Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.2Z: Sinc-Squared Spectrum with Diracs"

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[[File:P_ID496__Sig_Z_3_2_neu.png|right|frame|$\rm sinc^2$– spectrum with Diracs]]
Das skizzierte Spektrum $\text{X(f)}$ eines Zeitsignals $\text{x(t)}$ setzt sich zusammen aus
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The sketched spectrum  ${X(f)}$  of a time signal  ${x(t)}$  is composed of
  
:* einem kontinuierlichen Anteil $X_1(f)$,
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* a continuous component  $X_1(f)$,
  
:* dazu drei diracförmigen Spektrallinien.
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* plus three discrete spectral lines   ⇒    "Dirac functions".
  
Der kontinuierliche Anteil lautet mit $f_0 = 200 \text{kHz}$ und $X_0 = 10–5 \text{V/Hz}$:
 
:$$X_1( f ) = X_0  \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ^2 ( {\pi \frac{f}{f_0}} ),\quad \\{\rm wobei}\quad {\mathop{\rm si}\nolimits} (x) = \frac{\sin (x)}{x}.$$
 
Die Spektrallinie bei $f = 0$ hat das Gewicht $–1V$. Daneben gibt es noch zwei Linien bei den Frequenzen $\pm f_0$, beide mit dem Gewicht $0.5 V$.
 
  
<b>Hinweis:</b> Diese Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von [http://en.lntwww.de/Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation Kapitel 3.1]. Als bekannt vorausgesetzt werden kann, dass ein um $t = 0$ symmetrischer Dreieckimpuls $\text{y(t)}$ mit der Amplitude $\text{A}$ und der absoluten Dauer $2T$ (das heißt: die Signalwerte sind nur zwischen $–T$ und $+T$ ungleich $0$) folgende Spektralfunktion besitzt:
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The continuous component with&nbsp; $f_0 = 200\, \text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $X_0 = 10^{–5} \text{ V/Hz}$ is as follows:
:$$Y( f ) = A \cdot T \cdot {\rm si}^2 ( \pi f T ).$$
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:$$X_1( f ) = X_0 \cdot {\mathop{\rm sinc}\nolimits} ^2 ( {{f}/{f_0}} ),\quad {\rm where is}\quad {\mathop{\rm sinc}\nolimits} (x) = {\sin (\pi x)}/(\pi x).$$
Weitere Informationen zu dieser Thematik liefert das folgende Lernvideo:
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*The spectral line at&nbsp; $f = 0$&nbsp; has the weight&nbsp; $–\hspace{-0.08cm}1\,\text{V}$.
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*In addition, there are two lines at frequencies&nbsp; $\pm f_0$,&nbsp; both with weight&nbsp; $0.5\,\text{V}$.
  
Unterschiede und Gemeinsamkeiten von kontinuierlichen und diskreten Spektren
 
  
  
===Fragebogen===
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_Its_Inverse|Fourier Transform and its Inverse]].
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*Further information on this topic can be found in the (German language) learning video&nbsp; [[Kontinuierliche_und_diskrete_Spektren_(Lernvideo)|Kontinuierliche und diskrete Spektren]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Continuous and discrete spectra".
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*It can be assumed as known:&nbsp; A triangular pulse&nbsp; $y(t)$&nbsp; with amplitude&nbsp; ${A}$,&nbsp; the absolute duration&nbsp; $2T$&nbsp; and symmetrical about&nbsp; $t = 0$&nbsp; $($i.e.:&nbsp; the signal values are&nbsp; $\ne 0 $&nbsp; only between&nbsp; $–T$&nbsp; and&nbsp; $+T$&nbsp;)&nbsp; has the following spectral function:
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:$$Y( f ) = A  \cdot T \cdot {\rm sinc}^2 ( f T ).$$
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===Question===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Werte besitzen die Parameter $\text{A}$ (Amplitude) und $\text{T}$ (einseitige Dauer) des dreieckförmigen Signalanteils $x_1(t)$?
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{What are the values of the parameters&nbsp; ${A}$&nbsp; (maximum) and&nbsp; ${T}$&nbsp; (one-sided duration) of the triangular signal component&nbsp; $x_1(t)$?
 
|type="{}"}
 
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$A$ = { 2 3% } $\text{V}$
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$A\ = \ $ { 2 3% } &nbsp;$\text{V}$
$T$ = { 5 3% } $\text{$\mu$s}$
+
$T\ = \ $ { 5 3% } &nbsp;$\text{$&micro;$s}$
  
  
{Wie groß ist der Gleichsignalanteil $\text{B}$ des Signals?
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{What is the DC component&nbsp; ${B}$&nbsp; of the signal?
 
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$B$ = $-$ { 1 3% } $\text{V}$
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$B\ = \ $ { -1.03--0.97 } &nbsp;$\text{V}$
  
  
{Wie groß ist die Amplitude C des periodischen Anteils von x(t)?
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{What is the amplitude&nbsp; $C$&nbsp; of the periodic component of&nbsp; $x(t)$?
 
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$C$ = { 1 3% } $\text{V}$
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$C\ = \ $ { 1 3% } &nbsp;$\text{V}$
  
  
{Wie groß sind der Maximalwert und der Minimalwert des Signals $\text{x(t)}$?
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{What are the maximum and minimum values of the signal&nbsp; $x(t)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$x_\text{max}$ = { 2 3% } $\text{V}$
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$x_\text{max}\ = \ $ { 2 3% } &nbsp;$\text{V}$
$x_\text{min}$ = $-$ { 2 3% } $\text{V}$
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$x_\text{min}\hspace{0.2cm} = \ $ { -2.06--1.94 } &nbsp;$\text{V}$
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
[[File:P_ID498__Sig_Z_3_2_a_neu.png|right|]]
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[[File:P_ID498__Sig_Z_3_2_a_neu.png|right|frame|Area of the triangular pulse]]
'''1.'''  Die einseitige Dauer des symmetrischen Dreieckimpulses beträgt $T = 1/f_0 = 5 \mu s$. Der Spektralwert $X_0 = X_1(f = 0)$ gibt die Impulsfläche von $x_1(t)$ an; diese ist $\text{A} \cdot \text{T}$. Daraus folgt:
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'''(1)'''&nbsp; The one-sided duration of the symmetrical triangular pulse is&nbsp; $T = 1/f_0\hspace{0.15 cm}\underline{ = 5 \,{\rm &micro; s}}$.  
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*The spectral value&nbsp; $X_0 = X_1(f = 0)$&nbsp; indicates the pulse area of&nbsp; $x_1(t)$.
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*This is equal to&nbsp; ${A} \cdot {T}$.&nbsp; From this follows:
 
:$$A = \frac{X_0 }{T}  = \frac{ 10^{-5}\rm V/Hz }{5 \cdot 10^{-6}{\rm s}}\hspace{0.15 cm}\underline{= 2\;{\rm V}}.$$
 
:$$A = \frac{X_0 }{T}  = \frac{ 10^{-5}\rm V/Hz }{5 \cdot 10^{-6}{\rm s}}\hspace{0.15 cm}\underline{= 2\;{\rm V}}.$$
  
'''2.'''  Der Gleichsignalanteil ist durch das Gewicht des Diracs bei der Frequenz $f = 0$ gegeben. Man erhält $\text{B} \underline{= –1 \text{V}}$.
 
  
'''3.'''  Die beiden Spektrallinien bei $\pm f_0$ ergeben zusammen ein Cosinussignal mit der Amplitude $\text{C} \underline{= 1 \text{V}}$.
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'''(2)'''&nbsp;  The DC component is given by the Dirac weight at&nbsp; $f = 0$.&nbsp; One obtains&nbsp; ${B} \hspace{0.15 cm}\underline{= -1 \,\text{V}}$.
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'''(3)'''&nbsp; The two spectral lines at&nbsp; $\pm f_0$&nbsp; together give a cosine signal with amplitude&nbsp; ${C} \hspace{0.15 cm}\underline{= 1 \text{V}}$.
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'''(4)'''&nbsp;  The maximum value occurs at time&nbsp; ${t} = 0$&nbsp; &nbsp; (here the triangular pulse and cosine signal are maximum):
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:$$x_{\text{max}} = A + B + C \hspace{0.15 cm}\underline{= +2 \text{V}}.$$  
  
'''4.'''  Der Maximalwert tritt zum Zeitpunkt $\text{t} = 0$ auf (Dreieckimpuls und Cosinussignal maximal) und beträgt $x_\text{max} \underline{= \text{A} + \text{B} + \text{C} = 2 \text{V}}$. Die minimalen Werte von $\text{x(t)}$ ergeben sich, wenn der Dreieckimpuls abgeklungen ist und die Cosinusfunktion den Wert $–1$ liefert: $x_\text{min} \underline{= \text{B} \text{C} = –2 \text{V}}$.
+
*The minimum values of&nbsp; ${x(t)}$&nbsp;  result when the triangular pulse has decayed and the cosine function delivers the value&nbsp; $\hspace{-0.08 cm}1 \,\text{V}$&nbsp;:
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:$$x_\text{min} = {B} - {C}\hspace{0.15 cm}\underline{ = -2\, \text{V}}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^3. Aperiodische Signale - Impulse^]]
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[[Category:Signal Representation: Exercises|^3.1 Fourier Transform and Its Inverse^]]

Latest revision as of 15:11, 24 May 2021

$\rm sinc^2$– spectrum with Diracs

The sketched spectrum  ${X(f)}$  of a time signal  ${x(t)}$  is composed of

  • a continuous component  $X_1(f)$,
  • plus three discrete spectral lines   ⇒   "Dirac functions".


The continuous component with  $f_0 = 200\, \text{kHz}$  and  $X_0 = 10^{–5} \text{ V/Hz}$ is as follows:

$$X_1( f ) = X_0 \cdot {\mathop{\rm sinc}\nolimits} ^2 ( {{f}/{f_0}} ),\quad {\rm where is}\quad {\mathop{\rm sinc}\nolimits} (x) = {\sin (\pi x)}/(\pi x).$$
  • The spectral line at  $f = 0$  has the weight  $–\hspace{-0.08cm}1\,\text{V}$.
  • In addition, there are two lines at frequencies  $\pm f_0$,  both with weight  $0.5\,\text{V}$.




Hints:

  • It can be assumed as known:  A triangular pulse  $y(t)$  with amplitude  ${A}$,  the absolute duration  $2T$  and symmetrical about  $t = 0$  $($i.e.:  the signal values are  $\ne 0 $  only between  $–T$  and  $+T$ )  has the following spectral function:
$$Y( f ) = A \cdot T \cdot {\rm sinc}^2 ( f T ).$$


Question

1

What are the values of the parameters  ${A}$  (maximum) and  ${T}$  (one-sided duration) of the triangular signal component  $x_1(t)$?

$A\ = \ $

 $\text{V}$
$T\ = \ $

 $\text{$µ$s}$

2

What is the DC component  ${B}$  of the signal?

$B\ = \ $

 $\text{V}$

3

What is the amplitude  $C$  of the periodic component of  $x(t)$?

$C\ = \ $

 $\text{V}$

4

What are the maximum and minimum values of the signal  $x(t)$?

$x_\text{max}\ = \ $

 $\text{V}$
$x_\text{min}\hspace{0.2cm} = \ $

 $\text{V}$


Solution

Area of the triangular pulse

(1)  The one-sided duration of the symmetrical triangular pulse is  $T = 1/f_0\hspace{0.15 cm}\underline{ = 5 \,{\rm µ s}}$.

  • The spectral value  $X_0 = X_1(f = 0)$  indicates the pulse area of  $x_1(t)$.
  • This is equal to  ${A} \cdot {T}$.  From this follows:
$$A = \frac{X_0 }{T} = \frac{ 10^{-5}\rm V/Hz }{5 \cdot 10^{-6}{\rm s}}\hspace{0.15 cm}\underline{= 2\;{\rm V}}.$$


(2)  The DC component is given by the Dirac weight at  $f = 0$.  One obtains  ${B} \hspace{0.15 cm}\underline{= -1 \,\text{V}}$.


(3)  The two spectral lines at  $\pm f_0$  together give a cosine signal with amplitude  ${C} \hspace{0.15 cm}\underline{= 1 \text{V}}$.


(4)  The maximum value occurs at time  ${t} = 0$    (here the triangular pulse and cosine signal are maximum):

$$x_{\text{max}} = A + B + C \hspace{0.15 cm}\underline{= +2 \text{V}}.$$
  • The minimum values of  ${x(t)}$  result when the triangular pulse has decayed and the cosine function delivers the value  $–\hspace{-0.08 cm}1 \,\text{V}$ :
$$x_\text{min} = {B} - {C}\hspace{0.15 cm}\underline{ = -2\, \text{V}}.$$