Exercise 3.3: Sum of two Oscillations

Two different Bessel spectra

The equivalent low-pass signal with phase modulation, when normalized to the carrier amplitude $(A_{\rm T} = 1)$ is:

$$ s_{\rm TP}(t) = {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}K_{\rm PM}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}q(t) }\hspace{0.05cm},$$

The modulator constant is assumed to be $K_{\rm PM} = \rm 1/V$ throughout the task.

The upper graph shows the corresponding spectral function $B_1(f)$, when the source signal is

$$q_1(t) = 0.9\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 1\,{\rm kHz} \cdot t)$$

The weights of the Bessel-Dirac lines when $η_1 = 0.9$ are obtained as follows:

$${\rm J}_0 (0.9) = 0.808 \approx 0.8,\hspace{1cm} {\rm J}_1 (0.9) = 0.406 \approx 0.4,$$

$${\rm J}_2 (0.9) = 0.095 \approx 0.1,\hspace{1cm} {\rm J}_3 (0.9) \approx {\rm J}_4 (0.9) \approx\ \text{ ...} \ \approx 0 \hspace{0.05cm}.$$

Use the approximations given in the graph to simplify the calculations.

The Bessel function $B_2(f)$ is obtained for the source signal

$$q_2(t) = 0.65\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi \cdot 3\,{\rm kHz} \cdot t)$$

The numerical values of the Dirac lines are obtained from the following:

$${\rm J}_0 (0.65) = 0.897 \approx 0.9,\hspace{0.3cm}{\rm J}_1 (0.65) = 0.308 \approx 0.3, \hspace{0.3cm}{\rm J}_2 (0.65) = 0.051 \approx 0\hspace{0.05cm}.$$

From the graph, it can be seen that due to the cosine source signal $q_2(t)$ and the cosine carrier signal $z(t)$ , the spectral lines at $±3 \ \rm kHz$ are both positive and imaginary.

In the context of this task, we will now investigate the case where the source signal

$$q(t) = q_1(t) + q_2(t)$$

is applied to the input of the phase modulator.

It is worth mentioning that $|q(t)| < q_{\rm max} = 1.45 \ \rm V$ .
This maximum value is slightly smaller than the sum $A_1 + A_2$ of the individual amplitudes when a sine and a cosine function with the given amplitudes are added up.

In the following questionnaire,

$S_{\rm TP}(f)$ denotes the spectral function of the equivalent low-pass signal,
$S_+(f)$ denotes the spectral functions of the analytic signal,

in both cases assuming that $q(t) = q_1(t) + q_2(t)$ holds and that the carrier frequency is $f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$ .

Hints:

This exercise belongs to the chapter Phase Modulation.
Particular reference is made to the page Equivalent low-pass signal in phase modulation.
The values of the Bessel functions can be found in formula collections in table form.
You can also use the interactive applet Bessel functions of the first kind to solve this task.

Questions

	Die Ortskurve ist eine Ellipse.
	Die Ortskurve ist ein Kreis.
	Die Ortskurve ist näherungsweise ein Halbkreis.
	Die Ortskurve ist ein Kreisbogen, etwa mit Öffnungswinkel $90^\circ$.

$f_{\rm min} \ = \ $

$\ \rm kHz$

$f_{\rm max} \ = \ $

$\ \rm kHz$

${\rm Re}\big[S_{\rm TP}(f = 0)\big] \ = \ $

${\rm Im}\big[S_{\rm TP}(f = 0)\big] \ = \ $

${\rm Re}\big[S_{\rm TP}(f = 1 \ \rm kHz)\big] \ = \ $

${\rm Im}\big[S_{\rm TP}(f = 1 \ \rm kHz)\big] \ = \ $

${\rm Re}\big[S_{\rm +}(f = 98 \ \rm kHz)\big] \ = \ $

${\rm Im}\big[S_{\rm +}(f = 98 \ \rm kHz)\big] \ = \ $

Musterlösung

Solution

(1) Richtig ist die dritte Antwort:

Bei Winkelmodulation bewegt sich der komplexe Zeiger $s_{\rm TP}(t)$ stets auf einem Kreisbogen mit folgendem Öffnungswinkel:

$$2 · K_{\rm PM} · q_{\rm max} = 2 \cdot {\rm 1/V} \cdot 1.45 \ \rm V = 2.9 \ \rm rad \approx 166^\circ.$$

Mit der (zugegebenermaßen sehr groben) Näherung $166^\circ \approx 180^\circ$ ergibt sich tatsächlich ein Halbkreis.

(2) Es gilt allgemein $S_{\rm TP}(f) = B_1(f) ∗ B_2(f)$.

Da $B_1(f)$ auf Frequenzen $|f| ≤ 2 \ \rm kHz$ und $B_2(f)$ auf den Bereich $±3 \ \rm kHz$ begrenzt sind, ist das Faltungsprodukt auf $|f| ≤ 5 \ \rm kHz$ beschränkt.
Daraus folgt:

$$f_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= -5 \ \rm kHz},$$

$$f_{\rm max} \hspace{0.15cm}\underline {=+5 \ \rm kHz}.$$

(3) Das Faltungsprodukt für die Frequenz $f = 0$ ergibt sich durch Multiplikation von $B_1(f)$ mit $B_2(f)$ und anschließender Summation.

Nur für $f = 0$ sind sowohl $B_1(f)$ als auch $B_2(f)$ von Null verschieden.
Damit erhält man:

$$ S_{\rm TP}(f = 0) = B_{1}(f = 0) \cdot B_{2}(f = 0)= 0.8 \cdot 0.9 \hspace{0.15cm}\underline {= 0.72}\hspace{0.2cm}{\rm (rein \hspace{0.15cm} reell)} \hspace{0.05cm}.$$

(4) Nun muss vor der Multiplikation und Summation noch eine Frequenzverschiebung von $B_2(f)$ nach rechts – oder von $B_1(f)$ nach links – um $1 \ \rm kHz$ erfolgen. Somit erhält man:

$$S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz}) = B_{1}(f = -2\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f = 3\,{\rm kHz}) + B_{1}(f = 1\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f = 0) = 0.1 \cdot {\rm j} \cdot 0.3 + 0.4 \cdot 0.9\hspace{0.15cm} = 0.36 + {\rm j} \cdot 0.03$$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Re}[S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.36} \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} {\rm Im}[S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.03} \hspace{0.05cm}.$$

(5) Die Diraclinie $S_+(f = 98 \ \rm kHz)$ entspricht der $S_{\rm TP}(f)$–Linie bei $f = -2 \ \rm kHz$. Diese ist

$$S_{\rm TP}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -2\,{\rm kHz}) \hspace{-0.03cm}=\hspace{-0.03cm} B_{1}(f = -2\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 0) + B_{1}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 1\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -3\,{\rm kHz})= 0.1 \cdot 0.9 + 0.4 \cdot {\rm j} \cdot 0.3 \hspace{0.15cm}\hspace{-0.03cm}=\hspace{-0.03cm} 0.09 + {\rm j} \cdot 0.12$$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Re}[S_{\rm +}(f = 98\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.09} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} {\rm Im}[S_{\rm +}(f = 98\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.12} \hspace{0.05cm}.$$