Difference between revisions of "Signal Representation/General Description"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Periodische Signale
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|Untermenü=Periodic Signals
|Vorherige Seite=Zum Rechnen mit komplexen Zahlen
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|Vorherige Seite=Calculating With Complex Numbers
|Nächste Seite=Gleichsignal - Grenzfall eines periodischen Signals
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|Nächste Seite=Direct Current Signal - Limit Case of a Periodic Signal
 
}}
 
}}
  
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== # OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER # ==
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<br>
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In this chapter,&nbsp; &raquo;'''periodic signals'''&laquo;&nbsp; are considered and described mathematically &raquo;'''in the time and frequency domain'''&laquo;.
  
== # ÜBERBLICK ZUM ERSTEN HAUPTKAPITEL # ==
+
This chapter contains in detail:  
Im Folgenden werden ''periodische Signale'' betrachtet und diese sowohl im Zeit– als auch im Frequenzbereich mathematisch beschrieben. Dieses Kapitel beinhaltet im Einzelnen:
+
# Some basic terms like&nbsp; &raquo;period duration&laquo;,&nbsp; &raquo;basic frequency&laquo;&nbsp; and&nbsp; &raquo;circular frequency&laquo;,
* einige Grundbegriffe wie <i>Periodendauer, Grundfrequenz</i> und <i>Kreisfrequenz</i>,
+
# the properties of a&nbsp; &raquo;DC signal&laquo;&nbsp; as a limiting case of a periodic signal,
* die Eigenschaften eines <i>Gleichsignals</i> als Grenzfall eines periodischen Signals,
+
# the definition and interpretation of the&nbsp; &raquo;Dirac delta function&laquo;,
* die Definition und Interpretation der <i>Diracfunktion</i>,
+
# the&nbsp; &raquo;spectral representation&laquo;&nbsp; of a DC signal or a DC signal component,
* Spektraldarstellung eines <i>Gleichsignals</i> oder eines <i>Gleichsignalanteils</i>,
+
# the time  and frequency representation of&nbsp; &raquo;harmonic oscillations&laquo;,&nbsp; and finally
* die Zeit&ndash; und Frequenzdarstellung <i>harmonischer Schwingungen</i>, und schließlich
+
# the application of&nbsp; &raquo;Fourier series&laquo;&nbsp; for spectral analysis of periodic signals.
* die Anwendung der <i>Fourierreihe</i> zur Spektralanalyse periodischer Signale.
 
  
Weitere Informationen zum Thema sowie Aufgaben, Simulationen und Programmierübungen finden Sie im
 
  
*Kapitel 6:  ''Lineare zeitinvariante Systeme'' (Programm lzi)
 
  
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==Features and applications==
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<br>
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Periodic signals are of great importance for Communications Engineering:
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*They belong to the class of&nbsp; [[Signal_Representation/Signal_classification#Deterministic_and_stochastic_signals|&raquo;deterministic signals&laquo;]],&nbsp; whose time function can be specified in analytical form.
  
des Praktikums &bdquo;Simulationsmethoden in der Nachrichtentechnik&rdquo;. Diese frühere LNT-Lehrveranstaltung an der TU München basiert auf
+
*Their signal path is thus known for all times&nbsp; $t$&nbsp; and can be clearly predicted for the future.
*dem Lehrsoftwarepaket [http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Programme/LNTsim.zip LNTsim] &nbsp;&rArr;&nbsp; Link verweist auf die ZIP-Version des Programms und
 
*dieser [http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Texte/Praktikum_LNTsim_Teil_A.pdf Praktikumsanleitung]  &nbsp;&rArr;&nbsp; Link verweist auf die PDF-Version; Kapitel 6: Seite 99-118.
 
  
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*They are therefore never information-carrying signals.
  
==Eigenschaften und Anwendungen==
 
Für die Nachrichtentechnik besitzen periodische Signale eine große Bedeutung:
 
*Sie gehören zur Klasse der [[Signaldarstellung/Klassifizierung_von_Signalen#Deterministische_und_stochastische_Signale|deterministischen Signale]], deren Zeitfunktion in analytischer Form angegeben werden kann.
 
*Ihr Signalverlauf ist damit für alle Zeiten $t$ bekannt und für die Zukunft eindeutig vorhersagbar.
 
*Sie sind daher niemals informationstragende Signale.
 
  
Trotzdem werden periodische Signale oft auch in der Nachrichtentechnik benötigt, zum Beispiel
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Nevertheless,&nbsp; periodic signals are often also required in Communications Engineering,&nbsp; for example
*für die Modulation und Demodulation bei Trägerfrequenzsystemen,
+
*for modulation and demodulation in carrier frequency systems,
*für die Synchronisation und Taktgenerierung bei Digitalsystemen,
 
*als Test- und Prüfsignale bei der Systemrealisierung.
 
  
 +
*for synchronization and clock regeneration in digital systems,
  
{{Beispiel}}
+
*as test and verification signals during system implementation.
[[File:P_ID161__Sig_T_2_1_S1.png|right|Oszilloskopbild von Cosinus- und Dreiecksignal]]
 
Auf dem Oszilloskopbild sehen Sie zwei typische Vertreter periodischer Signale:
 
*oben ein Cosinussignal,
 
*unten ein Dreiecksignal.
 
  
  
Wie aus den eingeblendeten Einstellungen zu ersehen ist, ist bei beiden Signalen die Periodendauer eine Millisekunde und die Amplitude ein Volt.
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{{GraueBox|TEXT=
{{end}}
+
[[File:P_ID161__Sig_T_2_1_S1.png|right|frame|Oscilloscope image of cosine and triangular signals]]
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$\text{Example 1:}$&nbsp;
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The oscilloscope image shows two typical representatives of periodic signals:
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*above a cosine signal,
  
 +
*below a triangular signal.
  
==TESTKAPITEL==
 
testtext
 
  
==Definition und Parameter==
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As can be seen from the displayed settings,&nbsp; the period duration of both signals is one millisecond and the amplitude one volt.}}
Bevor wir uns den Signalparametern eines periodischen Signals zuwenden, soll der Begriff  &bdquo;Periodizität&rdquo; eindeutig definiert werden:
 
  
{{Definition}}
 
Ein '''periodisches Signal''' $x(t)$ liegt genau dann vor, wenn für alle beliebigen Werte von $t$ und alle ganzzahligen Werte von $i$ mit einem geeigneten $T_{0}$ gilt:
 
  
$x(t+i\cdot T_{0}) = x(t)$.
+
==Definition and parameters==
{{end}}
+
<br>
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Before we turn to the signal parameters of a periodic signal,&nbsp; the term&nbsp; &raquo;periodicity&laquo;&nbsp; shall be clearly defined:
  
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{{BlaueBox|TEXT= 
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$\text{Definition:}$&nbsp;
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A&nbsp; &raquo;'''periodic signal'''&laquo;&nbsp; $x(t)$&nbsp; is present if for all arbitrary values of&nbsp; $t$&nbsp; and all integer values of&nbsp; $i$&nbsp; with an appropriate&nbsp; $T_{0}$&nbsp; applies:
 +
:$$x(t+i\cdot T_{0}) = x(t).$$}}
  
Daraus ergeben sich die folgenden Kenngrößen:
 
*Die '''Periodendauer''' $T_{0}$ gibt den kleinstmöglichen Wert an, der obige Gleichung erfüllt.
 
*Die '''Grundfrequenz''' $f_{0} = 1/T_{0}$ beschreibt die Anzahl der Perioden pro Zeiteinheit (meist je Sekunde). Die Einheit „1/s” wird auch mit „Hz” bezeichnet, benannt nach dem deutschen Physiker [https://de.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Hertz Heinrich Hertz].
 
*Die '''Grundkreisfrequenz''' $\omega_{0}$ stellt die Winkeldrehung pro Sekunde dar, die meistens im Bogenmaß angegeben wird. Im Gegensatz zur Grundfrequenz ist hier nicht die Einheit „Hz”, sondern „1/s” üblich. Es gilt folgende Gleichung:
 
: $\omega_{0}=2\pi f_{0} = {2\pi}/{T_{0}}$.
 
  
{{Beispiel}}
+
This results in the following parameters:
[[File:P_ID211__Sig_T_2_1_S2_neu.png|right|Zur Definition von Periodendauer, Grundfrequenz und Kreisfrequenz]]
+
*The&nbsp; &raquo;'''period duration'''&laquo;&nbsp; $T_{0}$&nbsp; indicates the smallest possible value,&nbsp; which satisfies the above equation.
Dargestellt ist hier ein periodisches Zeitsignal:
 
*Die Periodendauer $T_{0}$ beträgt 2.5 Millisekunden.
 
*Daraus berechnet sich die Grundfrequenz $f_0$ zu 400 Hz.
 
*Die Grundkreisfrequenz $\omega_{0}$ ergibt sich zu 2513 1/s.
 
  
{{end}}
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*The&nbsp; &raquo;'''basic frequency'''&laquo;&nbsp; $f_{0} = 1/T_{0}$&nbsp; describes the number of periods per time unit&nbsp; $($mostly per second$)$.
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*The unit&nbsp; "1/s"&nbsp; is also called&nbsp; "Hz",&nbsp; named after the German physicist &nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Hertz $\text{Heinrich Hertz}$].
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*The&nbsp; &raquo;'''basic circular frequency'''&laquo;&nbsp; $\omega_{0}$&nbsp; represents the angular rotation per second,&nbsp; usually given in radians.
 
   
 
   
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*In contrast to the basic frequency,&nbsp; the unit&nbsp; "Hz"&nbsp; is not common here, but&nbsp; "1/s".&nbsp; The following equation applies:
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:$$\omega_{0}=2\pi f_{0} = {2\pi}/{T_{0}}.$$
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{{GraueBox|TEXT=
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[[File:P_ID211__Sig_T_2_1_S2_neu.png|right|frame|Given signal and period duration]] 
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$\text{Example 2:}$&nbsp;
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Here, a periodic time signal is shown:
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*The period duration is&nbsp; $T_{0} = 2.5 \ \rm ms$.
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*From this the basic frequency &nbsp; $f_0 =  400  \ \rm  Hz$&nbsp; is calculated.
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*The basic circular frequency results to &nbsp;$\omega_{0}=2513 \ \rm  1/s.$}}
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==Resulting period duration==
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If a signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; consists of the sum of two periodic signals&nbsp; $x_{1}(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_{2}(t)$&nbsp; with period durations&nbsp; $T_{1}$&nbsp; or &nbsp; $T_{2}$,&nbsp; the resulting period duration of the sum signal is the smallest common multiple of&nbsp; $T_{1}$&nbsp; and&nbsp; $T_{2}$.
 +
*This statement applies independently of the amplitude and phase relations.
  
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*On the other hand,&nbsp; if &nbsp; $T_{1}$&nbsp; and&nbsp; $T_{2}$&nbsp; don't  have a  rational common multiple&nbsp; $($Example: &nbsp; $T_{2} = \pi \cdot T_{1})$,&nbsp; then the sum signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is in contrast to its two components&nbsp; $x_{1}(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_{2}(t)$&nbsp; not periodic.
  
  
==Resultierende Periodendauer==
+
{{GraueBox|TEXT=
*Besteht ein Signal $x(t)$ aus der Summe zweier periodischer Signale $x_{1}(t)$ und $x_{2}(t)$ mit den Periodendauern $T_{1}$ bzw. $T_{2}$, so ist die resultierende Periodendauer des Summensignals das kleinste gemeinsame Vielfache von $T_{1}$ und $T_{2}$.
+
$\text{Example 3:}$&nbsp;
*Diese Aussage gilt unabhängig von den Amplituden– und Phasenverhältnissen.
+
Here,&nbsp; a cosinusoidal signal&nbsp; $x_{1}(t)$&nbsp; with period duration&nbsp; $T_{1} = 2\; {\rm ms}$&nbsp; $($blue signal course$)$&nbsp;is added with  a sinusoidal signal&nbsp; $x_{2}(t)$&nbsp; with period duration&nbsp; $T_{2} = 5\; {\rm ms}$&nbsp; and twice the amplitude&nbsp; $($green curve).
*Besitzen $T_{1}$ und $T_{2}$ dagegen kein rationales gemeinsames Vielfaches (Beispiel: $T_{2} = \pi \cdot T_{1}$), so ist das Summensignal $x(t)$ im Gegensatz zu seinen beiden Komponenten $x_{1}(t)$ und $x_{2}(t)$ nicht periodisch.
 
  
 +
[[File:P_ID247__Sig_T_2_1_S3_neu.png|frame|Resulting period duration of the sum of cosine and sine signal]]
  
{{Beispiel}}
+
*The&nbsp; $($red$)$&nbsp; sum signal&nbsp; $x(t) = x_{1}(t) + x_{2}(t)$&nbsp; then shows the resulting period duration&nbsp; $T_{0} = 10\; {\rm ms}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; basic frequency&nbsp; $f_{0} = 100\; {\rm Hz}$.  
Addiert werden ein cosinusförmiges Signal $x_{1}(t)$ mit der Periodendauer $T_{1} = 2\; {\rm ms}$ (blauer Signalverlauf) und ein Sinussignal $x_{2}(t)$ mit der Periodendauer  $T_{2} = 5\; {\rm ms}$ und doppelt so großer Amplitude (grüner Verlauf).
 
  
[[File:P_ID247__Sig_T_2_1_S3_neu.png|Resultierende Periodendauer]]
+
*The frequency&nbsp; $f_{0}$&nbsp; itself is not contained in&nbsp; $x(t)$&nbsp; only integer multiples of it,&nbsp; namely&nbsp;
 +
::$f_{1} = 500\; {\rm Hz}$&nbsp; and&nbsp; $f_{2} = 200\; {\rm Hz}$.  
  
*Das (rote) Summensignal $x(t) = x_{1}(t) + x_{2}(t)$ weist dann die resultierende Periodendauer $T_{0} = 10\; {\rm ms}$  auf &nbsp;&rArr;&nbsp; Grundfrequenz  $f_{0} = 100\; {\rm Hz}$.
 
*Die Frequenz $f_{0}$ selbst ist in $x(t)$ nicht enthalten, lediglich ganzzahlige Vielfache davon, nämlich $f_{1} = 500\; {\rm Hz}$  und $f_{2} = 200\; {\rm Hz}$.
 
  
{{end}}
 
  
  
Mit dem Interaktionsmodul [[Periodendauer periodischer Signale]] lässt sich die resultierende Periodendauer zweier harmonischer Schwingungen ermitteln. 
 
  
 +
&rArr; &nbsp; With the interactive applet&nbsp; [[Applets:Period_Duration_of_Periodic_Signals|&raquo;Period Duration of Periodic Signals&laquo;]]&nbsp; the resulting period of two harmonic oscillations can be determined.}}
  
==Aufgaben zum Kapitel==
 
  
[[Aufgaben: 2.1 Gleichrichtung|Aufgabe 2.1: &nbsp; Gleichrichtung]]
+
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.1:_Rectifying|Exercise 2.1: Rectification]]
  
[[Aufgaben: 2.1Z Summensignal|Zusatzaufgabe 2.1Z: &nbsp; Summensignal]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.1Z:_Sum_Signal|Exercise 2.1Z: Sum Signal]]
  
  

Latest revision as of 15:13, 8 June 2023

# OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER #


In this chapter,  »periodic signals«  are considered and described mathematically »in the time and frequency domain«.

This chapter contains in detail:

  1. Some basic terms like  »period duration«,  »basic frequency«  and  »circular frequency«,
  2. the properties of a  »DC signal«  as a limiting case of a periodic signal,
  3. the definition and interpretation of the  »Dirac delta function«,
  4. the  »spectral representation«  of a DC signal or a DC signal component,
  5. the time and frequency representation of  »harmonic oscillations«,  and finally
  6. the application of  »Fourier series«  for spectral analysis of periodic signals.


Features and applications


Periodic signals are of great importance for Communications Engineering:

  • Their signal path is thus known for all times  $t$  and can be clearly predicted for the future.
  • They are therefore never information-carrying signals.


Nevertheless,  periodic signals are often also required in Communications Engineering,  for example

  • for modulation and demodulation in carrier frequency systems,
  • for synchronization and clock regeneration in digital systems,
  • as test and verification signals during system implementation.


Oscilloscope image of cosine and triangular signals

$\text{Example 1:}$  The oscilloscope image shows two typical representatives of periodic signals:

  • above a cosine signal,
  • below a triangular signal.


As can be seen from the displayed settings,  the period duration of both signals is one millisecond and the amplitude one volt.


Definition and parameters


Before we turn to the signal parameters of a periodic signal,  the term  »periodicity«  shall be clearly defined:

$\text{Definition:}$  A  »periodic signal«  $x(t)$  is present if for all arbitrary values of  $t$  and all integer values of  $i$  with an appropriate  $T_{0}$  applies:

$$x(t+i\cdot T_{0}) = x(t).$$


This results in the following parameters:

  • The  »period duration«  $T_{0}$  indicates the smallest possible value,  which satisfies the above equation.
  • The  »basic frequency«  $f_{0} = 1/T_{0}$  describes the number of periods per time unit  $($mostly per second$)$.
  • The  »basic circular frequency«  $\omega_{0}$  represents the angular rotation per second,  usually given in radians.
  • In contrast to the basic frequency,  the unit  "Hz"  is not common here, but  "1/s".  The following equation applies:
$$\omega_{0}=2\pi f_{0} = {2\pi}/{T_{0}}.$$


Given signal and period duration

$\text{Example 2:}$  Here, a periodic time signal is shown:

  • The period duration is  $T_{0} = 2.5 \ \rm ms$.
  • From this the basic frequency   $f_0 = 400 \ \rm Hz$  is calculated.
  • The basic circular frequency results to  $\omega_{0}=2513 \ \rm 1/s.$


Resulting period duration


If a signal  $x(t)$  consists of the sum of two periodic signals  $x_{1}(t)$  and  $x_{2}(t)$  with period durations  $T_{1}$  or   $T_{2}$,  the resulting period duration of the sum signal is the smallest common multiple of  $T_{1}$  and  $T_{2}$.

  • This statement applies independently of the amplitude and phase relations.
  • On the other hand,  if   $T_{1}$  and  $T_{2}$  don't have a rational common multiple  $($Example:   $T_{2} = \pi \cdot T_{1})$,  then the sum signal  $x(t)$  is in contrast to its two components  $x_{1}(t)$  and  $x_{2}(t)$  not periodic.


$\text{Example 3:}$  Here,  a cosinusoidal signal  $x_{1}(t)$  with period duration  $T_{1} = 2\; {\rm ms}$  $($blue signal course$)$ is added with a sinusoidal signal  $x_{2}(t)$  with period duration  $T_{2} = 5\; {\rm ms}$  and twice the amplitude  $($green curve).

Resulting period duration of the sum of cosine and sine signal
  • The  $($red$)$  sum signal  $x(t) = x_{1}(t) + x_{2}(t)$  then shows the resulting period duration  $T_{0} = 10\; {\rm ms}$   ⇒   basic frequency  $f_{0} = 100\; {\rm Hz}$.
  • The frequency  $f_{0}$  itself is not contained in  $x(t)$  only integer multiples of it,  namely 
$f_{1} = 500\; {\rm Hz}$  and  $f_{2} = 200\; {\rm Hz}$.



⇒   With the interactive applet  »Period Duration of Periodic Signals«  the resulting period of two harmonic oscillations can be determined.


Exercises for the chapter


Exercise 2.1: Rectification

Exercise 2.1Z: Sum Signal