maximalwert von |s+(t)| wird erreicht, wenn beide Zeiger in die gleiche Richtung weisen. Der Betrag des Summenzeigers ist dann gleich der Summe der beiden Einzelzeiger; also 2  V_.
+
'''(3)'''&nbsp; The maximum value of&nbsp; |s+(t)|&nbsp; is reached when both pointers point in the same direction. The magnitude of the sum pointer is then equal to the sum of the two individual pointers; i.e.&nbsp; 2 V_.
  
Dieser Fall wird zum ersten Mal dann erreicht, wenn der schnellere Zeiger mit der Winkelgeschwindigkeit ω60 seinen „Rückstand” von 90(π/2) gegenüber dem langsameren Zeiger (ω50) aufgeholt hat:
+
This case is reached for the first time when the faster pointer with circular velocity&nbsp; ω60&nbsp; has caught up its "lag" of&nbsp; 90(π/2)&nbsp; with the slower pointer&nbsp; (ω50)&nbsp;:
 
:$$\omega_{\rm 60} \cdot  t_2 - \omega_{\rm
 
:$$\omega_{\rm 60} \cdot  t_2 - \omega_{\rm
 
50}\cdot t_2 = \frac{\pi}{2} \hspace{0.3cm}
 
50}\cdot t_2 = \frac{\pi}{2} \hspace{0.3cm}
 
\Rightarrow\hspace{0.3cm}t_2  = \frac{\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}-
 
\Rightarrow\hspace{0.3cm}t_2  = \frac{\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}-
 
f_{\rm 50})} =  \frac{1}{4
 
f_{\rm 50})} =  \frac{1}{4
\cdot(f_{\rm 60}- f_{\rm 50})}\hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 25 \hspace{0.05cm} \mu s}}.$$
+
\cdot(f_{\rm 60}- f_{\rm 50})}\hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 25 \hspace{0.05cm} {\rm &micro; s}}}.$$
Zu diesem Zeitpunkt haben die beiden Zeiger 5/4 bzw. 6/4 Umdrehungen zurückgelegt und weisen beide in Richtung der imaginären Achse (siehe rechte Grafik). Das tatsächliche Signal s(t)also der Realteil von s+(t)ist deshalb in diesem Moment gleich 0.
+
*At this point, the two pointers have made&nbsp; 5/4&nbsp; and&nbsp; 6/4&nbsp; rotations respectively and both point in the direction of the imaginary axis (see right graph).
 +
*The actual physical signal&nbsp; s(t) i.e. the real part of&nbsp; s+(t)is therefore zero at this moment.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
'''(4)'''&nbsp;  The condition for&nbsp; $|s_+(t_3)| = 0$&nbsp; is that there is a phase offset of&nbsp; 180&nbsp; between the two equally long pointers so that they cancel each other out.
 +
*This further means that the faster pointer has rotated&nbsp; 3π/2&nbsp; further than the&nbsp; 50 kHz&nbsp; component.  
  
'''4.'''  Bedingung für |s+(t3)|=0 ist, dass zwischen den beiden gleich langen Zeigern ein Phasenversatz von 180 besteht, sodass sie sich auslöschen. Dies bedeutet weiter, dass der schnellere Zeiger um 3π/2 weiter gedreht hat als der 50 kHz-Anteil. Analog zur Musterlösung der Teilaufgabe (3) gilt deshalb:
+
*Analogous to the sample solution of sub-task&nbsp; '''(3)'''&nbsp;, therefore the following applies:
 
:$$t_3  = \frac{3\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}- f_{\rm 50})} \hspace{0.15 cm}\underline{=
 
:$$t_3  = \frac{3\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}- f_{\rm 50})} \hspace{0.15 cm}\underline{=
  {\rm 75 \hspace{0.05cm} \mu s}}.$$
+
  {\rm 75 \hspace{0.05cm} {\rm &micro; s}}}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
 
__NOEDITSECTION__
 
__NOEDITSECTION__
[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^4. Bandpassartige Signale^]]
+
[[Category:Signal Representation: Exercises|^4.2 Analytical Signal and its Spectral Function^]]

Latest revision as of 05:15, 18 September 2022

Given analytical spectrum  S+(f)

The analytical signal  s+(t)  with the line spectrum

S+(f)=1Vδ(ff50)j1Vδ(ff60)

is to be considered. Here  f50  and  f60  are abbreviations for the frequencies  50 kHz  and  60 kHz, respectively.

This analytical signal could occur, for example, with the  Single Sideband Amplitude Modulation  (SSB–AM)  of a sinusoidal message signal  (Frequenz  fN=10 kHz)  with a cosinusoidal carrier signal  (fT=50 kHz) , whereby only the upper sideband is transmitted   ⇒   Upper Sideband Modulation.

However, the analytical signal could also result from a  Lower Sideband Modulation  of the same sinusoidal signal if a sinusoidal carrier with frequency  fT=60 kHz  is used.



Hints:



Questions

1

Give the analytical signal  s+(t)  as a formula.  What value results at the starting time  t=0?

Re[s+(t=0)] = 

 V
Im[s+(t=0)] = 

 V

2

At what time  t1  does the first zero crossing of the physical signal  s(t)  occur relative to the first zero crossing of the  50 kHz-cosine signal ?
Note:   The latter is at time  T_0/4 = 1/(4 \cdot f_{50}) = 5 \ µ \text{s}.

It is  t_1 < 5 \ {\rm µ} \text{s}.
It is  t_1 = 5 \ {\rm µ}\text{s}.
It is  t_1 > 5 \ {\rm µ} \text{s}.

3

What is the maximum value of  |s_+(t)|?  At what time  t_2  is this maximum value reached for the first time?

|s_+(t)|_{\rm max}\ = \

 \text{V}
t_2\ = \

 {\rm µ s}

4

At what time  t_3  is the pointer length  |s_+(t)|  equal to zero for the first time?

t_3\ = \

 {\rm µ s}


Solution

Three different analytical signals

(1)  The analytical signal is generally:

s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t } - {\rm j}\cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 60} \hspace{0.05cm} t }.

At time  t = 0  the complex exponential functions each take the value  1  and one obtains (see left graph):

  • \text{Re}[s_+(t = 0)] \; \underline{= +1\ \text{V}},
  • \text{Im}[s_+(t = 0)]\; \underline{ = \,-\hspace{-0.08cm}1\ \text{V}}.


(2)  For the analytical signal it can also be written:

s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm j} \cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({ \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t }) - {\rm j} \cdot {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({ \omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).

The real part of this describes the actual physical signal:

s(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({ \omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).

Correct is the proposed solution 3:

  • Considering the  50 \ \text{kHz}  cosine signal alone, the first zero crossing would occur at  t_1 = T_0/4  , i.e. after  5 \ {\rm µ s}, where  T_0 = 1/f_{50} = 20 \ {\rm µ s}  denotes the period duration of this signal.
  • The sinusoidal signal with the frequency  60 \ \text{kHz}  is positive during the entire first half-wave  (0 \, \text{...} \, 8.33\ {\rm µ s}) .
  • Due to the plus sign, the first zero crossing of  s(t) \ \Rightarrow \ t_1 > 5\ {\rm µ s} is delayed.
  • The middle graph shows the analytical signal at time  t = T_0/4, when the red carrier would have its zero crossing.
  • The zero crossing of the violet cumulative pointer only occurs when it points in the direction of the imaginary axis. Then  s(t_1) = \text{Re}[s_+(t_1)] = 0.


(3)  The maximum value of  |s_+(t)|  is reached when both pointers point in the same direction. The magnitude of the sum pointer is then equal to the sum of the two individual pointers; i.e.  \underline {2\ \text{V}}.

This case is reached for the first time when the faster pointer with circular velocity  \omega_{60}  has caught up its "lag" of  90^{\circ} \; (\pi /2)  with the slower pointer  (\omega_{50}) :

\omega_{\rm 60} \cdot t_2 - \omega_{\rm 50}\cdot t_2 = \frac{\pi}{2} \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}t_2 = \frac{\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}- f_{\rm 50})} = \frac{1}{4 \cdot(f_{\rm 60}- f_{\rm 50})}\hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 25 \hspace{0.05cm} {\rm µ s}}}.
  • At this point, the two pointers have made  5/4  and  6/4  rotations respectively and both point in the direction of the imaginary axis (see right graph).
  • The actual physical signal  s(t) – i.e. the real part of  s_+(t) – is therefore zero at this moment.


(4)  The condition for  |s_+(t_3)| = 0  is that there is a phase offset of  180^\circ  between the two equally long pointers so that they cancel each other out.

  • This further means that the faster pointer has rotated  3\pi /2  further than the  50 \ \text{kHz}  component.
  • Analogous to the sample solution of sub-task  (3) , therefore the following applies:
t_3 = \frac{3\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}- f_{\rm 50})} \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 75 \hspace{0.05cm} {\rm µ s}}}.