Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.7: Synchronous Demodulator"

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[[File:P_ID529__Sig_A_3_7_neu.png|250px|right|Synchrondemodulator (Aufgabe A3.7)]]
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[[File:Sig_A_3_7_version2.png|right|frame|The spectral functions  $R(f)$  and  $Z_{\rm E}(f)$]]
  
Zur Rücksetzung eines amplitudenmodulierten Signals in den ursprünglichen Frequenzbereich verwendet man oft einen Synchrondemodulator.
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To reset an amplitude-modulated signal to the original frequency range, a  [[Modulation_Methods/Synchrondemodulation#Blockschaltbild_und_Zeitbereichsdarstellung|"Synchronous Demodulator"]]  is often used:
Dieser multipliziert das AM-Eingangssignal r(t) mit einem empfangsseitigen Trägersignal zE(t), das sowohl hinsichtlich der Frequenz fT als auch der Phase φT mit dem sendeseitigen Trägersignal zS(t) übereinstimmen sollte.
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*This multiplies the AM input signal  $r(t)$  with a carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side, which should match the carrier signal  $z_{\rm S}(t)$  on the transmitter side with regard to both frequency  $f_{\rm T}$  and phase  $\varphi_{\rm T}$.
Anschließend folgt ein rechteckförmiger Tiefpass zur Eliminierung aller spektralen Anteile oberhalb der Trägerfrequenz fT. Das Ausgangssignal des Synchrondemodulators nennen wir υ(t).
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*This is followed by a rectangular low-pass filter to eliminate all spectral components above the carrier frequency  $f_{\rm T}$.   We call the output signal of the synchronous demodulator  $v(t)$.
Das oben skizzierte Spektrum R(f) des Empfangssignals r(t) ist durch Zweiseitenband–Amplitudenmodulation eines sinusförmigen Quellensignals q(t) mit der Frequenz 5 kHz und der Amplitude 8 V entstanden. Als sendeseitiges Trägersignal zS(t) wurde ein Cosinussignal mit der Frequenz 30 kHz verwendet.
 
Das Spektrum des empfangsseitigen Trägersignals zE(t) besteht entsprechend der unteren Skizze aus zwei Diraclinien, jeweils mit dem Gewicht A/2. Da zE(t) keine Einheit beinhalten soll, sind auch die Gewichte der Diracfunktionen dimensionslos.
 
Hinweis: Die Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen entsprechend Kapitel 3.4, insbesondere auf die Seite Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion.
 
  
===Fragebogen===
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The spectrum  $R(f)$  of the received signal  $r(t)$  sketched above is produced by  "Two-sideband Amplitude Modulation"  of a sinusoidal source signal  $q(t)$  with the frequency  $5\,\text{kHz}$  and the amplitude  $8\,\text{V}$.  A cosine signal  $z_{\rm S}(t)$  with the frequency  $30\,\text{kHz}$  was used as the transmission-side carrier signal.
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The spectrum of the carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side consists of two Dirac deltalines according to the sketch below, each with the weight  $A/2$.  Since  $z_{\rm E}(t)$  is not to contain a unit, the weights of the Dirac functions are also dimensionless.
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the  chapter  [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|The Convolution Theorem and Operation]].
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*Important information can be found on the page  [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Convolution_of_a_function_with_a_Dirac_function|Convolution of a function with a Dirac function]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Es gelte fT = 30 kHz und A = 1. Berechnen Sie das Ausgangssignal υ(t). Welcher Signalwert tritt zum Zeitpunkt t = 50 µs auf?
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{Let $f_{\rm T} = 30\,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $A=1$.&nbsp; Calculate the output signal&nbsp; $v(t)$. <br>What signal value occurs at time&nbsp; $t = 50\, {\rm  &micro;} \text{s}$?  
 
|type="{}"}
 
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$v(t=50 \mu \text{s}) =$ { 4 } V
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$v(t = 50\, µ\text{s})\ = \ $ { 4 3% } &nbsp;$\text{V}$
  
{Wie groß muss die Amplitude des empfangsseitigen Trägersignals zE(t) gewählt werden, damit υ(t) = q(t) gilt?
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{How large must the amplitude of the carrier signal&nbsp; $z_{\rm E}(t)$&nbsp; on the receiver side be chosen so that&nbsp; $v(t) = q(t)$&nbsp; is valid?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$A =$ { 2 }
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$A\ = \ $ { 2 3% }
  
{Berechnen Sie das Ausgangssignal υ(t) unter den Voraussetzungen A = 2 und fT = 31 kHz. Welcher Signalwert tritt zum Zeitpunkt t = 50 µs auf?
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{Calculate the output signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; under the conditions&nbsp; $A = 2$&nbsp; and $f_{\rm T} = 31\,\text{kHz}$. <br>What signal value occurs at time&nbsp; $ t = 50\, µ\text{s}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$v(t=50 \mu \text{s}) =$ { 7.608 } V
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$v(t = 50\, µ\text{s})\ = \ $ { 7.608 3% } &nbsp;$\text{V}$
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
  
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' a)  Benennen wir das Signal nach dem Multiplizierer mit m(t) = r(t) · zE(t), so ergibt sich das zugehörige Spektrum M(f) als das Faltungsprodukt aus R(f) und ZE(f). Die Faltung des Spektrums R(f) mit der rechten Diraclinie bei +30 kHz führt zu diskreten Spektrallinien bei –5 kHz, 5 kHz, 55 kHz und 65 kHz. Diese sind alle imaginär und gegenüber den Impulsgewichten von R(f) um den Faktor A/2 = 0.5 kleiner. Die Faltung von R(f) mit dem Dirac bei –30 kHz ergibt Linien bei –65 kHz, –55 kHz, –5 kHz, 5 kHz.
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'''(1)'''&nbsp; If we name the signal after the multiplier with&nbsp; $m(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t)$, the corresponding spectrum&nbsp; $M(f)$&nbsp; is the convolution product of&nbsp; $R(f)$&nbsp; and&nbsp; $Z_{\rm E}(f)$.  
Durch Überlagerung der beiden Zwischenresultate und Berücksichtigung des Tiefpassfilters, der die Linien bei ±55 kHz und ±65 kHz unterdrückt, folgt somit für das Spektrum des Sinkensignals:
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*Convolution of the spectrum&nbsp; $R(f)$&nbsp; with the right Dirac delta line at&nbsp; $+30 \text{ kHz}$&nbsp; leads to discrete spectral lines at&nbsp;  $-\hspace{-0.08cm}5\, \text{kHz}$,&nbsp; $+5 \,\text{kHz}$,&nbsp; $+55 \,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $+65 \,\text{kHz}$.&nbsp; These are all imaginary and smaller than the impulse weights of&nbsp; $R(f)$&nbsp; by a factor of&nbsp; $A/2 = 0.5$.  
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*Convolution of&nbsp; $R(f)$&nbsp; with the Dirac at&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}30 \,\text{kHz}$&nbsp; yields lines at&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}65 \,\text{kHz}$,&nbsp; $-55 \,\text{kHz}$, $-5 \,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp;  $+5 \,\text{kHz}$.
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By superimposing the two intermediate results and taking into account the low-pass filter, which suppresses the lines at&nbsp; $\pm 55 \text{ kHz}$&nbsp; and&nbsp; $\pm 65 \text{ kHz}$&nbsp;, it thus follows for the spectrum of the sink signal:
 
   
 
   
$$V( f) =  - {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f - f_{\rm N} }) + {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f + f_{\rm N} } )\hspace{0.3cm}{\rm mit}\hspace{0.3cm}f_{\rm N} = 5\;{\rm kHz}.$$
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:$$V( f) =  - {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f - f_{\rm N} }) + {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f + f_{\rm N} } )\hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm}f_{\rm N} = 5\;{\rm kHz}.$$
  
Das Sinkensignal υ(t) ist also ein 5 kHz–Sinussignal mit der Amplitude 4 V. Der Zeitpunkt t = 50 µs entspricht einem Viertel der Periodendauer. Somit ist hier das Sinkensignal maximal, also 4 V.
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*The sink signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; is therefore a&nbsp; $5 \text{ kHz}$–sine signal with amplitude&nbsp; $4 \text{ V}$.  
b) Mit A = 1 ist υ(t) = q(t)/2. Dagegen sind mit A = 2 beide Signale gleich.
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*The time&nbsp; $t = 50\, µ\text{s}$&nbsp; corresponds to a quarter of the period&nbsp; $T_0 = 1/f_{\rm N} = 200\, µ\text{s}$.  
c) Die beiden Diraclinien bei ±fT haben nun jeweils das Gewicht 1. Alle nachfolgend genannten Spektrallinien sind imaginär und betragsmäßig gleich 2 V. Die Faltung von R(f) mit der rechten Diraclinie von zE(t) liefert Anteile bei –4 kHz (p: positiv), 6 kHz (n: negativ), 56 kHz (p) und 66 kHz (n).
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*Thus the sink signal is maximum here, i.e.&nbsp; $\underline{4 \text{ V}}$.
Dagegen führt die Faltung mit der linken Diracfunktion zu Spektrallinien bei –66 kHz (p), –56 kHz (n), –6 kHz (p) und 4 kHz (n), alle ebenfalls mit den (betragsmäßigen) Impulsgewichten 2 V. Unter Berücksichtigung des Tiefpasses verbleiben nur die vier Spektrallinien bei ±4 kHz und ±6 kHz. Das dazugehörige Zeitsignal lautet mit f4 = 4 kHz und f6 = 6 kHz:
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Zum Zeitpunkt t = 50 µs erhält man:
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'''(2)'''&nbsp; With&nbsp; $A = 1$&nbsp; the sink signal &nbsp; $v(t)$&nbsp; is only half as large as&nbsp;  $q(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; With&nbsp; $\underline{A = 2}$&nbsp; both signals would be equal.
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'''(3)'''&nbsp; The Dirac delta lines at&nbsp; $\pm f_{\rm T}$&nbsp; each have weight&nbsp; $1$.&nbsp; All spectral lines mentioned below are imaginary and equal in magnitude to&nbsp; $2 \text{ V}$.  
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*The convolution of&nbsp; $R(f)$&nbsp; with the right Diracl ine of&nbsp; $z_{\rm E}(t)$&nbsp;  yields components at&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}4\, \text{kHz (p: positive)}$,&nbsp;  $+6 \,\text{kHz (n: negative)}$, $+56 \,\text{kHz (p)}$&nbsp; and&nbsp; $+66 \,\text{kHz (n)}$.  
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*In contrast, the convolution with the left Dirac function leads to spectral lines at&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}66 \,\text{kHz (p)}$,&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}56 \,\text{kHz (n)}$,&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}6 \,\text{kHz (p)}$&nbsp; und&nbsp; $+4 \,\text{kHz (n)}$, all also with the (magnitude-related) impulse weights&nbsp; $2 \text{ V}$.  
 +
*Taking the low&ndash;pass into account, there are only the four spectral lines at&nbsp; $\pm 4 \,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $\pm 6 \,\text{kHz}$.  
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*The associated time signal is thus with&nbsp; $f_4 = 4 \,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $f_6 = 6 \,\text{kHz}$:
 
   
 
   
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:$$v( t ) = 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_4 t} ) + 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_6 t} ) \ne q( t ) = 8\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_5 t} ).$$
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*At time&nbsp; $t = 50\, µ\text{s}$&nbsp; one obtains:
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:$$v( t = 50\, µ\text{s}) = 4\;{\rm{V}} \cdot \big[ {\sin \big ( {0.4{\rm{\pi }}} ) + \sin ( {0.6{\rm{\pi }}} )} \big]\hspace{0.15 cm}\underline{ = 7.608\;{\rm{V}}}{\rm{.}}$$
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{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^3. Aperiodische Signale - Impulse^]]
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[[Category:Signal Representation: Exercises|^3.4 The Convolution Theorem^]]

Latest revision as of 14:19, 18 January 2023

The spectral functions  $R(f)$  and  $Z_{\rm E}(f)$

To reset an amplitude-modulated signal to the original frequency range, a  "Synchronous Demodulator"  is often used:

  • This multiplies the AM input signal  $r(t)$  with a carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side, which should match the carrier signal  $z_{\rm S}(t)$  on the transmitter side with regard to both frequency  $f_{\rm T}$  and phase  $\varphi_{\rm T}$.
  • This is followed by a rectangular low-pass filter to eliminate all spectral components above the carrier frequency  $f_{\rm T}$.  We call the output signal of the synchronous demodulator  $v(t)$.


The spectrum  $R(f)$  of the received signal  $r(t)$  sketched above is produced by  "Two-sideband Amplitude Modulation"  of a sinusoidal source signal  $q(t)$  with the frequency  $5\,\text{kHz}$  and the amplitude  $8\,\text{V}$.  A cosine signal  $z_{\rm S}(t)$  with the frequency  $30\,\text{kHz}$  was used as the transmission-side carrier signal.

The spectrum of the carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side consists of two Dirac deltalines according to the sketch below, each with the weight  $A/2$.  Since  $z_{\rm E}(t)$  is not to contain a unit, the weights of the Dirac functions are also dimensionless.





Hints:



Questions

1

Let $f_{\rm T} = 30\,\text{kHz}$  and  $A=1$.  Calculate the output signal  $v(t)$.
What signal value occurs at time  $t = 50\, {\rm µ} \text{s}$?

$v(t = 50\, µ\text{s})\ = \ $

 $\text{V}$

2

How large must the amplitude of the carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side be chosen so that  $v(t) = q(t)$  is valid?

$A\ = \ $

3

Calculate the output signal  $v(t)$  under the conditions  $A = 2$  and $f_{\rm T} = 31\,\text{kHz}$.
What signal value occurs at time  $ t = 50\, µ\text{s}$?

$v(t = 50\, µ\text{s})\ = \ $

 $\text{V}$


Solution

(1)  If we name the signal after the multiplier with  $m(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t)$, the corresponding spectrum  $M(f)$  is the convolution product of  $R(f)$  and  $Z_{\rm E}(f)$.

  • Convolution of the spectrum  $R(f)$  with the right Dirac delta line at  $+30 \text{ kHz}$  leads to discrete spectral lines at  $-\hspace{-0.08cm}5\, \text{kHz}$,  $+5 \,\text{kHz}$,  $+55 \,\text{kHz}$  and  $+65 \,\text{kHz}$.  These are all imaginary and smaller than the impulse weights of  $R(f)$  by a factor of  $A/2 = 0.5$.
  • Convolution of  $R(f)$  with the Dirac at  $-\hspace{-0.08cm}30 \,\text{kHz}$  yields lines at  $-\hspace{-0.08cm}65 \,\text{kHz}$,  $-55 \,\text{kHz}$, $-5 \,\text{kHz}$  and  $+5 \,\text{kHz}$.


By superimposing the two intermediate results and taking into account the low-pass filter, which suppresses the lines at  $\pm 55 \text{ kHz}$  and  $\pm 65 \text{ kHz}$ , it thus follows for the spectrum of the sink signal:

$$V( f) = - {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f - f_{\rm N} }) + {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f + f_{\rm N} } )\hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm}f_{\rm N} = 5\;{\rm kHz}.$$
  • The sink signal  $v(t)$  is therefore a  $5 \text{ kHz}$–sine signal with amplitude  $4 \text{ V}$.
  • The time  $t = 50\, µ\text{s}$  corresponds to a quarter of the period  $T_0 = 1/f_{\rm N} = 200\, µ\text{s}$.
  • Thus the sink signal is maximum here, i.e.  $\underline{4 \text{ V}}$.


(2)  With  $A = 1$  the sink signal   $v(t)$  is only half as large as  $q(t)$   ⇒   With  $\underline{A = 2}$  both signals would be equal.


(3)  The Dirac delta lines at  $\pm f_{\rm T}$  each have weight  $1$.  All spectral lines mentioned below are imaginary and equal in magnitude to  $2 \text{ V}$.

  • The convolution of  $R(f)$  with the right Diracl ine of  $z_{\rm E}(t)$  yields components at  $-\hspace{-0.08cm}4\, \text{kHz (p: positive)}$,  $+6 \,\text{kHz (n: negative)}$, $+56 \,\text{kHz (p)}$  and  $+66 \,\text{kHz (n)}$.
  • In contrast, the convolution with the left Dirac function leads to spectral lines at  $-\hspace{-0.08cm}66 \,\text{kHz (p)}$,  $-\hspace{-0.08cm}56 \,\text{kHz (n)}$,  $-\hspace{-0.08cm}6 \,\text{kHz (p)}$  und  $+4 \,\text{kHz (n)}$, all also with the (magnitude-related) impulse weights  $2 \text{ V}$.
  • Taking the low–pass into account, there are only the four spectral lines at  $\pm 4 \,\text{kHz}$  and  $\pm 6 \,\text{kHz}$.
  • The associated time signal is thus with  $f_4 = 4 \,\text{kHz}$  and  $f_6 = 6 \,\text{kHz}$:
$$v( t ) = 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_4 t} ) + 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_6 t} ) \ne q( t ) = 8\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_5 t} ).$$
  • At time  $t = 50\, µ\text{s}$  one obtains:
$$v( t = 50\, µ\text{s}) = 4\;{\rm{V}} \cdot \big[ {\sin \big ( {0.4{\rm{\pi }}} ) + \sin ( {0.6{\rm{\pi }}} )} \big]\hspace{0.15 cm}\underline{ = 7.608\;{\rm{V}}}{\rm{.}}$$