Difference between revisions of "Applets:Physical Signal & Analytic Signal"

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{{LntAppletLink|analPhysSignal}}  
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{{LntAppletLink|physAnSignal_en}} &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; [https://www.lntwww.de/Applets:Physikalisches_Signal_%26_Analytisches_Signal '''English Applet with German WIKI description''']
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==Applet Description==
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This applet shows the relationship between the physical band-pass signal $x(t)$ and the associated analytic signal $x_+(t)$. It is assumed that the band-pass signal $x(t)$ has a frequency-discrete spectrum $X(f)$:
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:$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$
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The physical signal $x(t)$ is thus composed of three harmonic oscillations, a constellation that can be found, for example, in the ''Double-sideband Amplitude Modulation''
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*of the message signal $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; in German: &nbsp;  '''N'''achrichtensignal
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*with the carrier signal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; in German: &nbsp; '''T'''rägersignal.
 +
  
==Programmbeschreibung==
+
The nomenclature is also adapted to this case:
<br>
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* $x_{\rm O}(t)$ denotes the "upper sideband" &nbsp; (in German: &nbsp; '''O'''beres Seitenband) with the amplitude $A_{\rm O}= A_{\rm N}/2$, the frequency $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ and the phase $\varphi_{\rm O} = \varphi_{\rm T} + \varphi_{\rm N}$.
Dieses Applet zeigt den Zusammenhang zwischen dem physikalischen Bandpass&ndash;Signal $x(t)$ und dem dazugehörigen analytischen Signal $x_+(t)$. Ausgegangen wird stets von einem Bandpass&ndash;Signal $x(t)$ mit frequenzdiskretem Spektrum $X(f)$: 
+
*Similarly, for the "lower sideband" &nbsp; (in German: &nbsp; '''U'''nteres Seitenband) $x_{\rm U}(t)$ with $f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_{\rm N}$, $A_{\rm U}= A_{\rm O}$ and $\varphi_{\rm U} = -\varphi_{\rm O}$.
:$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$
 
Das physikalische Signal $x(t)$ setzt sich also aus drei [[Signaldarstellung/Harmonische_Schwingung|harmonischen Schwingungen]] zusammen, einer Konstellation, die sich zum Beispiel bei der [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#AM-Signale_und_-Spektren_bei_harmonischem_Eingangssignal|Zweiseitenband-Amplitudenmodulation]] des Nachrichtensignals $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$ mit dem Trägersignal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$ ergibt. Die Nomenklatur ist ebenfalls an diesen Fall angepasst:
 
* $x_{\rm O}(t)$ bezeichnet das &bdquo;Obere Seitenband&rdquo; mit der Amplitude $A_{\rm O}= A_{\rm N}/2$, der Frequenz $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ und der Phase $\varphi_{\rm O} = \varphi_{\rm T} + \varphi_{\rm N}$.
 
*Entsprechend gilt für das &bdquo;Untere Seitenband&rdquo; $x_{\rm U}(t)$ mit $f_{\rm U} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$, $A_{\rm U}= A_{\rm O}$ und $\varphi_{\rm U} = -\varphi_{\rm O}$.
 
  
  
Das dazugehörige analytische Signal lautet:
+
The associated analytic signal is:
  
:$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})}
+
:$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})}
\hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})}
+
\hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})}
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$  
+
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$
  
[[File:Zeigerdiagramm_2a_version2.png|right|frame|Analytische Signal zur Zeit $t=0$]]
+
[[File:Zeigerdiagramm_2a_version2.png|right|frame|Analytic signal at the time $t=0$]]
Im Programm dargestellt wird $x_+(t)$ als vektorielle Summe dreier Drehzeiger (alle mit positiver Drehrichtung) als violetter Punkt (siehe beispielhafte Grafik für den Startzeitpunkt $t=0$):
+
The program displays $x_+(t)$ as the vectorial sum of three rotating pointers (all with counterclockwise) as a violet dot (see figure for start time $t=0$):
  
*Der (rote) Zeiger des Trägers $x_{\rm T+}(t)$ mit der Länge $A_{\rm T}$ und der Nullphasenlage $\varphi_{\rm T} = 0$ dreht mit konstanter Winkelgeschwindigkeit $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}$ (eine Umdrehung in der Zeit $1/f_{\rm T}$.
+
*The (red) pointer of the carrier $x_{\rm T+}(t)$ with length $A_{\rm T}$ and zero phase position $\varphi_{\rm T} = 0$ rotates at constant angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}$ (one revolution in time $1/f_{\rm T})$.
  
*Der (blaue) Zeiger des Oberen Seitenbandes $x_{\rm O+}(t)$ mit der Länge $A_{\rm O}$ und der Nullphasenlage $\varphi_{\rm O}$ dreht mit der Winkelgeschwindigkeit $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}$, also etwas schneller als $x_{\rm T+}(t)$.
+
*The (blue) pointer of the upper sideband $x_{\rm O+}(t)$ with length $A_{\rm O}$ and zero phase position $\varphi_{\rm O}$ rotates at the angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}$, which is slightly faster than $x_{\rm T+}(t)$.
  
*Der (grüne) Zeiger des Unteren Seitenbandes $x_{\rm U+}(t)$ mit der Länge $A_{\rm U}$ und der Nullphasenlage $\varphi_{\rm U}$ dreht mit der Winkelgeschwindigkeit $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}$, also etwas langsamer als $x_{\rm T+}(t)$.
+
*The (green) pointer of the lower sideband $x_{\rm U+}(t)$ with length $A_{\rm U}$ and zero phase position $\varphi_{\rm U}$ rotates at the angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}$, which is slightly slower than $x_{\rm T+}(t)$.
  
  
Den zeitlichen Verlauf von $x_+(t)$ bezeichnen wir im Folgenden auch als '''Zeigerdiagramm'''. Der Zusammenhang zwischen dem physikalischen Bandpass&ndash;Signal $x(t)$ und dem dazugehörigen analytischen Signal $x_+(t)$ lautet:
+
The time trace of $x_+(t)$ is also referred to below as ''Pointer Diagram''. The relationship between the physical band-pass signal $x(t)$ and the associated analytic signal $x_+(t)$ is:
  
 
:$$x(t) = {\rm Re}\big [x_+(t)\big ].$$
 
:$$x(t) = {\rm Re}\big [x_+(t)\big ].$$
  
''Hinweis:'' &nbsp; Die Grafik gilt für $\varphi_{\rm O} = +30^\circ$. Daraus folgt für den Startzeitpunkt $t=0$ der Winkel gegenüber dem Koordinatensystem: &nbsp; $\phi_{\rm O} = -\varphi_{\rm O} = -30^\circ$. Ebenso folgt aus der Nullphanlage $\varphi_{\rm U} = -30^\circ$ des unteren Seitenbandes für den in der komplexen Ebene zu berücksichtigenden Phasenwinkel: &nbsp; $\phi_{\rm U} = +30^\circ$.
+
''Note:'' &nbsp; In the figure $\varphi_{\rm O} = +30^\circ$. This leads to the angle with respect to the coordinate system at $t=0$: &nbsp; $\phi_{\rm O}=-\varphi_{\rm O}=-30^\circ$. Similarly, the zero phase angle $\varphi_{\rm U}=-30^\circ$ of the lower sideband leads to the phase angle to be considered in the complex plane: &nbsp; $\phi_{\rm U}=+30^\circ$.
 
  
[[Applets:Linear_Distortions_of_Periodic_Signals|'''Englische Beschreibung''']] (muss noch angepasst werden)
 
  
  
==Theoretischer Hintergrund==
+
==Theoretical Background==
 
<br>
 
<br>
[[File:Zeigerdiagramm_1a.png|right|frame|Bandpass&ndash;Spektrum $X(f)$ |class=fit]]
+
===Description of Band-pass Signals===
Wir betrachten hier '''Bandpass-Signale''' $x(t)$ mit der Eigenschaft, dass deren Spektren $X(f)$ nicht im Bereich um die Frequenz $f = 0$ liegen, sondern um eine Trägerfrequenz $f_{\rm T}$. Meist kann auch davon ausgegangen werden, dass die Bandbreite $B \ll f_{\rm T}$ ist.
+
[[File:Zeigerdiagramm_1a.png|right|frame|Band-pass spectrum $X(f)$ |class=fit]]
 +
We consider '''band-pass signals''' $x(t)$ with the property that their spectra $X(f)$ are not in the range around the frequency $f=0$, but around a carrier frequency $f_{\rm T}$. In most cases it can also be assumed that the bandwidth is $B \ll f_{\rm T}$.
  
Die Grafik zeigt ein solches Bandpass&ndash;Spektrum $X(f)$. Unter der Annahme, dass das zugehörige $x(t)$ ein physikalisches Signal und damit reell ist, ergibt sich für die Spektralfunktion $X(f)$ eine Symmetrie bezüglich der Frequenz $f = 0$. Ist $x(t)$ eine gerade Funktion &nbsp; &rArr; &nbsp; $x(-t)=x(t)$, so ist auch $X(f)$ reell und gerade.
+
The figure shows such a band-pass spectrum $X(f)$. Assuming that the associated $x(t)$ is a physical signal and thus real, the spectral function $X(f)$ has a symmetry with respect to the frequency $f = 0$, if $x(t)$ is an even function &nbsp; &rArr; &nbsp; $x(-t)=x(t)$, $X(f)$ is real and even.
  
Neben dem physikalischen Signal $x(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)$ verwendet man zur Beschreibung von Bandpass-Signalen gleichermaßen:
 
*das analytische Signal $x_+(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_+(f)$, wie im nächsten Unterabschnitt beschrieben,
 
*das äquivalente Tiefpass&ndash;Signal $x_{\rm TP}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_{\rm TP}(f)$, siehe Applet [[Physikalisches Signal & Äquivalentes Tiefpass&ndash;Signal]].
 
  
===Analytisches Signal &ndash; Spektralfunktion===
+
Besides the physical signal $x(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)$, one can also use the following descriptions of band-pass signals:
 
+
*the analytic signal $x_+(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_+(f)$, see next section,
Das zum physikalischen Signal $x(t)$ gehörige '''analytische Signal''' $x_+(t)$ ist diejenige Zeitfunktion, deren Spektrum folgende Eigenschaft erfüllt:
+
*the equivalent low-pass signal &nbsp; (in German: &nbsp; äquivalentes '''T'''ief '''P'''ass&ndash;Signal) $x_{\rm TP}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_{\rm TP}(f)$, <br>see Applet [[Applets:Physical_Signal_%26_Equivalent_Low-pass_Signal|"Physical Signal & Equivalent Low-pass signal"]].
[[File:Zeigerdiagramm_1b_version2.png|right|frame|Konstruktion der Spektralfunktion $X_+(f)$ |class=fit]]
 
$$X_+(f)=\big[1+{\rm sign}(f)\big] \cdot X(f) = \left\{ {2 \cdot
 
X(f) \; \hspace{0.2cm}\rm f\ddot{u}r\hspace{0.2cm} {\it f} > 0, \atop {\,\,\,\, \rm 0 \; \hspace{0.9cm}\rm f\ddot{u}r\hspace{0.2cm} {\it f} < 0.} }\right.$$
 
 
 
Die so genannte ''Signumfunktion'' ist dabei für positive Werte von $f$ gleich $+1$ und für negative $f$–Werte gleich $-1$.
 
*Der (beidseitige) Grenzwert liefert $\sign(0) = 0$.
 
*Der Index „+” soll deutlich machen, dass $X_+(f)$ nur Anteile bei positiven Frequenzen besitzt.
 
 
 
 
 
Aus der Grafik erkennt man die Berechnungsvorschrift für $X_+(f)$: Das tatsächliche BP–Spektrum $X(f)$ wird
 
*bei den positiven Frequenzen verdoppelt, und
 
*bei den negativen Frequenzen zu Null gesetzt.
 
 
 
Aufgrund der Unsymmetrie von $X_+(f)$ bezüglich der Frequenz $f = 0$ kann man bereits jetzt schon sagen, dass die Zeitfunktion $x_+(t)$ bis auf einen trivialen Sonderfall $x_+(t)= 0 \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ X_+(f)= 0$ stets komplex ist.
 
<br clear=all>
 
===Analytisches Signal &ndash; Zeitverlauf===
 
An dieser Stelle ist es erforderlich, kurz auf eine weitere Spektraltransformation einzugehen.
 
 
 
{{BlaueBox|TEXT= 
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
 
Für die '''Hilberttransformierte''' $ {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ einer Zeitfunktion $x(t)$ gilt:
 
 
:$$y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\} = \frac{1}{ {\rm \pi} } \cdot
 
\hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t -
 
\tau} }\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$
 
 
 
Dieses bestimmte Integral ist nicht auf einfache, herkömmliche Art lösbar, sondern muss mit Hilfe des [https://de.wikipedia.org/wiki/Cauchyscher_Hauptwert Cauchy–Hauptwertsatzes] ausgewertet werden.
 
 
 
Entsprechend gilt im Frequenzbereich:
 
:$$Y(f) =  {\rm -j \cdot sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.05cm} .$$}}
 
 
 
 
 
Das obige Ergebnis lässt sich mit dieser Definition wie folgt zusammenfassen:
 
*Man erhält aus dem physikalischen BP–Signal $x(t)$ das analytische Signal $x_+(t)$, indem man zu $x(t)$ einen Imaginärteil gemäß der Hilberttransformierten hinzufügt:
 
 
:$$x_+(t) = x(t)+{\rm j} \cdot {\rm H}\left\{x(t)\right\} .$$
 
 
 
*$\text{H}\{x(t)\}$ verschwindet nur für den Fall  $x(t) = \rm const.$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Gleichsignal.  Bei allen anderen Signalformen ist somit das analytische Signal $x_+(t)$ komplex.
 
 
 
 
 
*Aus dem analytischen Signal $x_+(t)$ kann das physikalische Bandpass–Signal in einfacher Weise durch Realteilbildung ermittelt werden:
 
:$$x(t) = {\rm Re}\left\{x_+(t)\right\} .$$
 
 
 
{{GraueBox|TEXT= 
 
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Das Prinzip der Hilbert–Transformation wird durch die nachfolgende Grafik nochmals verdeutlicht:
 
*Nach der linken Darstellung $\rm(A)$ kommt man vom physikalischen Signal $x(t)$ zum analytischen Signal $x_+(t)$, indem man einen Imaginärteil ${\rm j} \cdot y(t)$ hinzufügt.
 
*Hierbei ist $y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ eine reelle Zeitfunktion, die sich im Spektralbereich durch die Multiplikation des Spektrums $X(f)$ mit $\rm {- j} \cdot \sign(f)$ angeben lässt.
 
 
 
[[File:P_ID2729__Sig_T_4_2_S2b_neu.png|center|frame|Zur Verdeutlichung der Hilbert–Transformierten]]
 
 
 
Die rechte Darstellung $\rm(B)$ ist äquivalent zu $\rm(A)$. Nun gilt $x_+(t) = x(t) + z(t)$ mit der rein imaginären Funktion $z(t)$. Ein Vergleich der beiden Bilder zeigt, dass tatsächlich $z(t) = {\rm j} \cdot y(t)$ ist.}}
 
 
<br><br>
 
<br><br>
===Darstellung der harmonischen Schwingung als analytisches Signal===
 
  
Die Spektralfunktion $X(f)$ einer harmonischen Schwingung $x(t) = A \cdot \text{cos}(2\pi f_Tt - \varphi)$ besteht bekanntlich aus zwei Diracfunktionen bei den Frequenzen
+
===Analytic Signal &ndash; Frequency Domain===
* $+f_{\rm T}$ mit dem komplexen Gewicht $A/2 \cdot \text{e}^{-\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$,
 
* $-f_{\rm T}$ mit dem komplexen Gewicht $A/2 \cdot \text{e}^{+\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$.
 
  
 +
The '''analytic signal''' $x_+(t)$ belonging to the physical signal $x(t)$ is the time function whose spectrum fulfills the following property:
 +
[[File:EN_Sig_T_4_2_S1a.png|right|frame|Construction of the spectral function $X_+(f)$|class=fit]]
  
Somit lautet das Spektrum des analytischen Signals (also ohne die Diracfunktion bei der Frequenz $f =-f_{\rm T}$, aber Verdoppelung bei $f =+f_{\rm T}$):
+
:$$X_+(f)=\big[1+{\rm sign}(f)\big] \cdot X(f) = \left\{ {2 \cdot
 +
X(f) \; \hspace{0.2cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} > 0, \atop {\,\,\,\, \rm 0 \; \hspace{0.9cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} < 0.} }\right.$$
  
:$$X_+(f) = A \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\varphi}\cdot\delta (f - f_{\rm
+
The ''signum function'' is for positive values of $f$ equal to $+1$ and for negative $f$ values equal to $-1$.
T}) .$$
+
* The (double-sided) limit returns $\sign(0)=0$.
+
* The index „+” should make it clear that $X_+(f)$ only has parts at positive frequencies.
Die dazugehörige Zeitfunktion erhält man durch Anwendung des [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Verschiebungssatz|Verschiebungssatzes]]:
 
 
:$$x_+(t) = A \cdot {\rm e}^{ {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}( 2 \pi f_{\rm T} t
 
\hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi)}.$$
 
  
Diese Gleichung beschreibt einen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit $\omega_{\rm T} = 2\pi f_{\rm T}$ drehenden Zeiger.
 
  
{{GraueBox|TEXT= 
+
From the graph you can see the calculation rule for $X_+(f)$:
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Aus Darstellungsgründen wird das Koordinatensystem entgegen der üblichen Darstellung um $90^\circ$ gedreht (Realteil nach oben, Imaginärteil nach links).
 
  
[[File:P_ID712__Sig_T_4_2_S3.png|center|frame|Zeigerdiagramm einer harmonischen Schwingung]]
+
The actual band-pass spectrum $X(f)$ becomes
 +
* doubled at the positive frequencies, and
 +
* set to zero at the negative frequencies.
  
Anhand dieser Grafik sind folgende Aussagen möglich:
 
*Zum Startzeitpunkt $t = 0$ liegt der Zeiger der Länge $A$ (Signalamplitude) mit dem Winkel $-\varphi$ in der komplexen Ebene. Im gezeichneten Beispiel gilt $\varphi = 45^\circ$.
 
*Für Zeiten $t > 0$ dreht der Zeiger mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (Kreisfrequenz) $\omega_{\rm T}$ in mathematisch positiver Richtung, das heißt entgegen dem Uhrzeigersinn.
 
*Die Spitze des Zeigers liegt somit stets auf einem Kreis mit Radius $A$ und benötigt für eine Umdrehung genau die Zeit $T_0$, also die Periodendauer der harmonischen Schwingung $x(t)$.
 
*Die Projektion des analytischen Signals $x_+(t)$ auf die reelle Achse, durch rote Punkte markiert, liefert die Augenblickswerte von $x(t)$.}}
 
<br><br>
 
===$x_+(t)$&ndash;Darstellung einer Summe aus drei harmonischen Schwingungen===
 
  
In unserem Applet setzen wir stets  einen Zeigerverbund aus drei Drehzeigern voraus. Das physikalische Signal lautet:
+
Due to the asymmetry of $X_+(f)$ with respect to the frequency $f=0$, it can already be said that the time function $x_+(t)$ except for a trivial special case $x_+(t)=0 \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_+(f)=0$ is always complex.
:$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$
+
<br clear=all>
* Jede der drei harmonischen Schwingungen harmonischen Schwingungen $x_{\rm T}(t)$, $x_{\rm U}(t)$ und $x_{\rm O}(t)$ wird durch eine Amplitude $(A)$, eine Frequenz $(f)$ und einen Phasenwert $(\varphi)$ charakterisiert.
 
*Die Indizes sind an das Modulationsverfahren [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation|Zweiseitenband&ndash;Amplitudenmodulation]] angelehnt. &bdquo;T&rdquo; steht für &bdquo;Träger&rdquo;, &bdquo;U&rdquo; für &bdquo;Unteres Seitenband&rdquo; und &bdquo;O&rdquo; für &bdquo;Oberes Seitenband&rdquo;. Entsprechend gilt stets $f_{\rm U} < f_{\rm T}$ und $f_{\rm O} > f_{\rm T}$. Für die Ampltuden und Phasen gibt es keine Einschränkungen.
 
  
 +
===Analytic Signal &ndash; Time Domain===
 +
At this point, it is necessary to briefly discuss another spectral transformation.
  
[[File:Zeigerdiagramm_1c.png|center|frame|??? $X_+(f)$ |class=fit]]
+
{{BlaueBox|TEXT=
Im Kapitel [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-r%C3%BCcktransformation|Aperiodische Signale - Impulse]]  wurden meist stillschweigend tiefpassartige Signale vorausgesetzt, das heißt solche Signale, deren Spektralfunktionen im Bereich um die Frequenz $f = 0$ liegen. Insbesondere bei optischer Übertragung und bei Funkübertragungssystemen – aber nicht nur hier – liegen die Sendesignale jedoch im Bereich um eine Trägerfrequenz $f_{\rm T}$. Solche Signale bezeichnet man als '''Bandpass-Signale'''.
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
For the '''Hilbert transform''' $ {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ of a time function $x(t)$ we have:
  
Unter '''Verzerrungen''' (englisch: ''Distortions'') versteht man allgemein die unerwünschte deterministische Veränderungen eines Nachrichtensignals durch ein Übertragungssystem. Sie sind bei vielen Nachrichtensystemen neben den stochastischen Störungen (Rauschen, Nebensprechen, etc.)  eine entscheidende Begrenzung für die Übertragungsqualität und die Übertragungsrate.
+
:$$y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\} = \frac{1}{ {\rm \pi} } \cdot
 +
\hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t -
 +
\tau} }\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$
  
Ebenso wie man die &bdquo;Stärke&rdquo; von Rauschen durch
+
This particular integral is not solvable in a simple, conventional way, but must be evaluated using the [https://en.wikipedia.org/wiki/Cauchy_principal_value "Cauchy principal value theorem"].
*die Rauschleistung (englisch: ''Noise Power'') $P_{\rm N}$ und
 
*das Signal&ndash;zu&ndash;Rauschleistungsverhältnis  (englisch: ''Signal&ndash;to&ndash;Noise Ratio'', SNR)  $\rho_{\rm N}$
 
  
 +
Accordingly, in the frequency domain:
 +
:$$Y(f) =  {\rm -j \cdot sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.05cm} .$$}}
  
bewertet, verwendet man zur Quantifizierung der Verzerrungen
 
  
*die Verzerrungsleistung (englisch: ''Distortion  Power'') $P_{\rm D}$ und
+
The above result can be summarized with this definition as follows:
*das Signal&ndash;zu&ndash;Verzerrungsleistungsverhältnis  (englisch: ''Signal&ndash;to&ndash;Distortion Ratio'', SDR)
+
* The analytic signal $x_+(t)$ is obtained from the physical band-pass signal $x(t)$ by adding an imaginary part to $x(t)$ according to the Hilbert transform:
:$$\rho_{\rm D}=\frac{\rm Signalleistung}{\rm Verzerrungsleistung} = \frac{P_x}{P_{\rm D} }.$$
 
 
  
=== Lineare und nichtlineare Verzerrungen ===
+
:$$x_+(t) = x(t)+{\rm j} \cdot {\rm H}\left\{x(t)\right\} .$$
<br>
 
Man unterscheidet zwischen linearen und nichtlinearen Verzerrungen:
 
*'''Nichtlineare Verzerrungen''' gibt es, wenn zu allen Zeiten $t$ zwischen dem Signalwert $x = x(t)$ am Eingang und dem Ausgangssignalwert $y = y(t)$ der nichtlineare Zusammenhang $y = g(x) \ne {\rm const.} \cdot x$ besteht, wobei $y = g(x)$ die nichtlineare Kennlinie des Systems bezeichnet. Legt man an den Eingang ein Cosinussignal der Freuenz $f_0$ an, so beinhaltet das Ausgangssignal neben  $f_0$ auch Vielfache hiervon &nbsp; &rArr; &nbsp; so genannte ''Oberwellen''. Durch nichtlineare Verzerrungen entstehen also neue Frequenzen.
 
 
 
[[File:LZI_T_2_2_S3_vers2.png|center|frame|Zur Verdeutlichung  nichtlinearer Verzerrungen |class=fit]]
 
  
[[File:P_ID899__LZI_T_2_3_S1_neu.png|right |frame| Beschreibung eines linearen Systems|class=fit]]
+
*$\text{H}\{x(t)\}$ disappears only for the case $x(t) = \rm const.$ &nbsp; &rArr; &nbsp; the same signal. For all other signal forms, the analytic signal $x_+(t)$ is complex.
*'''Lineare Verzerrungen''' entstehen dann, wenn der Übertragungskanal durch einen Frequenzgang $H(f) \ne \rm const.$ charakterisiert wird. Dann werden unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich gedämpft und unterschiedlich verzögert. Charakteristisch hierfür ist, dass zwar Frequenzen verschwinden können (zum Beispiel durch einen Tiefpass, einen Hochpass oder einen Bandpass), dass aber keine neuen Frequenzen entstehen.
 
  
  
In diesem Applet werden nur lineare Verzerrungen betrachtet.
+
* From the analytic signal $x_+(t)$, the physical band-pass signal can be easily determined by the following operation:
 +
:$$x(t) = {\rm Re}\big[x_+(t)\big] .$$
  
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; The principle of the Hilbert transformation should be further clarified by the following graphic:
 +
*After the left representation $\rm(A)$ one gets from the physical signal $x(t)$ to the analytic signal $x_+(t)$, by adding an imaginary part ${\rm j} \cdot y(t)$.
 +
*Here $y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ is a real time function that can be indicated in the spectral domain by multiplying the spectrum $X(f)$ with ${\rm - j} \cdot \sign(f)$.
  
=== Beschreibungsformen für den  Frequenzgang ===
 
<br>
 
Der im Allgemeinen komplexe Frequenzgang kann auch wie folgt dargestellt werden:
 
:$$H(f) = |H(f)| \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot
 
\hspace{0.05cm} b(f)} = {\rm e}^{-a(f)}\cdot {\rm e}^{-{\rm j}
 
\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b(f)}.$$
 
  
Daraus ergeben sich folgende Beschreibungsgrößen:  
+
[[File:P_ID2729__Sig_T_4_2_S2b_neu.png|center|frame|To clarify the Hilbert transform]]
*Der Betrag $|H(f)|$ wird als '''Amplitudengang''' und in logarithmierter Form als '''Dämpfungsverlauf''' bezeichnet:
 
:$$a(f) = - \ln |H(f)|\hspace{0.2cm}{\rm in \hspace{0.1cm}Neper
 
\hspace{0.1cm}(Np) } = - 20 \cdot \lg |H(f)|\hspace{0.2cm}{\rm in
 
\hspace{0.1cm}Dezibel \hspace{0.1cm}(dB) }.$$
 
*Der '''Phasengang''' $b(f)$ gibt den negativen frequenzabhängigen Winkel von $H(f)$ in der komplexen Ebene an, bezogen auf die reelle Achse:
 
:$$b(f) = - {\rm arc} \hspace{0.1cm}H(f) \hspace{0.2cm}{\rm in
 
\hspace{0.1cm}Radian \hspace{0.1cm}(rad)}.$$
 
  
=== Tiefpass <i>N</i>&ndash;ter Ordnung  ===
+
The right representation $\rm(B)$ is equivalent to $\rm(A)$. Now $x_+(t) = x(t) + z(t)$ stand with the purely imaginary function $z(t)$. A comparison of the two figures shows that in fact $z(t) = {\rm j} \cdot y(t)$.}}
<br>
+
<br><br>
[[File:Tiefpass_version2.png|right|frame|Dämpfungsverlauf und Phasenverlauf eines Tiefpasses <i>N</i>&ndash;ter Ordnung]]
 
Der Frequenzgang eines realisierbaren Tiefpasses <i>N</i>&ndash;Ordnung lautet:
 
:$$H(f) = \left [\frac{1}{1 + {\rm j}\cdot f/f_0 }\right ]^N\hspace{0.05cm}.$$
 
Ein einfacher RC&ndash;Tiefpass hat diesen Verlauf mit $N=1$. Damit erhält man
 
*den Dämpfungsverlauf:
 
:$$a(f) =N/2 \cdot \ln  [1+( f/f_0)^2] \hspace{0.05cm},$$
 
*den Phasenverlauf:
 
:$$b(f) =N \cdot \arctan( f/f_0) \hspace{0.05cm},$$
 
*den Dämpfungsfaktor für die Frequenz $f=f_i$:
 
:$$\alpha_i =|H(f = f_i)| =  [1+( f/f_0)^2]^{-N/2}$$ 
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t)= A_i\cdot \cos(2\pi f_i t) \hspace{0.1cm}\rightarrow \hspace{0.1cm}  y(t)= \alpha_i  \cdot A_i\cdot \cos(2\pi f_i t)\hspace{0.05cm},$$
 
*die Phasenlaufzeit für die Frequenz $f=f_i$:
 
:$$\tau_i =\frac{b(f_i)}{2 \pi f_i} = \frac{N \cdot \arctan( f_i/f_0)}{2 \pi f_i}$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t)= A_i\cdot \cos(2\pi f_i t) \hspace{0.1cm}\rightarrow \hspace{0.1cm} y(t)=A_i\cdot \cos(2\pi f_i (t- \tau_i))\hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
===Representation of the Harmonic Oscillation as an Analytic Signal===
  
 +
The spectral function $X(f)$ of a harmonic oscillation $x(t) = A\cdot\text{cos}(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi)$ is known to consist of two Dirac delta functions at the frequencies
 +
* $+f_{\rm T}$ with the complex weight $A/2 \cdot \text{e}^{-\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$,
 +
* $-f_{\rm T}$ with the complex weight $A/2 \cdot \text{e}^{+\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$.
  
=== Hochpass <i>N</i>&ndash;ter Ordnung  ===
 
<br>
 
[[File:Hochpass_version2.png|right|frame|Dämpfungsverlauf und Phasenverlauf eines Hochpasses <i>N</i>&ndash;ter Ordnung]]
 
Der Frequenzgang eines realisierbaren Hochpasses <i>N</i>&ndash;Ordnung lautet:
 
:$$H(f) = \left [\frac{ {\rm j}\cdot f/f_0 }{1 + {\rm j}\cdot f/f_0 }\right ]^N\hspace{0.05cm}.$$
 
Ein einfacher LC&ndash;Tiefpass hat diesen Verlauf mit $N=1$. Damit erhält man
 
*den Dämpfungsverlauf:
 
:$$a(f) =N/2 \cdot \ln  [1+( f_0/f)^2] \hspace{0.05cm},$$
 
*den Phasenverlauf:
 
:$$b(f) =-N \cdot \arctan( f_0/f) \hspace{0.05cm},$$
 
*den Dämpfungsfaktor für die Frequenz $f=f_i$:
 
:$$\alpha_i =|H(f = f_i)| =  [1+( f_0/f)^2]^{-N/2}$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t)= A_i\cdot \cos(2\pi f_i t) \hspace{0.1cm}\rightarrow \hspace{0.1cm}  y(t)= \alpha_i  \cdot A_i\cdot \cos(2\pi f_i t)\hspace{0.05cm},$$
 
*die Phasenlaufzeit für die Frequenz $f=f_i$:
 
:$$\tau_i =\frac{b(f_i)}{2 \pi f_i} = \frac{-N \cdot \arctan( f_0/f_i)}{2 \pi f_i}$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t)= A_i\cdot \cos(2\pi f_i t) \hspace{0.1cm}\rightarrow \hspace{0.1cm}  y(t)=A_i\cdot \cos(2 \pi  f_i (t- \tau_i))\hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
Thus, the spectrum of the analytic signal (that is, without the Dirac delta function at the frequency $f =-f_{\rm T}$, but doubling at $f =+f_{\rm T}$):
  
[[File:Verzerrungen_HP_TP_1_englisch.png|right|frame|Phasenfunktion $b(f)$ von Tiefpass und Hochpass]]
+
:$$X_+(f) = A \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\varphi}\cdot\delta (f - f_{\rm
{{GraueBox|TEXT= 
+
T}) .$$
$\text{Beispiel:}$&nbsp;
 
Die Grafik zeigt jeweils für die Grenzfrequenz $f_0 = 1\ \rm kHz$ und die Ordnung $N=1$ die Phasenfunktion $b(f)$
 
* eines Tiefpasses (englisch: ''low&ndash;pass'') als grüne Kurve, und
 
* eines Hochpasses (englisch: ''high&ndash;pass'') als violette  Kurve.
 
  
 +
The associated time function is obtained by applying the Displacement Law:
  
Das Eingangssignal sei jeweils sinusförmig mit der Frequenz $f_{\rm S} = 1.25\ {\rm kHz}$, wobei dieses Signal erst zum Zeitpunkt $t=0$ eingeschaltet wird:
+
:$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})}
:$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.75cm}\\ \sin(2\pi \cdot f_{\rm S} \cdot t ) \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c}  {\rm{f\ddot{u}r} } \\   {\rm{f\ddot{u}r} }   \\ \end{array}\begin{array} \ t < 0, \\   t>0. \\ \end{array}$$
+
\hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})}
 +
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$
  
In der linken (blau umrandeten) Grafik ist dieses Signal $x(t)$ dargestellt. Der Zeitpunkt $t = T_0 = 0.8\ {\rm ms}$ der ersten Nullstelle ist durch eine gestrichelte Linie markiert. Die beiden anderen Grafiken zeigen die Ausgangssignale $y_{\rm TP}(t)$ und $y_{\rm HP}(t)$ von Tiefpass und Hochpass, wobei in beiden Fällen die Amplitudenänderungen ausgeglichen wurden.
+
This equation describes a pointer rotating at constant angular velocity $\omega_{\rm T} = 2\pi f_{\rm T}$.
  
[[File:Verzerrungen_HP_TP_2_version2.png|center|frame|Eingangssignal $x(t)$ sowie Ausgangssignale  $y_{\rm TP}(t)$ und $y_{\rm HP}(t)$]]
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp; Here the coordinate system is rotated by $90^\circ$ (real part up, imaginary part to the left) contrary to the usual representation.
  
*Die erste Nullstelle des Signals $y_{\rm TP}(t)$ nach dem Tiefpass kommt um $\tau_{\rm TP} = 0.9/(2\pi) \cdot T_0 \approx 0.115 \ {\rm ms}$ später als die erste Nullstelle von $x(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; markiert mit grünem Pfeil, wobei $b_{\rm TP}(f/f_{\rm S} )= 0.9 \ {\rm rad}$ berücksichtigt wurde.
+
[[File:P_ID712__Sig_T_4_2_S3.png|center|frame|Pointer diagram of a harmonic oscillation]]
* Dagegen ist die Laufzeit des Hochpasses negativ: $\tau_{\rm HP} = -0.67/(2\pi) \cdot T_0 \approx 0.085 \ {\rm ms}$ und die erste Nullstelle von $y_{\rm HP}(t)$ kommt deshalb vor der weißen Markierung.
 
*Nach diesem Einschwingvorgang kommen in beiden Fällen die Nulldurchgänge wieder im Raster der Periodendauer  $T_0 = 0.8 \ {\rm ms}.$
 
  
 +
Based on this graphic, the following statements are possible:
 +
* At time $t = 0$, the pointer of length $A$ (signal amplitude) lies with the angle $-\varphi$ in the complex plane. In the example shown, $\varphi=45^\circ$.
 +
* For times $t>0$, the constant angular velocity vector $\omega_{\rm T}$ rotates in a mathematically positive direction, that is, counterclockwise.
 +
* The tip of the pointer is thus always on a circle with radius $A$ and needs exactly the time $T_0$, i.e. the period of the harmonic oscillation $x(t)$ for one revolution.
 +
* The projection of the analytic signal $x_+(t)$ on the real axis, marked by red dots, gives the instantaneous values of $x(t)$.}}
 +
<br><br>
  
''Anmerkung:'' Die gezeigten Signalverläufe wurden mit dem intereaktiven Applet [[Applets:Kausale_Systeme_-_Laplacetransformation|Kausale Systeme &ndash; Laplacetransformation]] erstellt. }}
+
===Analytic Signal Representation of a Sum of Three Harmonic Oscillations===
  
=== Dämpfungsverzerrungen und  Phasenverzerrungen  ===
+
In our applet, we always assume a set of three rotating pointers. The physical signal is:
<br>
+
:$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$
[[File:P_ID900__LZI_T_2_3_S2_neu.png|frame| Voraussetzung für einen nichtverzerrenden Kanal|right|class=fit]]
+
* Each of the three harmonic oscillations $x_{\rm T}(t)$, $x_{\rm U}(t)$ and $x_{\rm O}(t)$ is represented by an amplitude $(A)$, a frequency $(f)$ and a phase value $(\varphi)$.
Die nebenstehende Grafik zeigt
+
*The indices are based on the ''Double-sideband Amplitude Modulation'' method. "T" stands for "carrier", "U" for "lower sideband" and "O" for "upper Sideband".
*den geraden Dämpfungsverlauf $a(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $a(-f) = a(f)$, und
+
*Accordingly, $f_{\rm U} < f_{\rm T}$ and $f_{\rm O} > f_{\rm T}$. There are no restrictions for the amplitudes and phases.
*den ungeraden Phasenverlauf $b(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $b(-f) = -b(- f)$
 
  
eines verzerrungsfreien Systems. Man erkennt:
 
*Bei einem verzerrungsfreien Systems muss in einem Bereich von $f_{\rm U}$ bis $f_{\rm O}$ um die Trägerfrequenz $f_{\rm T}$, in dem das Signal $x(t)$ Anteile besitzt, die  Dämpfungsfunktion $a(f)$ konstant sein.
 
*Aus dem angegebenen konstanten Dämpfungswert $6 \ \rm dB$ folgt für den Amplitudengang $|H(f)| = 0.5$ &nbsp; &rArr; &nbsp; die Signalwerte aller Frequenzen werden somit durch das System halbiert &nbsp; &rArr; &nbsp; keine Dämpfungsverzerrungen.
 
*Zusätzlich muss bei einem solchen Systems der Phasenverlauf $b(f)$ zwischen $f_{\rm U}$ und $f_{\rm O}$ linear mit der Frequenz ansteigen. Dies hat zur Folge, dass alle Frequenzanteile um die gleiche Phasenlaufzeit $τ$ verzögert werden &nbsp; &rArr; &nbsp;  keine Phasenverzerrungen.
 
*Die Verzögerung $τ$ liegt durch die Steigung von $b(f)$ fest. Mit $b(f) = 0$ würde sich ein laufzeitfreies System ergeben  &nbsp; &rArr; &nbsp; $τ = 0$.
 
  
 +
The associated analytic signal is:
 +
:$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})}
 +
\hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})}
 +
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$
  
Die folgende Zusammenfassung berücksichtigt, dass in diesem Applet das Einganssignal stets die Summe zweier harmonischer Schwingungen  ist:
+
{{GraueBox|TEXT=
:$$x(t) = x_1(t) + x_2(t) = A_1\cdot \cos\left(2\pi f_1\cdot t- \varphi_1\right)+A_2\cdot \cos\left(2\pi f_2\cdot t- \varphi_2\right).$$
+
$\text{Example 3:}$&nbsp;
Damit wird der Kanaleinfluss durch die Dämpfungsfaktoren $\alpha_1$ und $\alpha_2$ sowie die Phasenlaufzeiten  $\tau_1$ und $\tau_2$ vollständig beschrieben:
+
Shown the constellation arises i.e. in the [https://en.wikipedia.org/wiki/Sideband "Double-sideband Amplitude Modulation"] (with carrier) of the message signal $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$ with the carrier signal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$. This is discussed frequently in the Exercises.
:$$y(t) = \alpha_1 \cdot x_1(t-\tau_1)  +  \alpha_2  \cdot x_2(t-\tau_2).$$
 
  
{{BlaueBox|TEXT= 
 
$\text{Fazit:}$&nbsp;
 
*Ein Signal $y(t)$ ist gegenüber dem Eingang $x(t)$ nur dann unverzerrt, wenn $\alpha_1 = \alpha_2= \alpha$ &nbsp;<u> und </u>&nbsp; $\tau_1 = \tau_2= \tau$ gilt &nbsp; &rArr; &nbsp; $y(t) = \alpha \cdot  x(t-\tau)$.
 
* Dämpfungsverzerrungen ergeben sich, falls  $\alpha_1 \ne \alpha_2$ ist . Ist $\alpha_1 \ne \alpha_2$ und $\tau_1 = \tau_2$, so liegen ausschließlich Dämpfungsverzerrungen vor.
 
* Phasenverzerrungen gibt es für  $\tau_1 \ne \tau_2$. Ist $\tau_1 \ne \tau_2$ und $\alpha_1 = \alpha_2$, so liegen ausschließlich Phasenverzerrungen vor. }}
 
  
==Versuchsdurchführung==
+
There are some limitations to the program parameters in this approach:
[[File:Exercises_verzerrungen.png|right]]
+
* For the frequencies, it always applies $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ and $f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_{\rm N}$.
*Wählen Sie zunächst die Aufgabennummer.
 
*Eine Aufgabenbeschreibung wird angezeigt.
 
*Parameterwerte sind angepasst.
 
*Lösung nach Drücken von &bdquo;Hide solition&rdquo;.  
 
  
 +
*Without distortions the amplitude of the sidebands are $A_{\rm O}= A_{\rm U}= A_{\rm N}/2$.
 +
*The respective phase relationships can be seen in the following graphic.
  
Mit der Nummer &bdquo;0&rdquo; wird auf die gleichen Einstellung wie beim Programmstart zurückgesetzt und es wird ein Text mit weiteren Erläuterungen zum Applet ausgegeben.
+
[[File:Zeigerdiagramm_5.png|center|frame|Spectrum $X_+(f)$ of the analytic signal for different phase constellations |class=fit]]}}
  
 +
==Exercises==
 +
[[File:Zeigerdiagramm_aufgabe_2.png|right]]
 +
*First select the task number.
 +
*A task description is displayed.
 +
*Parameter values are adjusted.
 +
*Solution after pressing "Hide solition".
  
Im Folgenden bezeichnet $\rm Grün$ das Untere Seitenband &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm U}, f_{\rm U}, \varphi_{\rm U}\big )$, &nbsp;
 
$\rm Rot$ den Träger &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm T}, f_{\rm T}, \varphi_{\rm T}\big )$ und
 
$\rm Blau$ das Obere Seitenband &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm O}, f_{\rm O}, \varphi_{\rm O}\big )$.
 
 
{{BlaueBox|TEXT= 
 
'''(1)''' &nbsp; Betrachten und interpretieren Sie das analytische Signal $x_+(t)$ für $\text{Rot:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$. Außerdem gelte $A_{\rm U} = A_{\rm O} = 0$.
 
  
:Welche Signalwerte $x_+(t)$ ergeben sich für $t = 0$, $t = 5 \ \rm &micro; s$ und $t = 20 \ \rm &micro; s$? Wie groß sind die entsprechenden Signalwerte von $x(t)$? }}
+
The number "0" will reset the program and output a text with further explanation of the applet.
 
+
<br clear=all>
::&nbsp; Für ein Cosinussignal gilt $x_+(t= 0) = A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}$. Danach dreht $x_+(t)$ in mathematisch positiver Richtung (eine Umdrehung pro Periodendauer $T_0 = 1/f_{\rm T}$):
+
In the following, $\rm Green$ denotes the lower sideband &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm U}, f_{\rm U}, \varphi_{\rm U}\big )$, &nbsp;
 
+
$\rm Red$ the carrier &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm T}, f_{\rm T}, \varphi_{\rm T}\big )$ and
:::&nbsp; $x_+(t= 20 \ {\rm &micro; s}) = x_+(t= 0) =  1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 20 \ {\rm &micro; s}) =  1.5\ \text{V,}\hspace{0.5cm}
+
$\rm Blue$ the upper sideband &nbsp; &rArr; &nbsp; $\big (A_{\rm O}, f_{\rm O}, \varphi_{\rm O}\big )$.
x_+(t= 5 \ {\rm &micro; s})  =  {\rm j} \cdot 1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 5 \ {\rm &micro; s}) = {\rm Re}[x_+(t= 5 \ {\rm &micro; s})] =  0$.
+
{{BlaueBox|TEXT=
 
+
'''(1)''' &nbsp; Consider and interpret the analytic signal  $x_+(t)$ for $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, $A_{\rm U} = A_{\rm O} = 0$.
 
 
{{BlaueBox|TEXT= 
 
'''(2)''' &nbsp; Wie ändern sich die Verhältnisse für $\text{Rot:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.0\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 90^\circ$?}}
 
 
 
::Das Signal $x(t)$ ist nun ein Sinussignal mit kleinerer Amplitude. Das analytische Signal startet nun wegen $\varphi_{\rm T} = 90^\circ$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $\phi_{\rm T} = -90^\circ$ bei $x_+(t= 0) = -{\rm j} \cdot A_{\rm T}$. Danach dreht $x_+(t)$ wieder in mathematisch positiver Richtung, aber wegen $T_0 = 10 \ \rm &micro; s$ doppelt so schnell als bei $\rm (1)$.
 
 
 
 
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
'''(3)''' &nbsp; Nun gelte &nbsp; $\text{Rot:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp;  $\text{Grün:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = 0^\circ$,  &nbsp;  $\text{Blau:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 0^\circ$. 
 
 
 
:Betrachten und interpretieren Sie das physikalische Signal $x(t)$ das analytische Signal $x_+(t)$.}}
 
 
 
::Das Signal $x(t)$ ergibt sich bei der Zweiseitenband&ndash;Amplitudenmodulation '''(ZSB&ndash;AM)''' des Nachrichtensignals $A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$ mit $A_{\rm N} = 0.8\ \text{V}$, $f_{\rm N} = 20\ \text{kHz}$. Der Träger $x_{\rm T}(t)$ mit $f_{\rm T} = 100\ \text{kHz}$ ist ebenfalls cosinusförmig. Der Modulationsgrad ist $m = A_{\rm N}/A_{\rm T} = 0.8$ und die Periodendauer $T_{\rm 0} = 50\ \text{&micro;s}$.  
 
  
::Im Zeigerdiagramm dreht sich der (rote) Träger schneller als das (grüne) Untere Seitenband und langsamer als das (blaue) Obere Seitenband. Das analytische Signal $x_+(t)$ ergibt sich als die geometrische Summe der drei rotierenden Zeiger. Es scheint so, als würde der blaue Zeiger dem Träger vorauseilen und der grüne Zeiger dem Träger nachlaufen.
+
:Which signal values $x_+(t)$ result for $t = 0$, $t = 5 \ \rm &micro; s$ and $t = 20 \ \rm &micro; s$? What are the corresponding signal values for $x(t)$? }}
  
 +
::&nbsp;For a cosine signal, let $x_+(t= 0) = A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}$. Then $x_+(t)$ rotates in a mathematically positive direction (one revolution per period  $T_0 = 1/f_{\rm T}$):
  
{{BlaueBox|TEXT= 
+
::&nbsp;$x_+(t= 20 \ {\rm &micro; s}) = x_+(t= 0) = 1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 20 \ {\rm &micro; s})  =  1.5\ \text{V,}$  
'''(4)''' &nbsp; Es gelten weiter die Einstellungen der Aufgabe '''(3)'''. Welche Signalwerte ergeben sich bei $t=0$, $t=2.5 \ \rm &micro; s$, $t= 5 \ \rm &micro; s$ und $t=10 \ \rm &micro; s$? }}   
+
::&nbsp;$x_+(t= 5 \ {\rm &micro; s})  =  {\rm j} \cdot 1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 5 \ {\rm &micro; s}) = {\rm Re}[x_+(t= 5 \ {\rm &micro; s})] = 0$.
  
::Zur Zeit $t=0$ liegen alle Zeiger in Richtung der reellen Achse, so dass $x(t=0) = {\rm Re}\big [x+(t= 0)\big] =  A_{\rm U} + A_{\rm T} + A_{\rm O} = 1.8\ \text{V}$ gilt.
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
'''(2)''' &nbsp; How do the ratios change for $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.0\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 90^\circ$?}}
  
::Bis zur Zeit $t=2.5 \ \rm &micro; s$ hat sich der rote Träger um $90^\circ$ gedreht, der blaue Zeiger um $108^\circ$ und der grüne um $72^\circ$. Es gilt $x(t=2.5 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 2.5 \ \rm &micro; s)\big] = 0$, da nun der Zeigerverbund in Richtung der imaginären Achse zeigt. Die weiteren gesuchten Signalwerte sind $x(t=5 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 5 \ \rm &micro; s)\big] = -1.647\ \text{V}$ und $x(t=10 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 10 \ \rm &micro; s)\big] = 1.247\ \text{V}$.
+
::The signal $x(t)$ is now a sine signal with a smaller amplitude. The analytic signal now starts because of $\varphi_{\rm T} = 90^\circ$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $\phi_{\rm T} = -90^\circ$ at $x_+(t= 0) = -{\rm j} \cdot A_{\rm T}$. <br>After that, $x_+(t)$ rotates again in a mathematically positive direction, but twice as fast because of $T_0 = 10 \ \rm &micro; s$ as in $\rm (1)$.
::Für $x_+(t)$ ergibt sich ein spiralförmiger Verlauf, abwechselnd mit kleiner werdenem Radius und anschließend mit größerem Radius.  
 
  
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{{BlaueBox|TEXT=
 +
'''(3)''' &nbsp; Now &nbsp; $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp;  $\text{Green:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = 0^\circ$,  &nbsp;  $\text{Blue:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 0^\circ$.
  
 +
:Consider and interpret the physical signal $x(t)$ and the analytic signal $x_+(t)$.}}
  
{{BlaueBox|TEXT= 
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::The Signal $x(t)$ results in the [https://en.wikipedia.org/wiki/Sideband Double-sideband Amplitude Modulation] (DSB&ndash;AM) of the message signal $A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$ with $A_{\rm N} = 0.8\ \text{V}$, $f_{\rm N} = 20\ \text{kHz}$. The carrier $x_{\rm T}(t)$ with $f_{\rm T} = 100\ \text{kHz}$ is also cosinusoidal. The degree of modulation is $m = A_{\rm N}/A_{\rm T} = 0.8$ and the period $T_{\rm 0} = 50\ \text{&micro;s}$.
'''(5)''' &nbsp; Wie müssen die Phasenparameter $\varphi_{\rm T}$, $\varphi_{\rm U}$ und $\varphi_{\rm O}$ eingestellt werden, wenn sowohl der Träger $x_{\rm T}(t)$ als auch das Nachrichtensignal $x_{\rm N}(t)$ sinusförmig verlaufen?}}
 
  
::Die Parameterwahl $\varphi_{\rm T} = \varphi_{\rm U} = \varphi_{\rm O}=90^\circ$ beschreibt die Signale $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \sin\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t\right)$ und $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$. Soll zusätzlich die Nachricht $x_{\rm N}(t)$ sinusförmig verlaufen, so muss $\varphi_{\rm O}=\varphi_{\rm T} - 90^\circ = 0$ und $\varphi_{\rm U}=\varphi_{\rm T} + 90^\circ = 180^\circ$ eingestellt werden.
+
::In the phase diagram, the (red) carrier rotates faster than the (green) lower sideband and slower than the (blue) upper sideband. The analytic signal $x_+(t)$ results as the geometric sum of the three rotating pointers. It seems that the blue pointer is leading the carrier and the green pointer is following the carrier.
  
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{{BlaueBox|TEXT=
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'''(4)''' &nbsp; The settings of task '''(3)''' still apply. Which signal values are obtained at $t=0$, $t=2.5 \ \rm &micro; s$, $t= 5 \ \rm &micro; s$ and $t=10 \ \rm &micro; s$? }}
  
{{BlaueBox|TEXT=
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::At time $t=0$, all pointers are in the direction of the real axis, so that $x(t=0) = {\rm Re}\big [x+(t= 0)\big] =  A_{\rm U} + A_{\rm T} + A_{\rm O}  = 1.8\ \text{V}$.
'''(6)''' &nbsp; Es gelten die Einstellungen der Aufgabe '''(3)''' mit Ausnahme von $A_{\rm T} = 0.6\ \text{V}$. Welches Modulationsverfahren wird hiermit beschrieben?
 
  
: Welche Konsequenzen ergeben sich hieraus? Was ändert sich mit $A_{\rm T} = 0$? }}
+
::Until the time $t=2.5 \ \rm &micro; s$, the red carrier has rotated by $90^\circ$, the blue one by $108^\circ$ and the green one by $72^\circ$. We have $x(t=2.5 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 2.5 \ \rm &micro; s)\big] = 0$, because now the pointer group points in the direction of the imaginary axis. The other sought signal values are $x(t=5 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 5 \ \rm &micro; s)\big] = -1.647\ \text{V}$ and $x(t=10 \ \rm &micro; s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 10 \ \rm &micro; s)\big] = 1.247\ \text{V}$.
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::For $x_+(t)$ a spiral shape results, alternating with a smaller radius and then with a larger radius.
  
::Es handelt sich um eine '''ZSB&ndash;AM mit Träger''' mit dem Modulationsgrad $m=0.8/0.6 = 1.333$. Für $m > 1$ ist allerdings eine  [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation|Synchrondemodulation]] erforderlich. [[Modulationsverfahren/Hüllkurvendemodulation|Hüllkurvendemodulation]] funktioniert nicht mehr.
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{{BlaueBox|TEXT=
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'''(5)''' &nbsp; How should the phase parameters $\varphi_{\rm T}$, $\varphi_{\rm U}$ and $\varphi_{\rm O}$ be set if both the carrier $x_{\rm T}(t)$ and the message signal $x_{\rm N}(t)$ are sinusoidal?}}
  
::Mit $A_{\rm T} = 0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $m \to \infty$ ergibt sich eine '''ZSB&ndash;AM ohne Träger'''. Auch hierfür benötigt man unbedingt die Synchrondemodulation.  
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::The parameter selection $\varphi_{\rm T} = \varphi_{\rm U} = \varphi_{\rm O}=90^\circ$ describes the signals $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \sin\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t\right)$ and $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$. If, in addition, the message $x_{\rm N}(t)$ is sinusoidal, then $\varphi_{\rm O}=\varphi_{\rm T} - 90^\circ = 0$ and $\varphi_{\rm U}=\varphi_{\rm T} + 90^\circ = 180^\circ$ must be set.
  
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{{BlaueBox|TEXT=
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'''(6)''' &nbsp; The settings of task '''(3)''' apply except $A_{\rm T} = 0.6\ \text{V}$. Which modulation method is described here?
  
{{BlaueBox|TEXT= 
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: What are the consequences of this? What changes with $A_{\rm T} = 0$? }}
'''(7)''' &nbsp; &nbsp; Nun gelte &nbsp; $\text{Rot:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp;  $\text{Grün:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0$, &nbsp;  $\text{Blau:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 90^\circ$. 
 
  
:Welches Konstellation wird hiermit beschrieben? Was ändert sich mit $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$ und $A_{\rm O} = 0$?}}
+
::It is a [https://en.wikipedia.org/wiki/Sideband Double-sideband Amplitude Modulation] (DSB&ndash;AM with carrier) with the modulation degree $m=0.8/0.6 = 1.333$. For $m > 1$, however,  [https://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/am-reception/synchronous-demodulator-demodulation-detector.php Synchronous Demodulation] is required. [https://en.wikipedia.org/wiki/Envelope_detector Envelope Detection] no longer works. One reason for this is that now the zero crossings of $x(t)$ are no longer equidistant from $5\ \rm &micro; s$ &nbsp; &rArr; &nbsp; additional phase modulation.
  
::In beiden Fällen handelt es sich um eine [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation|Einseitenbandmodulation]] '''(ESB&ndash;AM)''' mit dem Modulationsgrad $\mu = 0.8$ (bei ESB bezeichnen wir den Modulationsgrad mit $\mu$ anstelle von $m$). Das Trägersignal ist cosinusförmig und das Nachrichtensignal sinusförmig.
+
::With $A_{\rm T} = 0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $m \to \infty$ results in a [https://en.wikipedia.org/wiki/Double-sideband_suppressed-carrier_transmission ''DSB&ndash;AM without carrier'']. For this, one also needs coherent demodulation.
  
::Mit $A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm U} = 0$ handelt es sich um eine OSB&ndash;Modulation. Der grüne Zeiger fehlt und der blaue Zeiger dreht im Vergleich zum roten Träger schneller.
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{{BlaueBox|TEXT=
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'''(7)''' &nbsp; &nbsp; Now let &nbsp; $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp;  $\text{Green:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0$, &nbsp;   $\text{Blue:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 90^\circ$.
  
::Mit $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm O} = 0$ handelt es sich um eine USB&ndash;Modulation. Der blaue Zeiger fehlt und der grüne Zeiger dreht im Vergleich zum roten Träger langsamer.
+
:Which constellation is described here? Which figure is given for the equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$? &nbsp; &rArr; &nbsp; "locus"? <br>What changes with $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$ and $A_{\rm O} = 0$?}}
  
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::In both cases, it is a [https://en.wikipedia.org/wiki/Single-sideband_modulation Single-sideband Amplitude Modulation] (SSB&ndash;AM) with the modulation degree $\mu = 0.8$ (in SSB we denote the degree of modulation with $\mu$ instead of $m$). The carrier signal is cosinusoidal and the message signal is sinusoidal. The equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$ has a circular course in the complex plane.
  
{{BlaueBox|TEXT= 
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:: $A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm U} = 0$ is an OSB modulation. The green pointer is missing and the blue pointer rotates faster compared to the red carrier.
'''(8)''' &nbsp; Es gelte &nbsp; $\text{Rot:} \hspace{0.05cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp;  $\text{Grün:} \hspace{0.05cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = -90^\circ$, &nbsp;  $\text{Blau:} \hspace{0.05cm} A_{\rm O} = 0.2\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = +90^\circ$.
 
  
:Welches Konstellation könnte hiermit beschrieben werden? Welche Figur ergibt sich für das äquivalente Tiefpass&ndash;Signal $x_{\rm TP}(t)$? &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Ortskurve&rdquo;?}}
+
:: $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm O} = 0$ is a USB modulation. The blue pointer is missing and the green pointer rotates slower compared to the red carrier.
  
::Es könnte eine ZSB&ndash;AM eines Sinussignals mit cosinusförmigem Träger und Modulationsgrad $m=0.8$ vorliegen, bei dem das Obere Seitenband um den Faktor $2$ gedämpft ist. Das äquivalente Tiefpass&ndash;Signal $x_{\rm TP}(t)$ hat in der komplexen Ebene einen elliptischen Verlauf.
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{{BlaueBox|TEXT=
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'''(8)''' &nbsp; Now&nbsp; $\text{Red:} \hspace{0.05cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, &nbsp; $\text{Green:} \hspace{0.05cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = -90^\circ$, &nbsp;   $\text{Blue:} \hspace{0.05cm} A_{\rm O} = 0.2\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = +90^\circ$.
  
 +
:Which constellation could be described here? Which shape results for the equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$?}}
  
 +
::It could be a DSB&ndash;AM of a sinusoidal signal with cosinusoidal carrier and modulation degree $m=0.8$, in which the upper sideband is attenuated by a factor of 2. The equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$ has an elliptical trace in the complex plane.
  
==Zur Handhabung des Applets==
+
==Applet Manual==
[[File:Handhabung_verzerrungen.png|center]]
 
 
<br>
 
<br>
&nbsp; &nbsp; '''(A)''' &nbsp; &nbsp; Parametereingabe für das Eingangssignal $x(t)$ per Slider: Amplituden, Frequenzen, Phasenwerte
+
[[File:Zeigerdiagramm_abzug.png|right|Screenshot]]
 
 
&nbsp; &nbsp; '''(B)''' &nbsp; &nbsp; Vorauswahl für die Kanalparameter: per Slider, Tiefpass oder Hochpass
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(C)''' &nbsp; &nbsp; Eingabe der Kanalparameter per Slider: Dämpfungsfaktoren und Phasenlaufzeiten
+
* The red parameters $(A_{\rm T}, \ f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm T})$  and the red pointer mark the ''Carrier'' <br>(German: &nbsp; '''T'''räger).
 +
* The green parameters $(A_{\rm U}, \ f_{\rm U} < f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm U})$ mark the ''Lower sideband'' <br>(German: &nbsp;'''U'''nteres Seitenband).
 +
* The blue parameters $(A_{\rm O}, \ f_{\rm O} > f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm O})$  mark the ''Upper sideband'' <br>(German: &nbsp;'''O'''beres Seitenband).
 +
*All pointers rotate in a mathematically positive direction (counterclockwise).
  
&nbsp; &nbsp; '''(D)''' &nbsp; &nbsp; Eingabe der Kanalparameter für Hoch&ndash; und Tiefpass: Ordnung $n$, Grenzfrequenz $f_0$
 
  
&nbsp; &nbsp; '''(E)''' &nbsp; &nbsp; Eingabe der Matching&ndash;Parameter $k_{\rm M}$ und $\varphi_{\rm M}$
+
Meaning of the letters in the adjacent graphic:
  
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; Auswahl der darzustellenden Signale: $x(t)$,  $y(t)$, $z(t)$, $\varepsilon(t)$, $\varepsilon^2(t)$
+
&nbsp; &nbsp; '''(A)''' &nbsp; &nbsp; Plot of the analytic signal $x_{\rm +}(t)$
  
&nbsp; &nbsp; '''(G)''' &nbsp; &nbsp; Graphische Darstellung der Signale
+
&nbsp; &nbsp; '''(B)''' &nbsp; &nbsp; Plot of the physical signal $x(t)$
  
&nbsp; &nbsp; '''(H)''' &nbsp; &nbsp; Eingabe der Zeit $t_*$ für die Numerikausgabe
+
&nbsp; &nbsp; '''(C)''' &nbsp; &nbsp; Parameter input via slider: amplitudes, frequencies, phase values
  
&nbsp; &nbsp; '''( I )''' &nbsp; &nbsp; Numerikausgabe der Signalwerte $x(t_*)$,  $y(t_*)$, $z(t_*)$  und $\varepsilon(t_*)$
+
&nbsp; &nbsp; '''(D)''' &nbsp; &nbsp; Control elements: &nbsp; Start &ndash; Step &ndash; Pause/Continue &ndash; Reset
  
&nbsp; &nbsp; '''(J)''' &nbsp; &nbsp; Numerikausgabe des Hauptergebnisses $P_\varepsilon$
+
&nbsp; &nbsp; '''(E)''' &nbsp; &nbsp; Speed of animation: &nbsp; "Speed" &nbsp; &rArr; &nbsp; Values: 1, 2, 3
  
&nbsp; &nbsp; '''(K)''' &nbsp; &nbsp; Abspeichern und Zurückholen von Parametersätzen
+
&nbsp; &nbsp; '''(F)''' &nbsp; &nbsp; "Trace" &nbsp; &rArr; &nbsp;  On or Off, trace of complex signal values $x_{\rm +}(t)$
  
&nbsp; &nbsp; '''(L)''' &nbsp; &nbsp; Bereich für die Versuchsdurchführung: Aufgabenauswahl, Aufgabenstellung und Musterlösung
+
&nbsp; &nbsp; '''(G)''' &nbsp; &nbsp; Numerical output of the time $t$ and the signal values &nbsp;${\rm Re}[x_{\rm +}(t)] = x(t)$&nbsp; and &nbsp;${\rm Im}[x_{\rm +}(t)]$
  
&nbsp; &nbsp; '''(M)''' &nbsp; &nbsp; Variationsmöglichkeiten für die grafische Darstellung
+
&nbsp; &nbsp; '''(H)''' &nbsp; &nbsp; Variations for the graphical representation
 
$\hspace{1.5cm}$Zoom&ndash;Funktionen &bdquo;$+$&rdquo; (Vergrößern), &bdquo;$-$&rdquo; (Verkleinern) und $\rm o$ (Zurücksetzen)
 
  
$\hspace{1.5cm}$Verschieben mit &bdquo;$\leftarrow$&rdquo; (Ausschnitt nach links, Ordinate nach rechts), &bdquo;$\uparrow$&rdquo; &bdquo;$\downarrow$&rdquo; und &bdquo;$\rightarrow$&rdquo;
+
$\hspace{1.5cm}$Zoom&ndash;Functions "$+$" (Enlarge), "$-$" (Decrease) and $\rm o$ (Reset to default)
  
$\hspace{1.5cm}$'''Andere Möglichkeiten''':
+
$\hspace{1.5cm}$Move with "$\leftarrow$" (Section to the left, ordinate to the right),  "$\uparrow$" "$\downarrow$" and "$\rightarrow$"
  
$\hspace{1.5cm}$Gedrückte Shifttaste und Scrollen: Zoomen im Koordinatensystem,
+
&nbsp; &nbsp; '''(I)''' &nbsp; &nbsp; Experiment section:&nbsp; Task selection and task
  
$\hspace{1.5cm}$Gedrückte Shifttaste und linke Maustaste: Verschieben des Koordinatensystems.
+
&nbsp; &nbsp; '''(J)''' &nbsp; &nbsp; Experiment section:&nbsp; solution
  
==Über die Autoren==
+
In all applets top right:&nbsp; &nbsp; Changeable graphical interface design &nbsp; &rArr; &nbsp; '''Theme''':
Dieses interaktive Berechnungstool  wurde am [http://www.lnt.ei.tum.de/startseite Lehrstuhl für Nachrichtentechnik] der [https://www.tum.de/ Technischen Universität München] konzipiert und realisiert.
+
* Dark: &nbsp; black background&nbsp; (recommended by the authors).
*Die erste Version wurde 2005 von [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Bettina_Hirner_.28Diplomarbeit_LB_2005.29|Bettina Hirner]] im Rahmen ihrer Diplomarbeit mit &bdquo;FlashMX&ndash;Actionscript&rdquo; erstellt (Betreuer: [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Mitarbeiter_und_Dozenten#Prof._Dr.-Ing._habil._G.C3.BCnter_S.C3.B6der_.28am_LNT_seit_1974.29|Günter Söder]]).
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* Bright: &nbsp; white background&nbsp; (recommended for beamers and printouts)
*2018 wurde dieses Programm  von [[Biografien_und_Bibliografien/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Jimmy_He_.28Bachelorarbeit_2018.29|Jimmy He]] im Rahmen seiner Bachelorarbeit (Betreuer: [[Biografien_und_Bibliografien/Beteiligte_der_Professur_Leitungsgebundene_%C3%9Cbertragungstechnik#Tasn.C3.A1d_Kernetzky.2C_M.Sc._.28bei_L.C3.9CT_seit_2014.29|Tasnád Kernetzky]]) neu gestaltet und erweitert.
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* Deuteranopia: &nbsp; for users with pronounced green&ndash;visual impairment
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* Protanopia: &nbsp; for users with pronounced red&ndash;visual impairment
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<br clear=all>
  
==Nochmalige Aufrufmöglichkeit des Applets in neuem Fenster==
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==About the Authors==
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This interactive calculation was designed and realized at the&nbsp;  [https://www.ei.tum.de/en/lnt/home//startseite Institute for Communications Engineering]&nbsp; of the&nbsp;  [https://www.tum.de/ Technical University of Munich] .
 +
*The original version was created in 2005 by&nbsp; [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Ji_Li_.28Bachelorarbeit_EI_2003.2C_Diplomarbeit_EI_2005.29|Ji Li]]&nbsp; as part of her Diploma thesis using  "FlashMX&ndash;Actionscript"&nbsp; (Supervisor:&nbsp; [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Mitarbeiter_und_Dozenten#Prof._Dr.-Ing._habil._G.C3.BCnter_S.C3.B6der_.28am_LNT_seit_1974.29|Günter Söder]]).
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*In 2018 this Applet was redesigned and updated to "HTML5" by&nbsp; [[Biographies_and_Bibliographies/An_LNTwww_beteiligte_Studierende#Xiaohan_Liu_.28Bachelorarbeit_2018.29|Xiaohan Liu]]&nbsp; as part of her Bachelor's thesis (Supervisor: [[Biographies_and_Bibliographies/Beteiligte_der_Professur_Leitungsgebundene_%C3%9Cbertragungstechnik#Tasn.C3.A1d_Kernetzky.2C_M.Sc._.28bei_L.C3.9CT_seit_2014.29|Tasnád Kernetzky]]).
  
{{LntAppletLink|analPhysSignal}}
+
==Once again:&nbsp; Open Applet in new Tab==
  
[[Category:Applets|^Verzerrungen^]]
+
{{LntAppletLink|physAnSignal_en}}  &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; [https://www.lntwww.de/Applets:Physikalisches_Signal_%26_Analytisches_Signal '''English Applet with German WIKI description''']

Latest revision as of 15:54, 13 April 2023

Open Applet in a new tab         English Applet with German WIKI description

Applet Description


This applet shows the relationship between the physical band-pass signal $x(t)$ and the associated analytic signal $x_+(t)$. It is assumed that the band-pass signal $x(t)$ has a frequency-discrete spectrum $X(f)$:

$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$

The physical signal $x(t)$ is thus composed of three harmonic oscillations, a constellation that can be found, for example, in the Double-sideband Amplitude Modulation

  • of the message signal $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$   ⇒   in German:   Nachrichtensignal
  • with the carrier signal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$   ⇒   in German:   Trägersignal.


The nomenclature is also adapted to this case:

  • $x_{\rm O}(t)$ denotes the "upper sideband"   (in German:   Oberes Seitenband) with the amplitude $A_{\rm O}= A_{\rm N}/2$, the frequency $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ and the phase $\varphi_{\rm O} = \varphi_{\rm T} + \varphi_{\rm N}$.
  • Similarly, for the "lower sideband"   (in German:   Unteres Seitenband) $x_{\rm U}(t)$ with $f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_{\rm N}$, $A_{\rm U}= A_{\rm O}$ and $\varphi_{\rm U} = -\varphi_{\rm O}$.


The associated analytic signal is:

$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})} \hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$
Analytic signal at the time $t=0$

The program displays $x_+(t)$ as the vectorial sum of three rotating pointers (all with counterclockwise) as a violet dot (see figure for start time $t=0$):

  • The (red) pointer of the carrier $x_{\rm T+}(t)$ with length $A_{\rm T}$ and zero phase position $\varphi_{\rm T} = 0$ rotates at constant angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}$ (one revolution in time $1/f_{\rm T})$.
  • The (blue) pointer of the upper sideband $x_{\rm O+}(t)$ with length $A_{\rm O}$ and zero phase position $\varphi_{\rm O}$ rotates at the angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}$, which is slightly faster than $x_{\rm T+}(t)$.
  • The (green) pointer of the lower sideband $x_{\rm U+}(t)$ with length $A_{\rm U}$ and zero phase position $\varphi_{\rm U}$ rotates at the angular velocity $2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}$, which is slightly slower than $x_{\rm T+}(t)$.


The time trace of $x_+(t)$ is also referred to below as Pointer Diagram. The relationship between the physical band-pass signal $x(t)$ and the associated analytic signal $x_+(t)$ is:

$$x(t) = {\rm Re}\big [x_+(t)\big ].$$

Note:   In the figure $\varphi_{\rm O} = +30^\circ$. This leads to the angle with respect to the coordinate system at $t=0$:   $\phi_{\rm O}=-\varphi_{\rm O}=-30^\circ$. Similarly, the zero phase angle $\varphi_{\rm U}=-30^\circ$ of the lower sideband leads to the phase angle to be considered in the complex plane:   $\phi_{\rm U}=+30^\circ$.


Theoretical Background


Description of Band-pass Signals

Band-pass spectrum $X(f)$

We consider band-pass signals $x(t)$ with the property that their spectra $X(f)$ are not in the range around the frequency $f=0$, but around a carrier frequency $f_{\rm T}$. In most cases it can also be assumed that the bandwidth is $B \ll f_{\rm T}$.

The figure shows such a band-pass spectrum $X(f)$. Assuming that the associated $x(t)$ is a physical signal and thus real, the spectral function $X(f)$ has a symmetry with respect to the frequency $f = 0$, if $x(t)$ is an even function   ⇒   $x(-t)=x(t)$, $X(f)$ is real and even.


Besides the physical signal $x(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)$, one can also use the following descriptions of band-pass signals:

  • the analytic signal $x_+(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_+(f)$, see next section,
  • the equivalent low-pass signal   (in German:   äquivalentes Tief Pass–Signal) $x_{\rm TP}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X_{\rm TP}(f)$,
    see Applet "Physical Signal & Equivalent Low-pass signal".



Analytic Signal – Frequency Domain

The analytic signal $x_+(t)$ belonging to the physical signal $x(t)$ is the time function whose spectrum fulfills the following property:

Construction of the spectral function $X_+(f)$
$$X_+(f)=\big[1+{\rm sign}(f)\big] \cdot X(f) = \left\{ {2 \cdot X(f) \; \hspace{0.2cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} > 0, \atop {\,\,\,\, \rm 0 \; \hspace{0.9cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} < 0.} }\right.$$

The signum function is for positive values of $f$ equal to $+1$ and for negative $f$ values equal to $-1$.

  • The (double-sided) limit returns $\sign(0)=0$.
  • The index „+” should make it clear that $X_+(f)$ only has parts at positive frequencies.


From the graph you can see the calculation rule for $X_+(f)$:

The actual band-pass spectrum $X(f)$ becomes

  • doubled at the positive frequencies, and
  • set to zero at the negative frequencies.


Due to the asymmetry of $X_+(f)$ with respect to the frequency $f=0$, it can already be said that the time function $x_+(t)$ except for a trivial special case $x_+(t)=0 \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_+(f)=0$ is always complex.

Analytic Signal – Time Domain

At this point, it is necessary to briefly discuss another spectral transformation.

$\text{Definition:}$  For the Hilbert transform $ {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ of a time function $x(t)$ we have:

$$y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\} = \frac{1}{ {\rm \pi} } \cdot \hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t - \tau} }\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$

This particular integral is not solvable in a simple, conventional way, but must be evaluated using the "Cauchy principal value theorem".

Accordingly, in the frequency domain:

$$Y(f) = {\rm -j \cdot sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.05cm} .$$


The above result can be summarized with this definition as follows:

  • The analytic signal $x_+(t)$ is obtained from the physical band-pass signal $x(t)$ by adding an imaginary part to $x(t)$ according to the Hilbert transform:
$$x_+(t) = x(t)+{\rm j} \cdot {\rm H}\left\{x(t)\right\} .$$
  • $\text{H}\{x(t)\}$ disappears only for the case $x(t) = \rm const.$   ⇒   the same signal. For all other signal forms, the analytic signal $x_+(t)$ is complex.


  • From the analytic signal $x_+(t)$, the physical band-pass signal can be easily determined by the following operation:
$$x(t) = {\rm Re}\big[x_+(t)\big] .$$

$\text{Example 1:}$  The principle of the Hilbert transformation should be further clarified by the following graphic:

  • After the left representation $\rm(A)$ one gets from the physical signal $x(t)$ to the analytic signal $x_+(t)$, by adding an imaginary part ${\rm j} \cdot y(t)$.
  • Here $y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\}$ is a real time function that can be indicated in the spectral domain by multiplying the spectrum $X(f)$ with ${\rm - j} \cdot \sign(f)$.


To clarify the Hilbert transform

The right representation $\rm(B)$ is equivalent to $\rm(A)$. Now $x_+(t) = x(t) + z(t)$ stand with the purely imaginary function $z(t)$. A comparison of the two figures shows that in fact $z(t) = {\rm j} \cdot y(t)$.



Representation of the Harmonic Oscillation as an Analytic Signal

The spectral function $X(f)$ of a harmonic oscillation $x(t) = A\cdot\text{cos}(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi)$ is known to consist of two Dirac delta functions at the frequencies

  • $+f_{\rm T}$ with the complex weight $A/2 \cdot \text{e}^{-\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$,
  • $-f_{\rm T}$ with the complex weight $A/2 \cdot \text{e}^{+\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$.


Thus, the spectrum of the analytic signal (that is, without the Dirac delta function at the frequency $f =-f_{\rm T}$, but doubling at $f =+f_{\rm T}$):

$$X_+(f) = A \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\varphi}\cdot\delta (f - f_{\rm T}) .$$

The associated time function is obtained by applying the Displacement Law:

$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})} \hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$

This equation describes a pointer rotating at constant angular velocity $\omega_{\rm T} = 2\pi f_{\rm T}$.

$\text{Example 2:}$  Here the coordinate system is rotated by $90^\circ$ (real part up, imaginary part to the left) contrary to the usual representation.

Pointer diagram of a harmonic oscillation

Based on this graphic, the following statements are possible:

  • At time $t = 0$, the pointer of length $A$ (signal amplitude) lies with the angle $-\varphi$ in the complex plane. In the example shown, $\varphi=45^\circ$.
  • For times $t>0$, the constant angular velocity vector $\omega_{\rm T}$ rotates in a mathematically positive direction, that is, counterclockwise.
  • The tip of the pointer is thus always on a circle with radius $A$ and needs exactly the time $T_0$, i.e. the period of the harmonic oscillation $x(t)$ for one revolution.
  • The projection of the analytic signal $x_+(t)$ on the real axis, marked by red dots, gives the instantaneous values of $x(t)$.



Analytic Signal Representation of a Sum of Three Harmonic Oscillations

In our applet, we always assume a set of three rotating pointers. The physical signal is:

$$x(t) = x_{\rm U}(t) + x_{\rm T}(t) + x_{\rm O}(t) = A_{\rm U}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm U}\cdot t- \varphi_{\rm U}\right)+A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t- \varphi_{\rm T}\right)+A_{\rm O}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm O}\cdot t- \varphi_{\rm O}\right). $$
  • Each of the three harmonic oscillations $x_{\rm T}(t)$, $x_{\rm U}(t)$ and $x_{\rm O}(t)$ is represented by an amplitude $(A)$, a frequency $(f)$ and a phase value $(\varphi)$.
  • The indices are based on the Double-sideband Amplitude Modulation method. "T" stands for "carrier", "U" for "lower sideband" and "O" for "upper Sideband".
  • Accordingly, $f_{\rm U} < f_{\rm T}$ and $f_{\rm O} > f_{\rm T}$. There are no restrictions for the amplitudes and phases.


The associated analytic signal is:

$$x_+(t) = x_{\rm U+}(t) + x_{\rm T+}(t) + x_{\rm O+}(t) = A_{\rm U}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm U}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm U})} \hspace{0.1cm}+ \hspace{0.1cm}A_{\rm T}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm T}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm T})} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} A_{\rm O}\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_{\rm O}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t- \varphi_{\rm O})}. $$

$\text{Example 3:}$  Shown the constellation arises i.e. in the "Double-sideband Amplitude Modulation" (with carrier) of the message signal $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t- \varphi_{\rm N}\right)$ with the carrier signal $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t - \varphi_{\rm T}\right)$. This is discussed frequently in the Exercises.


There are some limitations to the program parameters in this approach:

  • For the frequencies, it always applies $f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_{\rm N}$ and $f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_{\rm N}$.
  • Without distortions the amplitude of the sidebands are $A_{\rm O}= A_{\rm U}= A_{\rm N}/2$.
  • The respective phase relationships can be seen in the following graphic.
Spectrum $X_+(f)$ of the analytic signal for different phase constellations

Exercises

Zeigerdiagramm aufgabe 2.png
  • First select the task number.
  • A task description is displayed.
  • Parameter values are adjusted.
  • Solution after pressing "Hide solition".


The number "0" will reset the program and output a text with further explanation of the applet.
In the following, $\rm Green$ denotes the lower sideband   ⇒   $\big (A_{\rm U}, f_{\rm U}, \varphi_{\rm U}\big )$,   $\rm Red$ the carrier   ⇒   $\big (A_{\rm T}, f_{\rm T}, \varphi_{\rm T}\big )$ and $\rm Blue$ the upper sideband   ⇒   $\big (A_{\rm O}, f_{\rm O}, \varphi_{\rm O}\big )$.

(1)   Consider and interpret the analytic signal $x_+(t)$ for $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$, $A_{\rm U} = A_{\rm O} = 0$.

Which signal values $x_+(t)$ result for $t = 0$, $t = 5 \ \rm µ s$ and $t = 20 \ \rm µ s$? What are the corresponding signal values for $x(t)$?
 For a cosine signal, let $x_+(t= 0) = A_{\rm T} = 1.5\ \text{V}$. Then $x_+(t)$ rotates in a mathematically positive direction (one revolution per period $T_0 = 1/f_{\rm T}$):
 $x_+(t= 20 \ {\rm µ s}) = x_+(t= 0) = 1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 20 \ {\rm µ s}) = 1.5\ \text{V,}$
 $x_+(t= 5 \ {\rm µ s}) = {\rm j} \cdot 1.5\ \text{V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}x(t= 5 \ {\rm µ s}) = {\rm Re}[x_+(t= 5 \ {\rm µ s})] = 0$.

(2)   How do the ratios change for $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1.0\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 90^\circ$?

The signal $x(t)$ is now a sine signal with a smaller amplitude. The analytic signal now starts because of $\varphi_{\rm T} = 90^\circ$   ⇒   $\phi_{\rm T} = -90^\circ$ at $x_+(t= 0) = -{\rm j} \cdot A_{\rm T}$.
After that, $x_+(t)$ rotates again in a mathematically positive direction, but twice as fast because of $T_0 = 10 \ \rm µ s$ as in $\rm (1)$.

(3)   Now   $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$,   $\text{Green:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = 0^\circ$,   $\text{Blue:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 0^\circ$.

Consider and interpret the physical signal $x(t)$ and the analytic signal $x_+(t)$.
The Signal $x(t)$ results in the Double-sideband Amplitude Modulation (DSB–AM) of the message signal $A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$ with $A_{\rm N} = 0.8\ \text{V}$, $f_{\rm N} = 20\ \text{kHz}$. The carrier $x_{\rm T}(t)$ with $f_{\rm T} = 100\ \text{kHz}$ is also cosinusoidal. The degree of modulation is $m = A_{\rm N}/A_{\rm T} = 0.8$ and the period $T_{\rm 0} = 50\ \text{µs}$.
In the phase diagram, the (red) carrier rotates faster than the (green) lower sideband and slower than the (blue) upper sideband. The analytic signal $x_+(t)$ results as the geometric sum of the three rotating pointers. It seems that the blue pointer is leading the carrier and the green pointer is following the carrier.

(4)   The settings of task (3) still apply. Which signal values are obtained at $t=0$, $t=2.5 \ \rm µ s$, $t= 5 \ \rm µ s$ and $t=10 \ \rm µ s$?

At time $t=0$, all pointers are in the direction of the real axis, so that $x(t=0) = {\rm Re}\big [x+(t= 0)\big] = A_{\rm U} + A_{\rm T} + A_{\rm O} = 1.8\ \text{V}$.
Until the time $t=2.5 \ \rm µ s$, the red carrier has rotated by $90^\circ$, the blue one by $108^\circ$ and the green one by $72^\circ$. We have $x(t=2.5 \ \rm µ s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 2.5 \ \rm µ s)\big] = 0$, because now the pointer group points in the direction of the imaginary axis. The other sought signal values are $x(t=5 \ \rm µ s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 5 \ \rm µ s)\big] = -1.647\ \text{V}$ and $x(t=10 \ \rm µ s) = {\rm Re}\big [x_+(t= 10 \ \rm µ s)\big] = 1.247\ \text{V}$.
For $x_+(t)$ a spiral shape results, alternating with a smaller radius and then with a larger radius.

(5)   How should the phase parameters $\varphi_{\rm T}$, $\varphi_{\rm U}$ and $\varphi_{\rm O}$ be set if both the carrier $x_{\rm T}(t)$ and the message signal $x_{\rm N}(t)$ are sinusoidal?

The parameter selection $\varphi_{\rm T} = \varphi_{\rm U} = \varphi_{\rm O}=90^\circ$ describes the signals $x_{\rm T}(t) = A_{\rm T}\cdot \sin\left(2\pi f_{\rm T}\cdot t\right)$ and $x_{\rm N}(t) = A_{\rm N}\cdot \cos\left(2\pi f_{\rm N}\cdot t\right)$. If, in addition, the message $x_{\rm N}(t)$ is sinusoidal, then $\varphi_{\rm O}=\varphi_{\rm T} - 90^\circ = 0$ and $\varphi_{\rm U}=\varphi_{\rm T} + 90^\circ = 180^\circ$ must be set.

(6)   The settings of task (3) apply except $A_{\rm T} = 0.6\ \text{V}$. Which modulation method is described here?

What are the consequences of this? What changes with $A_{\rm T} = 0$?
It is a Double-sideband Amplitude Modulation (DSB–AM with carrier) with the modulation degree $m=0.8/0.6 = 1.333$. For $m > 1$, however, Synchronous Demodulation is required. Envelope Detection no longer works. One reason for this is that now the zero crossings of $x(t)$ are no longer equidistant from $5\ \rm µ s$   ⇒   additional phase modulation.
With $A_{\rm T} = 0$   ⇒   $m \to \infty$ results in a DSB–AM without carrier. For this, one also needs coherent demodulation.

(7)     Now let   $\text{Red:} \hspace{0.15cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$,   $\text{Green:} \hspace{0.15cm} A_{\rm U} = 0$,   $\text{Blue:} \hspace{0.15cm} A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = 90^\circ$.

Which constellation is described here? Which figure is given for the equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$?   ⇒   "locus"?
What changes with $A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$ and $A_{\rm O} = 0$?
In both cases, it is a Single-sideband Amplitude Modulation (SSB–AM) with the modulation degree $\mu = 0.8$ (in SSB we denote the degree of modulation with $\mu$ instead of $m$). The carrier signal is cosinusoidal and the message signal is sinusoidal. The equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$ has a circular course in the complex plane.
$A_{\rm O} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm U} = 0$ is an OSB modulation. The green pointer is missing and the blue pointer rotates faster compared to the red carrier.
$A_{\rm U} = 0.8\ \text{V}$, $A_{\rm O} = 0$ is a USB modulation. The blue pointer is missing and the green pointer rotates slower compared to the red carrier.

(8)   Now  $\text{Red:} \hspace{0.05cm} A_{\rm T} = 1\ \text{V}, \ f_{\rm T} = 100 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm T} = 0^\circ$,   $\text{Green:} \hspace{0.05cm} A_{\rm U} = 0.4\ \text{V}, \ f_{\rm U} = 80 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm U} = -90^\circ$,   $\text{Blue:} \hspace{0.05cm} A_{\rm O} = 0.2\ \text{V}, \ f_{\rm O} = 120 \ \text{kHz}, \ \varphi_{\rm O} = +90^\circ$.

Which constellation could be described here? Which shape results for the equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$?
It could be a DSB–AM of a sinusoidal signal with cosinusoidal carrier and modulation degree $m=0.8$, in which the upper sideband is attenuated by a factor of 2. The equivalent low-pass signal $x_{\rm TP}(t)$ has an elliptical trace in the complex plane.

Applet Manual


Screenshot
  • The red parameters $(A_{\rm T}, \ f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm T})$ and the red pointer mark the Carrier
    (German:   Träger).
  • The green parameters $(A_{\rm U}, \ f_{\rm U} < f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm U})$ mark the Lower sideband
    (German:  Unteres Seitenband).
  • The blue parameters $(A_{\rm O}, \ f_{\rm O} > f_{\rm T}, \ \varphi_{\rm O})$ mark the Upper sideband
    (German:  Oberes Seitenband).
  • All pointers rotate in a mathematically positive direction (counterclockwise).


Meaning of the letters in the adjacent graphic:

    (A)     Plot of the analytic signal $x_{\rm +}(t)$

    (B)     Plot of the physical signal $x(t)$

    (C)     Parameter input via slider: amplitudes, frequencies, phase values

    (D)     Control elements:   Start – Step – Pause/Continue – Reset

    (E)     Speed of animation:   "Speed"   ⇒   Values: 1, 2, 3

    (F)     "Trace"   ⇒   On or Off, trace of complex signal values $x_{\rm +}(t)$

    (G)     Numerical output of the time $t$ and the signal values  ${\rm Re}[x_{\rm +}(t)] = x(t)$  and  ${\rm Im}[x_{\rm +}(t)]$

    (H)     Variations for the graphical representation

$\hspace{1.5cm}$Zoom–Functions "$+$" (Enlarge), "$-$" (Decrease) and $\rm o$ (Reset to default)

$\hspace{1.5cm}$Move with "$\leftarrow$" (Section to the left, ordinate to the right), "$\uparrow$" "$\downarrow$" and "$\rightarrow$"

    (I)     Experiment section:  Task selection and task

    (J)     Experiment section:  solution

In all applets top right:    Changeable graphical interface design   ⇒   Theme:

  • Dark:   black background  (recommended by the authors).
  • Bright:   white background  (recommended for beamers and printouts)
  • Deuteranopia:   for users with pronounced green–visual impairment
  • Protanopia:   for users with pronounced red–visual impairment


About the Authors

This interactive calculation was designed and realized at the  Institute for Communications Engineering  of the  Technical University of Munich .

  • The original version was created in 2005 by  Ji Li  as part of her Diploma thesis using "FlashMX–Actionscript"  (Supervisor:  Günter Söder).
  • In 2018 this Applet was redesigned and updated to "HTML5" by  Xiaohan Liu  as part of her Bachelor's thesis (Supervisor: Tasnád Kernetzky).

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