Difference between revisions of "Applets:Pulses and Spectra"

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'''(2)''' &nbsp; Compare the&nbsp; <b>red Gaussian pulse</b>&nbsp; $(A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)$ with the&nbsp; <b>blue rectangular pulse</b>&nbsp; $(A_2 = 1, \Delta t_2)$.<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; Vary the equivalent pulse duration&nbsp; $\Delta t_2$&nbsp; between&nbsp; $0.5$&nbsp; and &nbsp;$2$.&nbsp; Interpret the displayed graphs.}}
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'''(2)''' &nbsp; Compare the&nbsp; <b>red Gaussian pulse</b>&nbsp; $(A_1 = 1,&nbsp; \Delta t_1 = 1)$ with the&nbsp; <b>blue rectangular pulse</b>&nbsp; $(A_2 = 1,&nbsp; \Delta t_2)$.<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; Vary the equivalent pulse duration&nbsp; $\Delta t_2$&nbsp; between&nbsp; $0.5$&nbsp; and &nbsp;$2$.&nbsp; Interpret the displayed graphs.}}
  
 
* One can recognize the reciprocity law of bandwidth and pulse duration.&nbsp; The greater&nbsp; $\Delta t_2$, the higher and narrower the spectral function&nbsp; $X_2(f)$.<br>
 
* One can recognize the reciprocity law of bandwidth and pulse duration.&nbsp; The greater&nbsp; $\Delta t_2$, the higher and narrower the spectral function&nbsp; $X_2(f)$.<br>
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'''(3)''' &nbsp; Vergleichen Sie den &nbsp;'''roten Rechteckimpuls'''&nbsp; $(A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)$&nbsp; mit dem &nbsp;'''blauen Rechteckimpuls'''&nbsp; $(A_2 = 1,\Delta t_2 = 0.5)$.<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; Variieren Sie&nbsp; $\Delta t_2$&nbsp; zwischen&nbsp; $0.05$&nbsp; und&nbsp; $2$.&nbsp; Interpretieren Sie die dargestellten Graphen und extrapolieren Sie das Ergebnis.}}
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'''(3)''' &nbsp; Compare the&nbsp; <b>red Gaussian pulse</b>&nbsp; $(A_1 = 1,&nbsp; \Delta t_1 = 1)$ with the&nbsp; <b>blue rectangular pulse</b>&nbsp; $(A_2 = 1,&nbsp; \Delta t_2 = 0.5)$.<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; Vary&nbsp; $\Delta t_2$&nbsp; between&nbsp; $0.05$&nbsp; and&nbsp; $2$.&nbsp; Interpret the displayed graphs and extrapolate the result.}}
  
*Das blaue Spektrum ist nun doppelt so breit wie das rote, aber nur halb so hoch.&nbsp; Erste Nullstelle von&nbsp; $X_1(f)$&nbsp; bei&nbsp; $f =1$&nbsp; und von&nbsp; $X_2(f)$&nbsp; erst bei&nbsp; $f =2$.  
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* The blue spectrum is now twice as wide as the red one, but only half as high.&nbsp; First zero of&nbsp; $X_1(f)$&nbsp; at&nbsp; $f = $1, of&nbsp; $X_2(f)$&nbsp; at&nbsp; $f = $2.<br>
*Verkleinerung von&nbsp; $\Delta t_2$:&nbsp; $X_2(f)$&nbsp; immer niedriger und breiter.&nbsp; Sehr flacher Verlauf bei&nbsp; $\Delta t_2 = 0.05$:&nbsp; $X_2(f = 0)= 0.05$,&nbsp; $X_2(f = \pm 3)= 0.048$.
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* Reduction of&nbsp; $\Delta t_2$:&nbsp; $X_2(f)$&nbsp; lower and wider.&nbsp; Very flat course at&nbsp; $\Delta t_2 = 0.05$:&nbsp; $X_2(f = 0)= 0.05$,&nbsp; $X_2(f = \pm 3)= 0.048$. <br>
*Würde man&nbsp; $\Delta t_2 = \varepsilon \to 0$&nbsp; wählen (im Programm nicht möglich), so ergäbe sich das nahezu konstante, sehr kleine Spektrum&nbsp; $X_2(f)=A \cdot \varepsilon \to 0$.
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* If one chose&nbsp; $\Delta t_2 = \varepsilon \to 0$&nbsp; (not possible in the program),&nbsp; the result would be the almost constant, very small spectrum&nbsp; $X_2(f)=A \cdot \varepsilon \to 0$.<br>
*Erhöht man die Amplitude auf&nbsp; $A=1/\varepsilon$, so ergibt sich die konstante Spektralfunktion&nbsp; $X_2(f) = 1$&nbsp; der [[Signaldarstellung/Gleichsignal_-_Grenzfall_eines_periodischen_Signals#Diracfunktion_im_Frequenzbereich|Diracfunktion]]&nbsp; $\delta(t)$.&nbsp; Das bedeutet:
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* Increasing the amplitude to&nbsp; $A=1/\varepsilon$&nbsp; results in the constant spectral function&nbsp; $X_2(f) = 1$&nbsp; of the Dirac function&nbsp; $\delta(t)$.&nbsp; That means:<br>
* $\delta(t)$&nbsp; ist durch ein Rechteck mit Breite&nbsp; $\Delta t = \varepsilon \to 0$&nbsp; und Höhe&nbsp; $A = 1/\varepsilon \to \infty$&nbsp; approximierbar. Das Diracgewicht ist Eins:&nbsp; $x(t) = 1 \cdot \delta (t)$.
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* $\delta(t)$&nbsp; is approximated by a rectangle&nbsp; $($width&nbsp; $\Delta t = \varepsilon \to 0$,&nbsp; height&nbsp; $A = 1/\varepsilon \to \infty)$.&nbsp; The weight of the Dirac function is one:&nbsp; $x(t) = 1 \cdot \delta (t)$.
  
  
 
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'''(4)''' &nbsp; Vergleichen Sie den &nbsp;'''Rechteckimpuls'''&nbsp; $(A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)$&nbsp; mit dem &nbsp;'''Dreieckimpuls''' $(A_2 = 1,\Delta t_2 = 1)$.&nbsp; Interpretieren Sie die Spektalfunktionen.}}
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'''(4)''' &nbsp; Compare the&nbsp; <b> rectangular pulse</b>&nbsp; $(A_1 = 1, &nbsp; \Delta t_1 = 1)$&nbsp; with the&nbsp; <b>triangular pulse</b>&nbsp; $(A_2 = 1, &nbsp; \Delta t_2 = 1)$.&nbsp; Interpret the spectral functions.}}
  
*Das (normierte) Spektrum des Rechtecks&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; mit den (normierte) Parametern&nbsp; $A_1 = 1, \ \Delta t_1 = 1$&nbsp; lautet:&nbsp; $X_1(f)= {\rm si}(\pi\cdot f)$.
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* The (normalized) spectrum of the rectangle&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; with the (normalized) parameters&nbsp; $A_1 = 1, \ \ \Delta t_1 = 1$&nbsp; is:&nbsp; $X_1(f)= {\rm si}(\pi\cdot f)$.<br>
* Die Faltung des Rechtecks&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; mit sich selbst ergibt das  Dreieck&nbsp; $x_2(t) = x_1(t) \star x_1(t)$.&nbsp; Nach dem [[Signaldarstellung/Faltungssatz_und_Faltungsoperation#Faltung_im_Zeitbereich|Faltungssatz]] gilt somit&nbsp; $X_2(f) =  \big [X_1(f)\big]^2 $.
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* The convolution of the rectangle&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; with itself gives the triangle&nbsp; $x_2(t) = x_1(t) \star x_1(t)$.&nbsp; By the convolution theorem: &nbsp; $X_2(f) =  X_1(f)^2 $. <br>
*Durch das Quadrieren der&nbsp; $\rm si$&ndash;förmigen Spektralfunktion&nbsp; $X_1(f)$&nbsp; bleiben die Nullstellen in&nbsp; $X_2(f)$&nbsp; erhalten.&nbsp; Es gilt aber nun&nbsp; $X_2(f) \ge 0$.
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* By squaring the&nbsp; $\rm si$&ndash;shaped spectral function&nbsp; $X_1(f)$&nbsp; the zeros of&nbsp; $X_2(f)$&nbsp; remain unchanged.&nbsp; But now it holds that: $X_2(f) \ge 0$.
  
  

Revision as of 16:04, 31 July 2020

Open Applet in a new tab

Applet Description


Dargestellt werden impulsförmige symmetrische Zeitsignale   ⇒   „Impulse”  $x(t)$  und die dazugehörigen Spektralfunktionen  $X(f)$, nämlich

  • Gaußimpuls  (englisch:  Gaussian pulse),
  • Rechteckimpuls  (englisch:  Rectangular pulse),
  • Dreieckimpuls  (englisch:  Triangular pulse),
  • Trapezimpuls  (englisch:  Trapezoidal pulse),
  • Cosinus–Rolloff–Impuls  (englisch:  Cosine-rolloff pulse).


Weiter ist zu beachten:

  • Die Funktionen  $x(t)$  bzw.  $X(f)$  werden für bis zu zwei Parametersätzen in jeweils einem Diagramm dargestellt.
  • Die roten Kurven und Zahlenangaben gelten für den linken Parametersatz, die blauen für den rechten Parametersatz.
  • Die Abszissen  $t$  (Zeit) und  $f$  (Frequenz) sowie die Ordinaten  $x(t)$  (Signalwerte) bzw.  $X(f)$  (Spektralwerte) sind jeweils normiert.


Theoretical background


Zusammenhang $x(t)\Leftrightarrow X(f)$

  • Der Zusammenhang zwischen der Zeitfunktion  $x(t)$  und dem Spektrum  $X(f)$  ist durch das  erste Fourierintegral  gegeben:
$$X(f)={\rm FT} [x(t)] = \int_{-\infty}^{+\infty}x(t)\cdot {\rm e}^{-{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}t\hspace{1cm} \rm FT\hspace{-0.1cm}: \ Fouriertransformation.$$
  • Um aus der Spektralfunktion  $X(f)$  die Zeitfunktion  $x(t)$  berechnen zu können, benötigt man das  zweite Fourierintegral:
$$x(t)={\rm IFT} [X(f)] = \int_{-\infty}^{+\infty}X(f)\cdot {\rm e}^{+{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}f\hspace{1cm} {\rm IFT}\hspace{-0.1cm}: \rm Inverse \ Fouriertransformation.$$
  • In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen.  Somit gilt:
$$x(t)=\int_{-\infty}^{+\infty}X(f)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}f \ \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ \ \ X(f)=\int_{-\infty}^{+\infty}x(t)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}t .$$
  • $x(t)$  und  $X(f)$  haben unterschiedliche Einheiten, beispielsweise  $x(t)$  in  $\rm V$,  $X(f)$  in  $\rm V/Hz$.
  • Der Zusammenhang zwischen diesem Modul und dem ähnlich aufgebauten Applet  Frequenzgang & Impulsantwort  basiert auf dem  Vertauschungssatz.
  • Alle Zeiten sind auf eine Zeit  $T$  normiert und alle Frequenzen auf  $1/T$   ⇒   die Spektralwerte  $X(f)$  müssen noch mit der Normierungszeit  $T$  multipliziert werden.


$\text{Beispiel:}$   Stellt man einen Rechteckimpuls mit Amplitude  $A_1 = 1$  und äquivalenter Impulsdauer  $\Delta t_1 = 1$  ein, so ist  $x_1(t)$  im Bereich  $-0.5 < t < +0.5$  gleich Eins und außerhalb dieses Bereichs gleich Null.  Die Spektralfunktion  $X_1(f)$  verläuft  $\rm si$–förmig mit  $X_1(f= 0) = 1$  und der ersten Nullstelle bei  $f=1$.

  • Soll mit dieser Einstellung ein Rechteckimpuls mit  $A = K = 3 \ \rm V$  und  $\Delta t = T = 2 \ \rm ms$  nachgebildet werden, dann sind alle Signalwerte mit  $K = 3 \ \rm V$  und alle Spektralwerte mit  $K \cdot T = 0.006 \ \rm V/Hz$  zu multiplizieren.
  • Der maximale Spektralwert ist dann  $X(f= 0) = 0.006 \ \rm V/Hz$  und die erste Nullstelle liegt bei  $f=1/T = 0.5 \ \rm kHz$.


Gaussian Pulse

  • Die Zeitfunktion des Gaußimpulses mit der Höhe  $K$  und der (äquivalenten) Dauer  $\Delta t$  lautet:
$$x(t)=K\cdot {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(t/\Delta t)^2}.$$
  • Die äquivalente Zeitdauer  $\Delta t$  ergibt sich aus dem flächengleichen Rechteck.
  • Der Wert bei  $t = \Delta t/2$  ist um den Faktor  $0.456$  kleiner als der Wert bei  $t=0$.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
$$X(f)=K\cdot \Delta t \cdot {\rm e}^{-\pi(f\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \Delta t)^2} .$$
  • Je kleiner die äquivalente Zeitdauer  $\Delta t$  ist, um so breiter und niedriger ist das Spektrum   ⇒   Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer.
  • Sowohl  $x(t)$  als auch  $X(f)$  sind zu keinem  $f$–  bzw.  $t$–Wert exakt gleich Null.
  • Für praktische Anwendungen kann der Gaußimpuls jedoch in Zeit und Frequenz als begrenzt angenommen werden.  Zum Beispiel ist  $x(t)$  bereits bei  $t=1.5 \Delta t$  auf weniger als  $0.1\% $  des Maximums abgefallen.


Rectangular Pulse

  • Die Zeitfunktion des Rechteckimpulses mit der Höhe  $K$  und der (äquivalenten) Dauer  $\Delta t$  lautet:
$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < T/2,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| = T/2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| > T/2.} \\ \end{array}$$
  • Der  $\pm \Delta t/2$–Wert liegt mittig zwischen links- und rechtsseitigem Grenzwert.
  • Für die Spektralfunktion erhält man entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation (1. Fourierintegral):
$$X(f)=K\cdot \Delta t \cdot {\rm si}(\pi\cdot \Delta t \cdot f) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)=\frac{\sin(x)}{x}.$$
  • Der Spektralwert bei  $f=0$  ist gleich der Rechteckfläche der Zeitfunktion.
  • Die Spektralfunktion besitzt Nullstellen in äquidistanten Abständen  $1/\Delta t$.
  • Das Integral über der Spektralfunktion  $X(f)$  ist gleich dem Signalwert zum Zeitpunkt  $t=0$, also der Impulshöhe  $K$.


Triangular Pulse

  • Die Zeitfunktion des Dreieckimpulses mit der Höhe  $K$  und der (äquivalenten) Dauer  $\Delta t$  lautet:
$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K\cdot (1-|t|/{\Delta t}) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < \Delta t,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| \ge \Delta t.} \\ \end{array}$$
  • Die absolute Zeitdauer ist  $2 \cdot \Delta t$;  diese ist doppelt so groß als die des Rechtecks.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
$$X(f)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm si}^2(\pi\cdot \Delta t \cdot f) \quad \text{mit} \quad {\rm si}(x)=\frac{\sin(x)}{x}.$$
  • Obige Zeitfunktion ist gleich der Faltung zweier Rechteckimpulse, jeweils mit Breite  $\Delta t$.
  • Daraus folgt:  $X(f)$  beinhaltet anstelle der  ${\rm si}$-Funktion die  ${\rm si}^2$-Funktion.
  • $X(f)$  weist somit ebenfalls Nullstellen im äquidistanten Abständen  $1/\Delta f$  auf.
  • Der asymptotische Abfall von  $X(f)$  erfolgt hier mit  $1/f^2$, während zum Vergleich der Rechteckimpuls mit  $1/f$  abfällt.


Trapezoidal Pulse

Die Zeitfunktion des Trapezimpulses mit der Höhe  $K$  und den Zeitparametern  $t_1$  und  $t_2$  lautet:

$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K\cdot \frac{t_2-|t|}{t_2-t_1} \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}}\quad \\ {\rm{f\ddot{u}r}}\quad \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \quad \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| \le t_1,} \\ {t_1\le \left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| \le t_2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| \ge t_2.} \\ \end{array}$$
  • Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt:   $\Delta t = t_1+t_2$.
  • Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
$$r=\frac{t_2-t_1}{t_2+t_1}.$$
  • Der Sonderfall  $r=0$  entspricht dem Rechteckimpuls und der Sonderfall  $r=1$  dem Dreieckimpuls.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
$$X(f)=K\cdot \Delta t \cdot {\rm si}(\pi\cdot \Delta t \cdot f)\cdot {\rm si}(\pi \cdot r \cdot \Delta t \cdot f) \quad \text{mit} \quad {\rm si}(x)=\frac{\sin(x)}{x}.$$
  • Der asymptotische Abfall von  $X(f)$  liegt zwischen  $1/f$  $($für Rechteck,  $r=0)$  und  $1/f^2$  $($für Dreieck,  $r=1)$.


Cosine-rolloff Pulse

Die Zeitfunktion des Cosinus-Rolloff-Impulses mit der Höhe  $K$  und den Zeitparametern  $t_1$  und  $t_2$  lautet:

$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K\cdot \cos^2\Big(\frac{|t|-t_1}{t_2-t_1}\cdot {\pi}/{2}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}}\quad \\ {\rm{f\ddot{u}r}}\quad \\ {\rm{f\ddot{u}r}}\quad \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| \le t_1,} \\ {t_1\le \left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| \le t_2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| \ge t_2.} \\ \end{array}$$
  • Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt:   $\Delta t = t_1+t_2$.
  • Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
$$r=\frac{t_2-t_1}{t_2+t_1}.$$
  • Der Sonderfall  $r=0$  entspricht dem Rechteckimpuls und der Sonderfall  $r=1$  dem Cosinus-Quadrat-Impuls.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
$$X(f)=K\cdot \Delta t \cdot \frac{\cos(\pi \cdot r\cdot \Delta t \cdot f)}{1-(2\cdot r\cdot \Delta t \cdot f)^2} \cdot {\rm si}(\pi \cdot \Delta t \cdot f).$$
  • Je größer der Rolloff-Faktor  $r$  ist, desto schneller nimmt  $X(f)$  asymptotisch mit  $f$  ab.


Cosinus-Quadrat-Impuls

  • Dies ist ein Sonderfall des Cosinus-Rolloff-Impulses und ergibt sich für  $r=1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}t_1=0, \ t_2= \Delta t$:
$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K\cdot \cos^2\Big(\frac{|t|\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \pi}{2\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \Delta t}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < \Delta t,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| \ge \Delta t.} \\ \end{array}$$
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
$$X(f)=K\cdot \Delta f \cdot \frac{\pi}{4}\cdot \big [{\rm si}(\pi(\Delta t\cdot f +0.5))+{\rm si}(\pi(\Delta t\cdot f -0.5))\big ]\cdot {\rm si}(\pi \cdot \Delta t \cdot f).$$
  • Wegen der letzten  ${\rm si}$-Funktion ist  $X(f)=0$  für alle Vielfachen von  $F=1/\Delta t$.  Die äquidistanten Nulldurchgänge des Cos-Rolloff-Impulses bleiben erhalten.
  • Aufgrund des Klammerausdrucks weist  $X(f)$  nun weitere Nulldurchgänge bei  $f=\pm1.5 F$,  $\pm2.5 F$,  $\pm3.5 F$, ... auf.
  • Für die Frequenz  $f=\pm F/2$  erhält man die Spektralwerte  $K\cdot \Delta t/2$.
  • Der asymptotische Abfall von  $X(f)$  verläuft in diesem Sonderfall mit  $1/f^3$.

Exercises


Aufgaben 2D-Gauss.png
  • First select the number  $(1,\text{...}, 7)$  of the exercise.
  • A task description is displayed.  The parameter values ​​are adjusted.
  • Solution after pressing "Show solution".
  • The number  $0$  corresponds to a "Reset":  Same setting as at program start.
  • "Red" refers to the first parameter set ⇒ $x_1(t) \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ X_1(f)$.
  • "Blue" refers to the second parameter set ⇒ $x_2(t) \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ X_2(f)$.
  • Zahlenwerte betragsmäig kleiner als  $0.0005$  werden im Programm als „Null” ausgegeben.


(1)   Compare the  red Gaussian pulse  $(A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)$  with the  blue rectangular pulse  $(A_2 = 1, \Delta t_2 = 1)$ ⇒ default setting.
          What are the differences in the time and frequency domain?

  • The Gaussian impulse theoretically reaches infinity in the time– as well as in the frequency domain.
  • Practically  $x_1(t)$  for  $|t| > 1.5$  and  $X_1(f)$  for  $|f| > 1.5$  are almost zero.
  • The rectangle is strictly limited in time:  $x_2(|t| > 0.5) \equiv 0$.  $X_2(f)$  has shares in a much larger range than  $X_1(f)$.
  • It holds  $X_1(f = 0) = X_2(f = 0)$  since the integral over the Gaussian pulse  $x_1(t)$  is equal to the integral over the rectangular pulse  $x_2(t)$.


(2)   Compare the  red Gaussian pulse  $(A_1 = 1,  \Delta t_1 = 1)$ with the  blue rectangular pulse  $(A_2 = 1,  \Delta t_2)$.
          Vary the equivalent pulse duration  $\Delta t_2$  between  $0.5$  and  $2$.  Interpret the displayed graphs.

  • One can recognize the reciprocity law of bandwidth and pulse duration.  The greater  $\Delta t_2$, the higher and narrower the spectral function  $X_2(f)$.
  • For each setting of  $\Delta t_2$,  $x_1(t=0)$  and  $x_2(t=0)$  are equal   ⇒   Also, the integrals over  $X_1(f)$  and  $X_2(f)$  are identical.


(3)   Compare the  red Gaussian pulse  $(A_1 = 1,  \Delta t_1 = 1)$ with the  blue rectangular pulse  $(A_2 = 1,  \Delta t_2 = 0.5)$.
          Vary  $\Delta t_2$  between  $0.05$  and  $2$.  Interpret the displayed graphs and extrapolate the result.

  • The blue spectrum is now twice as wide as the red one, but only half as high.  First zero of  $X_1(f)$  at  $f = $1, of  $X_2(f)$  at  $f = $2.
  • Reduction of  $\Delta t_2$:  $X_2(f)$  lower and wider.  Very flat course at  $\Delta t_2 = 0.05$:  $X_2(f = 0)= 0.05$,  $X_2(f = \pm 3)= 0.048$.
  • If one chose  $\Delta t_2 = \varepsilon \to 0$  (not possible in the program),  the result would be the almost constant, very small spectrum  $X_2(f)=A \cdot \varepsilon \to 0$.
  • Increasing the amplitude to  $A=1/\varepsilon$  results in the constant spectral function  $X_2(f) = 1$  of the Dirac function  $\delta(t)$.  That means:
  • $\delta(t)$  is approximated by a rectangle  $($width  $\Delta t = \varepsilon \to 0$,  height  $A = 1/\varepsilon \to \infty)$.  The weight of the Dirac function is one:  $x(t) = 1 \cdot \delta (t)$.


(4)   Compare the  rectangular pulse  $(A_1 = 1,   \Delta t_1 = 1)$  with the  triangular pulse  $(A_2 = 1,   \Delta t_2 = 1)$.  Interpret the spectral functions.

  • The (normalized) spectrum of the rectangle  $x_1(t)$  with the (normalized) parameters  $A_1 = 1, \ \ \Delta t_1 = 1$  is:  $X_1(f)= {\rm si}(\pi\cdot f)$.
  • The convolution of the rectangle  $x_1(t)$  with itself gives the triangle  $x_2(t) = x_1(t) \star x_1(t)$.  By the convolution theorem:   $X_2(f) = X_1(f)^2 $.
  • By squaring the  $\rm si$–shaped spectral function  $X_1(f)$  the zeros of  $X_2(f)$  remain unchanged.  But now it holds that: $X_2(f) \ge 0$.


(5)   Vergleichen Sie den  Trapezimpuls  $(A_1 = 1, \Delta t_1 = 1, r_1 = 0.5)$  mit dem  Dreieckimpuls  $(A_2 = 1,\Delta t_2 = 1)$.
         Variieren Sie  $r_1$  zwischen  $0$  und  $1$.  Interpretieren Sie die Spektalfunktion  $X_1(f)$.

  • Der Trapezimpuls mit Rolloff-Faktor  $r_1= 0$  ist identisch mit dem Rechteckimpuls.  Das „normierte Spektrum” lautet:  $X_1(f)= {\rm si}(\pi\cdot f)$.
  • Der Trapezimpuls mit Rolloff-Faktor  $r_1= 1$  ist identisch mit dem Dreieckimpuls.  Das „normierte Spektrum” lautet:  $X_1(f)= {\rm si}^2(\pi\cdot f)$.
  • In beiden Fällen besitzt  $X_1(f)$  äquidistante Nulldurchgänge bei  $\pm 1$, $\pm 2$, ... (sonst keine).  Mit  $0 < r_1 < 1$  gibt es abhängig von  $r_1$  weitere Nulldurchgänge.


(6)   Vergleichen Sie den  Trapezimpuls  $(A_1 = 1, \Delta t_1 = 1, r_1 = 0.5)$  mit dem  Cosinus-Rolloff-Impuls  $(A_2 = 1,\Delta t_2 = 1.0, r_1 = 0.5)$.
         Variieren Sie  $r_2$  zwischen  $0$  und  $1$.  Interpretieren Sie die Spektalfunktion  $X_2(f)$  für  $r_2 = 0.7$.

  • Bei gleichem  $r= 0.5$  besitzt der Cosinus-Rolloff-Impuls  $X_2(f)$  ⇒  für  $f > 1$ betragsmäßig größere Anteile als der Trapezimpuls.
  • Bei gleichem Rolloff-Faktor  $(r_1 = r_2= 0.5)$  verläuft der Abfall von  $X_2(f)$  um die Frequenz  $f = 0.5$  steiler als der Abfall von  $X_1(f)$.
  • Mit  $r_1 = 0.5$  und  $r_2 = 0.7$  gilt  $x_1(t) \approx x_2(t)$  und damit auch  $X_1(f) \approx X_2(f)$.  Vergleichbare Flankensteilheit.


(7)   Vergleichen Sie den  roten Trapezimpuls  $(A_1 = 1, \Delta t_1 = 1, r_1 = 1)$  mit dem  blauen Cosinus-Rolloff-Impuls  $(A_2 = 1,\Delta t_2 = 1.0, r_2 = 1)$.
          Interpretieren Sie die Zeitfunktion  $x_2(t)$  und die Spektralfunktion  $X_2(f)$  systemtheoretisch.

  • Es handelt sich bei  $x_2(t) = \cos^2(|t|\cdot \pi/2) \ \ \text{für} \ |t| \le 1$  um den Cosinus-Quadrat-Impuls.  Nulldurchgänge bei  $f = \pm 1$,  $\pm 2$, ...
  • Für die Frequenz  $f=\pm 0.5$  erhält man die Spektralwerte  $X_2(f)=0.5$.  Der asymptotische Abfall verläuft hier mit  $1/f^3$.


Applet Manual



left     (A)     Bereich der graphischen Darstellung für  $x(t)$

    (B)     Bereich der graphischen Darstellung für  $X(f)$

    (C)     Variationsmöglichkeit für die graphischen Darstellungen

    (D)     Parametereingabe per Slider
                      links (rot):   „Pulse 1”,         rechts (blau):   „Pulse 2”

    (E)     Parameter entsprechend der Voreinstellung   ⇒   „Reset”

    (F)     Einstellung von  $t_*$  und  $f_*$  für Numerikausgabe

    (G)     Numerikausgabe von  $x(t_*)$  und  $X(f_*)$
                      links (rot): „Pulse 1”,         rechts (blau): „Pulse 2”



Details zum obigen Punkt (C)

    (*)   Zoom–Funktionen „$+$” (Vergrößern), „$-$” (Verkleinern) und $\rm o$ (Zurücksetzen)

    (*)   Verschiebe–Funktionen „$\leftarrow$” (Bildausschnitt nach links, Ordinate nach rechts) sowie „$\uparrow$” „$\downarrow$” „$\rightarrow$”


Andere Möglichkeiten:

  • Bei gedrückter Shifttaste und Scrollen kann im Koordinatensystem gezoomt werden.
  • Bei gedrückter Shifttaste und gedrückter linker Maustaste kann das Koordinatensystem verschoben werden.



About the authors


Dieses interaktive Berechnungstool wurde am Lehrstuhl für Nachrichtentechnik der Technischen Universität München konzipiert und realisiert.

  • Die erste Version wurde 2005 von Ji Li im Rahmen ihrer Diplomarbeit mit „FlashMX–Actionscript” erstellt (Betreuer: Günter Söder und Klaus Eichin).
  • 2017 wurde „Impulse & Spektren” von David Jobst im Rahmen seiner Ingenieurspraxis (Betreuer: Tasnád Kernetzky) auf „HTML5” umgesetzt und neu gestaltet.
  • Letztmalige Überarbeitung 2020 durch  Carolin Mirschina  im Rahmen einer Werkstudententätigkeit.

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