Aufgaben:Exercise 3.5Z: Integration of Dirac Functions

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Wie in Aufgabe A3.5 soll das Spektrum $\text{Y(f)}$ des Signals

$$y( t ) = \left\{ \begin{array}{c} A \\ - A \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{20}c} {{\rm{f \ddot{u}r}}} \\ {{\rm{f\ddot{u} r}}} \\ {\rm{sonst.}} \\ \end{array}\;\begin{array}{*{20}c} { - T \le t < 0,} \\ {0 < t \le T,} \\ {} \\\end{array}$$

ermittelt werden. Es gelte wieder $A = 1 \text{V}$ und $T = 0.5 \text{ms}$.

Ausgegangen wird vom Zeitsignal $\text{x(t)}$ gemäß der mittleren Skizze, das sich aus drei Diracimpulsen bei $–T$, $0$ und $+T$ mit den Impulsgewichte $\text{AT}$, $-2\text{AT}$ und $\text{AT}$ zusammensetzt.

Die Spektralfunktion $\text{X(f)}$ kann durch Anwendung des Vertauschungssatzes direkt angegeben werden, wenn man berücksichtigt, dass die zu $\text{U(f)}$ gehörige Zeitfunktion wie folgt lautet (siehe untere Skizze):

$$u( t ) = - 2A + 2A \cdot \cos ( {2{\rm{\pi }}f_0 t} ).$$

Hinweis: Diese Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von Kapitel 3.3. Zwischen $\text{x(t)}$ und $\text{y(t)}$ besteht folgender Zusammenhang:

$$y( t ) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau )}\, {\rm d}\tau .$$

Der Integrationssatz lautet in entsprechend angepasster Form:

$$\frac{1}{T}\cdot \hspace{-0.1cm} \int_{ - \infty }^{\hspace{0.05cm}t} {x( \tau )}\,\, {\rm d}\tau\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X( f )\left( {\frac{1}{{{\rm{j}}2{\rm{\pi }}fT}} + \frac{1}{2T}\cdot {\rm \delta} ( f )} \right).$$

Alle im Kapitel 3.3 dargelegten Gesetzmäßigkeiten – unter Anderem auch der Integrationssatz – werden in einem Lernvideo an Beispielen verdeutlicht:

Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation

Fragebogen

1 Berechnen Sie die Spektralfunktion $\text{X(f)}$. Wie groß ist deren Betrag bei den Frequenzen $f = 0$ und $f = 1 \text{kHz}$?

$|\text{X(f = 0)}|$ = $\text{V/Hz}$

$|\text{X(f = 1 kHz)}|$ = $\cdot 10^{-3}\ \text{V/Hz}$

2 Berechnen Sie die Spektralfunktion $\text{Y(f)}$. Welche Werte ergeben sich bei den Frequenzen $f = 0$ und $f = 1 \text{kHz}$?

$|\text{Y(f = 0)}|$ = $\text{V/Hz}$

$|\text{Y(f = 1 kHz)}|$ = $\cdot 10^{-3}\ \text{V/Hz}$

Musterlösung

Solution

1. Im Angabenteil zur Aufgabe finden Sie die Fourierkorrespondenz zwischen $\text{u(t)}$ und $\text{U(f)}$. Da sowohl die Zeitfunktionen $\text{u(t)}$ und $\text{x(t)}$ als auch die dazugehörigen Spektren $\text{U(f)}$ und $\text{X(f)}$ gerade und reell sind, kann man $\text{X(f)}$ durch Anwendung des Vertauschungssatzes leicht berechnen:

$$X( f ) = - 2 \cdot A \cdot T + 2 \cdot A \cdot T \cdot \cos \left( {{\rm{2\pi }}fT} \right).$$

Wegen der Beziehung $sin2(\alpha) = (1 – cos(\alpha))/2$ kann hierfür auch geschrieben werden:

$$X( f ) = - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} ).$$

Bei der Frequenz $f = 0$ hat $\text{x(t)}$ keine Spektralanteile: $\text{X(f)} = 0$. Für $f = 1 \text{kHz}$, also $f \cdot T = 0.5$, gilt:

$$X( f = 1\;{\rm{kHz}} ) = - 4 \cdot A \cdot T = -2 \cdot 10^{ - 3} \;{\rm{V/Hz}}\\ \Rightarrow

|X( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )| \hspace{0.15 cm}\underline{= 2 \cdot 10^{ - 3} \;{\rm{V/Hz}}}{\rm{.}}$$

2. Das Spektrum $\text{Y(f)}$ kann aus $\text{X(f)}$ durch Anwendung des Integrationssatzes ermittelt werden. Wegen $\text{X(f = 0)} = 0$ muss die Diracfunktion bei der Frequenz $f = 0$ nicht berücksichtigt werden und man erhält:

$$Y( f ) = \frac{X( f )}{{{\rm{j}} \cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = \frac{{ - 4 \cdot A \cdot T \cdot \sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{j}}\cdot 2{\rm{\pi }}fT}} = 2{\rm{j}} \cdot A \cdot T \cdot \frac{{\sin ^2 ( {{\rm{\pi }}fT} )}}{{{\rm{\pi }}fT}}.$$

Es ergibt sich selbstverständlich das gleiche Ergebnis wie in Aufgabe A3.5. Der Spektralanteil bei der Frequenz f = 0 ist 0. Für $f = 1 \text{kHz}$ ($f \cdot T = 0.5$) erhält man wieder:

$$|Y( {f = 1\;{\rm{kHz}}} )| = \frac{4 \cdot A \cdot T}{\rm{\pi }} \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm{0}}{\rm{.636}} \cdot {\rm{10}}^{{\rm{ - 3}}} \;{\rm{V/Hz}}}{\rm{.}}$$