Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.6Z: Locality Curve for Phase Modulation"

Revision as of 16:17, 26 July 2018

Eine mögliche Ortskurve bei Phasenmodulation

Wir gehen hier von einem Nachrichtensignal $q(t)$ aus, das normiert (dimensionslos) betrachtet wird.

Der Maximalwert dieses Signal ist $q_{\rm max} = 1$ und der minimale Signalwert beträgt $q_{\rm min} = -0.5$.
Ansonsten ist über $q(t)$ nichts bekannt.

Das modulierte Signal lautet bei Phasenmodulation:

$$s(t) = s_0 \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t + \eta \cdot q(t)).$$

Hierbei bezeichnet $\eta$ den so genannten Modulationsindex. Auch die konstante Hüllkurve $s_0$ sei eine dimensionslose Größe, die im Folgenden zu $s_0 = 2$ gesetzt wird (siehe Grafik).

Ersetzt man in dieser Gleichung die Cosinus– durch die komplexe Exponentialfunktion, so kommt man zum analytischen Signal

$$s_{\rm +}(t) = s_0\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}( \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t + \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t)) }.$$

Daraus kann man das in der Grafik skizzierte äquivalente TP-Signal wie folgt berechnen:

$$s_{\rm TP}(t) = s_{\rm +}(t) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm} \cdot\hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} t } = s_0\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t) }.$$

Hinweise:

Die Aufgabe gehört zum Kapitel Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion.

Sie können Ihre Lösung mit dem interaktiven Applet Physikalisches Signal & Äquivalentes TP-Signal ⇒ Ortskurve überprüfen.

Fragebogen

$a(t = 0)\ = \ $

$\phi_{\rm min}\ = \ $

$\text{Grad}$

$\phi_{\rm min}\ = \ $

$\text{Grad}$

$\eta\ = \ $

	Aus $q(t) = -0.5 = \text{const.}$ folgt $s(t) = s_0 \cdot \cos (\omega_T \cdot t)$.
	Bei einem Rechtecksignal $q(t)$ (mit nur zwei möglichen Signalwerten $\pm 0.5$) entartet die Ortskurve zu zwei Punkten.
	Mit den Signalwerten $\pm 1$ ($q_{\rm min} = -0.5$ ist dann nicht mehr gültig) entartet die Ortskurve zu einem Punkt: $s_{\rm TP}(t) = -s_0$.

Musterlösung

Solution

(1) Die Ortskurve ist ein Kreisbogen mit Radius $2$. Deshalb ist die Betragsfunktion konstant $\underline{a(t) = 2}$.

(2) Aus der Grafik ist zu erkennen, dass folgende Zahlenwerte gelten:

$\phi_{\rm min} =- \pi /2 \; \Rightarrow \; \underline{-90^\circ}$,
$\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow \; \underline{+180^\circ}$.

(3) Allgemein gilt hier der Zusammenhang $s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \phi(t)}.$ Ein Vergleich mit der gegebenen Funktion liefert:

$$\phi(t) = \eta \cdot q(t).$$

Der maximale Phasenwert $\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow \; {180^\circ}$ ergibt sich für die Signalamplitude $q_{\rm max} = 1$. Daraus folgt direkt ${\eta = \pi} \; \underline{\approx 3.14}$.
Dieser Modulationsindex wird durch die Werte $\phi_{\rm min} = -\pi /2$ und $q_{\rm min} = -0.5$ bestätigt.

Ortskurve (Phasendiagramm) beim Rechtecksignal

(4) Richtig sind der zweite und der dritte Lösungsvorschlag:

Ist $q(t) = \text{const.} =-0.5$, so ist die Phasenfunktion ebenfalls konstant:

$$\phi(t) = \eta \cdot q(t) = - {\pi}/{2}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = - {\rm j} \cdot s_0 = - 2{\rm j}.$$

Somit gilt für das tatsächliche, physikalische Signal:

$$s(t) = s_0 \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t - {\pi}/{2}) = 2 \cdot {\sin} ( \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm} t ).$$

Dagegen führt $q(t) = +0.5$ zu $\phi (t) = \pi /2$ und zu $s_{\rm TP}(t) = 2{\rm j}$.
Ist $q(t)$ ein Rechtecksignal, das abwechselnd die Werte $+0.5$ und $–0.5$ annimmt, dann besteht die Ortskurve nur aus zwei Punkten auf der imaginären Achse, und zwar unabhängig davon, wie lange die Intervalle mit $+0.5$ und $–0.5$ dauern.
Gilt dagegen $q(t) = \pm 1$, so ergeben sich rein formal die möglichen Phasenwerte $+\pi$ und $-\pi$, die aber identisch sind.
Die „Ortskurve” besteht dann nur aus einem einzigen Punkt: &bsp; $s_{\rm TP}(t) = - s_0$
⇒ das Signal $s(t)$ ist für alle Zeiten $t$ „minus-cosinusförmig”.

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-[[File:P_ID768__Sig_Z_4_6.png|right|Eine mögliche Ortskurve bei Phasenmodulation]]
+[[File:P_ID768__Sig_Z_4_6.png|right|frame|Eine mögliche Ortskurve bei Phasenmodulation]]
-Wir gehen hier von einem Nachrichtensignal $q(t)$ aus, das normiert (dimensionslos) betrachtet wird. Der Maximalwert dieses Signal ist $q_{\rm max} = 1$ und der minimale Signalwert beträgt $q_{\rm min} = -0.5$. Ansonsten ist über $q(t)$ nichts bekannt.
+Wir gehen hier von einem Nachrichtensignal $q(t)$ aus, das normiert (dimensionslos) betrachtet wird.
+*Der Maximalwert dieses Signal ist $q_{\rm max} = 1$ und der minimale Signalwert beträgt $q_{\rm min} = -0.5$.
+*Ansonsten ist über $q(t)$ nichts bekannt.
 Das modulierte Signal lautet bei Phasenmodulation:
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 *Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Signaldarstellung/Äquivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion|Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion]].
-*Sie können Ihre Lösung mit dem Interaktionsmodul [[Ortskurve_–_Darstellung_des_äquivalenten_Tiefpass-Signals_(Applet)|Ortskurve – Darstellung des äquivalenten Tiefpass-Signals]] überprüfen.
+*Sie können Ihre Lösung mit dem interaktiven Applet [[Applets:Physikalisches_Signal_%26_Äquivalentes_TP-Signal|Physikalisches Signal & Äquivalentes TP-Signal]] &nbsp; &rArr; &nbsp; Ortskurve überprüfen.
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 |type="[]"}
 - Aus $q(t) = -0.5 = \text{const.}$ folgt $s(t) = s_0 \cdot \cos (\omega_T \cdot t)$.
-+ Bei einem Rechtecksignal $q(t)$ (&rArr;&nbsp; nur  zwei mögliche Signalwerte $\pm 0.5$) entartet die Ortskurve zu zwei Punkten.
++ Bei einem Rechtecksignal $q(t)$ (mit nur  zwei möglichen Signalwerten $\pm 0.5$) entartet die Ortskurve zu zwei Punkten.
-+ Mit den Signalwerten $\pm 1$ (&rArr;&nbsp; es gilt dann nicht $q_{\rm min} = -0.5$) entartet die Ortskurve zu einem Punkt: $s_{\rm TP}(t) = -s_0$.
++ Mit den Signalwerten $\pm 1$ ($q_{\rm min} = -0.5$ ist dann nicht mehr gültig) entartet die Ortskurve zu einem Punkt: &nbsp; $s_{\rm TP}(t) = -s_0$.
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 '''(2)'''&nbsp; Aus der Grafik ist zu erkennen, dass folgende Zahlenwerte gelten:
-*$\phi_{min} =-  \pi /2 \;   \Rightarrow  \;  \underline{-90^\circ}$,
+*$\phi_{\rm min} =-  \pi /2 \;   \Rightarrow  \;  \underline{-90^\circ}$,
-*$\phi_{max} = +\pi \; \Rightarrow  \; \underline{+180^\circ}$.
+*$\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow  \; \underline{+180^\circ}$.
-'''(3)'''&nbsp; Allgemein gilt hier der Zusammenhang $s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\cdot \hspace{0.05cm}
+'''(3)'''&nbsp; Allgemein gilt hier der Zusammenhang $s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}
 \phi(t)}.$ Ein Vergleich mit der gegebenen Funktion liefert:
 :$$\phi(t) = \eta \cdot q(t).$$
-*Der maximale Phasenwert $\phi_{max} = +\pi \; \Rightarrow  \; {180^\circ}$ ergibt sich für die Signalamplitude $q_{\rm max} = 1$. Daraus folgt direkt ${\eta = \pi} \; \underline{\approx 3.14}$.
+*Der maximale Phasenwert $\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow  \; {180^\circ}$ ergibt sich für die Signalamplitude $q_{\rm max} = 1$. Daraus folgt direkt ${\eta = \pi} \; \underline{\approx 3.14}$.
 *Dieser Modulationsindex wird durch die Werte $\phi_{\rm min} = -\pi /2$ und $q_{\rm min} = -0.5$ bestätigt.
-[[File:P_ID769__Sig_Z_4_6_d_neu.png|right|frame|Ortskurve (Phasendiagramm) bei Rechtecksignal]]
+[[File:P_ID769__Sig_Z_4_6_d_neu.png|right|frame|Ortskurve (Phasendiagramm) beim Rechtecksignal]]
-'''(4)'''&nbsp;  Richtig sind somit der <u>zweite und der dritte Lösungsvorschlag</u>:
+'''(4)'''&nbsp;  Richtig sind der <u>zweite und der dritte Lösungsvorschlag</u>:
 *Ist $q(t) = \text{const.} =-0.5$, so ist die Phasenfunktion ebenfalls konstant:
-:$$\phi(t) = \eta \cdot q(t) = - \frac{\pi}{2}\hspace{0.3cm}
+:$$\phi(t) = \eta \cdot q(t) = - {\pi}/{2}\hspace{0.3cm}
 \Rightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = - {\rm j} \cdot s_0  = - 2{\rm j}.$$
 *Somit gilt für das tatsächliche, physikalische Signal:
 :$$s(t) = s_0 \cdot  {\cos} (  \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t -
   {\pi}/{2}) = 2 \cdot  {\sin} (  \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm} t ).$$
-*Dagegen führt $q(t) = +0.5$ zu $\phi (t) = \pi /2$ und $s_{\rm TP}(t) = 2{\rm j}$.
+*Dagegen führt $q(t) = +0.5$ zu &nbsp;$\phi (t) = \pi /2$&nbsp; und zu &nbsp;$s_{\rm TP}(t) = 2{\rm j}$.
-*Ist $q(t)$ ein Rechtecksignal, das abwechselnd die Werte $+0.5$ und $–0.5$ annimmt, besteht somit die Ortskurve nur aus zwei Punkten auf der imaginären Achse, und zwar unabhängig davon, wie lange die Intervalle mit $+0.5$ und $–0.5$ dauern.
+*Ist $q(t)$ ein Rechtecksignal, das abwechselnd die Werte $+0.5$ und $–0.5$ annimmt, dann besteht die Ortskurve nur aus zwei Punkten auf der imaginären Achse, und zwar unabhängig davon, wie lange die Intervalle mit $+0.5$ und $–0.5$ dauern.
 *Gilt dagegen $q(t) = \pm 1$, so ergeben sich rein formal die möglichen Phasenwerte $+\pi$ und $-\pi$, die aber identisch sind.
-*Die „Ortskurve” besteht dann nur aus einem einzigen Punkt: $s_{\rm TP}(t) = - s_0$ &nbsp; &rArr; &nbsp;  das Signal $s(t)$ ist für alle Zeiten $t$  „minus-cosinusförmig”.
+*Die „Ortskurve” besteht dann nur aus einem einzigen Punkt: &bsp; $s_{\rm TP}(t) = - s_0$ &nbsp; <br>&rArr; &nbsp;  das Signal $s(t)$ ist für alle Zeiten $t$  „minus-cosinusförmig”.