Difference between revisions of "Linear and Time Invariant Systems/System Description in Time Domain"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Systemtheoretische Grundlagen
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|Untermenü=Basics of System Theory
|Vorherige Seite=Systembeschreibung im Frequenzbereich
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|Vorherige Seite=System Description in Frequency Domain
|Nächste Seite=Einige systemtheoretische Tiefpassfunktionen
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|Nächste Seite=Some Low-Pass Functions in System Theory
 
}}
 
}}
  
==Impulsantwort==
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==Impulse response==
Auf der Seite [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_erste_Fourierintegral|Das erste Fourierintegral]]  im Buch „Signaldarstellung” wurde dargelegt, dass für jedes deterministische Signal $x(t)$ mit Hilfe der Fouriertransformation eine Spektralfunktion $X(f)$ angegeben werden kann. Oft bezeichnet man $X(f)$ auch kurz als das Spektrum.  
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<br>
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In the section&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_first_Fourier_integral|&raquo;The first Fourier integral&laquo;]]&nbsp; in the book&nbsp; &raquo;Signal Representation&raquo;&nbsp; it was explained that for any deterministic signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; a&nbsp; &raquo;spectral function&laquo;&nbsp; $X(f)$&nbsp; can be given with the help of the Fourier transform.&nbsp; Often &nbsp;$X(f)$&nbsp; is referred to as the&nbsp; &raquo;spectrum&laquo;&nbsp; for short.  
  
Alle Informationen über die Spektralfunktion sind aber auch bereits in der Zeitbereichsdarstellung enthalten, wenn auch nicht immer sofort erkennbar. Der gleiche Sachverhalt trifft für lineare zeitinvariante Systeme zu.  
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However, all information about the spectral function is already contained in the time domain representation, even if not always immediately recognizable.&nbsp; The same facts apply to linear time-invariant systems.  
  
{{Definition}}
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{{BlaueBox|TEXT= 
Die wichtigste Beschreibungsgröße eines linearen zeitinvarianten Systems im Zeitbereich ist die Fourierrücktransformierte von $H(f)$, die man als die '''Impulsantwort''' bezeichnet:
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
$$h(t) = \int_{-\infty}^{+\infty}H(f) \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}2\pi ft}\hspace{0.15cm} {\rm d}f.$$
+
The most important descriptive quantity of a linear time-invariant system in the time domain is the inverse Fourier transform of&nbsp; $H(f)$, which is called the&nbsp; &raquo;'''impulse response'''&laquo;:
{{end}}
+
:$$h(t) = \int_{-\infty}^{+\infty}H(f) \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}2\pi ft}\hspace{0.15cm} {\rm d}f.$$}}
  
  
Hierzu ist Folgendes anzumerken:  
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The following should be noted in this regard:  
*Der Frequenzgang $H(f)$ und die Impulsantwort $h(t)$ sind äquivalente Beschreibungsgrößen, die genau die gleichen Informationen über das LZI–System beinhalten.  
+
*The frequency response&nbsp; $H(f)$&nbsp; and the impulse response&nbsp; $h(t)$&nbsp; are equivalent descriptive quantities that contain exactly the same information about the LTI system.  
*Verwendet man das diracförmige Eingangssignal $x(t) = δ(t)$, so ist $X(f) = 1$ zu setzen und es gilt $Y(f) = H(f)$ bzw. $y(t) = h(t)$. Die Bezeichnung &bdquo;Impulsantwort&rdquo; spiegelt diese Aussage wieder: Die Antwort des Systems auf einen (Dirac-) Impuls am Eingang.  
+
*If the Dirac-shaped input signal&nbsp; $x(t) = δ(t)$ is used, then&nbsp; $X(f) = 1$&nbsp; is to be set and&nbsp; $Y(f) = H(f)$&nbsp; resp.&nbsp; $y(t) = h(t)$ are valid.  
*Die obige Definition lässt erkennen, dass jede Impulsantwort die Einheit Hz = 1/s besitzen muss.  
+
*The term&nbsp; &raquo;impulse response&laquo;&nbsp; reflects this statement: &nbsp; $h(t)$&nbsp; is the response of the system to a&nbsp; $($Dirac delta$)$&nbsp; function as the input signal.  
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*The above definition suggests that any impulse response must have the unit&nbsp; $\text{Hz = 1/s}$.  
  
  
{{Beispiel}}
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{{GraueBox|TEXT= 
Die Impulsantwort $h(t)$ des so genannten Spalt–Tiefpasses ist über eine Zeitdauer $T$ hinweg konstant und außerhalb dieses Zeitintervalls gleich 0. Der dazugehörige Amplitudengang als der Betrag des Frequenzgangs ist $|H(f)| = |{\rm si}(\pi fT)|$. Der Phasenverlauf ergibt sich damit zu
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;
$$b(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}\pi/T  \\  -\pi/T \\  \end{array} \right.\quad \quad\begin{array}{*{20}c}  {\rm{f\ddot{u}r}} \\  {\rm{f\ddot{u}r}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}{\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| > 0,}  \\{\left|\hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm} \right|< 0.}  \\\end{array}$$
+
The impulse response&nbsp; $h(t)$&nbsp; of the so-called&nbsp; &raquo;rectangular&ndash;in&ndash;time&laquo;&nbsp; filter is constant over a time interval&nbsp; $T$&nbsp; and is zero outside this time interval.
Wäre $h(t)$ symmetrisch um $t = 0$ und damit akausal, so würde $b(f)=0$ gelten.  
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[[File:P_ID837__LZI_T_1_2_S1_neu.png|right|frame|Rectangular impulse response and associated magnitude spectrum|class=fit]]
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*The associated amplitude response as the magnitude of the frequency response is&nbsp;
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:$$\vert H(f)\vert  = \vert {\rm si}(\pi fT)\vert \hspace{0.5cm}\text{with}\hspace{0.5cm}{\rm si}(x)=\sin(x)/x={\rm sinc}(x/\pi).$$
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*The area over&nbsp; $h(t)$&nbsp; is equal to&nbsp; $H(f = 0) = 1$. It follows that: &nbsp; <br>&nbsp; &nbsp; In the range&nbsp; $ 0 < t < T$&nbsp; the impulse response must be constant and equal to&nbsp; $1/T$.
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*The phase response is given by
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:$$b(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}\pi/T  \\  - \pi/T \\  \end{array} \right.\quad \quad\begin{array}{*{20}c}  \text{for} \\  \text{for}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}{\left \vert  \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right \vert  > 0,}  \\{\vert \hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm} \vert < 0.}  \\\end{array}$$
 +
*With symmetrical&nbsp; $h(t)$&nbsp; around&nbsp; $t = 0$&nbsp; $($i.e. non-causal$)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $b(f)=0$. }}
  
[[File:P_ID837__LZI_T_1_2_S1_neu.png | Rechteckförmige Impulsantwort und zugehöriges Betragsspektrum|class=fit]]
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==Some laws of the Fourier transform==
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<br>
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The&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems|'''&raquo;Fourier transform theorems&laquo;''']]&nbsp; have already been explained in detail in the book&nbsp; &raquo;Signal Representation&laquo;.
  
Die Fläche über die Impulsantwort ist gleich $H(f = 0) = 1$. Daraus folgt, dass die Impulsantwort im Bereich von 0 bis $T$ gleich $1/T$ sein muss.
+
The following is a short summary, where&nbsp; $H(f)$&nbsp; describes the frequency response of an LTI system and whose inverse Fourier transform&nbsp; $h(t)$&nbsp; is the impulse response.&nbsp; The laws and principles are applied more frequently in the&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/System_Description_in_Time_Domain#Exercises_for_the_chapter|&raquo;$\text{exercises}$&laquo;]]&nbsp; for this chapter&nbsp; &raquo;System Description in Time Domain&laquo;.
{{end}}
 
  
'''Bild ersetzen:'''
+
Here, we also refer to the (German language) didactic video&nbsp; [[Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation_(Lernvideo)|"Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Regularities to the Fourier transform".
  
[[File:P_ID837__LZI_T_1_2_S1_neu.png | Andere Unterschrift|class=fit]]
+
In the following equations the short symbol of the Fourier transformation is used. The filled-out circle indicates the spectral domain, the white one the time domain.
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*&raquo;'''Multiplication'''&laquo;&nbsp; by a constant factor:
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:$$k \cdot H(f)\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,k \cdot h(t).$$
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::For&nbsp; $k \lt 1$&nbsp; one deals with attenuation,&nbsp; while&nbsp; $k \gt 1$&nbsp; stands for amplification.
  
==Einige Gesetze der Fouriertransformation==
 
Die [[Signaldarstellung/Gesetzm%C3%A4%C3%9Figkeiten_der_Fouriertransformation|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]] wurden bereits im Buch [[Signaldarstellung]] ausführlich dargelegt. Hier folgt nun eine kurze Zusammenfassung, wobei $H(f)$ den Frequenzgang eines LZI–Systems beschreibt und dessen Fourierrücktransformierte $h(t)$ die Impulsantwort angibt.
 
  
Bei allen folgenden Gleichungen wird das Kurzsymbol der Fouriertransformation benutzt. Der ausgefüllte Kreis kennzeichnet stets den Spektralbereich und der weiße Kreis den Zeitbereich.
+
*&raquo;'''Similarity Theorem'''&laquo;:
*'''Multiplikation''' mit einem konstanten Faktor:
 
:$$k \cdot H(f)\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,k \cdot h(t).$$
 
:Bei $k$ < 1 spricht man von einer Dämpfung, während $k$ > 1 für eine Verstärkung steht.
 
*'''Ähnlichkeitssatz''':
 
 
:$$H({f}/{k})\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,|k| \cdot h(k\cdot t).$$
 
:$$H({f}/{k})\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,|k| \cdot h(k\cdot t).$$
:Dies besagt: Eine Stauchung ($k < 1$) des Frequenzgangs führt zu einer breiteren und niedrigeren Impulsantwort. Durch Streckung ($k > 1$) von $H(f)$ wird $h(t)$ schmaler und höher.  
+
:#&nbsp; This implies: &nbsp; Compression &nbsp; $(k < 1)$&nbsp; of the frequency response results in a wider and lower impulse response.  
*'''Verschiebungssatz''' im Frequenz- und Zeitbereich:
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:#&nbsp; Stretching&nbsp; $(k > 1)$&nbsp; of&nbsp; $H(f)$&nbsp; makes&nbsp; $h(t)$&nbsp; narrower and higher.
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*&raquo;'''Displacement Theorem'''&laquo;&nbsp; in the frequency and time domain:
 
:$$H(f - f_0) \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, h( t )\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}2\pi f_0 t},$$
 
:$$H(f - f_0) \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, h( t )\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}2\pi f_0 t},$$
 
:$$H(f) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}2\pi ft_0}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, h( t- t_0 ).$$
 
:$$H(f) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}2\pi ft_0}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, h( t- t_0 ).$$
:Eine Verschiebung um $t_0$ (Laufzeit) führt also im Frequenzbereich zu der Multiplikation mit einer komplexen Exponentialfunktion. Der Amplitudengang $|H(f)|$ wird dadurch nicht verändert.
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:#&nbsp; A shift by&nbsp; $t_0$&nbsp; $($&raquo;transit time&raquo;$)$&nbsp; thus leads to multiplication by a complex exponential function in the frequency domain.  
*'''Differentiationssatz''' im Frequenz- und Zeitbereich:
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:#&nbsp; Thereby,&nbsp; the amplitude response&nbsp; $|H(f)|$&nbsp; does not change.
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*&raquo;'''Differentiation Theorem'''&laquo;&nbsp; in the frequency and time domain:
 
:$$\frac{1}{{{\rm j}2\pi }} \cdot \frac{{{\rm d}H( f )}}{{{\rm d}f}} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,- t \cdot h( t ),$$
 
:$$\frac{1}{{{\rm j}2\pi }} \cdot \frac{{{\rm d}H( f )}}{{{\rm d}f}} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,- t \cdot h( t ),$$
 
:$${\rm j}\cdot 2\pi f \cdot H( f ){}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \frac{{{\rm d}h( t )}}{{\rm d}t}.$$
 
:$${\rm j}\cdot 2\pi f \cdot H( f ){}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \frac{{{\rm d}h( t )}}{{\rm d}t}.$$
:Ein differenzierendes Element im LZI–System führt im Frequenzbereich zu einer Multiplikation mit ${\rm j}2πf$ und damit unter Anderem zu einer Phasendrehung um 90°.
+
:#&nbsp; A differentiating element in the LTI system leads to a multiplication by&nbsp; ${\rm j}\cdot 2πf$&nbsp; in the frequency domain
Diese Gesetzmäßigkeiten werden in den Aufgaben zu diesem Kapitel &bdquo;Systemtheoretische Grundlagen&rdquo; häufiger angewendet.
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:#&nbsp; and thus among other things to a phase rotation by&nbsp; $90^{\circ}$.
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==Causal systems==
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{{BlaueBox|TEXT= 
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$\text{Definition:}$&nbsp;
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An LTI system is said to be&nbsp;  $\text{causal}$&nbsp; if the impulse response&nbsp;  $h(t)$&nbsp; – that is the inverse Fourier transform of the frequency response&nbsp;  $H(f)$&nbsp; – satisfies the following condition:
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:$$h(t) = 0 \hspace{0.25cm}{\rm for}\hspace{0.25cm} t < 0.$$
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If this condition is not met,&nbsp; the system is&nbsp; &raquo;'''non&ndash;causal'''&laquo;&nbsp; $($or &raquo;acausal&laquo;$)$.
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$\text{Please note:}$&nbsp; Any realizable system is causal. }}
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{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 2:}$&nbsp;
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The diagram illustrates the differences between the non&ndash;causal system&nbsp;  $\rm A$&nbsp;  and the causal system&nbsp;  $\rm  B$.
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[[File:P_ID806__LZI_T_1_2_S3_neu.png|right|frame|Non&ndash;causal system&nbsp;  $\rm  A$&nbsp;  and causal system&nbsp;  $\rm  B$|class=fit]]
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*In system&nbsp; $\rm  A$&nbsp; the effect starts earlier&nbsp; $($at &nbsp; $t =\hspace{0.05cm} –T)$&nbsp; than the cause&nbsp; $($Dirac delta function at&nbsp; $t = 0)$, which of course is not possible in practice.
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*Almost all non&ndash;causal systems can be transformed into a feasible causal system using a transit time&nbsp; $\tau$.
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*For example, with&nbsp; $\tau = T$&nbsp; the following holds: &nbsp; $h_{\rm B}(t) = h_{\rm A}(t - T).$
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All statements made so far apply for causal as well as non&ndash;causal systems.
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However,&nbsp; for the description of causal systems some specific properties can be used as explained in the third main chapter&nbsp; &raquo;Description of Causal Realizable Systems&laquo;&nbsp; of&nbsp;  [[Lineare_zeitinvariante_Systeme|$\text{this book}$]].}}
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{{BlaueBox|TEXT=
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In this first and the following second main chapter we mainly consider non&ndash;causal systems since their mathematical description is usually simpler.
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*So in this example,&nbsp; the frequency response&nbsp; $H_{\rm A}(f)$&nbsp; is real,
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*while for&nbsp; $H_{\rm B}(f)$&nbsp; the additional term&nbsp; ${\rm e}^{–{\rm j2π}f\hspace{0.05cm}T}$&nbsp; has to be considered. }}
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==Computation of the output signal==
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<br>
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We consider the following problem: &nbsp; Let the input signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; and the frequency response&nbsp; $H(f)$ be known.&nbsp; The output signal&nbsp; $y(t)$ is to be determined.
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[[File:EN_LZI_T_1_2_S4.png|right|frame|To determine the output quantities of an LTI system|class=fit]]
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If the solution is to be determined in the frequency domain,&nbsp; first the spectrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; must be determined from the given input signal $x(t)$ via&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_first_Fourier_integral|$\text{Fourier transform}$]]&nbsp; and multiplied by the frequency response&nbsp; $H(f)$.&nbsp; By the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_second_Fourier_integral|$\text{inverse Fourier transform}$]]&nbsp;  of the product the signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; is obtained.
  
==Kausale Systeme==
+
Here is a summary of the entire solution process:
Die Grafik verdeutlicht den Unterschied zwischen einem akausalen und einem kausalen System.
+
:$${\rm 1.\,\, step\hspace{-0.1cm} :}\hspace{0.5cm} X(f)\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, x( t )\hspace{1.55cm}{\rm input\:spectrum},$$
 +
:$${\rm 2.\,\, step\hspace{-0.1cm}:}\hspace{0.5cm}Y(f)= X(f) \cdot H(f) \hspace{0.82cm}{\rm output\:spectrum},$$
 +
:$${\rm 3.\,\, step\hspace{-0.1cm}:}\hspace{0.5cm} y(t)\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, Y(f )\hspace{1.55cm}{\rm output\:signal}.$$
  
[[File:P_ID806__LZI_T_1_2_S3_neu.png | Akausales und kausales System|class=fit]]
 
  
{{Definition}}
+
The same result is obtained after the computation in the time domain by first determining the impulse response&nbsp; $h(t)$&nbsp; from the frequency response&nbsp; $H(f)$&nbsp; by means of the&nbsp; &raquo;inverse Forier transform&laquo;&nbsp; and then applying the convolution operation:
Ein LZI–System bezeichnet man dann als '''kausal''', wenn die Impulsantwort $h(t)$ – also die Fourierrücktransformierte des Frequenzgangs $H(f)$ – folgende Bedingung erfüllt:  
+
:$$y(t) = x (t) * h (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x ( \tau  )}  \cdot h ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
$$h(t) = 0 \hspace{0.15cm}{\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} t < 0.$$
+
*The results are identical for both approaches.
{{end}}
+
 +
*Purposefully,&nbsp; the procedure of solution with less computational effort should be chosen.
  
  
Das obige Bild lässt erkennen, dass nach dieser Definition das System B kausal ist im Gegensatz zum System A. Weiter ist anzumerken:
+
{{GraueBox|TEXT= 
*Jedes realisierbare System ist kausal. Beim System A beginnt die Wirkung früher (bei $t = –T$) als die Ursache (Diracfunktion bei $t = 0$), was natürlich in der Praxis nicht möglich ist.
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$\text{Example 3:}$&nbsp;
*Fast alle akausalen Systeme lassen sich unter Verwendung einer Laufzeit $\tau$ in ein realisierbares kausales System überführen. Zum Beispiel gilt mit $\tau = T$:
+
At the input of a filter with rectangular impulse response&nbsp; $h(t)$&nbsp; of width&nbsp; $T$&nbsp; $($see&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/System_Description_in_Time_Domain#Impulse_response|$\text{Example 1)}$]]&nbsp;  a rectangular pulse &nbsp; $x(t)$&nbsp; of duration&nbsp; $2T$&nbsp; is applied.
:$$h_{\rm B}(t) = h_{\rm A}(t - T).$$
+
[[File:P_ID812__LZI_T_1_2_S4b_neu.png|right|frame|Trapezoidal output signal since&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $h(t)$&nbsp; are rectangular|class=fit]]
*Für kausale Systeme gelten alle in diesem Kapitel getroffenen Aussagen ebenso wie für akausale Systeme. Zur Beschreibung kausaler Systeme lassen sich jedoch einige spezifische Eigenschaften nutzen, wie im Kapitel [[/Lineare_zeitinvariante_Systeme#collapse3]]  dieses Buches ausgeführt wird.
 
*In diesem und dem nächsten Kapitel betrachten wir vorwiegend akausale Systeme, da deren mathematische Beschreibung anschaulicher ist. So ist der Frequenzgang $H_{\rm A}(f)$ reell, während für $H_{\rm B}(f)$ der zusätzliche Term ${\rm exp(–j2}πfT)$ zu berücksichtigen ist.
 
  
==Berechnung des Ausgangssignals==
+
In this case,&nbsp; direct computation in the time domain is more convenient: &nbsp;
Wir betrachten die folgende Aufgabenstellung: Bekannt sei das Eingangssignal $x(t)$ und der Frequenzgang $H(f)$. Gesucht ist das Ausgangssignal $y(t)$.  
+
*The convolution of two rectangles &nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $h(t)$&nbsp; of different widths results in a trapezoidal output signal&nbsp; $y(t)$.
  
[[File:P_ID809__LZI_T_1_2_S4_neu.png | Zur Ermittlung der Ausgangsgrößen eines LZI–Systems|class=fit]]
+
*The low-pass property of the filter can be seen from the finite edge steepness of&nbsp; $y(t)$.  
  
Soll die Lösung im Frequenzbereich erfolgen, so muss zunächst aus dem gegebenen Eingangssignal $x(t)$ durch Fouriertransformation  das Spektrum $X(f)$ ermittelt und mit dem Frequenzgang $H(f)$ multipliziert werden. Durch Fourierrücktransformation  des Produktes kommt man zum gesuchten Signal $y(t)$:
+
*The pulse height&nbsp; $(3\text{ V)}$&nbsp; is preserved in this example because of&nbsp;
$${\rm 1.\,\, Schritt:}\hspace{0.5cm} X(f)\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, x( t )\hspace{2.05cm}{\rm Eingangsspektrum},$$
+
:$$H(f = 0) = 1/T · T = 1.$$ }}
$${\rm 2.\,\, Schritt:}\hspace{0.5cm}Y(f)= X(f) \cdot H(f) \hspace{1.32cm}{\rm Ausgangsspektrum},$$
 
$${\rm 3.\,\, Schritt:}\hspace{0.5cm} y(t)\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, Y(f )\hspace{2.05cm}{\rm Ausgangssignal}.$$
 
  
  
Zum gleichen Ergebnis kommt man nach der Berechnung im Zeitbereich, indem man zunächst aus dem Frequenzgang $H(f)$ mittels Fourierrücktransformation die Impulsantwort $h(t)$ berechnet und anschließend die Faltungsoperation anwendet:
+
==Step response==
$$y(t) = x (t) * h (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x ( \tau )}  \cdot h ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
+
<br>
Die Ergebnisse sind bei beiden Vorgehensweisen identisch. Zweckmäßigerweise sollte man dasjenige Verfahren auswählen, das mit weniger Rechenaufwand zum Ziel führt.
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
In practice,&nbsp; one of the often used input functions&nbsp; $x(t)$&nbsp; in order to  measure&nbsp; $H(f)$&nbsp; is the&nbsp; &raquo;'''jump function'''&laquo;
 +
:$${\rm \gamma}(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}0  \\  0.5 \\ \hspace{0.25cm} 1 \\  \end{array} \right.\quad \quad\begin{array}{*{20}c} \text{for} \\  \text{for}\\  \text{for}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}{\vert \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \vert < 0,}  \\ {\vert \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \vert = 0,}  \\ {\vert \hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \vert > 0.}  \\ \end{array}$$
  
{{Beispiel}}
+
The&nbsp; &raquo;'''step response'''&laquo;&nbsp; $\sigma(t)$&nbsp; is the response of the system if the jump function&nbsp; $\gamma(t)$&nbsp; is applied to the input:
Am Eingang eines Spalt–Tiefpasses (siehe Beispiel auf der ersten Seite dieses Kapitels) mit rechteckförmiger Impulsantwort der Breite $T$ liegt ein Rechteckimpuls $x(t)$ der Dauer $2T$ an.
+
:$$x(t) = {\rm \gamma}(t)\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} y(t) = {\rm \sigma}(t).$$}}
  
[[File:P_ID812__LZI_T_1_2_S4b_neu.png | Trapezförmiger Ausgangsimpuls, da x(t) und h(t) rechteckförmig sind|class=fit]]
 
  
In diesem Fall ist die direkte Berechnung im Zeitbereich günstiger: Die Faltung zweier unterschiedlich breiter Rechtecke $x(t)$ und $h(t)$ führt zum trapezförmigen Ausgangsimpuls $y(t)$:
+
The computation in the frequency domain would be a bit laborious here because the following equation would have to be applied:
*Man erkennt die Tiefpasseigenschaft des Filters an der endlichen Flankensteilheit von $y(t)$.
+
:$${\rm \sigma}(t)\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, X(f ) \cdot H(f) =\left({1}/{2}\cdot \delta(f) + \frac{1}{{\rm j}\cdot 2\pi f} \right) \cdot H(f).$$
*Die Impulshöhe 3 V bleibt in diesem Beispiel erhalten, weil $H(f = 0) = 1/T · T = 1$ ist.
 
{{end}}
 
  
==Sprungantwort==
+
In contrast to this,&nbsp; the computation in the time domain leads directly to the result:
Eine in der Praxis oft verwendete Eingangsfunktion $x(t)$ zur Messung von $H(f)$ ist die Sprungfunktion
+
:$${\rm \sigma}(t) = \int_{ - \infty }^{ t } {h ( \tau )}  \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
$${\rm \gamma}(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}0  \0.5 \\ \hspace{0.25cm} 1 \\  \end{array} \right.\quad \quad\begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}}  \\  {\rm{f\ddot{u}r}}\\   {\rm{f\ddot{u}r}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}{\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < 0,}  \\ {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| = 0,}  \\ {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| > 0.}  \\ \end{array}$$
 
  
{{Definition}}
+
For causal sytems&nbsp; $h(\tau) = 0$&nbsp;  holds for&nbsp; $\tau \lt 0$,&nbsp; such that the lower limit of integration in the above equation can be set to&nbsp; $\tau = 0$.  
Die Sprungantwort $\sigma(t)$ ist die Antwort des Systems, wenn man an den Eingang die Sprungfunktion $\gamma(t)$ anlegt:
 
$$x(t) = {\rm \gamma}(t)\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} y(t)  = {\rm \sigma}(t).$$
 
{{end}}
 
  
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Proof:}$&nbsp;
 +
The above result is also insightful for the following reason:
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*The jump function&nbsp; $\gamma(t)$&nbsp; is related to the Dirac delta function&nbsp; $\delta(t)$&nbsp; as follows:
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:$${\rm \gamma}(t) = \int_{ - \infty }^{ t } {\delta ( \tau  )}  \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
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*Since we have assumed linearity and integration is a linear operation the corresponding relationship also applies to the output signal:
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:$${\rm \sigma}(t) = \int_{ - \infty }^{ t } {h ( \tau  )}  \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 +
<div align="right">q.e.d.</div>}}
  
Die Berechnung im Frequenzbereich ist etwas umständlich; man muss folgende Gleichung anwenden:
 
$${\rm \sigma}(t)\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, X(f ) \cdot H(f) =\left(\frac{1}{2}\cdot \delta(f) + \frac{1}{{\rm j}\cdot 2\pi f} \right) \cdot H(f).$$
 
  
Die Berechnung im Zeitbereich führt dagegen direkt zum Ergebnis:
+
{{GraueBox|TEXT=
$${\rm \sigma}(t) = \int_{ - \infty }^{ t } {h ( \tau )}  \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
+
[[File:EN_LZI_T_1_2_S5.png|right|frame|Computation of the step response for rectangular impulse response|class=fit]]
 +
 
 +
$\text{Example 4:}$&nbsp;
 +
The graph illustrates the facts for the rectangular impulse response&nbsp; $h(\tau)$.
  
Bei kausalen Systemen gilt $h(\tau)$ = 0 für $\tau$ < 0, so dass die untere Integrationsgrenze in obiger Gleichung dann zu 0 gesetzt werden kann.
 
  
Das genannte Ergebnis ist auch aus folgendem Grunde einsichtig: Die Sprungfunktion $\gamma(t)$ hängt mit der Diracfunktion $\delta(t)$ wie folgt zusammen:  
+
$\text{Note:}$
$${\rm \gamma}(t) = \int_{ - \infty }^{ t } {\delta ( \tau  )}  \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 
Da wir Linearität vorausgesetzt haben und die Integration eine lineare Operation darstellt, gilt auch für das Ausgangssignal $\sigma(t)$ der entsprechende Zusammenhang entsprechend der vorletzten Gleichung.
 
  
{{Beispiel}}
+
*The abscissa has been renamed to&nbsp; $\tau$.
Die Grafik verdeutlicht den Sachverhalt für eine rechteckförmige Impulsantwort $h(\tau)$. Die Abszisse wurde in $\tau$ umbenannt. Blau eingezeichnet ist die Sprungfunktion $\gamma(\tau)$.
 
  
[[File:P_ID839__LZI_T_1_2_S5_neu.png  | Zur Berechnung der Sprungantwort bei rechteckförmiger Impulsantwort|class=fit]]
+
*The jump function&nbsp; $\gamma(\tau)$ is drawn in blue.
  
Durch Spiegelung und Verschiebung erhält man die rot gestrichelt eingezeichnete Funktion $\gamma(t \tau)$. Die rot hinterlegte Fläche gibt somit die Sprungantwort $\sigma(\tau)$ zum Zeitpunkt $\tau$ = t an.
+
*&nbsp; $\gamma(t - \tau)$ &nbsp; is obtained by mirroring and shifting &rArr; &nbsp; curve dashed in violet.
{{end}}
+
 +
*The red shaded area thus gives the step response&nbsp; $\sigma(\tau)$&nbsp; at time&nbsp; $\tau = t$&nbsp;.}}
  
  
==Aufgaben==
+
==Exercises for the chapter==
[[Aufgaben:1.3 Gemessene Sprungantwort]]
+
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_1.3:_Measured_Step_Response|Exercise 1.3: Measured Step Response]]
  
[[Zusatzaufgaben:1.3 Exponentiell abfallendes h(t)]]
+
[[Aufgaben:Exercise_1.3Z:_Exponentially_Decreasing_Impulse_Response|Exercise 1.3Z: Exponentially Decreasing Impulse Response]]
  
[[Aufgaben:1.4 Zum Tiefpass 2. Ordnung]]
+
[[Aufgaben:Exercise_1.4:_Low-Pass_Filter_of_2nd_Order|Exercise 1.4: Low-Pass Filter of 2nd Order]]
  
[[Zusatzaufgaben:1.4 Alles rechteckförmig]]
+
[[Aufgaben:Exercise_1.4Z:_Everything_Rectangular|Exercise 1.4Z: Everything Rectangular]]
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 18:21, 2 November 2023

Impulse response


In the section  »The first Fourier integral«  in the book  »Signal Representation»  it was explained that for any deterministic signal  $x(t)$  a  »spectral function«  $X(f)$  can be given with the help of the Fourier transform.  Often  $X(f)$  is referred to as the  »spectrum«  for short.

However, all information about the spectral function is already contained in the time domain representation, even if not always immediately recognizable.  The same facts apply to linear time-invariant systems.

$\text{Definition:}$  The most important descriptive quantity of a linear time-invariant system in the time domain is the inverse Fourier transform of  $H(f)$, which is called the  »impulse response«:

$$h(t) = \int_{-\infty}^{+\infty}H(f) \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}2\pi ft}\hspace{0.15cm} {\rm d}f.$$


The following should be noted in this regard:

  • The frequency response  $H(f)$  and the impulse response  $h(t)$  are equivalent descriptive quantities that contain exactly the same information about the LTI system.
  • If the Dirac-shaped input signal  $x(t) = δ(t)$ is used, then  $X(f) = 1$  is to be set and  $Y(f) = H(f)$  resp.  $y(t) = h(t)$ are valid.
  • The term  »impulse response«  reflects this statement:   $h(t)$  is the response of the system to a  $($Dirac delta$)$  function as the input signal.
  • The above definition suggests that any impulse response must have the unit  $\text{Hz = 1/s}$.


$\text{Example 1:}$  The impulse response  $h(t)$  of the so-called  »rectangular–in–time«  filter is constant over a time interval  $T$  and is zero outside this time interval.

Rectangular impulse response and associated magnitude spectrum
  • The associated amplitude response as the magnitude of the frequency response is 
$$\vert H(f)\vert = \vert {\rm si}(\pi fT)\vert \hspace{0.5cm}\text{with}\hspace{0.5cm}{\rm si}(x)=\sin(x)/x={\rm sinc}(x/\pi).$$
  • The area over  $h(t)$  is equal to  $H(f = 0) = 1$. It follows that:  
        In the range  $ 0 < t < T$  the impulse response must be constant and equal to  $1/T$.
  • The phase response is given by
$$b(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}\pi/T \\ - \pi/T \\ \end{array} \right.\quad \quad\begin{array}{*{20}c} \text{for} \\ \text{for} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}{\left \vert \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right \vert > 0,} \\{\vert \hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm} \vert < 0.} \\\end{array}$$
  • With symmetrical  $h(t)$  around  $t = 0$  $($i.e. non-causal$)$   ⇒   $b(f)=0$.

Some laws of the Fourier transform


The  »Fourier transform theorems«  have already been explained in detail in the book  »Signal Representation«.

The following is a short summary, where  $H(f)$  describes the frequency response of an LTI system and whose inverse Fourier transform  $h(t)$  is the impulse response.  The laws and principles are applied more frequently in the  »$\text{exercises}$«  for this chapter  »System Description in Time Domain«.

Here, we also refer to the (German language) didactic video  "Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation"   ⇒   "Regularities to the Fourier transform".

In the following equations the short symbol of the Fourier transformation is used. The filled-out circle indicates the spectral domain, the white one the time domain.

  • »Multiplication«  by a constant factor:
$$k \cdot H(f)\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,k \cdot h(t).$$
For  $k \lt 1$  one deals with attenuation,  while  $k \gt 1$  stands for amplification.


  • »Similarity Theorem«:
$$H({f}/{k})\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,|k| \cdot h(k\cdot t).$$
  1.   This implies:   Compression   $(k < 1)$  of the frequency response results in a wider and lower impulse response.
  2.   Stretching  $(k > 1)$  of  $H(f)$  makes  $h(t)$  narrower and higher.


  • »Displacement Theorem«  in the frequency and time domain:
$$H(f - f_0) \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, h( t )\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j}2\pi f_0 t},$$
$$H(f) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}2\pi ft_0}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, h( t- t_0 ).$$
  1.   A shift by  $t_0$  $($»transit time»$)$  thus leads to multiplication by a complex exponential function in the frequency domain.
  2.   Thereby,  the amplitude response  $|H(f)|$  does not change.


  • »Differentiation Theorem«  in the frequency and time domain:
$$\frac{1}{{{\rm j}2\pi }} \cdot \frac{{{\rm d}H( f )}}{{{\rm d}f}} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,- t \cdot h( t ),$$
$${\rm j}\cdot 2\pi f \cdot H( f ){}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \frac{{{\rm d}h( t )}}{{\rm d}t}.$$
  1.   A differentiating element in the LTI system leads to a multiplication by  ${\rm j}\cdot 2πf$  in the frequency domain
  2.   and thus among other things to a phase rotation by  $90^{\circ}$.


Causal systems


$\text{Definition:}$  An LTI system is said to be  $\text{causal}$  if the impulse response  $h(t)$  – that is the inverse Fourier transform of the frequency response  $H(f)$  – satisfies the following condition:

$$h(t) = 0 \hspace{0.25cm}{\rm for}\hspace{0.25cm} t < 0.$$

If this condition is not met,  the system is  »non–causal«  $($or »acausal«$)$.

$\text{Please note:}$  Any realizable system is causal.


$\text{Example 2:}$  The diagram illustrates the differences between the non–causal system  $\rm A$  and the causal system  $\rm B$.

Non–causal system  $\rm A$  and causal system  $\rm B$
  • In system  $\rm A$  the effect starts earlier  $($at   $t =\hspace{0.05cm} –T)$  than the cause  $($Dirac delta function at  $t = 0)$, which of course is not possible in practice.
  • Almost all non–causal systems can be transformed into a feasible causal system using a transit time  $\tau$.
  • For example, with  $\tau = T$  the following holds:   $h_{\rm B}(t) = h_{\rm A}(t - T).$


All statements made so far apply for causal as well as non–causal systems.


However,  for the description of causal systems some specific properties can be used as explained in the third main chapter  »Description of Causal Realizable Systems«  of  $\text{this book}$.


In this first and the following second main chapter we mainly consider non–causal systems since their mathematical description is usually simpler.

  • So in this example,  the frequency response  $H_{\rm A}(f)$  is real,
  • while for  $H_{\rm B}(f)$  the additional term  ${\rm e}^{–{\rm j2π}f\hspace{0.05cm}T}$  has to be considered.


Computation of the output signal


We consider the following problem:   Let the input signal  $x(t)$  and the frequency response  $H(f)$ be known.  The output signal  $y(t)$ is to be determined.

To determine the output quantities of an LTI system

If the solution is to be determined in the frequency domain,  first the spectrum  $X(f)$  must be determined from the given input signal $x(t)$ via  $\text{Fourier transform}$  and multiplied by the frequency response  $H(f)$.  By the  $\text{inverse Fourier transform}$  of the product the signal  $y(t)$  is obtained.

Here is a summary of the entire solution process:

$${\rm 1.\,\, step\hspace{-0.1cm} :}\hspace{0.5cm} X(f)\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, x( t )\hspace{1.55cm}{\rm input\:spectrum},$$
$${\rm 2.\,\, step\hspace{-0.1cm}:}\hspace{0.5cm}Y(f)= X(f) \cdot H(f) \hspace{0.82cm}{\rm output\:spectrum},$$
$${\rm 3.\,\, step\hspace{-0.1cm}:}\hspace{0.5cm} y(t)\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, Y(f )\hspace{1.55cm}{\rm output\:signal}.$$


The same result is obtained after the computation in the time domain by first determining the impulse response  $h(t)$  from the frequency response  $H(f)$  by means of the  »inverse Forier transform«  and then applying the convolution operation:

$$y(t) = x (t) * h (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x ( \tau )} \cdot h ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  • The results are identical for both approaches.
  • Purposefully,  the procedure of solution with less computational effort should be chosen.


$\text{Example 3:}$  At the input of a filter with rectangular impulse response  $h(t)$  of width  $T$  $($see  $\text{Example 1)}$  a rectangular pulse   $x(t)$  of duration  $2T$  is applied.

Trapezoidal output signal since  $x(t)$  and  $h(t)$  are rectangular

In this case,  direct computation in the time domain is more convenient:  

  • The convolution of two rectangles   $x(t)$  and  $h(t)$  of different widths results in a trapezoidal output signal  $y(t)$.
  • The low-pass property of the filter can be seen from the finite edge steepness of  $y(t)$.
  • The pulse height  $(3\text{ V)}$  is preserved in this example because of 
$$H(f = 0) = 1/T · T = 1.$$


Step response


$\text{Definition:}$  In practice,  one of the often used input functions  $x(t)$  in order to measure  $H(f)$  is the  »jump function«

$${\rm \gamma}(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}0 \\ 0.5 \\ \hspace{0.25cm} 1 \\ \end{array} \right.\quad \quad\begin{array}{*{20}c} \text{for} \\ \text{for}\\ \text{for} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}{\vert \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \vert < 0,} \\ {\vert \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \vert = 0,} \\ {\vert \hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \vert > 0.} \\ \end{array}$$

The  »step response«  $\sigma(t)$  is the response of the system if the jump function  $\gamma(t)$  is applied to the input:

$$x(t) = {\rm \gamma}(t)\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} y(t) = {\rm \sigma}(t).$$


The computation in the frequency domain would be a bit laborious here because the following equation would have to be applied:

$${\rm \sigma}(t)\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, X(f ) \cdot H(f) =\left({1}/{2}\cdot \delta(f) + \frac{1}{{\rm j}\cdot 2\pi f} \right) \cdot H(f).$$

In contrast to this,  the computation in the time domain leads directly to the result:

$${\rm \sigma}(t) = \int_{ - \infty }^{ t } {h ( \tau )} \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$

For causal sytems  $h(\tau) = 0$  holds for  $\tau \lt 0$,  such that the lower limit of integration in the above equation can be set to  $\tau = 0$.

$\text{Proof:}$  The above result is also insightful for the following reason:

  • The jump function  $\gamma(t)$  is related to the Dirac delta function  $\delta(t)$  as follows:
$${\rm \gamma}(t) = \int_{ - \infty }^{ t } {\delta ( \tau )} \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  • Since we have assumed linearity and integration is a linear operation the corresponding relationship also applies to the output signal:
$${\rm \sigma}(t) = \int_{ - \infty }^{ t } {h ( \tau )} \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
q.e.d.


Computation of the step response for rectangular impulse response

$\text{Example 4:}$  The graph illustrates the facts for the rectangular impulse response  $h(\tau)$.


$\text{Note:}$

  • The abscissa has been renamed to  $\tau$.
  • The jump function  $\gamma(\tau)$ is drawn in blue.
  •   $\gamma(t - \tau)$   is obtained by mirroring and shifting ⇒   curve dashed in violet.
  • The red shaded area thus gives the step response  $\sigma(\tau)$  at time  $\tau = t$ .


Exercises for the chapter


Exercise 1.3: Measured Step Response

Exercise 1.3Z: Exponentially Decreasing Impulse Response

Exercise 1.4: Low-Pass Filter of 2nd Order

Exercise 1.4Z: Everything Rectangular