Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.4Z: Trapezoid, Rectangle and Triangle"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
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{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID510__Sig_Z_3_4.png|right|Trapezimpuls und die Grenzfälle „Rechteck” und „Dreieck” ]]
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[[File:P_ID510__Sig_Z_3_4.png|right|frame|Trapezoidal pulse and its limiting cases  "Rectangle"  and  "Triangle" ]]
Betrachtet werden drei unterschiedliche Impulsformen. Der Impuls ${x(t)}$ ist trapezförmig. Für $| t | < t_1 = 4 \,\text{ms}$ ist der Zeitverlauf konstant ${A} = 1\, \text{V}$. Danach fällt ${x(t)}$ bis zum Zeitpunkt $t_2 = 6\, \text{ms}$ linear bis auf den Wert $0$ ab.
+
Three different pulse shapes are considered.&nbsp; The pulse&nbsp; ${x(t)}$&nbsp; is trapezoidal.&nbsp; For&nbsp; $| t | < t_1 = 4 \,\text{ms}$&nbsp;the time course is constant equal to&nbsp; ${A} = 1\, \text{V}$.&nbsp; Afterwards,&nbsp; ${x(t)}$&nbsp; drops linearly to the value zero until the time&nbsp; $t_2 = 6\, \text{ms}$.&nbsp;
  
Mit den beiden abgeleiteten Systemgrößen, nämlich
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The spectral function of the trapezoidal pulse is
  
:* der äquivalenten Impulsdauer
+
:$$X( f ) = A \cdot \Delta t \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits}( {{\rm \pi}  \cdot \Delta t \cdot f} ) \cdot  \hspace{0.1cm}{\mathop{\rm si}\nolimits}( {{\rm \pi}\cdot \Delta t \cdot  r_t \cdot f} ).$$  
:$$\Delta t = t_1 + t_2$$
 
  
:* und dem so genannten Rolloff-Faktor
+
with the two derived system quantities, namely
:$$r_t = \frac{t_2  - t_1 }{t_2  + t_1 }$$
 
  
lautet die Spektralfunktion des Trapezimpulses:
+
* the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Reciprocity_Theorem_of_Time_duration_and_Bandwidth|equivalent bandwidth]],&nbsp;
:$$X( f ) = A \cdot \Delta t \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits}( {{\rm \pi}  \cdot \Delta t \cdot f} ) \\ \cdot \hspace{0.1cm}{\mathop{\rm si}\nolimits}( {{\rm \pi}\cdot \Delta t \cdot  r_t \cdot  f} ).$$
+
:$$\Delta t = t_1 + t_2,$$
Weiter sind im Bild rechts noch der Rechteckimpuls $\text{r(t)}$ und der Dreieckimpuls $\text{d(t)}$ dargestellt, die beide als Grenzfälle des Trapezimpulses $\text{x(t)}$ interpretiert werden können.
 
  
''Hinweise:''
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* and the so-called roll-off factor (in the time domain):
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]].
+
:$$r_t = \frac{t_2 - t_1 }{t_2 + t_1 }.$$
*Verwenden Sie zur Lösung den [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Vertauschungssatz|Vertauschungssatz]] und den [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#.C3.84hnlichkeitssatz#Vertauschungssatz|Ähnlichkeitssatz]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
*Sie können Ihre Ergebnisse anhand zweier Interaktionsmodule überprüfen:
 
  
: [[Zeitfunktion und zugehörige Spektralfunktion]]
+
Furthermore, the rectangular pulse&nbsp; ${r(t)}$&nbsp; and the triangular pulse&nbsp; ${d(t)}$&nbsp; are also shown in the graph, both of which can be interpreted as limiting cases of the trapezoidal pulse&nbsp; ${x(t)}$.
: [[Frequenzgang und zugehörige Impulsantwort]]
 
  
  
  
<b><u>Hinweis:</u></b> Die Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von [http://en.lntwww.de/Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation Kapitel 3.3]. Sie können Ihre Ergebnisse anhand zweier Interaktionsmodule überprüfen:
 
  
:* Zeitfunktion und zugehörige Spektralfunktion
 
  
:* Frequenzgang und zugehörige Impulsantwort
 
  
  
===Fragebogen===
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems|Fourier Transform Theorems]].
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*You can check your results using the two interactive applets &nbsp;
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:[[Applets:Pulses_and_Spectra|Pulses and Spectra]], 
 +
:[[Applets:Frequency_%26_Impulse_Responses|Frequency & Impulse Responses]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie groß sind äquivalente Impulsdauer und Rolloff-Faktor von $\text{x(t)}$?
+
{What is the equivalent pulse duration and the rolloff factor of&nbsp; ${x(t)}$?
 
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|type="{}"}
$\Delta t$ = { 10 3% } $\text{ms}$
+
$\Delta t \ = \ $ { 10 3% } &nbsp;$\text{ms}$
$r_t$ = { 0.2 3% }
+
$r_t\hspace{0.3cm} = \ $ { 0.2 3% }
  
  
{Welche Aussagen sind hinsichtlich der Spektralfunktion $\text{X(f)}$ zutreffend?
+
{Which statements are true regarding the spectral function&nbsp; ${X(f)}$&nbsp;?
 
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- Der Spektralwert bei der Frequenz $f = 0$ ist gleich $20 \text{mV/Hz}$.
+
- The spectral value at frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp; is equal to&nbsp; $20 \,\text{mV/Hz}$.
+ Für die Phasenfunktion sind die Werte $0$ oder $\pi$ ($180°$) möglich.
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+ For the phase function the values&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $\pi$&nbsp; $(180^{\circ})$&nbsp; are possible.
+ $\text{X(f)}$ weist nur Nullstellen bei allen Vielfachen von $100 \text{Hz}$ auf.
+
+ ${X(f)}$&nbsp; only has zeros at all multiples of&nbsp; $100 \,\text{Hz}$.
  
  
{Welche Aussagen sind hinsichtlich der Spektralfunktion $\text{R(f)}$ zutreffend?
+
{Which statements are true regarding the spectral function&nbsp; ${R(f)}$&nbsp;?
 
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+ Der Spektralwert bei der Frequenz $f = 0$ ist gleich $\text{X(f = 0)}$.
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+ The spectral value at frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp; is equal to&nbsp; ${X(f = 0)}$.
+ Für die Phasenfunktion sind die Werte $0$ oder $\pi$ ($180°$) möglich.
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+ The values&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $\pi$&nbsp; $(180^{\circ})$&nbsp; are possible for the phase function.
+ $\text{R(f)}$ weist nur Nullstellen bei allen Vielfachen von $100 \text{Hz}$ auf.
+
+ ${R(f)}$&nbsp; only has zeros at all multiples of&nbsp; $100 \,\text{Hz}$.
  
  
{Welche Aussagen sind hinsichtlich der Spektralfunktion $\text{D(f)}$ zutreffend?
+
{Which statements are true regarding the spectral function&nbsp; ${D(f)}$&nbsp;?
 
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+ Der Spektralwert bei der Frequenz $f = 0$ ist gleich $\text{X(f = 0)}$.
+
+ The spectral value at frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp; is equal to&nbsp; ${X(f = 0)}$.
- Für die Phasenfunktion sind die Werte $0$ oder $\pi$ ($180°$) möglich.
+
- The values&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $\pi$&nbsp; $(180^{\circ})$&nbsp; are possible for the phase function.
+ $\text{D(f)}$ weist nur Nullstellen bei allen Vielfachen von $100 \text{Hz}$ auf.
+
+ ${D(f)}$&nbsp; only has zeros at all multiples of&nbsp; $100 \,\text{Hz}$.
  
  
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</quiz>
 
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===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
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'''1.'''  Die äquivalente Impulsdauer ist $\Delta t = t_1 + t_2 = 10 \text{ms}$ und der Rolloff-Faktor $r_t = 2/10 \underline{= 0.2}$.
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'''(1)'''&nbsp; The equivalent pulse duration is&nbsp; $\Delta t = t_1 + t_2 \;\underline{= 10 \,\text{ms}}$&nbsp; and the rolloff factor is&nbsp; $r_t = 2/10 \;\underline{= 0.2}$.
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'''(2)'''&nbsp; Proposed <u>solutions 2 and 3</u> are correct:
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*The spectral value at&nbsp; $f = 0$&nbsp; is&nbsp; $A \cdot \Delta t = 10 \,\text{mV/Hz}$.
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*Since&nbsp; ${X(f)}$&nbsp; is real and can assume both positive and negative values, only the two phase values&nbsp; $0$&nbsp; und&nbsp; $\pi$&nbsp; are possible.
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*Zeros exist due to the first si&ndash;function at all multiples of&nbsp; $1/\Delta t = 100\, \text{Hz}$.
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*The second si&ndash;function leads to zero crossings at intervals of&nbsp; $1/(r_t \cdot \Delta t) = 500 \,\text{Hz}$.&nbsp; These coincide exactly with the zeros of the first si&ndash;function.
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'''2.''' Der Spektralwert bei $f = 0$ beträgt $A \cdot \Delta t = 10 \text{mV/Hz}$. Da $\text{X(f)}$ reell ist und sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann, sind nur die zwei Phasenwerte $0$ und $\pi$ möglich.
+
'''(3)'''&nbsp;  <u>All proposed solutions</u> are correct:
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*With the equivalent pulse duration&nbsp; $\Delta t = 10 \,\text{ms}$&nbsp; and the rolloff factor&nbsp; $r_t = 0$&nbsp; one obtains: &nbsp; $R( f ) = A \cdot \Delta t \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{\rm{\pi }} \cdot \Delta t \cdot f} ).$
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*It follows that&nbsp; $R( f = 0) = A \cdot \Delta t = X( f = 0).$
  
Nullstellen gibt es aufgrund der ersten si-Funktion bei allen Vielfachen von $1/\Delta t = 100 \text{Hz}$. Die zweite si-Funktion führt zu Nulldurchgängen im Abstand $1/(r_t \cdot \Delta t) = 500 \text{Hz}$. Diese fallen exakt mit den Nullstellen der ersten si-Funktion zusammen. Richtig sind somit die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>.
 
  
'''3.'''  Mit der äquivalenten Impulsdauer $\Delta t = 10 \text{ms}$ und dem Rolloff-Faktor $r_t = 0$ erhält man:
 
:$$R( f ) = A \cdot \Delta t \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{\rm{\pi }} \cdot \Delta t \cdot f} ).$$
 
Das heißt: <u>Alle Lösungsvorschläge</u> sind zutreffend.
 
  
'''4.''' Beim Dreieckimpuls ist der Rolloff-Faktor $r_t = 1$. Die äquivalente Impulsdauer ist ebenfalls $\Delta t = 10 \text{ms}$. Daraus folgt:
+
'''(4)'''&nbsp; Proposed <u>solutions 2 and 3</u> are correct:
:$$D( f ) = A \cdot \Delta t \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ^2 ( {{\rm{\pi }} \cdot \Delta t \cdot f} ).$$
+
*For the triangular pulse, the rolloff factor is&nbsp; $r_t = 1$.  
Da $\text{D(f)}$ nicht negativ werden kann, ist die Phasenfunktion arc[$\text{D(f)}$] stets $0$. Der Phasenwert $\pi$ ($180°$) ist also bei der Dreieckform nicht möglich. Die <u>Lösungsvorschläge 1 und 3</u> sind dagegen zutreffend.
+
*The equivalent pulse duration is&nbsp; $\Delta t = 10 \,\text{ms}$.&nbsp; It follows that &nbsp; $D( f ) = A \cdot \Delta t \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ^2 ( {{\rm{\pi }} \cdot \Delta t \cdot f} )$&nbsp; and&nbsp; $D( f = 0) = A \cdot \Delta t  = X( f = 0)$.
 +
*Since&nbsp; ${D(f)}$&nbsp; cannot become negative, the phase&nbsp; $[{\rm arc} \; {D(f)}]$&nbsp; is always zero.&nbsp; The phase value&nbsp; $\pi$&nbsp; $(180°)$&nbsp; is therefore not possible with the triangular pulse.  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
 
__NOEDITSECTION__
 
__NOEDITSECTION__
[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^3. Aperiodische Signale - Impulse^]]
+
[[Category:Signal Representation: Exercises|^3.3 Fourier Transform Theorems^]]

Latest revision as of 16:39, 28 May 2021

Trapezoidal pulse and its limiting cases  "Rectangle"  and  "Triangle"

Three different pulse shapes are considered.  The pulse  ${x(t)}$  is trapezoidal.  For  $| t | < t_1 = 4 \,\text{ms}$ the time course is constant equal to  ${A} = 1\, \text{V}$.  Afterwards,  ${x(t)}$  drops linearly to the value zero until the time  $t_2 = 6\, \text{ms}$. 

The spectral function of the trapezoidal pulse is

$$X( f ) = A \cdot \Delta t \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits}( {{\rm \pi} \cdot \Delta t \cdot f} ) \cdot \hspace{0.1cm}{\mathop{\rm si}\nolimits}( {{\rm \pi}\cdot \Delta t \cdot r_t \cdot f} ).$$

with the two derived system quantities, namely

$$\Delta t = t_1 + t_2,$$
  • and the so-called roll-off factor (in the time domain):
$$r_t = \frac{t_2 - t_1 }{t_2 + t_1 }.$$

Furthermore, the rectangular pulse  ${r(t)}$  and the triangular pulse  ${d(t)}$  are also shown in the graph, both of which can be interpreted as limiting cases of the trapezoidal pulse  ${x(t)}$.




Hints:

  • This exercise belongs to the chapter  Fourier Transform Theorems.
  • You can check your results using the two interactive applets  
Pulses and Spectra,
Frequency & Impulse Responses.


Questions

1

What is the equivalent pulse duration and the rolloff factor of  ${x(t)}$?

$\Delta t \ = \ $

 $\text{ms}$
$r_t\hspace{0.3cm} = \ $

2

Which statements are true regarding the spectral function  ${X(f)}$ ?

The spectral value at frequency  $f = 0$  is equal to  $20 \,\text{mV/Hz}$.
For the phase function the values  $0$  and  $\pi$  $(180^{\circ})$  are possible.
${X(f)}$  only has zeros at all multiples of  $100 \,\text{Hz}$.

3

Which statements are true regarding the spectral function  ${R(f)}$ ?

The spectral value at frequency  $f = 0$  is equal to  ${X(f = 0)}$.
The values  $0$  and  $\pi$  $(180^{\circ})$  are possible for the phase function.
${R(f)}$  only has zeros at all multiples of  $100 \,\text{Hz}$.

4

Which statements are true regarding the spectral function  ${D(f)}$ ?

The spectral value at frequency  $f = 0$  is equal to  ${X(f = 0)}$.
The values  $0$  and  $\pi$  $(180^{\circ})$  are possible for the phase function.
${D(f)}$  only has zeros at all multiples of  $100 \,\text{Hz}$.


Solution

(1)  The equivalent pulse duration is  $\Delta t = t_1 + t_2 \;\underline{= 10 \,\text{ms}}$  and the rolloff factor is  $r_t = 2/10 \;\underline{= 0.2}$.


(2)  Proposed solutions 2 and 3 are correct:

  • The spectral value at  $f = 0$  is  $A \cdot \Delta t = 10 \,\text{mV/Hz}$.
  • Since  ${X(f)}$  is real and can assume both positive and negative values, only the two phase values  $0$  und  $\pi$  are possible.
  • Zeros exist due to the first si–function at all multiples of  $1/\Delta t = 100\, \text{Hz}$.
  • The second si–function leads to zero crossings at intervals of  $1/(r_t \cdot \Delta t) = 500 \,\text{Hz}$.  These coincide exactly with the zeros of the first si–function.


(3)  All proposed solutions are correct:

  • With the equivalent pulse duration  $\Delta t = 10 \,\text{ms}$  and the rolloff factor  $r_t = 0$  one obtains:   $R( f ) = A \cdot \Delta t \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ( {{\rm{\pi }} \cdot \Delta t \cdot f} ).$
  • It follows that  $R( f = 0) = A \cdot \Delta t = X( f = 0).$


(4)  Proposed solutions 2 and 3 are correct:

  • For the triangular pulse, the rolloff factor is  $r_t = 1$.
  • The equivalent pulse duration is  $\Delta t = 10 \,\text{ms}$.  It follows that   $D( f ) = A \cdot \Delta t \cdot {\mathop{\rm si}\nolimits} ^2 ( {{\rm{\pi }} \cdot \Delta t \cdot f} )$  and  $D( f = 0) = A \cdot \Delta t = X( f = 0)$.
  • Since  ${D(f)}$  cannot become negative, the phase  $[{\rm arc} \; {D(f)}]$  is always zero.  The phase value  $\pi$  $(180°)$  is therefore not possible with the triangular pulse.