Exercise 1.8: Variable Edge Steepness

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Zwei Tiefpässe mit variabler Flankensteilheit sollen miteinander verglichen werden. Für Frequenzen $|f| ≤ f_1$ gilt in beiden Fällen $H(f) = 1$. Dagegen werden alle Frequenzen $|f| ≥ f_2$ vollständig unterdrückt.

Im mittleren Bereich $f_1 ≤ |f| ≤ f_2$ sind die Frequenzgänge durch die nachfolgenden Gleichungen festgelegt:

• Trapeztiefpass (TTP):

$$H(f) = \frac{f_2 - |f|}{f_2 - f_1} ,$$

• Cosinus–Rolloff–Tiefpass (CRTP):

$$H(f) = \cos^2 \left(\frac{|f|- f_1}{f_2 - f_1} \cdot\frac{\pi}{2} \right).$$

Alternative Systemparameter sind für beide Tiefpässe die über das flächengleiche Rechteck definierte

• äquivalente Bandbreite $Δf$, sowie
• der Rolloff–Faktor (im Frequenzbereich):

$$r=\frac{f_2 - f_1}{f_2 + f_1} .$$ In der gesamten Aufgabe gelte $Δf = 10 \ \rm kHz$ und $r = 0.2$. Die Impulsantworten lauten mit der äquivalenten Impulsdauer $Δt = 1/Δf = 0.1 \ \rm ms$: $$h_{\rm TTP}(t) = \frac{1}{\Delta t} \cdot {\rm si}(\pi \cdot \frac{t}{\Delta t} )\cdot {\rm si}(\pi \cdot r \cdot \frac{t}{\Delta t} ),$$ $$h_{\rm CRTP}(t) = \frac{1}{\Delta t} \cdot {\rm si}(\pi \cdot \frac{t}{\Delta t} )\cdot \frac {\cos(\pi \cdot r \cdot t / \Delta t )}{1 - (2 \cdot r \cdot t/\Delta t )^2}.$$

Hinweise:

• Die Aufgabe bezieht sich auf die beien Theorieseiten rapeztiefpass sowie Cosinus-Rolloff-Tiefpass .
• Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
• Sie können Ihre Ergebnisse mit dem Interaktionsmodul Frequenzgänge im Frequenz- und Zeitbereich überprüfen:

Fragebogen

1

Wie lautet die Gleichung für die äquivalente Bandbreite $Δf$?

	Es gilt $Δf = f_2 – f_1$.
	Es gilt $Δf = f_1 + f_2$.
	Es gilt $Δf = (f_2 + f_1)/2$.

2

Bestimmen Sie die Tiefpass-Parameter $f_1$ und $f_2$ für $Δf =$ 10 kHz und $r =$ 0.2.

$f_1 =$ kHz

$f_2 =$ kHz

3

Welche Aussagen sind für die Impulsantwort des Trapeztiefpasses zutreffend, wenn $r =$ 0.2 vorausgesetzt wird?

	$h(t)$ besitzt Nullstellen bei $±n · Δt (n = 1, 2, ...)$.
	$h(t)$ besitzt zusätzliche Nullstellen zu anderen Zeiten.
	Mit $r = 0$ würde $h(t)$ schneller abklingen.
	Mit $r = 1$ würde $h(t)$ schneller abklingen.

4

Welche Aussagen treffen für die Impulantwort des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses zu, wenn $r =$ 0.2 vorausgesetzt wird?

	$h(t)$ besitzt Nullstellen bei $±n · Δt (n = 1, 2, ...)$.
	$h(t)$ besitzt zusätzliche Nullstellen zu anderen Zeiten.
	Mit $r = 0$ würde $h(t)$ schneller abklingen.
	Mit $r = 1$ würde $h(t)$ schneller abklingen.

Musterlösung

Solution

1.  Bei beiden Tiefpässen ist das Integral über H(f) gleich f₁ + f₂. Wegen H(f = 0) = 1 gilt somit auch der Lösungsvorschlag 2:

$$\Delta f = f_1 + f_2.$$

2.  Setzt man die unter a) gefundene Beziehung in die Definitionsgleichung des Rolloff–Faktors ein, so erhält man

$${f_2 - f_1} = r \cdot \Delta f = {2\,\rm kHz}, \hspace{0.5cm} {f_2 + f_1} = {10\,\rm kHz}.$$

Durch Addition bzw. Subtraktion beider Gleichungen ergeben sich die so genannten „Eckfrequenzen” zu f₁ = 4 kHz und f₂ = 6 kHz.

3.  Die erste si–Funktion von h_TTP(t) führt zu Nullstellen im Abstand Δt (siehe auch Gleichung auf der Angabenseite). Die zweite si–Funktion bewirkt Nullstellen bei Vielfachen von 5 · Δt. Da diese exakt mit den Nullstellen der ersten si–Funktion zusammenfallen, gibt es keine zusätzlichen Nullstellen.

Der Sonderfall r = 0 entspricht dem idealen rechteckförmigen Tiefpass mit si–förmiger Impulsantwort. Diese klingt extrem langsam ab. Dagegen fällt die si²–förmige Impulsantwort des Dreiecktiefpasses (Sonderfall für r = 1) asymptotisch mit 1/t² und damit schneller als mit r = 0.2.

Richtig sind somit die Lösungsvorschläge 1 und 4.

4.  h_CRTP(t) weist aufgrund der si–Funktion ebenfalls Nullstellen im Abstand Δt auf. Die Cosinusfunktion hat Nullstellen zu folgenden Zeitpunkten:

$${\cos(\pi \cdot r \cdot {t}/{ \Delta t} )} = 0 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}r \cdot {t}/{ \Delta t} = \pm 0.5, \pm 1.5, \pm 2.5, ... $$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {t}/{ \Delta t} = \pm 2.5, \pm 7.5, \pm 12.5, ... $$

Die Nullstelle des Zählers bei t/Δt = 2.5 wird allerdings durch den ebenfalls verschwindenden Nenner zunichte gemacht. Die weiteren Nullstellen bei 7.5, 12.5, usw. bleiben dagegen bestehen.

Auch hier führt r = 0 zum Rechtecktiefpass und damit zur si–förmigen Impulsantwort. Dagegen klingt die Impulsantwort des Cosinus–Quadrat–Tiefpasses (Sonderfall für r = 1) extrem schnell ab. Dieser wird in der Zusatzaufgabe Z1.8 eingehend untersucht.

Richtig sind hier die Vorschläge 1, 2 und 4.