Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 5.3Z: Zero-Padding"

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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_ID1146__Sig_Z_5_3_neu.png|right|frame|$\rm MQF$–Werte abhängig von $T_{\rm A} /T$ und $N$]]
+
[[File:P_ID1146__Sig_Z_5_3_neu.png|right|frame|$\rm MQF$ values as a function <br>of&nbsp; $T_{\rm A} /T$&nbsp; and&nbsp; $N$]]
Wir betrachten die DFT eines Rechteckimpulses $x(t)$ der Höhe $A =1$ und der Dauer $T$. Damit hat die Spektralfunktion $X(f)$ einen $\sin(f)/f$–förmigen Verlauf.
+
We consider the DFT of a rectangular pulse&nbsp; $x(t)$&nbsp; of height&nbsp; $A =1$&nbsp; and duration&nbsp; $T$.&nbsp; Thus the spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; has a&nbsp; $\sin(f)/f$–shaped course.
  
Für diesen Sonderfall soll der Einfluss des DFT–Parameters $N$ analysiert werden, wobei der Stützstellenabstand im Zeitbereich stets $T_{\rm A} = 0.01T$ bzw. $T_{\rm A} = 0.05T$ betragen soll.
+
For this special case the influence of the DFT parameter&nbsp; $N$&nbsp; is to be analyzed, whereby the interpolation point distance in the time domain should always be&nbsp; $T_{\rm A} = 0.01T$&nbsp; or&nbsp; $T_{\rm A} = 0.05T$.
 +
 
 +
The resulting values for the "mean square error"&nbsp; $\rm (MSE)$&nbsp; of the grid values in the frequency domain are given opposite for different values of &nbsp; $N$.&nbsp; Here, we use instead of&nbsp; $\rm MSE$&nbsp; the designation&nbsp; $\rm MQF$ &nbsp; &rArr; &nbsp; (German:&nbsp; "Mittlerer Quadratischer Fehler"):
  
Nebenstehend sind für unterschiedliche Werte von $N$ die sich ergebenden Werte für den ''mittleren quadratischen Fehler'' (MQF) der Stützwerte im Frequenzbereich angegeben:
 
 
:$${\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}.$$
Für $T_A/T = 0.01$ sind somit stets $101$ der DFT–Koeffizienten $d(ν)$ von Null verschieden.
+
Thus, for&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.01$&nbsp;,&nbsp; $101$&nbsp; of the DFT coefficients&nbsp; $d(ν)$&nbsp; are always different from zero.
  
:* Davon besitzen $99$ den Wert $1$ und die beiden Randkoeffizienten sind jeweils gleich $0.5$.
+
:* Of these, &nbsp; $99$&nbsp;  have the value&nbsp; $1$&nbsp; and the two marginal coefficients are each equal to&nbsp; $0.5$.
  
:* Vergrößert man $N$, so wird das DFT–Koeffizientenfeld mit Nullen aufgefüllt.  
+
:* If&nbsp; $N$&nbsp; is increased, the DFT coefficient field is filled with zeros.
  
:*Man spricht dann von ''„Zero–Padding”''.
+
:*This is then referred to as&nbsp; $\text{zero padding}$.
  
  
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''Hinweise:''  
+
''Hints:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Signaldarstellung/Fehlermöglichkeiten_bei_Anwendung_der_DFT|Fehlermöglichkeiten bei Anwendung der DFT]].
+
*This task belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Possible_Errors_When_Using_DFT|Possible errors when using DFT]].
 
   
 
   
*Die Theorie zu diesem Kapitel ist im Lernvideo [[Fehlermöglichkeiten_bei_Anwendung_der_DFT_(Lernvideo)|Fehlermöglichkeiten bei Anwendung der DFT]] zusammengefasst.
+
*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".
 +
 
  
  
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===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen können aus den angegebenen MQF-Werten (gültig für $T_{\rm A}/T = 0.01$ und $N ≥ 128$) abgeleitet werden?
+
{Which statements can be derived from the given MQF values&nbsp; $($valid for&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.01$&nbsp; and&nbsp; $N ≥ 128)$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Der $\rm MQF$–Wert ist hier nahezu unabhängig von $N$.
+
+ The&nbsp; $\rm MQF$ value here is almost independent of&nbsp; $N$.
- Der $\rm MQF$–Wert wird durch den Abbruchfehler bestimmt.
+
- The&nbsp; $\rm MQF$ value is determined by the truncation error.
+ Der $\rm MQF$–Wert wird durch den Aliasingfehler bestimmt.
+
+ The&nbsp; $\rm MQF$ value is determined by the aliasing error.
  
  
{Es gelte $T_{\rm A}/T = 0.01$. Wie groß ist der Abstand $f_{\rm A}$ benachbarter Abtastwerte im Frequenzbereich für $N = 128$ und $N = 512$?
+
{Let&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.01$.&nbsp; What is the distance&nbsp; $f_{\rm A}$&nbsp; of adjacent samples in the frequency domain for&nbsp; $N = 128$&nbsp; and&nbsp; $N = 512$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$N = 128$: &nbsp; &nbsp;  $f_{\rm A} \cdot T \ = \ $  { 0.781 3% }
 
$N = 128$: &nbsp; &nbsp;  $f_{\rm A} \cdot T \ = \ $  { 0.781 3% }
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{Was sagt das Produkt $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$ hinsichtlich der DFT–Qualität aus?
+
{What does the product&nbsp; $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$&nbsp; indicate in terms of DFT quality?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Das Produkt $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$ berücksichtigt die Genauigkeit und die Dichte der DFT–Werte.
+
+ The product&nbsp; $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$&nbsp; considers the accuracy and density of the DFT values.
- Das Produkt $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$ sollte möglichst groß sein.
+
- The product&nbsp; $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$&nbsp; should be as large as possible.
 
 
  
{Es wird nun $N = 128$ fest vorgegeben. Welche Aussagen gelten für den Vergleich der DFT–Ergebnisse mit $T_{\rm A}/T = 0.01$ und $T_{\rm A}/T = 0.05$ ?
+
{&nbsp; $N = 128$&nbsp; is now fixed.&nbsp; Which statements apply to the comparison of the DFT results with&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.01$&nbsp; und&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$ ?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Mit $T_{\rm A}/T = 0.05$ erhält man eine feinere Frequenzauflösung.
+
+ With&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp; you get a finer frequency resolution.
- Mit $T_{\rm A}/T = 0.05$ ist der $\rm MQF$–Wert kleiner.
+
- With&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp; the&nbsp; $\rm MQF$ value is smaller.
- Mit $T_{\rm A}/T = 0.05$ nimmt der Einfluss des Abbruchfehlers ab.
+
- With&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp; the influence of the truncation error decreases.
+ Mit $T_{\rm A}/T = 0.05$ wächst der Einfluss des Aliasingfehlers.
+
+ With&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp; the influence of the aliasing error increases.
  
  
{Welche Aussagen treffen dagegen für den Vergleich der DFT–Ergebnisse mit $T_{\rm A}/T = 0.01$ und $T_{\rm A}/T = 0.05$ bei $N = 64$ zu?
+
{Now&nbsp; $N = 64$.&nbsp; Which statements are true for the comparison of the DFT results with&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.01$&nbsp; und&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Mit $T_{\rm A}/T = 0.05$ erhält man eine feinere Frequenzauflösung.
+
+ With&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp; you get a finer frequency resolution.
+ Mit $T_{\rm A}/T = 0.05$ ist der $\rm MQF$–Wert kleiner.
+
+ With&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp; the&nbsp; $\rm MQF$ value is smaller.
+ Mit $T_{\rm A}/T = 0.05$ nimmt der Einfluss des Abbruchfehlers ab.
+
+ With&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp; the influence of the truncation error decreases.
+ Mit $T_{\rm A}/T = 0.05$ wächst der Einfluss des Aliasingfehlers.
+
+ With&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp; the influence of the aliasing error increases.
  
  
Line 74: Line 75:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1 und 3</u>:
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'''(1)'''&nbsp;  <u>Proposed solutions 1 and 3</u> are correct:
*Bereits mit $N = 128$ ist $T_{\rm P} = 1.28 \cdot T$, also größer als die Breite des Rechtecks.  
+
*Already with&nbsp; $N = 128$,&nbsp; $T_{\rm P} = 1.28 \cdot T$, i.e. larger than the width of the rectangle.
*Somit spielt hier der Abbruchfehler überhaupt keine Rolle.  
+
*Thus the truncation error plays no role at all here.  
*Der $\rm MQF$–Wert wird allein durch den Aliasingfehler bestimmt.  
+
*The&nbsp; $\rm MQF$ value is determined solely by the aliasing error.  
*Die Zahlenwerte bestätigen eindeutig, dass $\rm MQF$ (nahezu) unabhängig von $N$ ist.  
+
*The numerical values clearly confirm that&nbsp; $\rm MQF$&nbsp;  is (almost) independent of&nbsp; $N$.  
 +
 
 +
 
 +
 
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'''(2)'''&nbsp;  From&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.01$&nbsp; follows&nbsp; $f_{\rm P} \cdot T = 100$.
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*The supporting values of&nbsp; $X(f)$ thus lie in the range&nbsp; $–50 ≤ f \cdot T < +50$.
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*For the distance between two samples in the frequency range, &nbsp; $f_{\rm A} = f_{\rm P}/N$ applies. This gives the following results:
 +
:*$N = 128$: &nbsp; $f_{\rm A} \cdot T \; \underline{\approx 0.780}$,
 +
:*$N = 512$: &nbsp; $f_{\rm A} \cdot T \; \underline{\approx 0.195}$.
 +
 
  
  
'''(2)'''&nbsp;  Aus $T_{\rm A}/T = 0.01$ folgt $f_{\rm P} \cdot T = 100$. Die Stützwerte von $X(f)$ liegen also im Bereich $–50 ≤ f \cdot T < +50$. Für den Abstand zweier Abtastwerte im Frequenzbereich gilt $f_{\rm A} = f_{\rm P}/N$. Daraus ergeben sich folgende Ergebnisse:
+
'''(3)'''&nbsp;  The <u>first statement</u> is correct:
*$N = 128$: &nbsp; $f_{\rm A} \cdot T \; \underline{\approx 0.780}$,
+
*For&nbsp; $N = 128$&nbsp;, the product is&nbsp; $\text{MQF} \cdot f_{\rm A} \approx 4.7 \cdot 10^{-6}/T$.&nbsp; For&nbsp; $N = 512$&nbsp;, the product is smaller by a factor of about&nbsp; $4$&nbsp;.
*$N = 512$: &nbsp; $f_{\rm A} \cdot T \; \underline{\approx 0.195}$.
+
*This means that&nbsp;„zero padding” does not achieve greater DFT accuracy, but a finer "resolution" of the frequency range.
 +
*The product&nbsp; $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$&nbsp; takes this fact into account; it should always be as small as possible.  
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Richtig ist die <u>erste Aussage</u>:
 
*Für $N = 128$ ergibt sich für das Produkt $\text{MQF} \cdot f_{\rm A} \approx 4.7 \cdot 10^{-6}/T$. Für $N = 512$ ist das Produkt etwa um den Faktor 4 kleiner.
 
*Das heißt: Durch „Zero–Padding” wird keine größere DFT-Genauigkeit erzielt, dafür aber eine feinere „Auflösung” des Frequenzbereichs.
 
*Das Produkt $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$ berücksichtigt diese Tatsache; es sollte stets möglichst klein sein.
 
  
 +
'''(4)'''&nbsp;  <u>Proposed solutions 1 and 4</u> are correct:
 +
*Because of&nbsp; $T_{\rm A} \cdot f_{\rm A} \cdot N = 1$&nbsp;, a constant&nbsp; $N$&nbsp; always results in a smaller&nbsp; $f_{\rm A}$&nbsp; value when&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; is increased.
 +
*From the table on the information page, one can see that the mean square error&nbsp; $\rm (MQF)$&nbsp; is significantly increased&nbsp; $($by a factor of about&nbsp; $400)$.
 +
*The effect is due to the aliasing error, since the transition from&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.01$&nbsp; auf&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.05$&nbsp; reduces the frequency period by a factor of&nbsp; $5$&nbsp;.
 +
*The truncation error, on the other hand, continues to play no role with the rectangular pulse as long as&nbsp; $T_{\rm P} = N \cdot T_{\rm A}$&nbsp; is greater than the pulse duration&nbsp; $T$.
  
'''(4)'''&nbsp;  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1 und 4</u>:
 
*Wegen $T_{\rm A} \cdot f_{\rm A} \cdot N = 1$ ergibt sich bei konstantem $N$ immer dann ein kleinerer $f_{\rm A}$–Wert, wenn man $T_{\rm A}$ vergrößert.
 
*Aus der Tabelle auf der Angabenseite erkennt man, dass damit der mittlere quadratische Fehler MQF signifikant (etwa um den Faktor $400$) vergrößert wird.
 
*Dieser Effekt ist auf die Zunahme des Aliasingfehlers zurückzuführen, da durch den Übergang von $T_{\rm A}/T = 0.01$ auf $T_{\rm A}/T = 0.05$ die Frequenzperiode um den Faktor $5$ kleiner wird.
 
*Der Abbruchfehler spielt dagegen  beim Rechteckimpuls weiterhin keine Rolle, solange $T_{\rm P} = N \cdot T_{\rm A}$ größer ist als die Impulsdauer $T$.
 
  
  
'''(5)'''&nbsp;  <u>Alle Aussagen treffen zu</u>:
+
'''(5)'''&nbsp;  <u>All statements are true</u>:
* Mit den Parameterwerten $N = 64$ und $T_{\rm A}/T = 0.01$ tritt ein extrem großer Abbruchfehler auf.  
+
*With the parameter values&nbsp; $N = 64$&nbsp; and&nbsp; $T_{\rm A}/T = 0.01$&nbsp;, an extremely large truncation error occurs.
*Alle Zeitkoeffizienten sind hier $1$, so dass die DFT fälschlicherweise ein Gleichsignal anstelle der Rechteckfunktion interpretiert.
+
*All time coefficients are&nbsp; $1$, so the DFT incorrectly interprets a DC signal instead of the rectangular function.
 
{{ML-Fuß}}
 
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__NOEDITSECTION__
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^5. Zeit- und frequenzdiskrete Signaldarstellung^]]
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[[Category:Signal Representation: Exercises|^5.3 Possible DFT Errors^]]

Latest revision as of 12:47, 22 September 2021

$\rm MQF$ values as a function
of  $T_{\rm A} /T$  and  $N$

We consider the DFT of a rectangular pulse  $x(t)$  of height  $A =1$  and duration  $T$.  Thus the spectral function  $X(f)$  has a  $\sin(f)/f$–shaped course.

For this special case the influence of the DFT parameter  $N$  is to be analyzed, whereby the interpolation point distance in the time domain should always be  $T_{\rm A} = 0.01T$  or  $T_{\rm A} = 0.05T$.

The resulting values for the "mean square error"  $\rm (MSE)$  of the grid values in the frequency domain are given opposite for different values of   $N$.  Here, we use instead of  $\rm MSE$  the designation  $\rm MQF$   ⇒   (German:  "Mittlerer Quadratischer Fehler"):

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

Thus, for  $T_{\rm A}/T = 0.01$ ,  $101$  of the DFT coefficients  $d(ν)$  are always different from zero.

  • Of these,   $99$  have the value  $1$  and the two marginal coefficients are each equal to  $0.5$.
  • If  $N$  is increased, the DFT coefficient field is filled with zeros.
  • This is then referred to as  $\text{zero padding}$.




Hints:




Questions

1

Which statements can be derived from the given MQF values  $($valid for  $T_{\rm A}/T = 0.01$  and  $N ≥ 128)$?

The  $\rm MQF$ value here is almost independent of  $N$.
The  $\rm MQF$ value is determined by the truncation error.
The  $\rm MQF$ value is determined by the aliasing error.

2

Let  $T_{\rm A}/T = 0.01$.  What is the distance  $f_{\rm A}$  of adjacent samples in the frequency domain for  $N = 128$  and  $N = 512$?

$N = 128$:     $f_{\rm A} \cdot T \ = \ $

$N = 512$:     $f_{\rm A} \cdot T \ = \ $

3

What does the product  $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$  indicate in terms of DFT quality?

The product  $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$  considers the accuracy and density of the DFT values.
The product  $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$  should be as large as possible.

4

  $N = 128$  is now fixed.  Which statements apply to the comparison of the DFT results with  $T_{\rm A}/T = 0.01$  und  $T_{\rm A}/T = 0.05$ ?

With  $T_{\rm A}/T = 0.05$  you get a finer frequency resolution.
With  $T_{\rm A}/T = 0.05$  the  $\rm MQF$ value is smaller.
With  $T_{\rm A}/T = 0.05$  the influence of the truncation error decreases.
With  $T_{\rm A}/T = 0.05$  the influence of the aliasing error increases.

5

Now  $N = 64$.  Which statements are true for the comparison of the DFT results with  $T_{\rm A}/T = 0.01$  und  $T_{\rm A}/T = 0.05$ ?

With  $T_{\rm A}/T = 0.05$  you get a finer frequency resolution.
With  $T_{\rm A}/T = 0.05$  the  $\rm MQF$ value is smaller.
With  $T_{\rm A}/T = 0.05$  the influence of the truncation error decreases.
With  $T_{\rm A}/T = 0.05$  the influence of the aliasing error increases.


Solution

(1)  Proposed solutions 1 and 3 are correct:

  • Already with  $N = 128$,  $T_{\rm P} = 1.28 \cdot T$, i.e. larger than the width of the rectangle.
  • Thus the truncation error plays no role at all here.
  • The  $\rm MQF$ value is determined solely by the aliasing error.
  • The numerical values clearly confirm that  $\rm MQF$  is (almost) independent of  $N$.


(2)  From  $T_{\rm A}/T = 0.01$  follows  $f_{\rm P} \cdot T = 100$.

  • The supporting values of  $X(f)$ thus lie in the range  $–50 ≤ f \cdot T < +50$.
  • For the distance between two samples in the frequency range,   $f_{\rm A} = f_{\rm P}/N$ applies. This gives the following results:
  • $N = 128$:   $f_{\rm A} \cdot T \; \underline{\approx 0.780}$,
  • $N = 512$:   $f_{\rm A} \cdot T \; \underline{\approx 0.195}$.


(3)  The first statement is correct:

  • For  $N = 128$ , the product is  $\text{MQF} \cdot f_{\rm A} \approx 4.7 \cdot 10^{-6}/T$.  For  $N = 512$ , the product is smaller by a factor of about  $4$ .
  • This means that „zero padding” does not achieve greater DFT accuracy, but a finer "resolution" of the frequency range.
  • The product  $\text{MQF} \cdot f_{\rm A}$  takes this fact into account; it should always be as small as possible.


(4)  Proposed solutions 1 and 4 are correct:

  • Because of  $T_{\rm A} \cdot f_{\rm A} \cdot N = 1$ , a constant  $N$  always results in a smaller  $f_{\rm A}$  value when  $T_{\rm A}$  is increased.
  • From the table on the information page, one can see that the mean square error  $\rm (MQF)$  is significantly increased  $($by a factor of about  $400)$.
  • The effect is due to the aliasing error, since the transition from  $T_{\rm A}/T = 0.01$  auf  $T_{\rm A}/T = 0.05$  reduces the frequency period by a factor of  $5$ .
  • The truncation error, on the other hand, continues to play no role with the rectangular pulse as long as  $T_{\rm P} = N \cdot T_{\rm A}$  is greater than the pulse duration  $T$.


(5)  All statements are true:

  • With the parameter values  $N = 64$  and  $T_{\rm A}/T = 0.01$ , an extremely large truncation error occurs.
  • All time coefficients are  $1$, so the DFT incorrectly interprets a DC signal instead of the rectangular function.