Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.4: Pointer Diagram for DSB-AM"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Analytisches Signal und zugehörige Spektralfunktion
+
{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Analytical_Signal_and_Its_Spectral_Function
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID718__Sig_A_4_4.png|250px|right|Zeigerdiagramm bei ZSB-AM]]
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[[File:P_ID718__Sig_A_4_4.png|250px|right|frame|Spectrum of the analytical signal]]
  
Wir gehen von einem cosinusförmigen Quellensignal $q(t)$ mit der Amplitude $A_N$ = 0.8 V und der Frequenz $f_N$ = 10 kHz aus. Die Frequenzumsetzung erfolgt mittels Zweiseitenband–Amplitudenmodulation mit Träger, abgekürzt ZSB–AM.
+
We assume a cosine-shaped source signal  $q(t)$  with
Das modulierte Signal $s(t)$ lautet mit dem (normierten) Träger $z(t) = \text{cos}(\omega T \dot t)$ und dem Gleichanteil $q_0$ = 1 V:
+
*amplitude  $A_{\rm N} = 0.8 \ \text{V}$   and
 +
*frequency  $f_{\rm N}= 10 \ \text{kHz}$.
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The frequency conversion is done by means of  [[Modulation_Methods/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#ZSB-Amplitudenmodulation_mit_Tr.C3.A4ger|"Double-Sideband Amplitude Modulation with Carrier"]].
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 +
The modulated signal  $s(t)$  is with the (normalised) carrier  $z(t) = \text{cos}(\omega_{\rm T} \cdot t)$  and the DC component  $q_0 = 1 \ \text{V}$:
 
   
 
   
$$\begin{align*} s(t) & =  \left(q_0 + q(t)\right) \cdot z(t)= \left({\rm 1 \hspace{0.05cm}
+
:$$\begin{align*} s(t) & =  \left(q_0 + q(t)\right) \cdot z(t)= \left({\rm 1 \hspace{0.05cm}
 
  V}  + {\rm 0.8 \hspace{0.05cm}V}\cdot {\cos} ( \omega_{\rm N}\cdot  t)\right)
 
  V}  + {\rm 0.8 \hspace{0.05cm}V}\cdot {\cos} ( \omega_{\rm N}\cdot  t)\right)
 
  \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\cdot  t) = \\ & =  q_0 \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\cdot t) +
 
  \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\cdot  t) = \\ & =  q_0 \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\cdot t) +
\frac{A_{\rm N}}{2} \cdot {\cos} ( (\omega_{\rm T}+ \omega_{\rm N}) \cdot t)
+
{A_{\rm N}}/{2} \cdot {\cos} ( (\omega_{\rm T}+ \omega_{\rm N}) \cdot t)
  +  \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot {\cos} ( (\omega_{\rm T}- \omega_{\rm N}) \cdot t).\end{align*}$$
+
  +  {A_{\rm N}}/{2} \cdot {\cos} ( (\omega_{\rm T}- \omega_{\rm N}) \cdot t).\end{align*}$$
  
Der erste Term beschreibt den Träger, der zweite Term das sogenannte obere Seitenband (OSB) und der letzte Term das untere Seitenband (USB).
+
The first term describes the carrier, the second term the so-called upper sideband  $\rm (OSB)$   and the last term the lower sideband  $\rm (USB)$.
Die Skizze zeigt das Spektrum $S_+(f)$ des dazugehörigen analytischen Signals für $f_T = 50$ kHz. Man erkennt den Träger (rot), das obere Seitenband (blau) und das untere Seitenband (grün).
 
In der Teilaufgabe 5) ist nach dem Betrag von $s_+(t)$ gefragt. Hierunter versteht man die Länge des resultierenden Zeigers.
 
  
''Hinweise:''
+
The sketch shows the spectrum  $S_+(f)$  of the corresponding analytical signal for  $f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}$. You can see
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Signaldarstellung/Analytisches_Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion|Analytisches Signal und zugehörige Spektralfunktion]].
+
*the carrier (red),
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
+
*the upper sideband (blue),  and
*Für die Spektralfunktion des analytischen Signals gilt:
+
*the lower sideband (grün).
:$$ X_{\rm +}(f)= \left[1 + {\rm sign}(f)\right] \cdot  X(f).$$
 
Hinweis: Diese Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von Kapitel 4.2.  
 
Sie können Ihre Lösung mit dem folgenden Interaktionsmodul überprüfen:
 
Zeigerdiagramm – Darstellung des analytischen Signals
 
  
  
===Fragebogen===
+
In subtask  '''(5)'''  the magnitude of  $s_+(t)$  is asked for.  This is the length of the resulting pointer.
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the chapter  [[Signal_Representation/Analytical_Signal_and_Its_Spectral_Function|Analytical Signal and its Spectral Function]].
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*The interactive applet  [[Applets:Physical_Signal_%26_Analytic_Signal|Physical and Analytical Signal]]  illustrates the topic covered here.
 +
*In this task we use the following nomenclature because of the German original:
 +
#The index  $\rm N$  stands for "source signal"   ⇒   (German:  "Nachrichtenignal").
 +
#The index  $\rm T$  stands for  "carrier"   ⇒   (German:  "Trägersignal").
 +
#$\rm OSB$  denotes the  "upper sideband"   ⇒   (German:  "oberes Seitenband").
 +
#$\rm USB$  denotes the  "lower sideband"   ⇒   (German:  "unteres Seitenband").
 +
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie lautet das analytische Signal $s_+(t)$. Wie groß ist dieses zur Zeit $t$ = 0?
+
{What is the analytical signal&nbsp; $s_+(t)$.&nbsp; What is its magnitude at time&nbsp; $t = 0$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\text{Re}[s_+(t=0)] =$ { 1.8 } V
+
$\text{Re}[s_+(t=0)]\ = \ $ { 1.8 3% } &nbsp;$\text{V}$
$\text{Im}[s_+(t=0)] =$ { 0 } V
+
$\text{Im}[s_+(t=0)]\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{V}$
  
{Welche der nachfolgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ $s_+(t)$ ergibt sich aus $s(t)$, wenn man cos(...) durch ej(...) ersetzt.
+
+ $s_+(t)$&nbsp; results from&nbsp; $s(t)$, if&nbsp; $\cos(\text{...})$&nbsp; is replaced by&nbsp; ${\rm e}^{{\rm j}(\text{...})}$&nbsp;.
- Ist $s(t)$ eine gerade Zeitfunktion, so ist $s_+(t)$ rein reell.
+
- If&nbsp; $s(t)$&nbsp; is an even time function,&nbsp; $s_+(t)$&nbsp; is purely real.
- Zu keinem Zeitpunkt verschwindet der Imaginärteil von $s_+(t)$.
+
- At no time does the imaginary part of&nbsp; $s_+(t)$ disappear.
  
  
{Welchen Wert besitzt das analytische Signal zur Zeit $t$ = 5 μs?
+
{What is the value of the analytical signal at time&nbsp; $t = 5 \ {\rm &micro;}\text{s}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\text{Re}[s_+(t=5 \mu \text{s})] =$ { 0 } V
+
$\text{Re}[s_+(t=5 \ {\rm &micro;} \text{s})]\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{V}$
$\text{Im}[s_+(t=5 \mu \text{s})] =$ { 1.761 3% } V
+
$\text{Im}[s_+(t=5 \ {\rm &micro;} \text{s})]\ = \ $ { 1.761 3% } &nbsp;$\text{V}$
  
{Welchen Wert besitzt $s_+(t)$ zum Zeitpunkt $t$ = 20 μs?
+
{What is the value of&nbsp; $s_+(t)$&nbsp; at time&nbsp; $t = 20 \ {\rm &micro;}\text{s}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\text{Re}[s_+(t=20 \mu \text{s})] =$ { 1.237 3% } V
+
$\text{Re}[s_+(t=20 \ {\rm &micro;} \text{s})]\ = \ $ { 1.236 3% } &nbsp;$\text{V}$
$\text{Im}[s_+(t=20 \mu \text{s})] =$ { 0 } V
+
$\text{Im}[s_+(t=20 \ {\rm &micro;} \text{s})]\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{V}$
  
{Was ist die kleinstmögliche Zeigerlänge? Zu welchem Zeitpunkt $t_{\text{min}}$ tritt dieser Wert zum ersten Mal auf?
+
{What is the smallest possible pointer length?&nbsp; At what time &nbsp; $t_{\text{min}}$&nbsp; does this value occur for the first time?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$|s_+(t)|_{\text{min}} =$ { 0.2 3% } V
+
$|s_+(t)|_{\text{min}}\ = \ $ { 0.2 3% } &nbsp;$\text{V}$
$t_{\text{min}} =$ { 50 } μs
+
$t_{\text{min}}\ = \ $ { 50 3% } &nbsp;${\rm &micro;} \text{s}$
  
  
Line 62: Line 77:
  
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''  Durch Fourierrücktransformation von $S_+(f)$ unter Berücksichtigung des Verschiebungssatzes gilt:
+
'''(1)'''&nbsp; By inverse Fourier transform of&nbsp; $S_+(f)$&nbsp; taking into account the&nbsp; "Shifting Theorem":
+
 
$$s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
+
:$$s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t } + {\rm 0.4
 
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t } + {\rm 0.4
 
\hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}
 
\hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}
Line 73: Line 88:
 
40}\hspace{0.05cm} t }.$$
 
40}\hspace{0.05cm} t }.$$
  
Der Ausdruck beschreibt die Summe dreier Zeiger, die mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten drehen. In obiger Gleichung bedeutet z. B. $\omega_{60} = 2\pi (f_T + f_N) = 2\pi \cdot 60$ kHz. Zum Zeitpunkt $t$ = 0 zeigen alle drei Zeiger in Richtung der reellen Achse (siehe linke Grafik), und man erhält den rein reellen Wert $s_+(t = 0) =$ 1.8 V.
+
[[File:EN_Sig_A_4_4_ML.png|center|frame|Three different analytical signals]]
 +
 
 +
*The expression describes the sum of three pointers rotating at different circular velocities.
 +
*In the above equation, for example,&nbsp;  $\omega_{60} = 2\pi (f_{\rm T} + f_{\rm N}) = 2\pi \cdot 60 \ \text{kHz}$.  
 +
*At time&nbsp; $t = 0$&nbsp; all three pointers point in the direction of the real axis (see left graph).
 +
*One obtains the <u>real value</u>&nbsp; $s_+(t = 0) \;\underline{= 1.8 \ \text{V}}$.
 +
 
 +
<br clear=all>
 +
'''(2)'''&nbsp;  The <u>first statement</u> is correct and results from the&nbsp; "Hilbert transform".&nbsp; On the other hand, the next two statements are'nt correct:
 +
*$s_+(t)$&nbsp; is always a complex time function with exception of the limiting case&nbsp; $s(t) \equiv 0$.
 +
*However, every complex function also has purely real values at some points in time.
 +
*The&nbsp; "pointer group"&nbsp; always rotates in a mathematically positive direction.
 +
*If the sum vector crosses the real axis, the imaginary part disappears at this point and&nbsp; $s_+(t)$&nbsp; is purely real.
 +
 
  
[[File:P_ID728__Sig_A_4_4_ML.png|350px|right|Analytische Signale (ML zu Aufgabe A4.4)]]
 
'''2.'''  Die erste Aussage ist richtig und ergibt sich aus der Hilbert-Transformation. Dagegen stimmen die nächsten beiden Aussagen nicht: $s_+(t)$ ist stets eine komplexe Zeitfunktion mit Ausnahme des Grenzfalls $s(t)$ = 0. Jede komplexe Funktion hat jedoch zu einigen Zeitpunkten auch rein reelle Werte.
 
Der Zeigerverbund dreht immer in mathematisch positiver Richtung. Überschreitet der Summenvektor die reelle Achse, so verschwindet zu diesem Zeitpunkt der Imaginärteil und $s_+(t)$ ist rein reell.
 
  
'''3.'''  Die Periodendauer des Trägersignals beträgt $T_0 = 1/f_T =$ 20 μs. Nach $t$ = 5 μs hat sich der Träger somit um 90° gedreht (siehe mittlere Grafik). Der blaue Zeiger (OSB) dreht um 20% schneller, der grüne (USB) um 20% langsamer als der rote Drehzeiger (Trägersignal):
+
'''(3)'''&nbsp;   The period duration of the carrier signal is&nbsp; $T_0 = 1/f_T = 20 \ {\rm &micro;} \text{s}$.  
 +
*After&nbsp; $t = 5 \ {\rm &micro;} \text{s}$&nbsp;  (see middle graph) the carrier has thus rotated by&nbsp; $90^{\circ}$.  
 +
*The blue pointer&nbsp; $\rm (OSB)$&nbsp; rotates&nbsp; $20\%$&nbsp; faster, the green one&nbsp; $\rm (USB)$&nbsp; $20\%$&nbsp; slower than the red rotary pointer (carrier signal):
 
   
 
   
$$\begin{align*}s_{+}({\rm 5 \hspace{0.05cm} \mu s}) & =  {\rm 1
+
:$$s_{+}({\rm 5 \hspace{0.05cm} {\rm &micro;}  s}) =  {\rm 1
 
\hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 2 \pi
 
\hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 2 \pi
 
\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}50 \hspace{0.03cm} \cdot
 
\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}50 \hspace{0.03cm} \cdot
Line 89: Line 116:
 
}+ {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
}+ {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm} 2 \pi \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}40
 
j}\hspace{0.05cm} 2 \pi \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}40
\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}0.005 } =\\ & =  {\rm 1
+
\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}0.005 } =  {\rm 1
 
\hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 90^\circ
 
\hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 90^\circ
 
}+ {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
}+ {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm} 108^\circ }+{\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot
 
j}\hspace{0.05cm} 108^\circ }+{\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot
{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 72^\circ }.\end{align*}$$
+
{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 72^\circ }.$$
  
Somit sind die in 5 μs zurückgelegten Winkel von OSB und USB 108° bzw. 72°. Da sich zu diesem Zeitpunkt die Realteile von OSB und USB kompensieren, ist $s_+(t =$ 5 μs) rein imaginär und man erhält:
+
*Thus, the angles travelled in&nbsp; $ 5 \ {\rm &micro;} \text{s}$&nbsp; by OSB and USB are&nbsp; $108^{\circ}$&nbsp; and&nbsp; $72^{\circ}$ respectively.  
 +
*Since at this time the real parts of OSB and USB compensate,&nbsp; $s_+(t=5 \ {\rm &micro;}  \text{s})$&nbsp; is <u>purely imaginary</u> and we obtain:
 
   
 
   
$${\rm Im}\left[s_{+}(t = {\rm 5 \hspace{0.05cm} \mu s})\right] =
+
:$${\rm Im}\left[s_{+}(t = {\rm 5 \hspace{0.05cm} {\rm &micro;}  s})\right] =
 
{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} + 2 \cdot {\rm 0.4 \hspace{0.05cm}
 
{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} + 2 \cdot {\rm 0.4 \hspace{0.05cm}
 
V}\cdot \cos (18^\circ ) \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 1.761 \hspace{0.05cm} V}}.$$
 
V}\cdot \cos (18^\circ ) \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 1.761 \hspace{0.05cm} V}}.$$
  
'''4.'''  Nach einer Umdrehung des roten Trägers, also zum Zeitpunkt $t$ = $T_0$ = 20 μs, hat der blaue Zeiger bereits 72° mehr zurückgelegt; der grüne Zeiger 72° weniger. Die Summe der drei Zeiger ist wieder rein reell und ergibt (siehe rechte Grafik):
+
 
 +
 
 +
'''(4)'''&nbsp; After one rotation of the red carrier, i.e. at time $t$ = $T_0 = 20 \ {\rm &micro;} \text{s}$, the blue pointer has already covered&nbsp; $72^{\circ}$&nbsp; more and the green pointer correspondingly&nbsp;  $72^{\circ}$&nbsp; less.&nbsp; The sum of the three pointers is again <u>real</u> and results in accordance with the graph on the right:
 
   
 
   
$${\rm Re}\left[s_{+}({\rm 20 \hspace{0.05cm} \mu s})\right] =
+
:$${\rm Re}\left[s_{+}({\rm 20 \hspace{0.05cm} {\rm &micro;}  s})\right] =
 
{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} + 2 \cdot {\rm 0.4 \hspace{0.05cm}
 
{\rm 1 \hspace{0.05cm} V} + 2 \cdot {\rm 0.4 \hspace{0.05cm}
V}\cdot \cos (72^\circ ) \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 1.237 \hspace{0.05cm} V}}.$$
+
V}\cdot \cos (72^\circ ) \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 1.236 \hspace{0.05cm} V}}.$$
 +
 
  
'''5.''' Der Betrag ist minimal, wenn die Zeiger der beiden Seitenbänder gegenüber dem Träger um 180° versetzt sind. Daraus folgt:
+
'''(5)'''&nbsp; The magnitude is minimum when the pointers of the two sidebands are offset from the carrier by&nbsp; $180^{\circ}$&nbsp;.&nbsp; It follows:
 
   
 
   
$$|s_{+}(t)|_{\rm min} = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} - 2 \cdot {\rm
+
:$$|s_{+}(t)|_{\rm min} = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} - 2 \cdot {\rm
 
0.4 \hspace{0.05cm} V} \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 0.2 \hspace{0.05cm} V}}.$$
 
0.4 \hspace{0.05cm} V} \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 0.2 \hspace{0.05cm} V}}.$$
  
Innerhalb einer Periode $T_0$ des Trägers tritt gegenüber den Zeigern der beiden Seitenbändern ein Phasenversatz von ±72° auf. Daraus folgt: $t_{\text{min}}$ = 2.5 $\cdot T_0$ = 50 μs.
+
Within one period&nbsp; $T_0$&nbsp; of the carrier, a phase offset of&nbsp; $\pm72^{\circ}$&nbsp; occurs with respect to the pointers of the two sidebands.&nbsp; From this follows:
 +
:$$t_{\text{min}} = 180^{\circ}/72^{\circ} \cdot T_0 = 2.5 \cdot T_0 \;\underline{= 50 \ {\rm &micro;} \text{s}}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
 
__NOEDITSECTION__
 
__NOEDITSECTION__
[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^4. Bandpassartige Signale^]]
+
[[Category:Signal Representation: Exercises|^4.2 Analytical Signal and its Spectral Function^]]

Latest revision as of 15:29, 7 May 2021

Spectrum of the analytical signal

We assume a cosine-shaped source signal  $q(t)$  with

  • amplitude  $A_{\rm N} = 0.8 \ \text{V}$  and
  • frequency  $f_{\rm N}= 10 \ \text{kHz}$.


The frequency conversion is done by means of  "Double-Sideband Amplitude Modulation with Carrier".

The modulated signal  $s(t)$  is with the (normalised) carrier  $z(t) = \text{cos}(\omega_{\rm T} \cdot t)$  and the DC component  $q_0 = 1 \ \text{V}$:

$$\begin{align*} s(t) & = \left(q_0 + q(t)\right) \cdot z(t)= \left({\rm 1 \hspace{0.05cm} V} + {\rm 0.8 \hspace{0.05cm}V}\cdot {\cos} ( \omega_{\rm N}\cdot t)\right) \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\cdot t) = \\ & = q_0 \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\cdot t) + {A_{\rm N}}/{2} \cdot {\cos} ( (\omega_{\rm T}+ \omega_{\rm N}) \cdot t) + {A_{\rm N}}/{2} \cdot {\cos} ( (\omega_{\rm T}- \omega_{\rm N}) \cdot t).\end{align*}$$

The first term describes the carrier, the second term the so-called upper sideband  $\rm (OSB)$  and the last term the lower sideband  $\rm (USB)$.

The sketch shows the spectrum  $S_+(f)$  of the corresponding analytical signal for  $f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}$. You can see

  • the carrier (red),
  • the upper sideband (blue),  and
  • the lower sideband (grün).


In subtask  (5)  the magnitude of  $s_+(t)$  is asked for.  This is the length of the resulting pointer.



Hints:

  1. The index  $\rm N$  stands for "source signal"   ⇒   (German:  "Nachrichtenignal").
  2. The index  $\rm T$  stands for  "carrier"   ⇒   (German:  "Trägersignal").
  3. $\rm OSB$  denotes the  "upper sideband"   ⇒   (German:  "oberes Seitenband").
  4. $\rm USB$  denotes the  "lower sideband"   ⇒   (German:  "unteres Seitenband").

Questions

1

What is the analytical signal  $s_+(t)$.  What is its magnitude at time  $t = 0$?

$\text{Re}[s_+(t=0)]\ = \ $

 $\text{V}$
$\text{Im}[s_+(t=0)]\ = \ $

 $\text{V}$

2

Which of the following statements are true?

$s_+(t)$  results from  $s(t)$, if  $\cos(\text{...})$  is replaced by  ${\rm e}^{{\rm j}(\text{...})}$ .
If  $s(t)$  is an even time function,  $s_+(t)$  is purely real.
At no time does the imaginary part of  $s_+(t)$ disappear.

3

What is the value of the analytical signal at time  $t = 5 \ {\rm µ}\text{s}$?

$\text{Re}[s_+(t=5 \ {\rm µ} \text{s})]\ = \ $

 $\text{V}$
$\text{Im}[s_+(t=5 \ {\rm µ} \text{s})]\ = \ $

 $\text{V}$

4

What is the value of  $s_+(t)$  at time  $t = 20 \ {\rm µ}\text{s}$?

$\text{Re}[s_+(t=20 \ {\rm µ} \text{s})]\ = \ $

 $\text{V}$
$\text{Im}[s_+(t=20 \ {\rm µ} \text{s})]\ = \ $

 $\text{V}$

5

What is the smallest possible pointer length?  At what time   $t_{\text{min}}$  does this value occur for the first time?

$|s_+(t)|_{\text{min}}\ = \ $

 $\text{V}$
$t_{\text{min}}\ = \ $

 ${\rm µ} \text{s}$


Solution

(1)  By inverse Fourier transform of  $S_+(f)$  taking into account the  "Shifting Theorem":

$$s_{+}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 50}\hspace{0.05cm} t } + {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 60} \hspace{0.05cm} t }+ {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm 40}\hspace{0.05cm} t }.$$
Three different analytical signals
  • The expression describes the sum of three pointers rotating at different circular velocities.
  • In the above equation, for example,  $\omega_{60} = 2\pi (f_{\rm T} + f_{\rm N}) = 2\pi \cdot 60 \ \text{kHz}$.
  • At time  $t = 0$  all three pointers point in the direction of the real axis (see left graph).
  • One obtains the real value  $s_+(t = 0) \;\underline{= 1.8 \ \text{V}}$.


(2)  The first statement is correct and results from the  "Hilbert transform".  On the other hand, the next two statements are'nt correct:

  • $s_+(t)$  is always a complex time function with exception of the limiting case  $s(t) \equiv 0$.
  • However, every complex function also has purely real values at some points in time.
  • The  "pointer group"  always rotates in a mathematically positive direction.
  • If the sum vector crosses the real axis, the imaginary part disappears at this point and  $s_+(t)$  is purely real.


(3)  The period duration of the carrier signal is  $T_0 = 1/f_T = 20 \ {\rm µ} \text{s}$.

  • After  $t = 5 \ {\rm µ} \text{s}$  (see middle graph) the carrier has thus rotated by  $90^{\circ}$.
  • The blue pointer  $\rm (OSB)$  rotates  $20\%$  faster, the green one  $\rm (USB)$  $20\%$  slower than the red rotary pointer (carrier signal):
$$s_{+}({\rm 5 \hspace{0.05cm} {\rm µ} s}) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 2 \pi \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}50 \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}0.005 } + {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 2 \pi \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}60 \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}0.005 }+ {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 2 \pi \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}40 \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.08cm}0.005 } = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 90^\circ }+ {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 108^\circ }+{\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} 72^\circ }.$$
  • Thus, the angles travelled in  $ 5 \ {\rm µ} \text{s}$  by OSB and USB are  $108^{\circ}$  and  $72^{\circ}$ respectively.
  • Since at this time the real parts of OSB and USB compensate,  $s_+(t=5 \ {\rm µ} \text{s})$  is purely imaginary and we obtain:
$${\rm Im}\left[s_{+}(t = {\rm 5 \hspace{0.05cm} {\rm µ} s})\right] = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} + 2 \cdot {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V}\cdot \cos (18^\circ ) \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 1.761 \hspace{0.05cm} V}}.$$


(4)  After one rotation of the red carrier, i.e. at time $t$ = $T_0 = 20 \ {\rm µ} \text{s}$, the blue pointer has already covered  $72^{\circ}$  more and the green pointer correspondingly  $72^{\circ}$  less.  The sum of the three pointers is again real and results in accordance with the graph on the right:

$${\rm Re}\left[s_{+}({\rm 20 \hspace{0.05cm} {\rm µ} s})\right] = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} + 2 \cdot {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V}\cdot \cos (72^\circ ) \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 1.236 \hspace{0.05cm} V}}.$$


(5)  The magnitude is minimum when the pointers of the two sidebands are offset from the carrier by  $180^{\circ}$ .  It follows:

$$|s_{+}(t)|_{\rm min} = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} - 2 \cdot {\rm 0.4 \hspace{0.05cm} V} \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm 0.2 \hspace{0.05cm} V}}.$$

Within one period  $T_0$  of the carrier, a phase offset of  $\pm72^{\circ}$  occurs with respect to the pointers of the two sidebands.  From this follows:

$$t_{\text{min}} = 180^{\circ}/72^{\circ} \cdot T_0 = 2.5 \cdot T_0 \;\underline{= 50 \ {\rm µ} \text{s}}.$$