Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.2Z: About the Sampling Theorem"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Pulscodemodulation
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{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1610__Mod_Z_4_2.png|right|]]
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[[File:P_ID1610__Mod_Z_4_2.png|right|frame|Harmonic oscillations of different phase]]
Das Abtasttheorem besagt, dass die Abtastfrequenz $f_A = 1/T_A$ mindestens doppelt so groß sein muss wie die größte im Quellensignal $q(t)$ enthaltene Frequenz $f_{N,max}$:
+
The  [[Signal_Representation/Discrete-Time_Signal_Representation#Sampling_theorem|sampling theorem]]  states that the sampling frequency  $f_{\rm A} = 1/T_{\rm A}$  must be at least twice as large as the largest frequency  $f_\text {N, max}$  contained in the source signal  $q(t)$:
$$f_{\rm A} \ge 2 \cdot f_{\rm N,\hspace{0.05cm}max}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm A} \le \frac{1}{2 \cdot f_{\rm N, \hspace{0.05cm}max}}\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$f_{\rm A} \ge 2 \cdot f_{\rm N,\hspace{0.05cm}max}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm A} \le \frac{1}{2 \cdot f_{\rm N, \hspace{0.05cm}max}}\hspace{0.05cm}.$$
Wird diese Bedingung erfüllt, so kann beim Empfänger das Nachrichtensignal durch einen rechteckförmigen (idealen) Tiefpass mit dem Frequenzgang
+
If this condition is met,  then at the receiver the message signal can be passed through a rectangular  (ideal)  low-pass filter with frequency response
$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} 1 \\ 1/2 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| < f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| = f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| > f_{\rm G}} \\ \end{array}$$
+
:$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} 1 \\ 1/2 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| < f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| = f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| > f_{\rm G}} \\ \end{array}$$
vollständig rekonstruiert werden, das heißt, es gilt dann $υ(t) = q(t)$. Die Grenzfrequenz $f_G$ ist dabei gleich der halben Abtastfrequenz zu wählen. Das Gleichheitszeichen gilt allgemein nur dann, wenn das Spektrum $Q(f)$ keine diskrete Spektrallinie bei der Frequenz $f_{N, max}$ beinhaltet.
+
can be completely reconstructed, that is, it is then&nbsp; $v(t) = q(t)$.  
 +
*The cutoff frequency&nbsp; $f_{\rm G}$&nbsp; is to be chosen equal to half the sampling frequency.  
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*The equal sign is generally valid only if the spectrum&nbsp; $Q(f)$&nbsp; does not contain a discrete spectral line at frequency&nbsp; $f_\text {N, max}$.
  
In dieser Aufgabe werden drei verschiedene Quellensignale betrachtet, die sich jeweils als harmonische Schwingung
 
$$q(t) = A \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm N} \cdot t - \varphi)$$
 
mit der Amplitude $A = 1 V$ und der Frequenz $f_N = 5 kHz$ darstellen lassen. Für die Spektralfunktion $Q(f)$ aller dargestellten Zeitsignale gilt allgemein:
 
$$Q(f) = \frac{A}{2} \cdot \delta (f- f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}+ \frac{A}{2} \cdot \delta (f+ f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{+{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}\hspace{0.05cm}.$$
 
Die in der Grafik skizzierten Schwingungen unterscheiden sich allein durch die Phase $φ$:
 
:* $φ_1 = 0$ ⇒ Cosinussignal $q_1(t)$,
 
:* $φ_2 = π/2 (= 90°)$ ⇒ Sinussignal $q_2(t)$,
 
:* $φ_3 = π/4 (= 45°)$ ⇒ Signal $q_3(t)$.
 
  
'''Hinweis:''' Die Aufgabe bezieht sich auf das [http://en.lntwww.de/Modulationsverfahren/Pulscodemodulation Kapitel 4.1] Das abgetastete Quellensignal wird mit $q_A(t)$ bezeichnet und dessen Spektralfunktion mit $Q_A(f)$. Die Abtastung erfolgt stets bei $ν · T_A$.
+
In this exercise,&nbsp; three different source signals are considered,&nbsp; each of which can be expressed as a harmonic oscillation
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:$$q(t) = A \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm N} \cdot t - \varphi)$$
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with amplitude&nbsp; $A = 1\ \rm V$&nbsp; and frequency&nbsp; $f_{\rm N}= 5 \ \rm kHz$.&nbsp; For the spectral function&nbsp; $Q(f)$&nbsp; of all represented time signals generally holds:
 +
:$$Q(f) = \frac{A}{2} \cdot \delta (f- f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}+ \frac{A}{2} \cdot \delta (f+ f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{+{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}\hspace{0.05cm}.$$
 +
The oscillations sketched in the graph differ only by the phase&nbsp; $φ$:
 +
* $φ_1 = 0$ &nbsp; ⇒ &nbsp; cosine signal&nbsp; $q_1(t)$,
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* $φ_2 = π/2 \ (= 90^\circ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; sinusoidal signal&nbsp; $q_2(t)$,
 +
* $φ_3 = π/4 \ (= 45^\circ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; signal&nbsp; $q_3(t)$.
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation"]].
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*Reference is made in particular to the page&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation#Sampling_and_signal_reconstruction|"Sampling and Signal Reconstruction"]].
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*The sampled source signal is denoted by&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp; and its spectral function by&nbsp; $Q_{\rm A}(f)$.&nbsp;
 +
*Sampling is always performed at&nbsp; $ν \cdot T_{\rm A}$.
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 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen gelten mit $f_A = 11 kHz$?
+
{Which statements are valid with &nbsp;$f_{\rm A} = 11\ \rm kHz$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Das Abtasttheorem wird stets erfüllt.
+
+ The sampling theorem is always satisfied.
+ Alle Signale können durch einen Tiefpass rekonstruiert werden.
+
+ All signals can be reconstructed by a low-pass filter.
+ Es gilt stets $Q_A(f = 5 kHz) = Q(f = 5 kHz)$.
+
+ It is always true: &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz}) = Q(f = 5 \ \rm kHz)$.
  
  
{Welcher Abtastabstand ergibt sich mit $f_A = 10 kHz$?
+
{What sampling distance results with &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$T_A$ = { 0.1 3% } $ms$  
+
$T_{\rm A} \ = \ $ { 0.1 3% } $\ \rm ms$  
  
{Welche Aussagen gelten für das Signal $q_1(t)$ und $f_A = 10 KHz$ ?  
+
{Which statements are valid for the signal &nbsp;$q_1(t)$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?  
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt $Q_A(f = 5 kHz) = Q_1(f = 5 kHz)$.
+
- It holds &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_1(f = 5 \ \rm kHz)$.
+ Eine vollständige Signalrekonstruktion ist möglich ⇒ $υ_1(t) = q_1(t)$.
+
+ A complete signal reconstruction is possible &nbsp; &nbsp; $v_1(t) = q_1(t)$.
- Das rekonstruierte Signal ist $υ_1(t) = 0$.
+
- The reconstructed signal is &nbsp;$v_1(t) \equiv 0$.
  
{Welche Aussagen gelten für das Signal $q_2(t)$ und $f_A = 10 kHz$?
+
{What statements hold for the signal &nbsp;$q_2(t)$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt $Q_A(f = 5 kHz) = Q_2(f = 5 kHz)$.
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- It holds &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_2(f = 5 \ \rm kHz)$.
- Eine vollständige Signalrekonstruktion ist möglich ⇒ $υ_2(t) = q_2(t)$.
+
- A complete signal reconstruction is possible &nbsp; &nbsp; $v_2(t) = q_2(t)$.
+ Das rekonstruierte Signal ist $υ_2(t) = 0$.
+
+ The reconstructed signal is &nbsp;$v_2(t) \equiv 0$.
  
{Welche Aussagen gelten für das Signal $q_3(t)$ und $f_A = 10 kHz$?
+
{What statements hold for the signal &nbsp;$q_3(t)$ and $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt $Q_A(f = 5 kHz) = Q_3(f = 5 kHz)$.
+
- It holds &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_3(f = 5 \ \rm kHz)$.
- Eine vollständige Signalrekonstruktion ist möglich ⇒ $υ_3(t) = q_3(t)$.
+
- A complete signal reconstruction is possible &nbsp; &nbsp; $v_3(t) = q_3(t)$.
- Das rekonstruierte Signal ist $υ_3(t) = 0$.
+
- The reconstructed signal is &nbsp;$v_3(t) \equiv 0$.
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' Alle Aussagen sind zutreffend. Das Abtasttheorem wird mit $f_A = 11 kHz > 2 · 5 kHz$ erfüllt, so dass eine vollständige Signalrekonstruktion immer möglich ist. Das Spektrum $Q_A(f)$ ergibt sich aus $Q(f)$ durch periodische Fortsetzung im jeweiligen Frequenzabstand $f_A$, was in der folgenden Grafik am Beispiel der Spektralfunktion $Q_3(f)$ allgemein verdeutlicht wird.
+
'''(1)'''&nbsp; <u>All statements</u>&nbsp; are true:
[[File:P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|right|]]
+
[[File:P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|right|frame|Spectral function of the sampled signal]]
 +
*The sampling theorem is satisfied by&nbsp; $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz > 2 \cdot 5 \ \rm kHz$&nbsp; so that a complete signal reconstruction is always possible.  
 +
*The spectrum&nbsp; $Q_{\rm A}(f)$&nbsp; results from&nbsp; $Q(f)$&nbsp; by periodic continuation at the respective frequency spacing&nbsp; $f_{\rm A}$,&nbsp; which is generally illustrated in the graph.
 +
*By a rectangular low-pass with&nbsp; $f_{\rm G} = f_{\rm A}/2 = 5.5 \ \rm kHz$&nbsp; the original spectrum&nbsp; $Q(f)$ is obtained.
 +
 
 +
 
 +
The shift by
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* $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; $+6 \ \rm kHz$&nbsp; and&nbsp; $+16 \ \rm kHz$,
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* $-f_{\rm A} = -11 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; $-6 \ \rm kHz$&nbsp; and&nbsp; $-16 \ \rm kHz$,
 +
* $2 - f_{\rm A} = 22 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; $+17 \ \rm kHz$&nbsp; and&nbsp; $+27 \ \rm kHz$,
 +
* $-2 - f_{\rm A}= -22 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; $-17 \ \rm kHz$, $-27 \ \rm kHz$.
 +
 
 +
 
  
Die Verschiebung um
+
'''(2)'''&nbsp; The sampling distance is equal to the reciprocal of the sampling frequency:
:* $f_A = 11 kHz$ liefert Spektrallinien bei 6 kHz und 16 kHz,
+
:$$ T_{\rm A} = {1}/{f_{\rm A} }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.1\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.$$
:* $–f_A = –11 kHz$ liefert Spektrallinien bei –6 kHz und –16 kHz,
 
:* $2 · f_A = 22 kHz$ liefert Spektrallinien bei 17 kHz und 27 kHz,
 
:* $–2 · f_A = –22 kHz$ liefert Spektrallinien bei –17 kHz und –27 kHz.
 
  
Durch einen rechteckförmigen Tiefpass mit der Grenzfrequenz $f_G = f_A/2 = 5.5 kHz$ erhält man wieder das ursprüngliche Spektrum $Q(f)$.
 
  
'''2.''' Der Abtastabstand ist gleich dem Kehrwert der Abtastfrequenz:
 
$$ T_{\rm A} = \frac{1}{f_{\rm A} }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.1\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
'''3.''' Beim cosinusförmigen Signal ergibt sich entsprechend der nachfolgenden Grafik mit $f_A = 10 kHz$ das Spektrum $Q_A(f)$: Alle Spektrallinien sind reell. Die Periodifizierung von $Q(f)$ mit $f_A = 10 kHz$ führt zu einem Diracpuls mit Spektrallinien bei $±f_N$, $±f_N$ $± f_A$, $±f_N$ $± 2f_A$, usw.. Durch die Überlagerungen haben alle Diracfunktionen das Gewicht A, während die beiden Spektrallinien von $Q(f)$ nur jeweils mit $A/2$ gewichtet sind. Wegen $H(f = f_N) = H(f = f_G) = 0.5$ ist das Spektrum $V_1(f)$ nach dem Tiefpass identisch mit $Q_1(f)$ und dementsprechend gilt auch $υ-1(t) = q_1(t)$.
+
'''(3)'''&nbsp; The correct solution is&nbsp; <u>suggestion 2</u>:
[[File:P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|right|]]
+
[[File:P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|right|frame|Spectral function of the sampled cosine signal]]
Im Zeitbereich kann man sich die Signalrekonstruktion wie folgt vorstellen: Die Abtastwerte von $q_1(t)$ liegen genau bei den Signalmaxima und –minima. Der Tiefpass formt daraus das Cosinussignal mit richtiger Amplitude, Frequenz und Phase. Richtig ist demnach der Lösungsvorschlag 2.
 
  
 +
*For the cosinusoidal signal,&nbsp; according to this graph with&nbsp; $f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz$:&nbsp;  All spectral lines of&nbsp; $Q_{\rm A}(f)$:&nbsp; are real.
 +
*The periodization of&nbsp; $Q(f)$&nbsp; with&nbsp; $f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz$&nbsp; leads to a Dirac comb with spectral lines at&nbsp; $±f_{\rm N}$,&nbsp; $±f_{\rm N}± f_{\rm A}$,&nbsp; $±f_{\rm N}± 2f_{\rm A}$, . ..
 +
*Through the superpositions,&nbsp; all Dirac functions have weight&nbsp; $A$,&nbsp; while the spectral lines of&nbsp; $Q(f)$&nbsp; are weighted only by&nbsp; $A/2$&nbsp; each.
 +
*Because&nbsp; $H(f = f_{\rm N}) = H(f = f_{\rm G}) = 0.5$&nbsp; the spectrum&nbsp; $V_1(f)$&nbsp; after the low-pass is identical to&nbsp; $Q_1(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $v_1(t) = q_1(t)$.
 +
*In the time domain, the signal reconstruction can be thought of as follows: &nbsp; The samples of&nbsp; $q_1(t)$&nbsp; lie exactly at the signal maxima and minima. &nbsp; 
 +
*The lowpass filter forms the cosine signal with correct amplitude, frequency and phase.
 +
<br clear=all>
 +
[[File:P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|right|frame|Sampled sine signal]]
 +
'''(4)'''&nbsp; Correct is&nbsp; <u>suggested solution 2</u>:
 +
*All sampled values of&nbsp; $q_2(t)$&nbsp; now lie exactly at the zero crossings of the sinusoidal signal,&nbsp; which means that here&nbsp; $q_{\rm A}(t) \equiv 0$&nbsp; holds.&nbsp; However,&nbsp; this naturally also gives&nbsp; $v_2(t) \equiv 0$.
 +
*In the spectral domain,&nbsp; the result can be derived using the graph for subtask&nbsp; '''(1)'''.&nbsp; <br>⇒ &nbsp;$Q(f)$&nbsp; is purely imaginary and the imaginary parts at&nbsp; $±f_{\rm N}$&nbsp; have different signs. &nbsp;
 +
*Thus,&nbsp; one positive and one negative part cancel each other in periodization &nbsp; <br>⇒ &nbsp; $Q_{\rm A}(f) \equiv 0$ &nbsp; ⇒ &nbsp; $V_2(f) \equiv 0$.
 +
<br clear=all>
 +
[[File:P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|right|frame|Sampled harmonic oscillation with phase&nbsp; $φ_3 = π/4$]]
 +
'''(5)'''&nbsp; <u>None of the given solutions</u>&nbsp; is correct:
 +
*If in the graph for the subtask&nbsp; '''(1)'''&nbsp; the sampling frequency&nbsp; $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$&nbsp; is replaced by&nbsp; $f_{\rm A} = 10 \ \rm kHz$,&nbsp; the real parts add up,&nbsp; but the imaginary parts cancel out.
 +
*This means that now&nbsp; $Q_{\rm A}(f)$&nbsp; and&nbsp; $V_3(f)$&nbsp; are real spectra.&nbsp; This further means:
 +
*The phase information is lost&nbsp; $(φ = 0)$&nbsp; and the output signal&nbsp; $v_3(t)$&nbsp; is a cosine signal.
 +
*$q_3(t)$&nbsp; and&nbsp; $v_3(t)$&nbsp; thus differ in both amplitude and phase.&nbsp; Only the frequency remains the same.
  
'''4.'''  Alle Abtastwerte von $q_2(t)$ liegen nun genau bei den Nulldurchgängen des Sinussignals, das heißt, dass hier $q_A(t) = 0$ gilt. Damit ergibt sich aber natürlich auch $υ_2(t) = 0$. ⇒ Lösungsvorschlag 3 ist richtig.
 
[[File:P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|right|]]
 
  
Im Spektralbereich kann man das Ergebnis mit Hilfe der Grafik zur Teilaufgabe a) herleiten. $Q(f)$ ist rein imaginär und die Imaginärteile bei $±f_N$ haben unterschiedliche Vorzeichen. Somit heben sich bei der Periodifizierung jeweils ein positiver und ein negativer Anteil auf ⇒ $Q_A(f) = 0$ ⇒ $V_2(f) = 0$.
+
The graph shows
 +
*turquoise the signal $q_3(t)$&nbsp; and its samples&nbsp; (circles),&nbsp; and
 +
*red dashed the output signal&nbsp; $v_3(t)$&nbsp; of the low-pass.  
  
  
'''5.'''  Von den vorgegebenen Lösungsvorschlägen ist keiner richtig. Ersetzt man in der Grafik zur Aufgabe a) die Abtastfrequenz $f_A = 11 kHz$ durch $f_A = 10 kHz$, so addieren sich zwar die Realteile, aber die Imaginärteile löschen sich aus. Das heißt, dass nun $Q_A(f)$ und $V_3(f)$ reelle Spektren sind. Das heißt weiter: Die Phaseninformation geht verloren (φ = 0) und das Ausgangssignal $υ_3(t)$ ist ein Cosinussignal. Die Signale $q_3(t)$ und $υ_3(t)$ unterscheiden sich somit sowohl in der Amplitude als auch in der Phase.
+
You can see that the low-pass gives exactly the result you would probably choose if you were to draw a curve through the samples&nbsp; (circles).  
[[File:P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|right|]]
 
Die Grafik zeigt türkisfarben das Signal $q_3(t)$, dessen Abtastwerte (Kreise) sowie rot gestrichelt das Ausgangssignal $υ_3(t)$ des Tiefpasses. Man erkennt, dass der Tiefpass genau das Ergebnis liefert, für das wahrscheinlich auch Sie sich entscheiden würden, wenn Sie durch die Abtastwerte einen Kurvenzug einzeichnen sollten. Keines der vorgegebenen Lösungsvorschläge trifft zu.
 
  
  
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[[Category:Aufgaben zu  Modulationsverfahren|^4.1 Pulscodemodulation^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.1 Pulse Code Modulation^]]

Latest revision as of 11:28, 8 April 2022

Harmonic oscillations of different phase

The  sampling theorem  states that the sampling frequency  $f_{\rm A} = 1/T_{\rm A}$  must be at least twice as large as the largest frequency  $f_\text {N, max}$  contained in the source signal  $q(t)$:

$$f_{\rm A} \ge 2 \cdot f_{\rm N,\hspace{0.05cm}max}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm A} \le \frac{1}{2 \cdot f_{\rm N, \hspace{0.05cm}max}}\hspace{0.05cm}.$$

If this condition is met,  then at the receiver the message signal can be passed through a rectangular  (ideal)  low-pass filter with frequency response

$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} 1 \\ 1/2 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| < f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| = f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| > f_{\rm G}} \\ \end{array}$$

can be completely reconstructed, that is, it is then  $v(t) = q(t)$.

  • The cutoff frequency  $f_{\rm G}$  is to be chosen equal to half the sampling frequency.
  • The equal sign is generally valid only if the spectrum  $Q(f)$  does not contain a discrete spectral line at frequency  $f_\text {N, max}$.


In this exercise,  three different source signals are considered,  each of which can be expressed as a harmonic oscillation

$$q(t) = A \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm N} \cdot t - \varphi)$$

with amplitude  $A = 1\ \rm V$  and frequency  $f_{\rm N}= 5 \ \rm kHz$.  For the spectral function  $Q(f)$  of all represented time signals generally holds:

$$Q(f) = \frac{A}{2} \cdot \delta (f- f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}+ \frac{A}{2} \cdot \delta (f+ f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{+{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}\hspace{0.05cm}.$$

The oscillations sketched in the graph differ only by the phase  $φ$:

  • $φ_1 = 0$   ⇒   cosine signal  $q_1(t)$,
  • $φ_2 = π/2 \ (= 90^\circ)$   ⇒   sinusoidal signal  $q_2(t)$,
  • $φ_3 = π/4 \ (= 45^\circ)$   ⇒   signal  $q_3(t)$.




Hints:

  • The exercise belongs to the chapter  "Pulse Code Modulation".
  • Reference is made in particular to the page  "Sampling and Signal Reconstruction".
  • The sampled source signal is denoted by  $q_{\rm A}(t)$  and its spectral function by  $Q_{\rm A}(f)$. 
  • Sampling is always performed at  $ν \cdot T_{\rm A}$.


Questions

1

Which statements are valid with  $f_{\rm A} = 11\ \rm kHz$?

The sampling theorem is always satisfied.
All signals can be reconstructed by a low-pass filter.
It is always true:  $Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz}) = Q(f = 5 \ \rm kHz)$.

2

What sampling distance results with  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?

$T_{\rm A} \ = \ $

$\ \rm ms$

3

Which statements are valid for the signal  $q_1(t)$  and  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?

It holds  $Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_1(f = 5 \ \rm kHz)$.
A complete signal reconstruction is possible   ⇒   $v_1(t) = q_1(t)$.
The reconstructed signal is  $v_1(t) \equiv 0$.

4

What statements hold for the signal  $q_2(t)$  and  $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?

It holds  $Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_2(f = 5 \ \rm kHz)$.
A complete signal reconstruction is possible   ⇒   $v_2(t) = q_2(t)$.
The reconstructed signal is  $v_2(t) \equiv 0$.

5

What statements hold for the signal  $q_3(t)$ and $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?

It holds  $Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_3(f = 5 \ \rm kHz)$.
A complete signal reconstruction is possible   ⇒   $v_3(t) = q_3(t)$.
The reconstructed signal is  $v_3(t) \equiv 0$.


Solution

(1)  All statements  are true:

Spectral function of the sampled signal
  • The sampling theorem is satisfied by  $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz > 2 \cdot 5 \ \rm kHz$  so that a complete signal reconstruction is always possible.
  • The spectrum  $Q_{\rm A}(f)$  results from  $Q(f)$  by periodic continuation at the respective frequency spacing  $f_{\rm A}$,  which is generally illustrated in the graph.
  • By a rectangular low-pass with  $f_{\rm G} = f_{\rm A}/2 = 5.5 \ \rm kHz$  the original spectrum  $Q(f)$ is obtained.


The shift by

  • $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$  yields the lines at  $+6 \ \rm kHz$  and  $+16 \ \rm kHz$,
  • $-f_{\rm A} = -11 \ \rm kHz$  yields the lines at  $-6 \ \rm kHz$  and  $-16 \ \rm kHz$,
  • $2 - f_{\rm A} = 22 \ \rm kHz$  yields the lines at  $+17 \ \rm kHz$  and  $+27 \ \rm kHz$,
  • $-2 - f_{\rm A}= -22 \ \rm kHz$  yields the lines at  $-17 \ \rm kHz$, $-27 \ \rm kHz$.


(2)  The sampling distance is equal to the reciprocal of the sampling frequency:

$$ T_{\rm A} = {1}/{f_{\rm A} }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.1\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  The correct solution is  suggestion 2:

Spectral function of the sampled cosine signal
  • For the cosinusoidal signal,  according to this graph with  $f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz$:  All spectral lines of  $Q_{\rm A}(f)$:  are real.
  • The periodization of  $Q(f)$  with  $f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz$  leads to a Dirac comb with spectral lines at  $±f_{\rm N}$,  $±f_{\rm N}± f_{\rm A}$,  $±f_{\rm N}± 2f_{\rm A}$, . ..
  • Through the superpositions,  all Dirac functions have weight  $A$,  while the spectral lines of  $Q(f)$  are weighted only by  $A/2$  each.
  • Because  $H(f = f_{\rm N}) = H(f = f_{\rm G}) = 0.5$  the spectrum  $V_1(f)$  after the low-pass is identical to  $Q_1(f)$   ⇒   $v_1(t) = q_1(t)$.
  • In the time domain, the signal reconstruction can be thought of as follows:   The samples of  $q_1(t)$  lie exactly at the signal maxima and minima.  
  • The lowpass filter forms the cosine signal with correct amplitude, frequency and phase.


Sampled sine signal

(4)  Correct is  suggested solution 2:

  • All sampled values of  $q_2(t)$  now lie exactly at the zero crossings of the sinusoidal signal,  which means that here  $q_{\rm A}(t) \equiv 0$  holds.  However,  this naturally also gives  $v_2(t) \equiv 0$.
  • In the spectral domain,  the result can be derived using the graph for subtask  (1)
    ⇒  $Q(f)$  is purely imaginary and the imaginary parts at  $±f_{\rm N}$  have different signs.  
  • Thus,  one positive and one negative part cancel each other in periodization  
    ⇒   $Q_{\rm A}(f) \equiv 0$   ⇒   $V_2(f) \equiv 0$.


Sampled harmonic oscillation with phase  $φ_3 = π/4$

(5)  None of the given solutions  is correct:

  • If in the graph for the subtask  (1)  the sampling frequency  $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$  is replaced by  $f_{\rm A} = 10 \ \rm kHz$,  the real parts add up,  but the imaginary parts cancel out.
  • This means that now  $Q_{\rm A}(f)$  and  $V_3(f)$  are real spectra.  This further means:
  • The phase information is lost  $(φ = 0)$  and the output signal  $v_3(t)$  is a cosine signal.
  • $q_3(t)$  and  $v_3(t)$  thus differ in both amplitude and phase.  Only the frequency remains the same.


The graph shows

  • turquoise the signal $q_3(t)$  and its samples  (circles),  and
  • red dashed the output signal  $v_3(t)$  of the low-pass.


You can see that the low-pass gives exactly the result you would probably choose if you were to draw a curve through the samples  (circles).