Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 5.3: Mean Square Error"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Fehlermöglichkeiten bei Anwendung der DFT
+
{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Possible_Errors_When_Using_DFT
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1145__Sig_A_5_3.png|250px|right|frame|Gaußimpuls, Rechteckimpuls, Spaltimpuls und einige Kenngrößen]]
+
[[File:P_ID1145__Sig_A_5_3.png|250px|right|frame|Gaussian pulse, square pulse, <br>sinc pulse and some parameters]]
  
Wir betrachten drei impulsartige Signale, nämlich
+
We consider three pulses, namely
*einen [[Signaldarstellung/Einige_Sonderfälle_impulsartiger_Signale#Gau.C3.9Fimpuls|Gaußimpuls]] mit  Amplitude $A$ und äquivalenter Dauer $T$:
+
*a&nbsp; [[Signal_Representation/Special_Cases_of_Pulses#Gaussian_pulse|Gaussian pulse]]&nbsp; with amplitude&nbsp; $A$&nbsp; and equivalent duration&nbsp; $T$:
 
   
 
   
 
:$$x_1(t) = A \cdot {\rm e}^{- \pi (t/T)^2} \hspace{0.05cm},$$
 
:$$x_1(t) = A \cdot {\rm e}^{- \pi (t/T)^2} \hspace{0.05cm},$$
  
*einen [[Signaldarstellung/Einige_Sonderfälle_impulsartiger_Signale#Rechteckimpuls|Rechteckimpuls]] $x_2(t)$ mit  Amplitude $A$ und  Dauer $T$:
+
*a&nbsp; [[Signal_Representation/Special_Cases_of_Pulses#Rectangular_pulse|rectangular pulse]]&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; with amplitude&nbsp; $A$&nbsp; and (equivalent) duration&nbsp; $T$:
 
   
 
   
 
:$$x_2(t)  = \left\{ \begin{array}{c} A \\
 
:$$x_2(t)  = \left\{ \begin{array}{c} A \\
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\end{array}$$
 
\end{array}$$
  
*einen so genannten ''Spaltimpuls'' gemäß nachfolgender Definition:
+
*a so called&nbsp; "sinc pulse"&nbsp; according to the following definition:
 
   
 
   
:$$x_3(t) = A \cdot {\rm si}(\pi \cdot t/ T) ,\hspace{0.15cm}{\rm si}(x) =
+
:$$x_3(t) = A \cdot {\rm sinc}(t/ T) ,\hspace{0.15cm}{\rm sinc}(x) =
  \sin(x)/x\hspace{0.05cm}.$$
+
  \sin(\pi x)/(\pi  x)\hspace{0.05cm}.$$
  
Die Signalparameter seien $A = 1\ {\rm V}$  und $T = 1\ {\rm ms}$.
+
Let the signal parameters be&nbsp; $A = 1\ {\rm V}$&nbsp; and&nbsp; $T = 1\ {\rm ms}$ in each case.
Die konventionelle [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation|Fouriertransformation]]  führt zu folgenden Spektralfunktionen:
 
* $X_1(f)$ ist ebenfalls gaußförmig,
 
* $X_2(f)$ verläuft entsprechend der si–Funktion,
 
* $X_3(f)$ ist für $|f| < 1/(2 T$) konstant und außerhalb 0.
 
  
 +
The conventional&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_Its_Inverse|Fourier transform]]&nbsp;  leads to the following spectral functions:
 +
* $X_1(f)$&nbsp; is also Gaussian,
 +
* $X_2(f)$&nbsp; runs according to the&nbsp; $\rm sinc$ function,
 +
* $X_3(f)$&nbsp; is constant for&nbsp; $|f| < 1/(2 T)$&nbsp; and outside zero.
  
Für alle Spektralfunktionen gilt $X(f = 0) = A \cdot T$.
 
  
Ermittelt man das frequenzdiskrete Spektrum durch die [[Signaldarstellung/Diskrete_Fouriertransformation_(DFT)|Diskrete Fouriertransformation]] (DFT) mit den DFT-Parametern
+
For all spectral functions,&nbsp; $X(f = 0) = A \cdot T$.
* $N = 512$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Anzahl der berücksichtigten Abtastwerte im Zeit– und Frequenzbereich,
 
*$f_{\rm A}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Stützstellenabstand im Frequenzbereich,
 
  
 +
If the discrete-frequency spectrum is determined by the&nbsp; [[Signal_Representation/Discrete_Fourier_Transform_(DFT)|Discrete Fourier Transform]]&nbsp; $\rm (DFT)$&nbsp; with the DFT parameters
 +
* $N = 512$ &nbsp; &rArr; &nbsp; number of samples considered in the time and frequency domain,
 +
*$f_{\rm A}$  &nbsp; &rArr; &nbsp; interpolation distance in the frequency domain,
  
so wird dies aufgrund von Abbruch– und/oder Aliasingfehler zu Verfälschungen führen.
 
  
Die weiteren DFT–Parameter liegen mit $N$ und $f_{\rm A}$ eindeutig fest. Für diese gilt:
+
this will lead to distortions due to truncation and/or aliasing errors.
+
 
 +
 
 +
The other DFT parameters are clearly fixed withn&nbsp; $N$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm A}$.&nbsp; The following applies to these:  
 
:$$f_{\rm P} = N \cdot f_{\rm A},\hspace{0.3cm}T_{\rm P} = 1/f_{\rm A},\hspace{0.3cm}T_{\rm A} = T_{\rm
 
:$$f_{\rm P} = N \cdot f_{\rm A},\hspace{0.3cm}T_{\rm P} = 1/f_{\rm A},\hspace{0.3cm}T_{\rm A} = T_{\rm
 
  P}/N
 
  P}/N
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Die Genauigkeit der jeweiligen DFT–Approximation wird durch den ''mittleren quadratischen Fehler'' (MQF) erfasst:
+
The accuracy of the respective DFT approximation is captured by the&nbsp; "mean square error"&nbsp; $\rm (MSE)$.&nbsp; <br>Here, we use the designation&nbsp; $\rm MQF$ &nbsp; &rArr; &nbsp; (German:&nbsp; "Mittlerer Quadratischer Fehler"):  
 
 
:$${\rm MQF} =  \frac{1}{N}\cdot \sum_{\mu = 0 }^{N-1}
 
:$${\rm MQF} =  \frac{1}{N}\cdot \sum_{\mu = 0 }^{N-1}
 
  \left|X(\mu \cdot f_{\rm A})-\frac{D(\mu)}{f_{\rm A}}\right|^2 \hspace{0.05cm}.$$
 
  \left|X(\mu \cdot f_{\rm A})-\frac{D(\mu)}{f_{\rm A}}\right|^2 \hspace{0.05cm}.$$
  
Die sich ergebenden MQF–Werte sind in obiger Grafik angegeben für $N = 512$ sowie für
+
The resulting MQF values are given in the graph above, valid for&nbsp; $N = 512$&nbsp; as well as for
 
*$f_{\rm A} \cdot T = 1/4$,  
 
*$f_{\rm A} \cdot T = 1/4$,  
 
*$f_{\rm A} \cdot T = 1/8$,  
 
*$f_{\rm A} \cdot T = 1/8$,  
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''Hinweise:''  
+
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Signaldarstellung/Fehlermöglichkeiten_bei_Anwendung_der_DFT|Fehlermöglichkeiten bei Anwendung der DFT]].
+
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
+
 
*Die Theorie zu diesem Kapitel ist im Lernvideo [[Fehlermöglichkeiten_bei_Anwendung_der_DFT_(Lernvideo)|Fehlermöglichkeiten bei Anwendung der DFT]] zusammengefasst.
+
''Hints:''  
 +
*This task belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Possible_Errors_When_Using_DFT|Possible errors when using DFT]].
 +
 +
*The theory for this chapter is summarised in the (German language) learning video <br> &nbsp; &nbsp; &nbsp;[[Fehlermöglichkeiten_bei_Anwendung_der_DFT_(Lernvideo)|Fehlermöglichkeiten bei Anwendung der DFT]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Possible errors when using DFT".
  
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welcher Bereich $|f| \leq  f_{\text{max}}$ wird mit $N = 512$ und $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$ erfasst?
+
{Which range&nbsp; $|f| \leq  f_{\text{max}}$&nbsp; is covered with&nbsp; $N = 512$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$f_{\text{max}} \cdot T\ = \ $  { 32 3% }
 
$f_{\text{max}} \cdot T\ = \ $  { 32 3% }
  
{In welchem Zeitabstand $T_{\rm A}$ liegen die Abtastwerte von $x(t)$ vor?
+
{At what time interval&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; are the sampled values of&nbsp; $x(t)$&nbsp; available?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$T_{\rm A}/T\ = \ $ { 0.01562 3% }
 
$T_{\rm A}/T\ = \ $ { 0.01562 3% }
  
{Aufgrund welcher Effekte erhöht sich der MQF–Wert für den Gaußimpuls, wenn man $f_{\rm A} \cdot T = 1/4$ anstelle von $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$ verwendet?
+
{Due to which effect does the MQF value for the Gaussian pulse increase when using &nbsp; $f_{\rm A} \cdot T = 1/4$&nbsp; instead of&nbsp; $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$?
|type="[]"}
+
|type="()"}
+ Der Abbruchfehler wird vergrößert.
+
+ The truncation error is significantly increased.
- Der Aliasingfehler wird vergrößert.
+
- The aliasing error is significantly increased.
  
{Aufgrund welcher Effekte erhöht sich der MQF–Wert für den Gaußimpuls, wenn man $f_{\rm A} \cdot T = 1/16$ anstelle von $f_{\rm A} \cdot T = 1/4$ verwendet?
+
{Due to what effect does the MQF value for the Gaussian pulse increase when using&nbsp; $f_{\rm A} \cdot T = 1/16$&nbsp; instead of  $f_{\rm A} \cdot T = 1/4$?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Der Abbruchfehler wird vergrößert.
+
- The truncation error is significantly increased.
+ Der Aliasingfehler wird vergrößert.
+
+ The aliasing error is significantly increased.
  
{Vergleichen Sie die MQF–Werte des Rechteckimpulses $x_2(t)$ mit denen des Gaußimpulses $x_1(t)$. Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
+
{Compare the&nbsp; $\rm MQF$&nbsp; values of the rectangular pulse&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; with those of the Gaussian pulse&nbsp; $x_1(t)$.&nbsp; Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ $\rm MQF$ wird größer, da die Spektralfunktion $X_2(f)$ asymptotisch langsamer abfällt als $X_1(f)$.
+
+ $\rm MQF$&nbsp; becomes larger because the spectral function&nbsp; $X_2(f)$&nbsp; decays asymptotically slower than&nbsp; $X_1(f)$.
+ Es dominiert der Aliasingfehler.
+
+ The aliasing error dominates.
- Es dominiert der Abbruchfehler.
+
- The truncation error dominates.
  
{Vergleichen Sie die MQF–Werte des Spaltimpulses $x_3(t)$ mit denen des Gaußimpulses $x_1(t)$. Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
+
{Compare the&nbsp; $\rm MQF$&nbsp; values of the "sinc pulse"&nbsp; $x_3(t)$&nbsp; with those of the Gaussian pulse&nbsp; $x_1(t)$.&nbsp; Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- $\rm MQF$ wird größer, da die Spektralfunktion $X_3(f)$ asymptotisch langsamer abfällt als $X_1(f)$.
+
- $\rm MQF$&nbsp; becomes larger because the spectral function&nbsp; $X_3(f)$&nbsp; decays asymptotically slower than&nbsp; $X_1(f)$.
- Es dominiert der Aliasingfehler.
+
- The aliasing error dominates.
+ Es dominiert der Abbruchfehler.
+
+ The truncation error dominates.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Mit den DFT–Parametern $N = 512$ und $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$ folgt nach Multiplikation der beiden Größen:  
+
'''(1)'''&nbsp; With the DFT parameters&nbsp; $N = 512$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$&nbsp; the following follows after multiplying the two quantities:
 
:$$f_{\rm P} \cdot T = N \cdot (f_{\rm A} \cdot T) = 64.$$
 
:$$f_{\rm P} \cdot T = N \cdot (f_{\rm A} \cdot T) = 64.$$
Dadurch wird der Frequenzbereich $–f_{\rm P}/2 \leq f < f_{\rm P}/2$ erfasst:
+
*This covers the frequency range&nbsp; $-f_{\rm P}/2 \leq f < +f_{\rm P}/2$:
 
:$$f_{\rm max }\cdot T \hspace{0.15 cm}\underline{= 32}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$f_{\rm max }\cdot T \hspace{0.15 cm}\underline{= 32}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''(2)'''&nbsp; Die Periodifizierung der Zeitfunktion basiert auf dem Parameter $T_{\rm P} = 1/f_{\rm A} = 8T$. Der Abstand zweier Abtastwerte beträgt somit
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; The periodisation of the time function is based on the parameter&nbsp; $T_{\rm P} = 1/f_{\rm A} = 8T$.  
 +
*The distance between two samples is therefore
 
:$$T_{\rm A}/T =  \frac{T_{\rm P}/T}{N} = \frac{8}{512}\hspace{0.15 cm}\underline{ = 0.015625}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$T_{\rm A}/T =  \frac{T_{\rm P}/T}{N} = \frac{8}{512}\hspace{0.15 cm}\underline{ = 0.015625}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 1 &nbsp; &rArr; &nbsp;  Erhöhung des Abbruchfehlers</u>:
+
 
*Mit dieser Maßnahme wird gleichzeitig $T_{\rm P}$ von $8T$ auf $4T$ halbiert.  
+
'''(3)'''&nbsp; Correct is the <u>proposed solution 1 &nbsp; &rArr; &nbsp;  increase of the truncation error</u>:
*Berücksichtigt werden somit nur noch Abtastwerte im Bereich $–2T \leq t < 2T$, wodurch der Abbruchfehler (geringfügig) erhöht wird.  
+
*This measure simultaneously halves&nbsp; $T_{\rm P}$&nbsp; from&nbsp; $8T$&nbsp; to&nbsp; $4T$&nbsp;.
*Der mittlere quadratische Fehler $(\rm MQF)$ steigt dadurch beim Gaußimpuls $x_1(t)$ von $0.15 \cdot 10^{-15}$ auf $8 \cdot 10^{-15}$, obwohl der Aliasingfehler durch diese Maßnahme sogar etwas kleiner wird.
+
*Thus, only samples in the range&nbsp; $–2T \leq t < 2T$ are taken into account, which increases the truncation error.  
 +
*The mean square error&nbsp; $(\rm MQF)$&nbsp; increases from&nbsp; $0.15 \cdot 10^{-15}$&nbsp; to&nbsp; $8 \cdot 10^{-15}$ for the Gaussian pulse&nbsp; $x_1(t)$,&nbsp;
 +
*although the aliasing error actually decreases slightly by this measure.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
'''(4)'''&nbsp; Correct is the <u>proposed solution 2 &nbsp; &rArr; &nbsp;  increase of the aliasing error:</u>:
 +
*By halving&nbsp; $f_{\rm A}$&nbsp;  &rArr; &nbsp; $f_{\rm P}$&nbsp; is also halved.
 +
*As a result, the aliasing error becomes somewhat larger with a smaller truncation error at the same time.
 +
*Overall, for the Gaussian pulse&nbsp; $x_1(t)$, the mean square error&nbsp; $(\rm MQF)$&nbsp; increases from&nbsp; $1.5 \cdot 10^{-16}$&nbsp; to&nbsp; $3.3 \cdot 10^{-16}$.
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2 &nbsp; &rArr; &nbsp;  Erhöhung des Aliasingfehlers</u>:
 
*Durch die Halbierung von $f_{\rm A}$ wird auch $f_{\rm P}$ halbiert.
 
*Dadurch wird der Aliasingfehler etwas größer bei gleichzeitig kleinerem Abbruchfehler.
 
*Insgesamt steigt beim Gaußimpuls $x_1(t)$ der mittlere quadratische Fehler $(\rm MQF)$ von $1.5 \cdot 10^{-16}$ auf $3.3 \cdot 10^{-16}$.
 
  
 +
'''(5)'''&nbsp;  <u>Proposed solutions 1 and 2</u> are correct:
 +
*As can be seen from the graph, the last statement is not true in contrast to the first two.
 +
*Due to the slow&nbsp; ($\rm sinc$–shaped)&nbsp; decay of the spectral function, the aliasing error dominates.
 +
*The&nbsp; $\rm MQF$ value at&nbsp; $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$&nbsp; with&nbsp; $1.4 \cdot 10^{-5}$&nbsp; is therefore significantly larger than for the Gaussian pulse&nbsp; $(1.5 \cdot 10^{-16})$.
  
'''(5)'''&nbsp; Richtig sind die <u> Lösungsvorschläge 1 und 2</u>:
 
*Wie aus der Grafik zu ersehen ist, trifft die letzte Aussage nicht zu im Gegensatz zu den ersten beiden.
 
*Aufgrund des langsamen, si–förmigen Abfalls der Spektralfunktion dominiert der Aliasingfehler.
 
*Der $\rm MQF$–Wert ist bei $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$ mit $1.4 \cdot 10^{-5}$ deshalb deutlich größer als beim Gaußimpuls $(1.5 \cdot 10^{-16})$.
 
  
  
'''(6)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
'''(6)'''&nbsp;  <u>Proposed solution 3</u> is correct:
*Die Spektralfunktion $X_3(f)$ hat hier einen rechteckförmigen Vorlauf, so dass die beiden ersten Aussagen nicht zutreffen.  
+
*The spectral function&nbsp; $X_3(f)$&nbsp; here has a rectangular lead, so that the first two statements do not apply.  
*Dagegen ist bei dieser si–förmigen Zeitfunktion ein Abbruchfehler unvermeidbar. Dieser führt zu den angegebenen großen MQF–Werten.  
+
*On the other hand, a truncation error is unavoidable with this&nbsp; $\rm sinc$–shaped time function.&nbsp; This leads to the large&nbsp; $\rm MQF$ values given.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
 
__NOEDITSECTION__
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^5. Zeit- und frequenzdiskrete Signaldarstellung^]]
+
[[Category:Signal Representation: Exercises|^5.3 Possible DFT Errors^]]

Latest revision as of 16:14, 17 May 2021

Gaussian pulse, square pulse,
sinc pulse and some parameters

We consider three pulses, namely

  • Gaussian pulse  with amplitude  $A$  and equivalent duration  $T$:
$$x_1(t) = A \cdot {\rm e}^{- \pi (t/T)^2} \hspace{0.05cm},$$
  • rectangular pulse  $x_2(t)$  with amplitude  $A$  and (equivalent) duration  $T$:
$$x_2(t) = \left\{ \begin{array}{c} A \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} |t| < T/2 \hspace{0.05cm}, \\ |t| > T/2 \hspace{0.05cm}, \\ \end{array}$$
  • a so called  "sinc pulse"  according to the following definition:
$$x_3(t) = A \cdot {\rm sinc}(t/ T) ,\hspace{0.15cm}{\rm sinc}(x) = \sin(\pi x)/(\pi x)\hspace{0.05cm}.$$

Let the signal parameters be  $A = 1\ {\rm V}$  and  $T = 1\ {\rm ms}$ in each case.

The conventional  Fourier transform  leads to the following spectral functions:

  • $X_1(f)$  is also Gaussian,
  • $X_2(f)$  runs according to the  $\rm sinc$ function,
  • $X_3(f)$  is constant for  $|f| < 1/(2 T)$  and outside zero.


For all spectral functions,  $X(f = 0) = A \cdot T$.

If the discrete-frequency spectrum is determined by the  Discrete Fourier Transform  $\rm (DFT)$  with the DFT parameters

  • $N = 512$   ⇒   number of samples considered in the time and frequency domain,
  • $f_{\rm A}$   ⇒   interpolation distance in the frequency domain,


this will lead to distortions due to truncation and/or aliasing errors.


The other DFT parameters are clearly fixed withn  $N$  and  $f_{\rm A}$.  The following applies to these:

$$f_{\rm P} = N \cdot f_{\rm A},\hspace{0.3cm}T_{\rm P} = 1/f_{\rm A},\hspace{0.3cm}T_{\rm A} = T_{\rm P}/N \hspace{0.05cm}.$$

The accuracy of the respective DFT approximation is captured by the  "mean square error"  $\rm (MSE)$. 
Here, we use the designation  $\rm MQF$   ⇒   (German:  "Mittlerer Quadratischer Fehler"):

$${\rm MQF} = \frac{1}{N}\cdot \sum_{\mu = 0 }^{N-1} \left|X(\mu \cdot f_{\rm A})-\frac{D(\mu)}{f_{\rm A}}\right|^2 \hspace{0.05cm}.$$

The resulting MQF values are given in the graph above, valid for  $N = 512$  as well as for

  • $f_{\rm A} \cdot T = 1/4$,
  • $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$,
  • $f_{\rm A} \cdot T = 1/16$.





Hints:



Questions

1

Which range  $|f| \leq f_{\text{max}}$  is covered with  $N = 512$  and  $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$ ?

$f_{\text{max}} \cdot T\ = \ $

2

At what time interval  $T_{\rm A}$  are the sampled values of  $x(t)$  available?

$T_{\rm A}/T\ = \ $

3

Due to which effect does the MQF value for the Gaussian pulse increase when using   $f_{\rm A} \cdot T = 1/4$  instead of  $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$?

The truncation error is significantly increased.
The aliasing error is significantly increased.

4

Due to what effect does the MQF value for the Gaussian pulse increase when using  $f_{\rm A} \cdot T = 1/16$  instead of $f_{\rm A} \cdot T = 1/4$?

The truncation error is significantly increased.
The aliasing error is significantly increased.

5

Compare the  $\rm MQF$  values of the rectangular pulse  $x_2(t)$  with those of the Gaussian pulse  $x_1(t)$.  Which of the following statements are true?

$\rm MQF$  becomes larger because the spectral function  $X_2(f)$  decays asymptotically slower than  $X_1(f)$.
The aliasing error dominates.
The truncation error dominates.

6

Compare the  $\rm MQF$  values of the "sinc pulse"  $x_3(t)$  with those of the Gaussian pulse  $x_1(t)$.  Which of the following statements are true?

$\rm MQF$  becomes larger because the spectral function  $X_3(f)$  decays asymptotically slower than  $X_1(f)$.
The aliasing error dominates.
The truncation error dominates.


Solution

(1)  With the DFT parameters  $N = 512$  and  $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$  the following follows after multiplying the two quantities:

$$f_{\rm P} \cdot T = N \cdot (f_{\rm A} \cdot T) = 64.$$
  • This covers the frequency range  $-f_{\rm P}/2 \leq f < +f_{\rm P}/2$:
$$f_{\rm max }\cdot T \hspace{0.15 cm}\underline{= 32}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  The periodisation of the time function is based on the parameter  $T_{\rm P} = 1/f_{\rm A} = 8T$.

  • The distance between two samples is therefore
$$T_{\rm A}/T = \frac{T_{\rm P}/T}{N} = \frac{8}{512}\hspace{0.15 cm}\underline{ = 0.015625}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  Correct is the proposed solution 1   ⇒   increase of the truncation error:

  • This measure simultaneously halves  $T_{\rm P}$  from  $8T$  to  $4T$ .
  • Thus, only samples in the range  $–2T \leq t < 2T$ are taken into account, which increases the truncation error.
  • The mean square error  $(\rm MQF)$  increases from  $0.15 \cdot 10^{-15}$  to  $8 \cdot 10^{-15}$ for the Gaussian pulse  $x_1(t)$, 
  • although the aliasing error actually decreases slightly by this measure.


(4)  Correct is the proposed solution 2   ⇒   increase of the aliasing error::

  • By halving  $f_{\rm A}$  ⇒   $f_{\rm P}$  is also halved.
  • As a result, the aliasing error becomes somewhat larger with a smaller truncation error at the same time.
  • Overall, for the Gaussian pulse  $x_1(t)$, the mean square error  $(\rm MQF)$  increases from  $1.5 \cdot 10^{-16}$  to  $3.3 \cdot 10^{-16}$.


(5)  Proposed solutions 1 and 2 are correct:

  • As can be seen from the graph, the last statement is not true in contrast to the first two.
  • Due to the slow  ($\rm sinc$–shaped)  decay of the spectral function, the aliasing error dominates.
  • The  $\rm MQF$ value at  $f_{\rm A} \cdot T = 1/8$  with  $1.4 \cdot 10^{-5}$  is therefore significantly larger than for the Gaussian pulse  $(1.5 \cdot 10^{-16})$.


(6)  Proposed solution 3 is correct:

  • The spectral function  $X_3(f)$  here has a rectangular lead, so that the first two statements do not apply.
  • On the other hand, a truncation error is unavoidable with this  $\rm sinc$–shaped time function.  This leads to the large  $\rm MQF$ values given.