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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.4Z: Pointer Diagram for SSB-AM"

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[[File:P_ID732__Sig_Z_4_4_neu.png|right|frame|Vorgegebenes Spektrum  S+(f)]]
 
[[File:P_ID732__Sig_Z_4_4_neu.png|right|frame|Vorgegebenes Spektrum  S+(f)]]
Betrachtet werden soll das analytische Signal  s+(t)  mit dem Linienspektrum
+
The analytical signal  s+(t)  with the line spectrum
 
:$$S_{+}(f) =  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot\delta (f - f_{\rm
 
:$$S_{+}(f) =  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot\delta (f - f_{\rm
 
50})- {\rm j} \cdot {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot\delta (f -
 
50})- {\rm j} \cdot {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot\delta (f -
f_{\rm 60}).$$
+
f_{\rm 60})$$  
Hierbei stehen  f50  und  f60  als Abkürzungen für die Frequenzen  50 kHz  bzw.  60 kHz.
+
is to be considered.
 +
Here  f50  and  f60  are abbreviations for the frequencies  50 kHz  and  60 kHz, respectively..
  
Dieses analytische Signal könnte zum Beispiel bei der&nbsp; [[Modulation_Methods/Einseitenbandmodulation|Einseitenband–Amplitudenmodulation]]&nbsp; (ESB-AM) eines sinusförmigen Nachrichtensignals&nbsp; (Frequenz&nbsp; fN=10 kHz)&nbsp; mit einem cosinusförmigen Trägersignal&nbsp; (fT=50 kHz)&nbsp; auftreten, wobei <u>nur das obere Seitenband</u> übertragen wird (''OSB-Modulation'').
+
This analytical signal could occur, for example, with the&nbsp; [[Modulation_Methods/Einseitenbandmodulation|single sideband amplitude modulation]]&nbsp; (SSB-AM) of a sinusoidal message signal&nbsp; (Frequenz&nbsp; fN=10 kHz)&nbsp; with a cosinusoidal carrier signal&nbsp; (fT=50 kHz)&nbsp;, whereby only the <u>upper sideband</u> is transmitted (''USB-Modulation'').
  
Das analytische Signal könnte aber auch durch eine&nbsp; ''USB-Modulation''&nbsp; des gleichen Sinussignals entstehen, wenn ein sinusförmiges Trägersignal mit der Trägerfrequenz&nbsp; fT=60 kHz&nbsp; verwendet wird.
+
However, the analytical signal could also result from a&nbsp; ''LSB-Modulation''&nbsp; modulation of the same sinusoidal signal if a sinusoidal carrier signal with carrier frequency&nbsp; fT=60 kHz&nbsp; is used.
  
  
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''Hinweise:''  
+
''Hints:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Signal_Representation/Analytical_Signal_and_Its_Spectral_Function|Analytisches Signal und zugehörige Spektralfunktion]].
+
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Analytical_Signal_and_Its_Spectral_Function|Analytical Signal and Its Spectral Function]].
 
   
 
   
*Sie können Ihre Lösung mit dem Interaktionsmodul&nbsp; [[Applets:Physikalisches_Signal_%26_Analytisches_Signal|Physikalisches Signal & Analytisches Signal]]&nbsp; überprüfen.
+
*You can check your solution with the interaction module&nbsp; [[Applets:Physikalisches_Signal_%26_Analytisches_Signal|Physikalisches Signal & Analytisches Signal]]&nbsp;.
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Geben Sie das analytische Signal&nbsp; s+(t)&nbsp; formelmäßig an. Welcher Wert ergibt sich zum Startzeitpunkt&nbsp; t=0?
+
{Give the analytical signal&nbsp; s+(t)&nbsp; as a formula. What value results at the starting time&nbsp; t=0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
Re[s+(t=0)] =   { 1 3% } &nbsp;V
 
Re[s+(t=0)] =   { 1 3% } &nbsp;V
Line 37: Line 38:
  
  
{Zu welcher Zeit&nbsp; t1&nbsp; tritt der erste Nulldurchgang des physikalischen Signals&nbsp; s(t)&nbsp; relativ zum ersten Nulldurchgang des&nbsp; $50 \ \text{kHz-Cosinussignals}$&nbsp; auf? <br>''Hinweis:'' &nbsp; Letzterer ist zur Zeit&nbsp; T_0/4 = 1/(4 \cdot f_{50}) = 5 \ &micro; \text{s}.
+
{At what time&nbsp; t1&nbsp; does the first zero crossing of the physical signal&nbsp; s(t)&nbsp; occur relative to the first zero crossing of the&nbsp; $50 \ \text{kHz-cosine signal}$&nbsp;? <br>''Note:'' &nbsp; The latter is at time&nbsp; T_0/4 = 1/(4 \cdot f_{50}) = 5 \ &micro; \text{s}.
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Es gilt&nbsp; t_1 < 5 \ {\rm &micro;} \text{s}.
+
- It is&nbsp; t_1 < 5 \ {\rm &micro;} \text{s}.
- Es gilt&nbsp; t_1 = 5 \ {\rm &micro;}\text{s}.
+
- It is&nbsp; t_1 = 5 \ {\rm &micro;}\text{s}.
+ Es gilt&nbsp; t_1 > 5 \ {\rm &micro;} \text{s}.
+
+ It is&nbsp; t_1 > 5 \ {\rm &micro;} \text{s}.
  
  
{Welchen Maximalwert nimmt der Betrag&nbsp; |s+(t)|&nbsp; an? Zu welchem Zeitpunkt&nbsp; t2&nbsp; wird dieser Maximalwert zum ersten Mal erreicht?
+
{What is the maximum value of&nbsp; |s+(t)|&nbsp;? At what time&nbsp; t2&nbsp; is this maximum value reached for the first time?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
|s+(t)|max = { 2 3% } &nbsp;V
 
|s+(t)|max = { 2 3% } &nbsp;V
Line 50: Line 51:
  
  
{Zu welchem Zeitpunkt&nbsp; t3&nbsp; ist die Zeigerlänge&nbsp; |s+(t)|&nbsp; erstmalig gleich Null?
+
{At what time&nbsp; t3&nbsp; is the pointer length&nbsp; |s+(t)|&nbsp; equal to zero for the first time?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
t3 =  { 75 3% }  &nbsp;{\rm &micro; s}
 
t3 =  { 75 3% }  &nbsp;{\rm &micro; s}
Line 58: Line 59:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
[[File:EN_Sig_Z_4_4_ML.png|right|frame|Drei verschiedene analytische Signale]]
+
[[File:EN_Sig_Z_4_4_ML.png|right|frame|Three different analytical signals]]
'''(1)'''&nbsp;  Das analytische Signal lautet allgemein:
+
'''(1)'''&nbsp;  The analytical signal is generally:
 
:$$s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
:$$s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t } - {\rm
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t } - {\rm
 
j}\cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 60} \hspace{0.05cm} t }.$$
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 60} \hspace{0.05cm} t }.$$
Zum Zeitpunkt&nbsp; t=0&nbsp; nehmen die komplexen Exponentialfunktionen jeweils den Wert&nbsp; 1&nbsp; an und man erhält (siehe linke Grafik):  
+
At time&nbsp; t=0&nbsp; the complex exponential functions each take the value&nbsp; 1&nbsp; and one obtains (see left graph):  
 
*Re[s+(t=0)]=+1 V_,  
 
*Re[s+(t=0)]=+1 V_,  
 
*Im[s+(t=0)]=1 V_.
 
*Im[s+(t=0)]=1 V_.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
'''(2)'''&nbsp;  Für das analytische Signal kann auch geschrieben werden:
+
'''(2)'''&nbsp;  For the analytical signal it can also be written:
 
:$$s_{+}(t)  =  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
:$$s_{+}(t)  =  {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm j} \cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V}
 
50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm j} \cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V}
Line 78: Line 79:
 
60}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({
 
60}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({
 
\omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).$$
 
\omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).$$
Der Realteil hiervon beschreibt das tatsächliche, physikalische Signal:
+
The real part of this describes the actual, physical signal:
 
:$$s(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
:$$s(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm
 
50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({
 
50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({
 
\omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).$$
 
\omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).$$
  
Richtig ist  der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
Correct is the <u>proposed solution 3</u>:
*Bei alleiniger Berücksichtigung des&nbsp; 50 kHz-Cosinussignals&nbsp; würde der erste Nulldurchgang bei&nbsp; t1=T0/4&nbsp; auftreten, also nach&nbsp; 5 \ {\rm &micro; s}, wobei&nbsp; T_0 = 1/f_{50} = 20 \ {\rm &micro; s}&nbsp; die Periodendauer dieses Signals bezeichnet.  
+
*Considering the&nbsp; 50 kHz-Cosinussignals&nbsp; cosine signal alone, the first zero crossing would occur at&nbsp; t1=T0/4&nbsp; , i.e. after&nbsp; 5 \ {\rm &micro; s}, where&nbsp; T_0 = 1/f_{50} = 20 \ {\rm &micro; s}&nbsp; denotes the period duration of this signal.  
*Das Sinussignal mit der Frequenz&nbsp; 60 kHz&nbsp; ist während der gesamten ersten Halbwelle&nbsp; (0 \, \text{...} \, 8.33\ {\rm &micro; s})&nbsp; positiv.  
+
*The sinusoidal signal with the frequency&nbsp; 60 kHz&nbsp; is positive during the entire first half-wave&nbsp; (0 \, \text{...} \, 8.33\ {\rm &micro; s})&nbsp;.
*Aufgrund des Pluszeichens verzögert sich der erste Nulldurchgang von&nbsp; s(t) \ \Rightarrow \ t_1 > 5\ {\rm &micro; s}.  
+
*Due to the plus sign, the first zero crossing of&nbsp; s(t) \ \Rightarrow \ t_1 > 5\ {\rm &micro; s} is delayed.  
*Die mittlere Grafik zeigt das analytische Signal zum Zeitpunkt&nbsp; t=T0/4, zu dem der rote Träger seinen Nulldurchgang hätte.  
+
*The middle graph shows the analytical signal at time&nbsp; t=T0/4, when the red carrier would have its zero crossing.
*Der Nulldurchgang des violetten Summenzeigers tritt erst dann auf, wenn dieser in Richtung der imaginären Achse zeigt. Dann gilt&nbsp; s(t1)=Re[s+(t1)]=0.
+
*The zero crossing of the violet cumulative pointer only occurs when it points in the direction of the imaginary axis. Then&nbsp; s(t1)=Re[s+(t1)]=0.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Der Maximalwert von&nbsp; |s+(t)|&nbsp; wird erreicht, wenn beide Zeiger in die gleiche Richtung weisen. Der Betrag des Summenzeigers ist dann gleich der Summe der beiden Einzelzeiger; also&nbsp; 2  V_.
+
'''(3)'''&nbsp;  The maximum value of&nbsp; |s+(t)|&nbsp; is reached when both pointers point in the same direction. The amount of the sum pointer is then equal to the sum of the two individual pointers; i.e.&nbsp; 2  V_.
  
Dieser Fall wird zum ersten Mal dann erreicht, wenn der schnellere Zeiger mit der Winkelgeschwindigkeit&nbsp; ω60&nbsp; seinen „Rückstand” von&nbsp; 90(π/2)&nbsp; gegenüber dem langsameren Zeiger&nbsp; (ω50)&nbsp; aufgeholt hat:
+
This case is reached for the first time when the faster pointer with angular velocity&nbsp; ω60&nbsp; has caught up its "lag" of&nbsp; 90(π/2)&nbsp; with the slower pointer&nbsp; (ω50)&nbsp;:
 
:$$\omega_{\rm 60} \cdot  t_2 - \omega_{\rm
 
:$$\omega_{\rm 60} \cdot  t_2 - \omega_{\rm
 
50}\cdot t_2 = \frac{\pi}{2} \hspace{0.3cm}
 
50}\cdot t_2 = \frac{\pi}{2} \hspace{0.3cm}
Line 100: Line 101:
 
f_{\rm 50})} =  \frac{1}{4
 
f_{\rm 50})} =  \frac{1}{4
 
\cdot(f_{\rm 60}- f_{\rm 50})}\hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 25 \hspace{0.05cm} {\rm &micro; s}}}.$$
 
\cdot(f_{\rm 60}- f_{\rm 50})}\hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 25 \hspace{0.05cm} {\rm &micro; s}}}.$$
*Zu diesem Zeitpunkt haben die beiden Zeiger&nbsp; 5/4&nbsp; bzw.&nbsp; 6/4&nbsp; Umdrehungen zurückgelegt und weisen beide in Richtung der imaginären Achse (siehe rechte Grafik).  
+
*At this point, the two pointers have made&nbsp; 5/4&nbsp; bzw.&nbsp; 6/4&nbsp; revolutions respectively and both point in the direction of the imaginary axis (see right graph).
*Das tatsächliche, physikalische Signal&nbsp; s(t)also der Realteil von&nbsp; s+(t)ist deshalb in diesem Moment gleich Null.
+
*The actual, physical signal&nbsp; s(t) i.e. the real part of&nbsp; s+(t)is therefore zero at this moment.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp;  Bedingung für&nbsp; |s+(t3)|=0&nbsp; ist, dass zwischen den beiden gleich langen Zeigern ein Phasenversatz von&nbsp; 180&nbsp; besteht, sodass sie sich auslöschen.  
+
'''(4)'''&nbsp;  The condition for&nbsp; |s+(t3)|=0&nbsp; is that there is a phase offset of&nbsp; 180&nbsp; between the two equally long pointers so that they cancel each other out.
*Dies bedeutet weiter, dass der schnellere Zeiger um&nbsp; 3π/2&nbsp; weiter gedreht hat als der&nbsp; $50 \ \text{kHz-Anteil}$.  
+
*This further means that the faster pointer has rotated&nbsp; 3π/2&nbsp; further than the&nbsp; $50 \ \text{kHz-component}$.  
  
*Analog zur Musterlösung der Teilaufgabe&nbsp; '''(3)'''&nbsp; gilt deshalb:
+
*Analogous to the sample solution of sub-task&nbsp; '''(3)'''&nbsp;, the following therefore applies:
 
:$$t_3  = \frac{3\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}- f_{\rm 50})} \hspace{0.15 cm}\underline{=
 
:$$t_3  = \frac{3\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}- f_{\rm 50})} \hspace{0.15 cm}\underline{=
 
  {\rm 75 \hspace{0.05cm} {\rm &micro; s}}}.$$
 
  {\rm 75 \hspace{0.05cm} {\rm &micro; s}}}.$$

Revision as of 15:58, 10 February 2021

Vorgegebenes Spektrum  S+(f)

The analytical signal  s+(t)  with the line spectrum

S+(f)=1Vδ(ff50)j1Vδ(ff60)

is to be considered. Here  f50  and  f60  are abbreviations for the frequencies  50 kHz  and  60 kHz, respectively..

This analytical signal could occur, for example, with the  single sideband amplitude modulation  (SSB-AM) of a sinusoidal message signal  (Frequenz  fN=10 kHz)  with a cosinusoidal carrier signal  (fT=50 kHz) , whereby only the upper sideband is transmitted (USB-Modulation).

However, the analytical signal could also result from a  LSB-Modulation  modulation of the same sinusoidal signal if a sinusoidal carrier signal with carrier frequency  fT=60 kHz  is used.





Hints:


Questions

1

Give the analytical signal  s+(t)  as a formula. What value results at the starting time  t=0?

Re[s+(t=0)] = 

 V
Im[s+(t=0)] = 

 V

2

At what time  t1  does the first zero crossing of the physical signal  s(t)  occur relative to the first zero crossing of the  50 kHz-cosine signal ?
Note:   The latter is at time  T_0/4 = 1/(4 \cdot f_{50}) = 5 \ µ \text{s}.

It is  t_1 < 5 \ {\rm µ} \text{s}.
It is  t_1 = 5 \ {\rm µ}\text{s}.
It is  t_1 > 5 \ {\rm µ} \text{s}.

3

What is the maximum value of  |s_+(t)| ? At what time  t_2  is this maximum value reached for the first time?

|s_+(t)|_{\rm max}\ = \

 \text{V}
t_2\ = \

 {\rm µ s}

4

At what time  t_3  is the pointer length  |s_+(t)|  equal to zero for the first time?

t_3\ = \

 {\rm µ s}


Solution

Three different analytical signals

(1)  The analytical signal is generally:

s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t } - {\rm j}\cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 60} \hspace{0.05cm} t }.

At time  t = 0  the complex exponential functions each take the value  1  and one obtains (see left graph):

  • \text{Re}[s_+(t = 0)] \; \underline{= +1\ \text{V}},
  • \text{Im}[s_+(t = 0)]\; \underline{ = \,-\hspace{-0.08cm}1\ \text{V}}.


(2)  For the analytical signal it can also be written:

s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm j} \cdot{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({ \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t }) - {\rm j} \cdot {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({ \omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).

The real part of this describes the actual, physical signal:

s(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \cos({ \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t }) + {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot \sin({ \omega_{\rm 60}\hspace{0.05cm} t }).

Correct is the proposed solution 3:

  • Considering the  50 \ \text{kHz-Cosinussignals}  cosine signal alone, the first zero crossing would occur at  t_1 = T_0/4  , i.e. after  5 \ {\rm µ s}, where  T_0 = 1/f_{50} = 20 \ {\rm µ s}  denotes the period duration of this signal.
  • The sinusoidal signal with the frequency  60 \ \text{kHz}  is positive during the entire first half-wave  (0 \, \text{...} \, 8.33\ {\rm µ s}) .
  • Due to the plus sign, the first zero crossing of  s(t) \ \Rightarrow \ t_1 > 5\ {\rm µ s} is delayed.
  • The middle graph shows the analytical signal at time  t = T_0/4, when the red carrier would have its zero crossing.
  • The zero crossing of the violet cumulative pointer only occurs when it points in the direction of the imaginary axis. Then  s(t_1) = \text{Re}[s_+(t_1)] = 0.


(3)  The maximum value of  |s_+(t)|  is reached when both pointers point in the same direction. The amount of the sum pointer is then equal to the sum of the two individual pointers; i.e.  \underline {2\ \text{ V}}.

This case is reached for the first time when the faster pointer with angular velocity  \omega_{60}  has caught up its "lag" of  90^{\circ} \; (\pi /2)  with the slower pointer  (\omega_{50}) :

\omega_{\rm 60} \cdot t_2 - \omega_{\rm 50}\cdot t_2 = \frac{\pi}{2} \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}t_2 = \frac{\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}- f_{\rm 50})} = \frac{1}{4 \cdot(f_{\rm 60}- f_{\rm 50})}\hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 25 \hspace{0.05cm} {\rm µ s}}}.
  • At this point, the two pointers have made  5/4  bzw.  6/4  revolutions respectively and both point in the direction of the imaginary axis (see right graph).
  • The actual, physical signal  s(t) – i.e. the real part of  s_+(t) – is therefore zero at this moment.


(4)  The condition for  |s_+(t_3)| = 0  is that there is a phase offset of  180^\circ  between the two equally long pointers so that they cancel each other out.

  • This further means that the faster pointer has rotated  3\pi /2  further than the  50 \ \text{kHz-component}.
  • Analogous to the sample solution of sub-task  (3) , the following therefore applies:
t_3 = \frac{3\pi/2}{2\pi (f_{\rm 60}- f_{\rm 50})} \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 75 \hspace{0.05cm} {\rm µ s}}}.