Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.6: Rectangular-in-Time Low-Pass Filter"

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{Das Eingangssignal&nbsp; $x(t)$&nbsp; sei ein um&nbsp; $t = 0$&nbsp; symmetrisches Rechteck der Dauer &nbsp;$T = 2 \ \rm ms$&nbsp; und der Höhe &nbsp;$1 \, \rm V$. Es gelte&nbsp; $τ = 0$ . <br>Welche Aussagen sind zutreffend?
+
{Let the input signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; be a rectangle symmetric about&nbsp; $t = 0$&nbsp; of duration&nbsp;$T = 2 \ \rm ms$&nbsp; and height&nbsp;$1 \, \rm V$. Let&nbsp; $τ = 0$ hold. <br>Which statements are true?
 
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- $y(t)$&nbsp; ist rechteckförmig.
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- $y(t)$&nbsp; is rechteckförmig.
+ $y(t)$&nbsp; ist dreieckförmig.
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+ $y(t)$&nbsp; is dreieckförmig.
- $y(t)$&nbsp; ist trapezförmig.
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- $y(t)$&nbsp; is trapezförmig.
 
+ Der Maximalwert von&nbsp; $y(t)$&nbsp; beträgt&nbsp; $ 1\hspace{0.05cm} \rm V$.
 
+ Der Maximalwert von&nbsp; $y(t)$&nbsp; beträgt&nbsp; $ 1\hspace{0.05cm} \rm V$.
  
  
{Welche Aussagen treffen zu, wenn&nbsp; $x(t)$&nbsp; die Rechteckbreite &nbsp;$T = 1 \ \rm ms$&nbsp; besitzt?
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{Which statements are true, if&nbsp; $x(t)$&nbsp; has a rectangle width of &nbsp;$T = 1 \ \rm ms$&nbsp;?
 
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- $y(t)$&nbsp; ist rechteckförmig.
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- $y(t)$&nbsp; ist rectangular.
- $y(t)$&nbsp; ist dreieckförmig.
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- $y(t)$&nbsp; ist triangular.
+ $y(t)$&nbsp; ist trapezförmig.
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+ $y(t)$&nbsp; ist trapezoidal.
- Der Maximalwert von&nbsp; $y(t)$&nbsp; beträgt&nbsp; $1\hspace{0.05cm} \rm V$.
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- The maximum value of&nbsp; $y(t)$&nbsp; is&nbsp; $1\hspace{0.05cm} \rm V$.
  
  
{Es gelte weiter&nbsp; $τ =  0$. Berechnen Sie das Ausgangssignal&nbsp; $z(t)$, wenn&nbsp; $x(t)$&nbsp; zum Zeitpunkt&nbsp; $t = 0$&nbsp; von Null auf&nbsp; $1\hspace{0.05cm} \rm V$&nbsp; springt. <br>Welche Aussagen treffen zu?
+
{The following still holds: &nbsp; $τ =  0$. Compute the output signal&nbsp; $z(t)$, if&nbsp; $x(t)$&nbsp; jumps from zero to&nbsp; $1\hspace{0.05cm} \rm V$&nbsp; at time&nbsp; $t = 0$&nbsp;. <br>Which statements are true?
 
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- $z(t)$&nbsp; ist eine gerade Funktion der Zeit.
+
- $z(t)$&nbsp; is an even function of time.
+ $z(t)$&nbsp; weist bei&nbsp; $t = 0$&nbsp; eine Sprungstelle auf.
+
+ $z(t)$&nbsp; has a jump discontinuity at&nbsp; $t = 0$&nbsp;.
+ Zum Zeitpunkt&nbsp; $t = 0$&nbsp; ist&nbsp; $z(t) = 0$.
+
+ At time&nbsp; $t = 0$&nbsp;, &nbsp; $z(t) = 0$ holds.
+ Für&nbsp; $t > 1 \ \rm ms$&nbsp; ist&nbsp; $z(t) = 0$.
+
+ For&nbsp; $t > 1 \ \rm ms$&nbsp;, &nbsp; $z(t) = 0$ is true.
  
  
{Welchen Verlauf hat&nbsp; $z(t)$&nbsp; als Antwort auf das sprungförmige Eingangssignal&nbsp; $x(t)$, wenn die Laufzeit &nbsp;$τ =1 \hspace{0.05cm} \rm ms$&nbsp; ist? <br>Welcher Signalwert tritt bei &nbsp;$t =1 \hspace{0.05cm} \rm ms$&nbsp; auf?
+
{What is the curve shape of&nbsp; $z(t)$&nbsp; in response to the step-shaped input signal&nbsp; $x(t)$, if the runtime is &nbsp;$τ =1 \hspace{0.05cm} \rm ms$&nbsp;? <br>What signal value occurs at&nbsp;$t =1 \hspace{0.05cm} \rm ms$&nbsp;?
 
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$z(t = 1 \rm \ ms) =\ $ { 0.5 3% } $\ \rm V$
 
$z(t = 1 \rm \ ms) =\ $ { 0.5 3% } $\ \rm V$
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===Solution===
 
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Die Bedingung&nbsp; $H(f = 0) = 1$&nbsp; bedeutet, dass die Fläche der Impulsantwort gleich&nbsp; $1$&nbsp; ist. &nbsp; Daraus folgt:
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'''(1)'''&nbsp; The condition&nbsp; $H(f = 0) = 1$&nbsp; means that the area of the impulse response is equal to&nbsp; $1$&nbsp;. &nbsp; From this it follows that:
 
:$$k = {1}/{\Delta t} \hspace{0.15cm}\underline{= 500\hspace{0.1cm}{ 1/{\rm s}}} .$$
 
:$$k = {1}/{\Delta t} \hspace{0.15cm}\underline{= 500\hspace{0.1cm}{ 1/{\rm s}}} .$$
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 4</u>:
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'''(2)'''&nbsp; <u>Approaches 2 and 4</u> are correct:
*Das Ausgangssignal&nbsp; $y(t)$&nbsp; ergibt sich als das Faltungsprodukt von&nbsp; $x(t)$&nbsp; und&nbsp; $h(t)$.  
+
*The output signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; is obtained as the convolution product of&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $h(t)$.  
*Die Faltung zweier gleich breiter Rechtecke ergibt ein Dreieck mit dem Maximum bei&nbsp; $t = 0$:
+
*Convolution of two rectangles of equal width results in a triangle with its maximum at&nbsp; $t = 0$:
 
:$$y(t = 0 ) = 1\hspace{0.05cm}{\rm V}\cdot  \int_{ - 1\,{\rm ms} }^{ 1\,{\rm ms} } {k \hspace{0.1cm}}{\rm d}\tau =
 
:$$y(t = 0 ) = 1\hspace{0.05cm}{\rm V}\cdot  \int_{ - 1\,{\rm ms} }^{ 1\,{\rm ms} } {k \hspace{0.1cm}}{\rm d}\tau =
 
  1\hspace{0.05cm}{\rm V}\cdot  \int_{ - 1\,{\rm ms} }^{ 1\,{\rm ms} } {\frac{1}{2\,{\rm ms}} \hspace{0.1cm}}{\rm d}\tau= 1\hspace{0.05cm}{\rm V}.$$
 
  1\hspace{0.05cm}{\rm V}\cdot  \int_{ - 1\,{\rm ms} }^{ 1\,{\rm ms} } {\frac{1}{2\,{\rm ms}} \hspace{0.1cm}}{\rm d}\tau= 1\hspace{0.05cm}{\rm V}.$$
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[[File: P_ID859__LZI_A_1_6_c.png | Trapezimpuls| rechts|frame]]  
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[[File: P_ID859__LZI_A_1_6_c.png | Trapezoid pulse| rechts|frame]]  
'''(3)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
'''(3)'''&nbsp; <u>Approach 3</u> is correct:
*Die Faltung zweier unterschiedlich breiter Rechtecke führt zum trapezförmigen Ausgangssignal gemäß der Skizze.  
+
*Convolution of two rectangles of different widths results in the trapezoidal output signal as shown in the sketch.  
*Der Maximalwert tritt im konstanten Bereich von &nbsp;$-0.5 \hspace{0.05cm} \rm ms$&nbsp; bis &nbsp;$+0.5 \hspace{0.05cm} \rm ms$&nbsp; auf und beträgt
+
*The maximum value occurs in the constant range of&nbsp;$-0.5 \hspace{0.05cm} \rm ms$&nbsp; to &nbsp;$+0.5 \hspace{0.05cm} \rm ms$&nbsp; and is
 
:$$y(t = 0 ) = 1\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot  \frac{1}{2\,{\rm
 
:$$y(t = 0 ) = 1\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot  \frac{1}{2\,{\rm
 
  ms}} \hspace{0.05cm}\cdot 1\,{\rm  ms} = 0.5\hspace{0.05cm}{\rm V}.$$
 
  ms}} \hspace{0.05cm}\cdot 1\,{\rm  ms} = 0.5\hspace{0.05cm}{\rm V}.$$

Revision as of 16:54, 7 September 2021

Rectangular impulse response, non-causal and causal

We consider below the constellation shown in the graph:

  • The frequency response  $H(f) = H_1(f) · H_2(f)$  in the lower branch is determined by the impulse responses of its two subcomponents.
  • Here,  $h_1(t)$  is constantly equal to  $k$  in the reange from  $-1\ \rm ms$  to  $+1\ \rm ms$  and zero outside.
  • At the range limits, half the value is valid in each case.
  • The time variable drawn in the figure is thus  $Δt = 2 \ \rm ms$.


The impulse response of the second system function  $H_2(f)$  is:

$$h_2(t) = \delta(t - \tau).$$

The frequency response between the signals  $x(t)$  and  $z(t)$  is of high-pass character and generally:

$$H_{\rm HP}(f) = 1 - H_1(f) \cdot {\rm e}^{-{\rm j\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi}f \tau}.$$
  • For the subtasks  (1)  to  (4)  the following holds:   $τ = 0$   ⇒   $H(f) = H_1(f)$.
  • However, using  $τ = 0$  this can also be formulated as follows  $(Δt = 2 \ \rm ms)$:
$$H_{\rm HP}(f) = 1 - {\rm si}( \pi \cdot {\rm \Delta}t \cdot f).$$
  • With no effect on the solution of the problem, note that this equation is not applicable for  $τ ≠ 0$  because of:
$$|H_{\rm HP}(f)|\hspace{0.09cm} \ne \hspace{0.09cm}1 - |H_1(f)| .$$





Please note:



Questions

1

Calculate the height  $k$  of the impulse response  $h_1(t)$  on the side condition of  $H_1(f = 0) = 1$.

$k \ =\ $

$\ \rm 1/s$

2

Let the input signal  $x(t)$  be a rectangle symmetric about  $t = 0$  of duration $T = 2 \ \rm ms$  and height $1 \, \rm V$. Let  $τ = 0$ hold.
Which statements are true?

$y(t)$  is rechteckförmig.
$y(t)$  is dreieckförmig.
$y(t)$  is trapezförmig.
Der Maximalwert von  $y(t)$  beträgt  $ 1\hspace{0.05cm} \rm V$.

3

Which statements are true, if  $x(t)$  has a rectangle width of  $T = 1 \ \rm ms$ ?

$y(t)$  ist rectangular.
$y(t)$  ist triangular.
$y(t)$  ist trapezoidal.
The maximum value of  $y(t)$  is  $1\hspace{0.05cm} \rm V$.

4

The following still holds:   $τ = 0$. Compute the output signal  $z(t)$, if  $x(t)$  jumps from zero to  $1\hspace{0.05cm} \rm V$  at time  $t = 0$ .
Which statements are true?

$z(t)$  is an even function of time.
$z(t)$  has a jump discontinuity at  $t = 0$ .
At time  $t = 0$ ,   $z(t) = 0$ holds.
For  $t > 1 \ \rm ms$ ,   $z(t) = 0$ is true.

5

What is the curve shape of  $z(t)$  in response to the step-shaped input signal  $x(t)$, if the runtime is  $τ =1 \hspace{0.05cm} \rm ms$ ?
What signal value occurs at $t =1 \hspace{0.05cm} \rm ms$ ?

$z(t = 1 \rm \ ms) =\ $

$\ \rm V$


Solution

(1)  The condition  $H(f = 0) = 1$  means that the area of the impulse response is equal to  $1$ .   From this it follows that:

$$k = {1}/{\Delta t} \hspace{0.15cm}\underline{= 500\hspace{0.1cm}{ 1/{\rm s}}} .$$


(2)  Approaches 2 and 4 are correct:

  • The output signal  $y(t)$  is obtained as the convolution product of  $x(t)$  and  $h(t)$.
  • Convolution of two rectangles of equal width results in a triangle with its maximum at  $t = 0$:
$$y(t = 0 ) = 1\hspace{0.05cm}{\rm V}\cdot \int_{ - 1\,{\rm ms} }^{ 1\,{\rm ms} } {k \hspace{0.1cm}}{\rm d}\tau = 1\hspace{0.05cm}{\rm V}\cdot \int_{ - 1\,{\rm ms} }^{ 1\,{\rm ms} } {\frac{1}{2\,{\rm ms}} \hspace{0.1cm}}{\rm d}\tau= 1\hspace{0.05cm}{\rm V}.$$


rechts

(3)  Approach 3 is correct:

  • Convolution of two rectangles of different widths results in the trapezoidal output signal as shown in the sketch.
  • The maximum value occurs in the constant range of $-0.5 \hspace{0.05cm} \rm ms$  to  $+0.5 \hspace{0.05cm} \rm ms$  and is
$$y(t = 0 ) = 1\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot \frac{1}{2\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}\cdot 1\,{\rm ms} = 0.5\hspace{0.05cm}{\rm V}.$$


rechts

(4)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 2, 3 und 4:

  • Die Impulsantwort des Gesamtsystems lautet:   $h_{\rm HP}(t) = \delta(t) - h(t).$  Beide Anteile sind in der Skizze dargestellt.
  • Durch Integration über  $h_{\rm HP}(t)$  und Multiplikation mit  $1 \hspace{0.05cm} \rm V$  kommt man zum gesuchten Signal  $z(t)$.
    In der unteren Skizze sind dargestellt:
  1. das Integral über  $δ(t)$  blau,
  2. die Funktion  $-σ(t)$  rot,  und
  3. das gesamte Signal  $z(t)$  grün.
  • $z(t)$  ist eine ungerade Funktion in  $t$  mit einer Sprungstelle bei  $t = 0$:   Der Signalwert bei  $t = 0$  liegt genau in der Mitte zwischen dem links– und dem rechteckseitigem Grenzwert und ist somit Null.
  • Für  $t > 1 \hspace{0.05cm} \rm ms$  gilt ebenfalls  $z(t) = 0$, da das Gesamtsystem eine Hochpass-Charakteristik aufweist.


rechts

(5)  Die untere Grafik zeigt die resultierende Impulsantwort  $h_{\rm HP}(t)$  und die Sprungantwort  $σ_{\rm HP}(t)$.

  • Diese springt bei  $t = 0$  auf  $1$  und klingt bis zum Zeitpunkt  $t = 2 \hspace{0.05cm} \rm ms$  auf den Endwert "Null" ab.
  • Zum Zeitpunkt  $t = 1\ \rm ms$  ergibt sich  $σ_{\rm HP}(t) = 0.5$.
  • Das Signal  $z(t)$  ist formgleich mit der Sprungantwort  $σ_{\rm HP}(t)$, ist jedoch noch mit  $1 \hspace{0.05cm} \rm V$  zu multiplizieren.
  • Der gesuchte Signalwert zur Zeit  $t_1 = 1 \hspace{0.05cm} \rm ms$  ergibt sich also zu  $z(t_1) \; \rm \underline{ = \ 0.5 \: {\rm V}}$.