Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.7: Synchronous Demodulator"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Faltungssatz und Faltungsoperation
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{{quiz-Header|Buchseite=Signal Representation/The Convolution Theorem and Operation
 
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[[File:P_ID529__Sig_A_3_7_neu.png|right|Synchrondemodulator]]
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[[File:Sig_A_3_7_version2.png|right|frame|The spectral functions  $R(f)$  and  $Z_{\rm E}(f)$]]
  
Zur Rücksetzung eines amplitudenmodulierten Signals in den ursprünglichen Frequenzbereich verwendet man oft einen [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation#Blockschaltbild_und_Zeitbereichsdarstellung|Synchrondemodulator]]:
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To reset an amplitude-modulated signal to the original frequency range, a  [[Modulation_Methods/Synchrondemodulation#Blockschaltbild_und_Zeitbereichsdarstellung|"Synchronous Demodulator"]]  is often used:
*Dieser multipliziert das AM-Eingangssignal $r(t)$ mit einem empfangsseitigen Trägersignal $z_{\rm E}(t)$, das sowohl hinsichtlich der Frequenz $f_{\rm T}$ als auch der Phase $\varphi_{\rm T}$ mit dem sendeseitigen Trägersignal $z_{\rm S}(t)$ übereinstimmen sollte.
+
*This multiplies the AM input signal  $r(t)$  with a carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side, which should match the carrier signal  $z_{\rm S}(t)$  on the transmitter side with regard to both frequency  $f_{\rm T}$  and phase  $\varphi_{\rm T}$.
*Anschließend folgt ein rechteckförmiger Tiefpass zur Eliminierung aller spektralen Anteile oberhalb der Trägerfrequenz $f_{\rm T}$. Das Ausgangssignal des Synchrondemodulators nennen wir $v(t)$.
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*This is followed by a rectangular low-pass filter to eliminate all spectral components above the carrier frequency  $f_{\rm T}$.   We call the output signal of the synchronous demodulator  $v(t)$.
  
Das oben skizzierte Spektrum $R(f)$ des Empfangssignals $r(t)$ ist durch Zweiseitenband–Amplitudenmodulation eines sinusförmigen Quellensignals $q(t)$ mit der Frequenz $5\,\text{kHz}$ und der Amplitude $8\,\text{V}$ entstanden. Als sendeseitiges Trägersignal $z_{\rm S}(t)$ wurde ein Cosinussignal mit der Frequenz $30\,\text{kHz}$ verwendet.
 
  
Das Spektrum des empfangsseitigen Trägersignals $z_{\rm E}(t)$ besteht entsprechend der unteren Skizze aus zwei Diraclinien, jeweils mit dem Gewicht $A/2$. Da $z_{\rm E}(t)$ keine Einheit beinhalten soll, sind auch die Gewichte der Diracfunktionen dimensionslos.
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The spectrum  $R(f)$  of the received signal  $r(t)$  sketched above is produced by  "Two-sideband Amplitude Modulation"  of a sinusoidal source signal  $q(t)$  with the frequency  $5\,\text{kHz}$  and the amplitude  $8\,\text{V}$.  A cosine signal  $z_{\rm S}(t)$  with the frequency  $30\,\text{kHz}$  was used as the transmission-side carrier signal.
  
''Hinweise:''
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The spectrum of the carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side consists of two Dirac deltalines according to the sketch below, each with the weight  $A/2$.  Since  $z_{\rm E}(t)$  is not to contain a unit, the weights of the Dirac functions are also dimensionless.
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Signaldarstellung/Faltungssatz_und_Faltungsoperation|Faltungssatz und Faltungsoperation]].
 
*Wichtige Informationen finden Sie vor allem auf der Seite [[Signaldarstellung/Faltungssatz_und_Faltungsoperation#Faltung_einer_Funktion_mit_einer_Diracfunktion|Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
  
===Fragebogen===
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the  chapter  [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|The Convolution Theorem and Operation]].
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*Important information can be found on the page  [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Convolution_of_a_function_with_a_Dirac_function|Convolution of a function with a Dirac function]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Es gelte $f_{\rm T} = 30\,\text{kHz}$ und $A=1$. Berechnen Sie das Ausgangssignal $v(t)$. Welcher Signalwert tritt zum Zeitpunkt $t = 50\, µ\text{s}$ auf?
+
{Let $f_{\rm T} = 30\,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $A=1$.&nbsp; Calculate the output signal&nbsp; $v(t)$. <br>What signal value occurs at time&nbsp; $t = 50\, {\rm  &micro;} \text{s}$?  
 
|type="{}"}
 
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$v(t = 50\, µ\text{s})$ &nbsp;= { 4 3% } &nbsp;$\text{V}$
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$v(t = 50\, µ\text{s})\ = \ $ { 4 3% } &nbsp;$\text{V}$
  
{Wie groß muss die Amplitude des empfangsseitigen Trägersignals $z_{\rm E}(t)$ gewählt werden, damit $v(t) = q(t)$ gilt?
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{How large must the amplitude of the carrier signal&nbsp; $z_{\rm E}(t)$&nbsp; on the receiver side be chosen so that&nbsp; $v(t) = q(t)$&nbsp; is valid?
 
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$A$ &nbsp;= { 2 3% }
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$A\ = \ $ { 2 3% }
  
{Berechnen Sie das Ausgangssignal $v(t)$ unter den Voraussetzungen $A = 2$ und $f_{\rm T} =  31\,\text{kHz}$ = 31 kHz. Welcher Signalwert tritt zum Zeitpunkt$ t = 50\, µ\text{s}$ auf?
+
{Calculate the output signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; under the conditions&nbsp; $A = 2$&nbsp; and $f_{\rm T} =  31\,\text{kHz}$. <br>What signal value occurs at time&nbsp; $ t = 50\, µ\text{s}$?
 
|type="{}"}
 
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$v(t = 50\, µ\text{s})$ &nbsp;= { 7.608 3% } &nbsp;$\text{V}$
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$v(t = 50\, µ\text{s})\ = \ $  { 7.608 3% } &nbsp;$\text{V}$
  
 
</quiz>
 
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===Musterlösung===
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===Solution===
  
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' Benennen wir das Signal nach dem Multiplizierer mit $m(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t)$, so ergibt sich das zugehörige Spektrum $M(f)$ als das Faltungsprodukt aus $R(f)$ und $Z_{\rm E}(f)$.  
+
'''(1)'''&nbsp; If we name the signal after the multiplier with&nbsp; $m(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t)$, the corresponding spectrum&nbsp; $M(f)$&nbsp; is the convolution product of&nbsp; $R(f)$&nbsp; and&nbsp; $Z_{\rm E}(f)$.  
*Die Faltung des Spektrums $R(f)$ mit der rechten Diraclinie bei $+30 \text{kHz}$ führt zu diskreten Spektrallinien bei $-\hspace{-0.08cm}5\, \text{kHz}$, $5 \,\text{kHz}$, $55 \,\text{kHz}$z und $65 \,\text{kHz}$. Diese sind alle imaginär und gegenüber den Impulsgewichten von $R(f)$ um den Faktor $A/2 = 0.5$ kleiner.  
+
*Convolution of the spectrum&nbsp; $R(f)$&nbsp; with the right Dirac delta line at&nbsp; $+30 \text{ kHz}$&nbsp; leads to discrete spectral lines at&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}5\, \text{kHz}$,&nbsp; $+5 \,\text{kHz}$,&nbsp; $+55 \,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $+65 \,\text{kHz}$.&nbsp; These are all imaginary and smaller than the impulse weights of&nbsp; $R(f)$&nbsp; by a factor of&nbsp; $A/2 = 0.5$.  
*Die Faltung von $R(f)$ mit dem Dirac bei $-\hspace{-0.08cm}30 \,\text{kHz}$ ergibt Linien bei $-\hspace{-0.08cm}65 \,\text{kHz}$, $-\hspace{-0.08cm}55 \,\text{kHz}$, $-\hspace{-0.08cm}5 \,\text{kHz}$ und $5 \,\text{kHz}$.
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*Convolution of&nbsp; $R(f)$&nbsp; with the Dirac at&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}30 \,\text{kHz}$&nbsp; yields lines at&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}65 \,\text{kHz}$,&nbsp; $-55 \,\text{kHz}$, $-5 \,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $+5 \,\text{kHz}$.
  
  
Durch Überlagerung der beiden Zwischenresultate und Berücksichtigung des Tiefpassfilters, der die Linien bei $\pm 55 \text{kHz}$ und $\pm 65 \text{kHz}$unterdrückt, folgt somit für das Spektrum des Sinkensignals:
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By superimposing the two intermediate results and taking into account the low-pass filter, which suppresses the lines at&nbsp; $\pm 55 \text{ kHz}$&nbsp; and&nbsp; $\pm 65 \text{ kHz}$&nbsp;, it thus follows for the spectrum of the sink signal:
 
   
 
   
$$V( f) =  - {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f - f_{\rm N} }) + {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f + f_{\rm N} } )\hspace{0.3cm}{\rm mit}\hspace{0.3cm}f_{\rm N} = 5\;{\rm kHz}.$$
+
:$$V( f) =  - {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f - f_{\rm N} }) + {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f + f_{\rm N} } )\hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm}f_{\rm N} = 5\;{\rm kHz}.$$
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*The sink signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; is therefore a&nbsp; $5 \text{ kHz}$–sine signal with amplitude&nbsp; $4 \text{ V}$.
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*The time&nbsp; $t = 50\, µ\text{s}$&nbsp; corresponds to a quarter of the period&nbsp; $T_0 = 1/f_{\rm N} = 200\, µ\text{s}$.
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*Thus the sink signal is maximum here, i.e.&nbsp; $\underline{4 \text{ V}}$.
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'''(2)'''&nbsp; With&nbsp; $A = 1$&nbsp; the sink signal &nbsp; $v(t)$&nbsp; is only half as large as&nbsp;  $q(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; With&nbsp; $\underline{A = 2}$&nbsp; both signals would be equal.
  
Das Sinkensignal $v(t)$ ist also ein $5 \text{kHz}$–Sinussignal mit der Amplitude $4 \text{V}$. Der Zeitpunkt $t = 50\, µ\text{s}$ entspricht einem Viertel der Periodendauer $T_0 = 1/f_{\rm N} = 200\, µ\text{s}$. Somit ist hier das Sinkensignal maximal, also $\underline{4 \text{V}}$.
 
  
'''2.''' Mit $A = 1$ ist also $v(t)$ nur halb so groß wie  $q(t).$ &nbsp;&rArr;&nbsp; Mit $\underline{A = 2}$ sind beide Signale.
 
  
'''3.''' Die beiden Diraclinien bei $\pm f_{\rm T}$ haben nun jeweils das Gewicht $1$. Alle nachfolgend genannten Spektrallinien sind imaginär und betragsmäßig gleich $2 \text{V}$.  
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'''(3)'''&nbsp; The Dirac delta lines at&nbsp; $\pm f_{\rm T}$&nbsp; each have weight&nbsp; $1$.&nbsp; All spectral lines mentioned below are imaginary and equal in magnitude to&nbsp; $2 \text{ V}$.  
*Die Faltung von $R(f)$ mit der rechten Diraclinie von $z_{\rm E}(t)$ liefert Anteile bei $-\hspace{-0.08cm}4\, \text{kHz}$, (p: positiv) $56 \,\text{kHz}$ (n: negativ), $56 \,\text{kHz}$ (p) und $66 \,\text{kHz}$ (n).  
+
*The convolution of&nbsp; $R(f)$&nbsp; with the right Diracl ine of&nbsp; $z_{\rm E}(t)$&nbsp;  yields components at&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}4\, \text{kHz (p: positive)}$,&nbsp;  $+6 \,\text{kHz (n: negative)}$, $+56 \,\text{kHz (p)}$&nbsp; and&nbsp; $+66 \,\text{kHz (n)}$.  
*Dagegen führt die Faltung mit der linken Diracfunktion zu Spektrallinien bei $-\hspace{-0.08cm}66 \,\text{kHz}$ (p), $-\hspace{-0.08cm}56 \,\text{kHz}$ (n), $-\hspace{-0.08cm}6 \,\text{kHz}$ (p) und $4 \,\text{kHz}$ (n), alle ebenfalls mit den (betragsmäßigen) Impulsgewichten $2 \text{V}$.  
+
*In contrast, the convolution with the left Dirac function leads to spectral lines at&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}66 \,\text{kHz (p)}$,&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}56 \,\text{kHz (n)}$,&nbsp; $-\hspace{-0.08cm}6 \,\text{kHz (p)}$&nbsp; und&nbsp; $+4 \,\text{kHz (n)}$, all also with the (magnitude-related) impulse weights&nbsp; $2 \text{ V}$.  
*Unter Berücksichtigung des Tiefpasses verbleiben nur die vier Spektrallinien bei $\pm 4 \,\text{kHz}$ und $\pm 6 \,\text{kHz}$. Das dazugehörige Zeitsignal lautet somit mit $f_4 = 4 \,\text{kHz}$ und $f_46 = 6 \,\text{kHz}$:
+
*Taking the low&ndash;pass into account, there are only the four spectral lines at&nbsp; $\pm 4 \,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $\pm 6 \,\text{kHz}$.  
 +
*The associated time signal is thus with&nbsp; $f_4 = 4 \,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $f_6 = 6 \,\text{kHz}$:
 
   
 
   
$$v( t ) = 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_4 t} ) + 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_6 t} ).$$
+
:$$v( t ) = 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_4 t} ) + 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_6 t} ) \ne q( t ) = 8\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_5 t} ).$$
  
Zum Zeitpunkt $t = 50\, µ\text{s}$ erhält man:
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*At time&nbsp; $t = 50\, µ\text{s}$&nbsp; one obtains:
  
$$v( t = 50\, µ\text{s}) = 4\;{\rm{V}} \cdot \left( {\sin ( {0.4{\rm{\pi }}} ) + \sin ( {0.6{\rm{\pi }}} )} \right)\hspace{0.15 cm}\underline{ = 7.608\;{\rm{V}}}{\rm{.}}$$
+
:$$v( t = 50\, µ\text{s}) = 4\;{\rm{V}} \cdot \big[ {\sin \big ( {0.4{\rm{\pi }}} ) + \sin ( {0.6{\rm{\pi }}} )} \big]\hspace{0.15 cm}\underline{ = 7.608\;{\rm{V}}}{\rm{.}}$$
  
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^3. Aperiodische Signale - Impulse^]]
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[[Category:Signal Representation: Exercises|^3.4 The Convolution Theorem^]]

Latest revision as of 15:19, 18 January 2023

The spectral functions  $R(f)$  and  $Z_{\rm E}(f)$

To reset an amplitude-modulated signal to the original frequency range, a  "Synchronous Demodulator"  is often used:

  • This multiplies the AM input signal  $r(t)$  with a carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side, which should match the carrier signal  $z_{\rm S}(t)$  on the transmitter side with regard to both frequency  $f_{\rm T}$  and phase  $\varphi_{\rm T}$.
  • This is followed by a rectangular low-pass filter to eliminate all spectral components above the carrier frequency  $f_{\rm T}$.  We call the output signal of the synchronous demodulator  $v(t)$.


The spectrum  $R(f)$  of the received signal  $r(t)$  sketched above is produced by  "Two-sideband Amplitude Modulation"  of a sinusoidal source signal  $q(t)$  with the frequency  $5\,\text{kHz}$  and the amplitude  $8\,\text{V}$.  A cosine signal  $z_{\rm S}(t)$  with the frequency  $30\,\text{kHz}$  was used as the transmission-side carrier signal.

The spectrum of the carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side consists of two Dirac deltalines according to the sketch below, each with the weight  $A/2$.  Since  $z_{\rm E}(t)$  is not to contain a unit, the weights of the Dirac functions are also dimensionless.





Hints:



Questions

1

Let $f_{\rm T} = 30\,\text{kHz}$  and  $A=1$.  Calculate the output signal  $v(t)$.
What signal value occurs at time  $t = 50\, {\rm µ} \text{s}$?

$v(t = 50\, µ\text{s})\ = \ $

 $\text{V}$

2

How large must the amplitude of the carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side be chosen so that  $v(t) = q(t)$  is valid?

$A\ = \ $

3

Calculate the output signal  $v(t)$  under the conditions  $A = 2$  and $f_{\rm T} = 31\,\text{kHz}$.
What signal value occurs at time  $ t = 50\, µ\text{s}$?

$v(t = 50\, µ\text{s})\ = \ $

 $\text{V}$


Solution

(1)  If we name the signal after the multiplier with  $m(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t)$, the corresponding spectrum  $M(f)$  is the convolution product of  $R(f)$  and  $Z_{\rm E}(f)$.

  • Convolution of the spectrum  $R(f)$  with the right Dirac delta line at  $+30 \text{ kHz}$  leads to discrete spectral lines at  $-\hspace{-0.08cm}5\, \text{kHz}$,  $+5 \,\text{kHz}$,  $+55 \,\text{kHz}$  and  $+65 \,\text{kHz}$.  These are all imaginary and smaller than the impulse weights of  $R(f)$  by a factor of  $A/2 = 0.5$.
  • Convolution of  $R(f)$  with the Dirac at  $-\hspace{-0.08cm}30 \,\text{kHz}$  yields lines at  $-\hspace{-0.08cm}65 \,\text{kHz}$,  $-55 \,\text{kHz}$, $-5 \,\text{kHz}$  and  $+5 \,\text{kHz}$.


By superimposing the two intermediate results and taking into account the low-pass filter, which suppresses the lines at  $\pm 55 \text{ kHz}$  and  $\pm 65 \text{ kHz}$ , it thus follows for the spectrum of the sink signal:

$$V( f) = - {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f - f_{\rm N} }) + {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f + f_{\rm N} } )\hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm}f_{\rm N} = 5\;{\rm kHz}.$$
  • The sink signal  $v(t)$  is therefore a  $5 \text{ kHz}$–sine signal with amplitude  $4 \text{ V}$.
  • The time  $t = 50\, µ\text{s}$  corresponds to a quarter of the period  $T_0 = 1/f_{\rm N} = 200\, µ\text{s}$.
  • Thus the sink signal is maximum here, i.e.  $\underline{4 \text{ V}}$.


(2)  With  $A = 1$  the sink signal   $v(t)$  is only half as large as  $q(t)$   ⇒   With  $\underline{A = 2}$  both signals would be equal.


(3)  The Dirac delta lines at  $\pm f_{\rm T}$  each have weight  $1$.  All spectral lines mentioned below are imaginary and equal in magnitude to  $2 \text{ V}$.

  • The convolution of  $R(f)$  with the right Diracl ine of  $z_{\rm E}(t)$  yields components at  $-\hspace{-0.08cm}4\, \text{kHz (p: positive)}$,  $+6 \,\text{kHz (n: negative)}$, $+56 \,\text{kHz (p)}$  and  $+66 \,\text{kHz (n)}$.
  • In contrast, the convolution with the left Dirac function leads to spectral lines at  $-\hspace{-0.08cm}66 \,\text{kHz (p)}$,  $-\hspace{-0.08cm}56 \,\text{kHz (n)}$,  $-\hspace{-0.08cm}6 \,\text{kHz (p)}$  und  $+4 \,\text{kHz (n)}$, all also with the (magnitude-related) impulse weights  $2 \text{ V}$.
  • Taking the low–pass into account, there are only the four spectral lines at  $\pm 4 \,\text{kHz}$  and  $\pm 6 \,\text{kHz}$.
  • The associated time signal is thus with  $f_4 = 4 \,\text{kHz}$  and  $f_6 = 6 \,\text{kHz}$:
$$v( t ) = 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_4 t} ) + 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_6 t} ) \ne q( t ) = 8\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_5 t} ).$$
  • At time  $t = 50\, µ\text{s}$  one obtains:
$$v( t = 50\, µ\text{s}) = 4\;{\rm{V}} \cdot \big[ {\sin \big ( {0.4{\rm{\pi }}} ) + \sin ( {0.6{\rm{\pi }}} )} \big]\hspace{0.15 cm}\underline{ = 7.608\;{\rm{V}}}{\rm{.}}$$