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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.7Z: Rectangular Signal with Echo"

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[[File:EN_Sig_Z_3_7.png|right|frame|Sendesignal s(t) & Signal r(t) mit Echo]]
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[[File:EN_Sig_Z_3_7.png|right|frame|Transmission signal&nbsp; s(t), and&nbsp; <br>reception signal&nbsp; r(t)&nbsp; with echo]]
Wir betrachten ein periodisches Rechtecksignal&nbsp; s(t)&nbsp; mit den möglichen Amplitudenwerten&nbsp; 0 V&nbsp; und&nbsp; 2 V&nbsp; und der Periodendauer&nbsp; T0=T=1 ms. Bei den Sprungstellen, zum Beispiel bei&nbsp; t=T/4, beträgt der Signalwert jeweils&nbsp; 1 V. Der Gleichanteil (also der Fourierkoeffizient&nbsp; A0)&nbsp; des Signals ist ebenfalls&nbsp; 1 V.  
+
We consider a periodic rectangular signal&nbsp; s(t)&nbsp; with the possible amplitude values&nbsp; 0 V&nbsp; and&nbsp; 2 V&nbsp; and the period duration&nbsp; T0=T=1 ms.&nbsp; At the jump points, e.g. at&nbsp; t=T/4, the signal value are&nbsp; 1 V.&nbsp; The DC component&nbsp; (i.e. the Fourier coefficient&nbsp; A0)&nbsp; of the signal is&nbsp; 1 V, too.  
  
Weiter gilt:
+
Further applies:
  
* Aufgrund der Symmetrie (gerade Funktion) sind alle Sinuskoeffizienten&nbsp; Bn=0.
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* Due to symmetry (even function), all sine coefficients&nbsp; Bn=0.
  
* Die Koeffizienten&nbsp; An&nbsp; mit geradzahligem&nbsp; n&nbsp; sind ebenfalls Null.
+
* The coefficients&nbsp; An&nbsp; with even&nbsp; n&nbsp; are also zero.
  
* Für ungeradzahlige Werte von&nbsp; n&nbsp; gilt hingegen:
+
* For odd values of&nbsp; n,&nbsp; the following applies:
 
:An=(1)(n1)/24Vnπ.
 
:An=(1)(n1)/24Vnπ.
  
Das Signal&nbsp; s(t)&nbsp; gelangt über zwei Wege zum Empfänger (siehe untere Skizze):  
+
The signal&nbsp; s(t)&nbsp; reaches the receiver via two paths (see sketch below):  
*Einmal auf dem direkten Pfad und zum zweiten über einen Nebenpfad.  
+
*Once on the direct path and secondly via a secondary path.
*Letzterer ist durch den Dämpfungsfaktor&nbsp; α&nbsp; und die Laufzeit&nbsp; τ&nbsp; gekennzeichnet.  
+
*The latter is characterised by the attenuation factor&nbsp; α&nbsp; and the transit time&nbsp; τ&nbsp;.
*Daher gilt für das Empfangssignal:
+
*Therefore, the following applies to the received signal:
 
:r(t)=s(t)+αs(tτ).
 
:r(t)=s(t)+αs(tτ).
Der Frequenzgang des Kanals ist&nbsp; H(f)=R(f)/S(f), die Impulsantwort wird mit&nbsp; h(t)&nbsp; bezeichnet.
+
The frequency response of the channel is&nbsp; H(f)=R(f)/S(f),&nbsp; the impulse response is denoted by&nbsp; h(t)&nbsp;.
  
  
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''Hinweise:''  
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''Hints:''  
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|Faltungssatz und Faltungsoperation]].
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|The Convolution Theorem and Operation]].
*Wichtige Informationen finden Sie insbesondere auf der Seite&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Faltung_einer_Funktion_mit_einer_Diracfunktion|Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion]].
+
*Important information can be found on the page&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Convolution_of_a_function_with_a_Dirac_function|Convolution of a function with a Dirac function]].
 
   
 
   
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen treffen hinsichtlich der Impulsantwort&nbsp; h(t)&nbsp; zu?
+
{Which statements are true regarding the impulse response&nbsp; h(t)?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Für&nbsp; 0t<τ&nbsp; gilt &nbsp;h(t)=1, für&nbsp; t>τ&nbsp; ist&nbsp; h(t)=1+α.
+
- For&nbsp; 0t<τ&nbsp; holds &nbsp;h(t)=1, and for&nbsp; t>τ&nbsp; holds &nbsp; h(t)=1+α.
+ Es gilt &nbsp;h(t)=δ(t)+αδ(tτ).
+
+ It holds that &nbsp;h(t)=δ(t)+αδ(tτ).
- h(t)&nbsp; hat einen gaußförmigen Verlauf.
+
- h(t)&nbsp; has a Gaussian shape.
  
  
{Berechnen Sie das Signal&nbsp; r(t)&nbsp; für die Kanalparameter&nbsp; α=0.5&nbsp; und&nbsp; τ=T/4. <br>Welche Werte ergeben sich zu den angegebenen Zeiten?
+
{Calculate the reception signal&nbsp; r(t)&nbsp; for the channel parameters&nbsp; α=0.5&nbsp; and&nbsp; τ=T/4. <br>What values result at the given times?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
r(t=0.2T) =   { 1 3% } &nbsp;V
 
r(t=0.2T) =   { 1 3% } &nbsp;V
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{Berechnen Sie das Signal&nbsp; r(t)&nbsp; mit&nbsp; α=1&nbsp; und&nbsp; τ=T/2. Interpretieren Sie das Ergebnis im Frequenzbereich. <br>Welcher Wert ergibt sich bei&nbsp; t=T/2?
+
{Calculate the reception signal&nbsp; r(t)&nbsp; with&nbsp; α=1&nbsp; and&nbsp; τ=T/2.&nbsp; Interpret the result in the frequency domain. <br>What value results for&nbsp; t=T/2?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
r(t=T/2) =  { 2 3% } &nbsp;V
 
r(t=T/2) =  { 2 3% } &nbsp;V
Line 59: Line 59:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Richtig ist der <u>zweite Lösungsvorschlag</u>:
+
'''(1)'''&nbsp;  The <u>second suggested solution</u> is correct:
*Die Impulsantwort ist gleich dem Empfangssignal&nbsp; r(t), wenn am Eingang ein einzelner Diracimpuls zum Zeitpunkt&nbsp; t=0&nbsp; anliegt:
+
*The impulse response is equal to the received signal&nbsp; r(t), if a single Dirac delta is present at the input at time&nbsp; t=0&nbsp;:
 
:h(t)=δ(t)+αδ(tτ).
 
:h(t)=δ(t)+αδ(tτ).
  
  
[[File:P_ID532__Sig_Z_3_7_b_neu.png|right|frame|Faltung von Rechtecksignal&nbsp; s(t)&nbsp; und Impulsantwort&nbsp; h(t)]]
+
[[File:P_ID532__Sig_Z_3_7_b_neu.png|right|frame|Convolution of square wave signal&nbsp; s(t)&nbsp; and impulse response&nbsp; h(t)]]
'''(2)'''&nbsp;   Es gilt&nbsp; r(t)=s(t)h(t). Diese Faltungsoperation lässt sich am einfachsten grafisch ausführen:
+
'''(2)'''&nbsp; It holds&nbsp; r(t)=s(t)h(t).&nbsp; This convolution operation is most easily performed graphically:
  
Die Werte des Empfangssignals lauten allgemein:
+
The values of the received signal are generally:
  
 
* 0.00<t/T<0.25:r(t)=+1 V,
 
* 0.00<t/T<0.25:r(t)=+1 V,
Line 77: Line 77:
  
  
Die gesuchten Werte sind somit
+
The values we are looking for are thus
 
:r(t=0.2T)=+1 V_,
 
:r(t=0.2T)=+1 V_,
 
:r(t=0.3·T)=1 V_.
 
:r(t=0.3·T)=1 V_.
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Bei ähnlicher Vorgehensweise wie unter '''(2)''' erhält man für $r(t)$ ein Gleichsignal von 2 V:  
+
'''(3)'''&nbsp;  Using a similar procedure as in&nbsp; '''(2)''',&nbsp; a direct signal&nbsp; $\rm (DC)$&nbsp; of&nbsp; $2\hspace{0.02cm}\text{ V}&nbsp; is obtained for&nbsp;r(t)$ :  
*Die Lücken im Signal s(t) werden durch das Echo s(tT/2) vollständig aufgefüllt.  
+
*The gaps in the signal&nbsp; s(t)&nbsp; are completely filled by the echo&nbsp; s(tT/2).
*Dieses Ergebnis lässt sich auch im Frequenzbereich ableiten.  
+
*This result can also be derived in the frequency domain.&nbsp; The channel frequency response is with&nbsp; α=1&nbsp; and&nbsp; τ=T/2:
*Der Kanalfrequenzgang lautet mit α=1 und τ=T/2:
 
 
:H(f)=1+1ejπfT=1+cos(πfT)jsin(πfT).
 
:H(f)=1+1ejπfT=1+cos(πfT)jsin(πfT).
*Das Eingangssignal s(t) hat außer dem Gleichanteil nur Anteile bei f=f0=1/T, f=3f0, f=5f0 usw..  
+
*Apart from the DC component, the input signal&nbsp; s(t)&nbsp; only has components at&nbsp; f=f0=1/T,&nbsp; f=3f0,&nbsp; f=5f0,&nbsp; etc..  
*Bei diesen Frequenzen sind aber sowohl der Real&ndash; als auch der Imaginärteil von H(f) gleich Null.  
+
*At these frequencies, however, both the real&ndash; and the imaginary part of&nbsp; H(f)&nbsp; are equal to zero.
*Damit erhält man für das Ausgangsspektrum mit A0=1 V und H(f=0)=2:
+
*Thus, for the output spectrum with&nbsp; A0=1 V&nbsp; and&nbsp; H(f=0)=2&nbsp; we obtain:
 
:R(f)=A0H(f=0)δ(f)=2Vδ(f).
 
:R(f)=A0H(f=0)δ(f)=2Vδ(f).
Die Fourierrücktransformation liefert damit ebenfalls r(t)=2 V= const_.
+
The inverse Fourier transformation thus also yields&nbsp; r(t)=2 V= const_.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
 
__NOEDITSECTION__
 
__NOEDITSECTION__
[[Category:Exercises for Signal Representation|^3.4 The Convolution Theorem^]]
+
[[Category:Signal Representation: Exercises|^3.4 The Convolution Theorem^]]

Latest revision as of 09:05, 26 May 2021

Transmission signal  s(t), and 
reception signal  r(t)  with echo

We consider a periodic rectangular signal  s(t)  with the possible amplitude values  0 V  and  2 V  and the period duration  T0=T=1 ms.  At the jump points, e.g. at  t=T/4, the signal value are  1 V.  The DC component  (i.e. the Fourier coefficient  A0)  of the signal is  1 V, too.

Further applies:

  • Due to symmetry (even function), all sine coefficients  Bn=0.
  • The coefficients  An  with even  n  are also zero.
  • For odd values of  n,  the following applies:
An=(1)(n1)/24Vnπ.

The signal  s(t)  reaches the receiver via two paths (see sketch below):

  • Once on the direct path and secondly via a secondary path.
  • The latter is characterised by the attenuation factor  α  and the transit time  τ .
  • Therefore, the following applies to the received signal:
r(t)=s(t)+αs(tτ).

The frequency response of the channel is  H(f)=R(f)/S(f),  the impulse response is denoted by  h(t) .





Hints:


Questions

1

Which statements are true regarding the impulse response  h(t)?

For  0t<τ  holds  h(t)=1, and for  t>τ  holds   h(t)=1+α.
It holds that  h(t)=δ(t)+αδ(tτ).
h(t)  has a Gaussian shape.

2

Calculate the reception signal  r(t)  for the channel parameters  α=0.5  and  τ=T/4.
What values result at the given times?

r(t=0.2T) = 

 V
r(t=0.3T) = 

 V

3

Calculate the reception signal  r(t)  with  α=1  and  τ=T/2.  Interpret the result in the frequency domain.
What value results for  t=T/2?

r(t=T/2) = 

 V


Solution

(1)  The second suggested solution is correct:

  • The impulse response is equal to the received signal  r(t), if a single Dirac delta is present at the input at time  t=0 :
h(t)=δ(t)+αδ(tτ).


Convolution of square wave signal  s(t)  and impulse response  h(t)

(2)  It holds  r(t)=s(t)h(t).  This convolution operation is most easily performed graphically:

The values of the received signal are generally:

  • 0.00<t/T<0.25:r(t)=+1 V,
  • 0.25<t/T<0.50:r(t)=1 V,
  • 0.50<t/T<0.75:r(t)=0 V,
  • 0.75<t/T<1.00:r(t)=+2 V.


The values we are looking for are thus

r(t=0.2T)=+1 V_,
r(t=0.3·T)=1 V_.


(3)  Using a similar procedure as in  (2),  a direct signal  (DC)  of  2 V  is obtained for  r(t) :

  • The gaps in the signal  s(t)  are completely filled by the echo  s(tT/2).
  • This result can also be derived in the frequency domain.  The channel frequency response is with  α=1  and  τ=T/2:
H(f)=1+1ejπfT=1+cos(πfT)jsin(πfT).
  • Apart from the DC component, the input signal  s(t)  only has components at  f=f0=1/Tf=3f0f=5f0,  etc..
  • At these frequencies, however, both the real– and the imaginary part of  H(f)  are equal to zero.
  • Thus, for the output spectrum with  A0=1 V  and  H(f=0)=2  we obtain:
R(f)=A0H(f=0)δ(f)=2Vδ(f).

The inverse Fourier transformation thus also yields  r(t)=2 V= const_.