Difference between revisions of "Signal Representation/Analytical Signal and its Spectral Function"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Bandpassartige Signale
+
|Untermenü=Band-Pass Signals
|Vorherige Seite=Unterschiede und Gemeinsamkeiten von TP- und BP-Signalen
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|Vorherige Seite=Differences and Similarities of LP and BP Signals
|Nächste Seite=Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion
+
|Nächste Seite=Equivalent Low-Pass Signal and Its Spectral Function
 
}}
 
}}
  
==Definition im Frequenzbereich==
+
==Definition in the frequency domain==
 +
<br>
 +
We consider a real band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; with the corresponding band-pass spectrum&nbsp; $X(f)$,&nbsp; which has an even real and an odd imaginary part with respect to the frequency zero point.&nbsp; It is assumed that the carrier frequency&nbsp; $f_{\rm T}$&nbsp; is much larger than the bandwidth of the band-pass signal&nbsp; $x(t)$.
  
Wir betrachten ein reelles bandpassartiges Signal $x(t)$ mit dem dazugehörigen BP–Spektrum $X(f)$, das bezüglich des Frequenznullpunktes einen geraden Real– und einen ungeraden Imaginärteil besitzt. Es wird vorausgesetzt, dass die Trägerfrequenz $f_{\rm T}$ sehr viel größer als die Bandbreite des BP–Signals $x(t)$ ist.
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp; The&nbsp; &raquo;'''analytical signal'''&laquo;&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; belonging to the physical signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is that time function, whose spectrum fulfills the following property:
 +
[[File:EN_Sig_T_4_2_S1a.png|right|frame|Analytical signal in the frequency domain]]
 +
:$$X_+(f)=\big[1+{\rm sign}(f)\big] \cdot X(f) = \left\{ {2 \cdot
 +
X(f) \; \hspace{0.2cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} > 0, \atop {\,\,\,\, \rm 0 \; \hspace{0.9cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} < 0.} }\right.$$
  
{{Definition}}
+
The&nbsp; &raquo;'''sign function'''&laquo;&nbsp; is equal to&nbsp; $+1$&nbsp;  for positive $f$&ndash;values and for negative&nbsp; $f$-values equal to&nbsp; $-1$.
Das zum physikalischen Signal $x(t)$ gehörige '''analytische Signal''' $x_+(t)$ ist diejenige Zeitfunktion, deren Spektrum folgende Eigenschaft erfüllt:
+
*The&nbsp; $($double sided$)$&nbsp; limit value returns&nbsp; $\sign(0) = 0$.
 
   
 
   
$$X_+(f)=\left[1+{\rm sign}(f)\right] \cdot X(f) = \left\{ {2 \cdot
+
*The index&nbsp; "+"&nbsp; should make clear that&nbsp; $X_+(f)$&nbsp; has only parts at positive frequencies.
X(f) \; \rm f\ddot{u}r\; {\it f} > 0, \atop {\,\,\,\, \rm 0 \; \hspace{0.9cm}\rm f\ddot{u}r\; {\it f} < 0.}}\right.$$
 
  
Die so genannte ''Signumfunktion'' ist dabei für positive Werte von $f$ gleich $+1$ und für negative $f$–Werte gleich $–1$. Der (beidseitige) Grenzwert liefert $\sign(0) = 0$. Der Index „+” soll deutlich machen, dass $X_+(f)$ nur Anteile bei positiven Frequenzen besitzt.
 
 
{{end}}
 
 
 
[[File:Sig_T_4_2_S1a_Version2.png|right|frame|Analytisches Signal im Frequenzbereich]]
 
 
Aus der Grafik erkennt man die Berechnungsvorschrift für $X_+(f)$:
 
 
Das tatsächliche BP–Spektrum $X(f)$ wird
 
*bei den positiven Frequenzen verdoppelt, und
 
*bei den negativen Frequenzen zu Null gesetzt.
 
 
 
 
 
 
 
  
 +
From the graphic you can see the calculation rule for&nbsp; $X_+(f)$:&nbsp; The actual band-pass spectrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; will
 +
*be doubled at the positive frequencies, and
  
 +
*set to zero at the negative frequencies.}}
 +
<br clear=all>
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; The graph
 +
[[File:P_ID711__Sig_T_4_2_S1b_neu.png|right|frame|Spectrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; and Spectrum&nbsp; $X_{+}(f)$&nbsp; of the analytical signal ]]
  
 +
*on the left shows the&nbsp; $($discrete and complex$)$&nbsp; spectrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; of the&nbsp; "physical band-pass signal"
  
 +
:$$x(t) = 4\hspace{0.05cm}{\rm V}
 +
\cdot  {\cos} ( 2 \pi f_{\rm u} \hspace{0.03cm}t) + 6\hspace{0.05cm}{\rm V}
 +
\cdot  {\sin} ( 2 \pi f_{\rm o} \hspace{0.03cm}t),$$
  
 +
*on the right the&nbsp; $($also discrete and complex$)$&nbsp; spectrum&nbsp; $X_{+}(f)$&nbsp; of the corresponding&nbsp; "analytical signal"&nbsp; $x_{+}(t)$.}}
  
{{Beispiel}}
 
  
Das nachfolgende Bild zeigt links das (komplexe) Spektrum $X(f)$ des BP–Signals
+
==General calculation rule in the time domain==
+
<br>
$$x(t) = 4\hspace{0.05cm}{\rm V}
+
Now we will take a closer look at the spectrum&nbsp; $X_+(f)$&nbsp; of the analytical signal and divide it with respect to&nbsp; $f = 0$&nbsp; into  
  \cdot  {\cos} ( 2 \pi f_{\rm u} \hspace{0.03cm}t) + 6\hspace{0.05cm}{\rm V}
+
[[File:Sig_T_4_2_S2a_Version2.png|right|frame|For a clear explanation of the analytical signal]]
\cdot  {\sin} ( 2 \pi f_{\rm o} \hspace{0.03cm}t).$$
 
  
Rechts daneben ist das Spektrum des dazugehörigen analytischen Signals $x_{+}(t)$ dargestellt.
+
*an even&nbsp; $($German:&nbsp; "gerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; "$\rm g"$)&nbsp; part&nbsp; $X_{\rm +g}(f)$,&nbsp; and
  
[[File:P_ID711__Sig_T_4_2_S1b_neu.png|center|frame|Beispielspektrum des analytischen Signals]]
+
*an odd &nbsp; $($German:&nbsp; "ungerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; "$\rm u$")&nbsp; part&nbsp; $X_{\rm +u}(f)$:
 +
:$$X_+(f) = X_{\rm +g}(f) + X_{\rm +u}(f).$$
 +
All these spectra are generally complex.
  
{{end}}
+
If one considers the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Assignment_Theorem|&raquo;Assignment Theorem&laquo;]]&nbsp; of the Fourier transform,&nbsp; then the following statements are possible on basis of the graph:
 +
*The even part&nbsp; $X_{\rm +g}(f)$&nbsp; of&nbsp; $X_{+}(f)$&nbsp; leads after the Fourier transform to a real time signal,&nbsp; and the odd part&nbsp; $X_{\rm +u}(f)$&nbsp; to an imaginary one.
  
  
==Allgemeingültige Berechnungsvorschrift im Zeitbereich==
+
*It is obvious that&nbsp; $X_{\rm +g}(f)$&nbsp; is equal to the physical Fourier spectrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; and thus the real part of&nbsp; $x_{\rm +g}(t)$&nbsp; is equal to the given physical signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; with band-pass properties.
  
[[File:Sig_T_4_2_S2a_Version2.png|right|Herleitung des analytischen Signals]]
 
Wir betrachten nun das Spektrum $X_+(f)$ etwas genauer und teilen dieses in einen bezüglich $f = 0$ geraden und einen ungeraden Anteil auf:
 
:$$X_+(f) = X_{+g}(f) + X_{+u}(f).$$
 
Alle diese Spektren sind im Allgemeinen komplex.
 
  
Berücksichtigt man den [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Zuordnungssatz|Zuordnungssatz]] der Fouriertransformation, so sind anhand der Grafik folgende Aussagen möglich:
+
*If we denote the imaginary part with&nbsp; $y(t)$,&nbsp; the analytical signal is:
*Der gerade Anteil $X_{\rm +g}(f)$ von $X_{+}(f)$ führt nach der Fouriertransformation zu einem rein reellen Zeitsignal, der ungerade Anteil $X_{\rm +u}(f)$ zu einem rein imaginären.
 
*Es ist offensichtlich, dass $X_{\rm +g}(f)$ gleich dem tatsächlichen Fourierspektrum $X(f)$ und damit der Realteil von $x_{\rm +g}(t)$ gleich dem vorgegebenen Signal $x(t)$ mit Bandpasseigenschaften ist.
 
*Bezeichnen wir den Imaginärteil mit $y(t)$, so lautet das analytische Signal:
 
 
:$$x_+(t)= x(t) + {\rm j} \cdot y(t) .$$
 
:$$x_+(t)= x(t) + {\rm j} \cdot y(t) .$$
*Nach den allgemein gültigen Gesetzen der Fouriertransformation entsprechend dem [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Zuordnungssatz|Zuordnungssatz]] gilt somit für die Spektralfunktion des Imaginärteils:
+
*According to the generally valid laws of Fourier transform corresponding to the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Assignment_Theorem|&raquo;Assignment Theorem&laquo;]],&nbsp; the following applies to the spectral function of the imaginary part:
 
:$${\rm j} \cdot Y(f) = X_{\rm +u}(f)= {\rm sign}(f) \cdot X(f)
 
:$${\rm j} \cdot Y(f) = X_{\rm +u}(f)= {\rm sign}(f) \cdot X(f)
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}Y(f) = \frac{{\rm
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}Y(f) = \frac{{\rm
 
sign}(f)}{ {\rm j}}\cdot X(f).$$
 
sign}(f)}{ {\rm j}}\cdot X(f).$$
*Transformiert man diese Gleichung in den Zeitbereich, so wird aus der Multiplikation die [[Signaldarstellung/Faltungssatz_und_Faltungsoperation|Faltungsoperation]], und man erhält:
+
*After transforming this equation into the time domain,&nbsp; the multiplication becomes the&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|&raquo;convolution&laquo;]],&nbsp; and one gets:
 
:$$y(t) = \frac{1}{ {\rm \pi} t} \hspace{0.05cm}\star
 
:$$y(t) = \frac{1}{ {\rm \pi} t} \hspace{0.05cm}\star
 
\hspace{0.05cm}x(t) = \frac{1}{ {\rm \pi}} \cdot
 
\hspace{0.05cm}x(t) = \frac{1}{ {\rm \pi}} \cdot
Line 77: Line 70:
 
\tau}}\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$
 
\tau}}\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$
  
==Darstellung mit der Hilberttransformation==
+
==Representation with Hilbert transform==
 +
<br>
 +
At this point it is necessary to briefly discuss a further spectral transformation,&nbsp; which is dealt thoroughly in the book&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Conclusions_from_the_Allocation_Theorem#Hilbert_transform|&raquo;Linear and Time-invariant Systems&laquo;]]&nbsp;.
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp; For the&nbsp; &raquo;'''Hilbert transform'''&laquo;&nbsp; $ {\rm H}\left\{x(t)\right\}$&nbsp; of a time function&nbsp; $x(t)$&nbsp; applies:
 +
 +
:$$y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\} = \frac{1}{ {\rm \pi} } \cdot
 +
\hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t -
 +
\tau} }\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$
  
An dieser Stelle ist es erforderlich, kurz auf eine weitere Spektraltransformation einzugehen, die im Buch [[Lineare_zeitinvariante_Systeme|Lineare zeitinvariante Systeme]] noch eingehend behandelt wird.
+
*This particular integral cannot be solved in a simple,&nbsp; conventional way,&nbsp; but must be evaluated using the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Cauchy_principal_value &raquo;Cauchy principal value&laquo;].
  
{{Definition}}
+
*Correspondingly valid in the frequency domain:
Für die '''Hilberttransformierte''' H{ ... } einer Zeitfunktion $x(t)$ gilt:
 
 
   
 
   
$$y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\} = \frac{1}{ {\rm \pi}} \cdot
+
:$$Y(f) = - {\rm j} \cdot {\rm sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.05cm} .$$}}
\hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t -
+
 
\tau}}\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$
 
  
Dieses bestimmte Integral ist nicht auf einfache, herkömmliche Art lösbar, sondern muss mit Hilfe des [https://de.wikipedia.org/wiki/Cauchyscher_Hauptwert Cauchy–Hauptwertsatzes] ausgewertet werden. Entsprechend gilt im Frequenzbereich:
+
Thus,&nbsp; the result of the last section can be summarized with this definition as follows:
 +
*You get from the real,&nbsp; physical band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; the analytic signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; by adding to&nbsp; $x(t)$&nbsp; an imaginary part according to the Hilbert transform:
 
   
 
   
$$Y(f) = - {\rm j} \cdot {\rm sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.05cm} .$$
+
:$$x_+(t) = x(t)+{\rm j} \cdot {\rm H}\left\{x(t)\right\} .$$
  
{{end}}
+
*The Hilbert transform&nbsp; $\text{H}\{x(t)\}$&nbsp; disappears only in the case of&nbsp; $x(t) = \rm const.$ &nbsp; &rArr; &nbsp; DC signal.&nbsp; With all other signal forms the analytic signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; is always complex.
  
 +
*From the analytical signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; the real band-pass signal can be easily determined by real part formation:
 +
:$$x(t) = {\rm Re}\left\{x_+(t)\right\} .$$
  
Das Ergebnis der letzten Seite lässt sich mit dieser Definition wie folgt zusammenfassen:
+
{{GraueBox|TEXT= 
*Man erhält aus dem realen, physikalischen BP–Signal $x(t)$ das analytische Signal $x_+(t)$, indem man zu $x(t)$ einen Imaginärteil entsprechend der Hilberttransformierten hinzufügt:
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; The principle of the Hilbert transformation is illustrated here by the following diagram:  
 +
*According to the left representation&nbsp; $\rm (A)$,&nbsp; one gets the analytical signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; from the physical signal&nbsp; $x(t)$&nbsp;  by adding an imaginary part &nbsp; ${\rm j} \cdot y(t)$.
 
   
 
   
:$$x_+(t) = x(t)+{\rm j} \cdot {\rm H}\left\{x(t)\right\} .$$
+
*Here,&nbsp; $y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\}$&nbsp; is a real time function,&nbsp; which can be calculated easily in the spectral domain by multiplying the spectrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; with&nbsp; $- {\rm j} \cdot \sign(f)$.
  
*Die Hilberttransformierte $\text{H}\{x(t)\}$ verschwindet nur für das Gleichsignal $x(t)$ = const. Bei allen anderen Signalformen ist das analytische Signal $x_+(t)$ somit stets komplex.
+
[[File:P_ID2729__Sig_T_4_2_S2b_neu.png|right|frame|Illustration of the Hilbert transform]]
*Aus dem analytischen Signal $x_+(t)$ kann das reale BP–Signal in einfacher Weise durch Realteilbildung ermittelt werden:
 
:$$x(t) = {\rm Re}\left\{x_+(t)\right\} .$$
 
  
Das Prinzip der Hilbert–Transformation wird durch die untere Grafik nochmals verdeutlicht. Nach der linken Darstellung '''(A)''' kommt man vom physikalischen Signal $x(t)$ zum analytischen Signal $x_+(t)$, indem man einen Imaginärteil ${\rm j} \cdot y(t)$ hinzufügt. Hierbei ist $y(t)$ = H[$x(t)$] eine reelle Zeitfunktion, die sich am einfachsten im Spektralbereich durch die Multiplikation des Spektrums $X(f)$ mit $-{\rm j} \cdot \sign(f)$ angeben lässt.
 
  
[[File:P_ID2729__Sig_T_4_2_S2b_neu.png|center|Zur Verdeutlichung der Hilbert–Transformierten]]
+
The right representation&nbsp; $\rm (B)$&nbsp; is equivalent to&nbsp; $\rm (A)$:
 +
*With the imaginary function&nbsp; $z(t)$&nbsp; one obtains:
 +
:$$x_+(t) = x(t) + z(t).$$
 +
*A comparison of both models shows that it is indeed true:
 +
:$$z(t) = {\rm j} \cdot y(t).$$}}
  
Die rechte Darstellung '''(B)''' ist äquivalent zu '''(A)'''. Nun gilt $x_+(t) = x(t) + z(t)$ mit der rein imaginären Funktion $z(t)$. Ein Vergleich der beiden Bilder zeigt, dass tatsächlich $z(t) = {\rm j} \cdot y(t)$ ist.
 
  
  
==Zeigerdiagrammdarstellung der harmonischen Schwingung==
+
==Pointer diagram representation of the harmonic oscillation==
 +
<br>
 +
The spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; of a harmonic oscillation&nbsp; $x(t) = A \cdot \text{cos}(2\pi f_{\rm T}t - \varphi)$&nbsp; consists of two Dirac delta functions at frequencies
 +
* $+f_{\rm T}$&nbsp; with complex weight &nbsp; $A/2 \cdot \text{e}^{-\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$,
  
Die Spektralfunktion $X(f)$ einer harmonischen Schwingung $x(t) = A \cdot \text{cos}(2\pi f_Tt - \varphi)$ besteht bekanntlich aus zwei Diracfunktionen bei den Frequenzen
+
* $-f_{\rm T}$&nbsp; with complex weight &nbsp; $A/2 \cdot \text{e}^{+\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$.
* $+f_{\rm T}$ mit dem komplexen Gewicht $A/2 \cdot \text{e}^{-\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$,
 
* $-f_{\rm T}$ mit dem komplexen Gewicht $A/2 \cdot \text{e}^{+\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$.
 
  
  
Somit lautet das Spektrum des analytischen Signals:
+
Thus, the spectrum of the analytical signal is&nbsp; $($without the Dirac delta function at the frequency&nbsp; $f =-f_{\rm T})$:
  
$$X_+(f) = A \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\varphi}\cdot\delta (f - f_{\rm
+
:$$X_+(f) = A \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\varphi}\cdot\delta (f - f_{\rm
 
T}) .$$
 
T}) .$$
 
   
 
   
Die dazugehörige Zeitfunktion erhält man durch Anwendung des [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Verschiebungssatz|Verschiebungssatzes]]:
+
The corresponding time function is obtained by applying the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Shifting_Theorem|&raquo;Shifting Theorem&laquo;]]:
 
   
 
   
$$x_+(t) = A \cdot {\rm e}^{ {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}( 2 \pi f_{\rm T} t
+
:$$x_+(t) = A \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm} {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}( 2 \pi f_{\rm T} t
 
\hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi)}.$$
 
\hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi)}.$$
  
Diese Gleichung beschreibt einen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit $\omega_{\rm T} = 2\pi f_{\rm T}$ drehenden Zeiger. Aus Darstellungsgründen ist in der folgenden Grafik das Koordinatensystem entgegen der üblichen Darstellung um 90° nach links gedreht (Realteil nach oben, Imaginärteil nach links).
+
This equation describes a rotating pointer with constant angular velocity&nbsp; $\omega_{\rm T} = 2\pi f_{\rm T}$.
 +
 
 +
In the following,&nbsp; we will also refer to the time course of an analytical and frequency-discrete  signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; as&nbsp; &raquo;'''pointer diagram'''&laquo;.
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp; For illustrative reasons the coordinate system here is rotated&nbsp; $($real part upwards,&nbsp; imaginary part to the left$)$,&nbsp; contrary to the usual representation by&nbsp; $90^\circ$.
 +
 
 +
[[File:P_ID712__Sig_T_4_2_S3.png|right|frame|Pointer diagram of a harmonic oscillation]]
 +
 
 +
On the basis of this diagram the following statements are possible:
 +
*At the start time&nbsp; $t = 0$&nbsp; the pointer of length&nbsp; $A$&nbsp; $($amplitude$)$&nbsp; lies with angle&nbsp; $-\varphi$&nbsp; in the complex plane.&nbsp; In the drawn example,&nbsp; $\varphi = 45^\circ$.
 +
 
 +
*For times&nbsp; $t > 0$&nbsp; the pointer rotates with constant angular velocity&nbsp; $($circular frequency$)$&nbsp; $\omega_{\rm T}$&nbsp; in mathematically positive direction,&nbsp; i.e. counterclockwise.
  
[[File:P_ID712__Sig_T_4_2_S3.png|center|Zeigerdiagramm einer harmonischen Schwingung]]
+
*The top of the pointer thus always lies on a circle with radius&nbsp; $A$&nbsp; and requires exactly the time&nbsp; $T_0$,&nbsp; i.e. the&nbsp; &raquo;period duration&laquo;&nbsp; of the harmonic oscillation&nbsp; $x(t)$&nbsp; for one rotation.
  
Anhand dieser Grafik sind folgende Aussagen möglich:
+
*The projection of the analytical signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; onto the real axis,&nbsp; marked by red dots,&nbsp; provides the instantaneous values of&nbsp; $x(t)$.}}
*Zum Startzeitpunkt $t = 0$ liegt der Zeiger der Länge $A$ (Signalamplitude) mit dem Winkel $-\varphi$ in der komplexen Ebene. Im gezeichneten Beispiel gilt $\varphi$ = 45°.
 
*Für Zeiten $t > 0$ dreht der Zeiger mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (Kreisfrequenz) $\omega_{\rm T}$ in mathematisch positiver Richtung, das heißt entgegen dem Uhrzeigersinn.
 
*Die Spitze des Zeigers liegt somit stets auf einem Kreis mit Radius $A$ und benötigt für eine Umdrehung genau die Zeit $T_0$, also die Periodendauer der harmonischen Schwingung $x(t)$.
 
*Die Projektion des analytischen Signals $x_+(t)$ auf die reelle Achse, durch rote Punkte markiert, liefert die Augenblickswerte von $x(t)$.
 
  
  
  
==Zeigerdiagramm einer Summe harmonischer Schwingungen==
+
==Pointer diagram  of a sum of harmonic oscillations==
 +
<br>
 +
For the further description we assume the following spectrum for the analytical signal:
  
Für die weitere Beschreibung gehen wir für das analytische Signal von folgendem Spektrum aus:
+
[[File:P_ID715__Sig_T_4_2_S4.png|right|frame|Pointer diagram of a sum of three oscillations]]
 
   
 
   
$$X_+(f) = \sum_{i=1}^{I}A_i \cdot {\rm e}^{-{\rm j}
+
:$$X_+(f) = \sum_{i=1}^{I}A_i \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}
 
\varphi_i}\cdot\delta (f - f_{i}) .$$
 
\varphi_i}\cdot\delta (f - f_{i}) .$$
  
Das linke Bild zeigt ein solches Spektrum für das Beispiel $I = 3$. Wählt man $I$ relativ groß und den Abstand zwischen benachbarten Spektrallinien entsprechend klein, so können mit obiger Gleichung aber auch kontinuierliche Spektralfunktionen angenähert werden.
+
#The left graphic shows such a spectrum for the example&nbsp; $I = 3$.&nbsp;
 +
#If one chooses&nbsp; $I$&nbsp; relatively large and the distance between adjacent spectral lines correspondingly small,&nbsp; then  with this equation frequency&ndash;continuous spectral functions&nbsp; $X_+(f)$&nbsp; can also be approximated.
 +
 
 +
 
 +
In the right graphic the corresponding time function is indicated.&nbsp; This is in general:
 +
 +
:$$x_+(t) = \sum_{i=1}^{I}A_i \cdot {\rm e}^{ {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}(\omega_i
 +
\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi_i)}.$$
 +
 
 +
To note about this graphic:
 +
*The sketch shows the initial position of the pointers at start time&nbsp; $t = 0$&nbsp; corresponding to the amplitudes&nbsp; $A_i$&nbsp; and the phase positions&nbsp; $\varphi_i$.
  
[[File:P_ID715__Sig_T_4_2_S4.png|center|Zeigerdiagramm mehrerer Schwingungen]]
+
*The tip of the resulting pointer compound is marked by the violet cross.&nbsp; One obtains by vectorial addition of the three individual pointers for the time&nbsp; $t = 0$:
 +
:$$x_+(t= 0) = \big [1 \cdot \cos(60^\circ) - 1  \cdot {\rm j} \cdot \sin(60^\circ) \big ]+ 2 \cdot \cos(0^\circ)+1 \cdot \cos(180^\circ) = 1.500 - {\rm j} \cdot 0.866.$$
 +
*For times&nbsp; $t > 0$&nbsp; the three pointers rotate at different angular velocities&nbsp; $\omega_i = 2\pi f_i$.&nbsp; The red pointer rotates faster than the green one,&nbsp; but slower than the blue one.
  
Im rechten Bild ist die dazugehörige Zeitfunktion angedeutet. Diese lautet allgemein:
+
*Since all pointers rotate counterclockwise, the resulting pointer&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; will also tend to move in this direction.&nbsp;
 
   
 
   
$$x_+(t) = \sum_{i=1}^{I}A_i \cdot {\rm e}^{ {\rm j}(\omega_i
+
*At time&nbsp; $t = 1\,&micro;\text {s}$&nbsp; the tip of the resulting pointer for the given parameter values is
\cdot\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi_i)}.$$
 
  
Zu dieser Grafik ist Folgendes anzumerken:
+
:$$ \begin{align*}x_+(t = 1 {\rm \hspace{0.05cm}&micro; s}) & =  1 \cdot {\rm e}^{-{\rm
*Die Skizze zeigt die Ausgangslage der Zeiger zum Startzeitpunkt $t = 0$ entsprechend den Amplituden $A_i$ und Phasenlagen $\varphi_i$.
 
*Die Spitze des resultierenden Zeigerverbundes ist durch das violette Kreuz markiert. Man erhält durch vektorielle Addition der drei Einzelzeiger für den Zeitpunkt $t = 0$:
 
:$$x_+(t) = 1 \cdot \cos(60^\circ) - 1  \cdot {\rm j} \cdot \sin(60^\circ)+ 2 +1 \cdot \cos(180^\circ) = 1.500 - {\rm j} \cdot 0.866.$$
 
*Für Zeiten $t$ > 0 drehen die drei Zeiger mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten $\omega_i = 2\pi f_i$. Der rote Zeiger dreht schneller als der grüne, aber langsamer als der blaue Zeiger.
 
*Da alle Zeiger entgegen dem Uhrzeigersinn drehen, wird sich auch der resultierende Zeiger $x_+(t)$ tendenziell in diese Richtung bewegen. Zum Zeitpunkt $t = 1\,\text {μs}$ liegt die Spitze des resultierenen Zeigers für die angegebenen Parameterwerte bei
 
:$$ \begin{align*}x_+(t = 1 {\rm \hspace{0.05cm}\mu s}) & =  1 \cdot {\rm e}^{-{\rm
 
 
j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}60^\circ}\cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}60^\circ}\cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm}2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.1cm}40
 
j}\hspace{0.05cm}2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.1cm}40
Line 169: Line 187:
 
\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.1cm} 0.001}- 1\cdot {\rm e}^{{\rm
 
\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.1cm} 0.001}- 1\cdot {\rm e}^{{\rm
 
j}\hspace{0.05cm}2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.1cm}60
 
j}\hspace{0.05cm}2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.1cm}60
\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.1cm} 0.001} \\
+
\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.1cm} 0.001} = \\
 
& =  1 \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot
 
& =  1 \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot
 
\hspace{0.05cm}45.6^\circ} + 2\cdot {\rm e}^{{\rm
 
\hspace{0.05cm}45.6^\circ} + 2\cdot {\rm e}^{{\rm
Line 175: Line 193:
 
e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}21.6^\circ} \approx
 
e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}21.6^\circ} \approx
 
1.673- {\rm j} \cdot 0.464.\end{align*}$$
 
1.673- {\rm j} \cdot 0.464.\end{align*}$$
*Die resultierende Zeigerspitze liegt nun aber nicht wie bei einer einzigen harmonischen Schwingung auf einem Kreis, sondern es entsteht eine komplizierte geometrische Figur.
+
*The resulting pointer tip does not lie on a circle like a single oscillation, but a complicated geometric figure is created.
 
 
  
Das Interaktionsmodul [[Zeigerdiagramm – Darstellung des analytischen Signals]] zeigt $x_+(t)$ für die Summe dreier harmonischer Schwingungen.
 
  
 +
The interactive applet&nbsp; [[Applets:Physical_Signal_%26_Analytic_Signal|&raquo;Physical Signal and Analytical Signal&laquo;]]&nbsp; illustrates&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; for the sum of three harmonic oscillations.
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
[[Aufgaben:4.3 Zeigerdiagrammdarstellung|Aufgabe 4.3:&nbsp; Zeigerdiagrammdarstellung]]
+
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise 4.3: Vector Diagram Representation|Exercise 4.3: Vector Diagram Representation]]
  
[[Aufgaben:4.3Z Hilbert-Transformator|Zusatzaufgabe 4.3Z:&nbsp; Hilbert-Transformator]]
+
[[Aufgaben:Exercise 4.3Z: Hilbert Transformator|Exercise 4.3Z: Hilbert Transformator]]
  
[[Aufgaben:4.4 Zeigerdiagramm beim ZSB-AM|Aufgabe 4.4:&nbsp; Zeigerdiagramm bei ZSB-AM]]
+
[[Aufgaben:Exercise 4.4: Vector Diagram for DSB-AM|Exercise 4.4: Vector Diagram for DSB-AM]]
  
[[Aufgaben:4.4Z Zeigerdiagramm bei ESB-AM|Zusatzaufgabe 4.4Z:&nbsp; Zeigerdiagramm bei ESB-AM]]
+
[[Aufgaben:Exercise 4.4Z: Vector Diagram for DSB-AM|Exercise 4.4Z: Vector Diagram for SSB-AM]]
  
 
    
 
    

Latest revision as of 17:48, 19 June 2023

Definition in the frequency domain


We consider a real band-pass signal  $x(t)$  with the corresponding band-pass spectrum  $X(f)$,  which has an even real and an odd imaginary part with respect to the frequency zero point.  It is assumed that the carrier frequency  $f_{\rm T}$  is much larger than the bandwidth of the band-pass signal  $x(t)$.

$\text{Definition:}$  The  »analytical signal«  $x_+(t)$  belonging to the physical signal  $x(t)$  is that time function, whose spectrum fulfills the following property:

Analytical signal in the frequency domain
$$X_+(f)=\big[1+{\rm sign}(f)\big] \cdot X(f) = \left\{ {2 \cdot X(f) \; \hspace{0.2cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} > 0, \atop {\,\,\,\, \rm 0 \; \hspace{0.9cm}\rm for\hspace{0.2cm} {\it f} < 0.} }\right.$$

The  »sign function«  is equal to  $+1$  for positive $f$–values and for negative  $f$-values equal to  $-1$.

  • The  $($double sided$)$  limit value returns  $\sign(0) = 0$.
  • The index  "+"  should make clear that  $X_+(f)$  has only parts at positive frequencies.


From the graphic you can see the calculation rule for  $X_+(f)$:  The actual band-pass spectrum  $X(f)$  will

  • be doubled at the positive frequencies, and
  • set to zero at the negative frequencies.


$\text{Example 1:}$  The graph

Spectrum  $X(f)$  and Spectrum  $X_{+}(f)$  of the analytical signal
  • on the left shows the  $($discrete and complex$)$  spectrum  $X(f)$  of the  "physical band-pass signal"
$$x(t) = 4\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\cos} ( 2 \pi f_{\rm u} \hspace{0.03cm}t) + 6\hspace{0.05cm}{\rm V} \cdot {\sin} ( 2 \pi f_{\rm o} \hspace{0.03cm}t),$$
  • on the right the  $($also discrete and complex$)$  spectrum  $X_{+}(f)$  of the corresponding  "analytical signal"  $x_{+}(t)$.


General calculation rule in the time domain


Now we will take a closer look at the spectrum  $X_+(f)$  of the analytical signal and divide it with respect to  $f = 0$  into

For a clear explanation of the analytical signal
  • an even  $($German:  "gerade"   ⇒   "$\rm g"$)  part  $X_{\rm +g}(f)$,  and
  • an odd   $($German:  "ungerade"   ⇒   "$\rm u$")  part  $X_{\rm +u}(f)$:
$$X_+(f) = X_{\rm +g}(f) + X_{\rm +u}(f).$$

All these spectra are generally complex.

If one considers the  »Assignment Theorem«  of the Fourier transform,  then the following statements are possible on basis of the graph:

  • The even part  $X_{\rm +g}(f)$  of  $X_{+}(f)$  leads after the Fourier transform to a real time signal,  and the odd part  $X_{\rm +u}(f)$  to an imaginary one.


  • It is obvious that  $X_{\rm +g}(f)$  is equal to the physical Fourier spectrum  $X(f)$  and thus the real part of  $x_{\rm +g}(t)$  is equal to the given physical signal  $x(t)$  with band-pass properties.


  • If we denote the imaginary part with  $y(t)$,  the analytical signal is:
$$x_+(t)= x(t) + {\rm j} \cdot y(t) .$$
  • According to the generally valid laws of Fourier transform corresponding to the  »Assignment Theorem«,  the following applies to the spectral function of the imaginary part:
$${\rm j} \cdot Y(f) = X_{\rm +u}(f)= {\rm sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}Y(f) = \frac{{\rm sign}(f)}{ {\rm j}}\cdot X(f).$$
  • After transforming this equation into the time domain,  the multiplication becomes the  »convolution«,  and one gets:
$$y(t) = \frac{1}{ {\rm \pi} t} \hspace{0.05cm}\star \hspace{0.05cm}x(t) = \frac{1}{ {\rm \pi}} \cdot \hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t - \tau}}\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$

Representation with Hilbert transform


At this point it is necessary to briefly discuss a further spectral transformation,  which is dealt thoroughly in the book  »Linear and Time-invariant Systems« .

$\text{Definition:}$  For the  »Hilbert transform«  $ {\rm H}\left\{x(t)\right\}$  of a time function  $x(t)$  applies:

$$y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\} = \frac{1}{ {\rm \pi} } \cdot \hspace{0.03cm}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{x(\tau)}{ {t - \tau} }\hspace{0.15cm} {\rm d}\tau.$$
  • This particular integral cannot be solved in a simple,  conventional way,  but must be evaluated using the  »Cauchy principal value«.
  • Correspondingly valid in the frequency domain:
$$Y(f) = - {\rm j} \cdot {\rm sign}(f) \cdot X(f) \hspace{0.05cm} .$$


Thus,  the result of the last section can be summarized with this definition as follows:

  • You get from the real,  physical band-pass signal  $x(t)$  the analytic signal  $x_+(t)$  by adding to  $x(t)$  an imaginary part according to the Hilbert transform:
$$x_+(t) = x(t)+{\rm j} \cdot {\rm H}\left\{x(t)\right\} .$$
  • The Hilbert transform  $\text{H}\{x(t)\}$  disappears only in the case of  $x(t) = \rm const.$   ⇒   DC signal.  With all other signal forms the analytic signal  $x_+(t)$  is always complex.
  • From the analytical signal  $x_+(t)$  the real band-pass signal can be easily determined by real part formation:
$$x(t) = {\rm Re}\left\{x_+(t)\right\} .$$

$\text{Example 2:}$  The principle of the Hilbert transformation is illustrated here by the following diagram:

  • According to the left representation  $\rm (A)$,  one gets the analytical signal  $x_+(t)$  from the physical signal  $x(t)$  by adding an imaginary part   ${\rm j} \cdot y(t)$.
  • Here,  $y(t) = {\rm H}\left\{x(t)\right\}$  is a real time function,  which can be calculated easily in the spectral domain by multiplying the spectrum  $X(f)$  with  $- {\rm j} \cdot \sign(f)$.
Illustration of the Hilbert transform


The right representation  $\rm (B)$  is equivalent to  $\rm (A)$:

  • With the imaginary function  $z(t)$  one obtains:
$$x_+(t) = x(t) + z(t).$$
  • A comparison of both models shows that it is indeed true:
$$z(t) = {\rm j} \cdot y(t).$$


Pointer diagram representation of the harmonic oscillation


The spectral function  $X(f)$  of a harmonic oscillation  $x(t) = A \cdot \text{cos}(2\pi f_{\rm T}t - \varphi)$  consists of two Dirac delta functions at frequencies

  • $+f_{\rm T}$  with complex weight   $A/2 \cdot \text{e}^{-\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$,
  • $-f_{\rm T}$  with complex weight   $A/2 \cdot \text{e}^{+\text{j}\hspace{0.05cm}\varphi}$.


Thus, the spectrum of the analytical signal is  $($without the Dirac delta function at the frequency  $f =-f_{\rm T})$:

$$X_+(f) = A \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\varphi}\cdot\delta (f - f_{\rm T}) .$$

The corresponding time function is obtained by applying the  »Shifting Theorem«:

$$x_+(t) = A \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm} {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}( 2 \pi f_{\rm T} t \hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi)}.$$

This equation describes a rotating pointer with constant angular velocity  $\omega_{\rm T} = 2\pi f_{\rm T}$.

In the following,  we will also refer to the time course of an analytical and frequency-discrete signal  $x_+(t)$  as  »pointer diagram«.

$\text{Example 3:}$  For illustrative reasons the coordinate system here is rotated  $($real part upwards,  imaginary part to the left$)$,  contrary to the usual representation by  $90^\circ$.

Pointer diagram of a harmonic oscillation

On the basis of this diagram the following statements are possible:

  • At the start time  $t = 0$  the pointer of length  $A$  $($amplitude$)$  lies with angle  $-\varphi$  in the complex plane.  In the drawn example,  $\varphi = 45^\circ$.
  • For times  $t > 0$  the pointer rotates with constant angular velocity  $($circular frequency$)$  $\omega_{\rm T}$  in mathematically positive direction,  i.e. counterclockwise.
  • The top of the pointer thus always lies on a circle with radius  $A$  and requires exactly the time  $T_0$,  i.e. the  »period duration«  of the harmonic oscillation  $x(t)$  for one rotation.
  • The projection of the analytical signal  $x_+(t)$  onto the real axis,  marked by red dots,  provides the instantaneous values of  $x(t)$.


Pointer diagram of a sum of harmonic oscillations


For the further description we assume the following spectrum for the analytical signal:

Pointer diagram of a sum of three oscillations
$$X_+(f) = \sum_{i=1}^{I}A_i \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \varphi_i}\cdot\delta (f - f_{i}) .$$
  1. The left graphic shows such a spectrum for the example  $I = 3$. 
  2. If one chooses  $I$  relatively large and the distance between adjacent spectral lines correspondingly small,  then with this equation frequency–continuous spectral functions  $X_+(f)$  can also be approximated.


In the right graphic the corresponding time function is indicated.  This is in general:

$$x_+(t) = \sum_{i=1}^{I}A_i \cdot {\rm e}^{ {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}(\omega_i \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi_i)}.$$

To note about this graphic:

  • The sketch shows the initial position of the pointers at start time  $t = 0$  corresponding to the amplitudes  $A_i$  and the phase positions  $\varphi_i$.
  • The tip of the resulting pointer compound is marked by the violet cross.  One obtains by vectorial addition of the three individual pointers for the time  $t = 0$:
$$x_+(t= 0) = \big [1 \cdot \cos(60^\circ) - 1 \cdot {\rm j} \cdot \sin(60^\circ) \big ]+ 2 \cdot \cos(0^\circ)+1 \cdot \cos(180^\circ) = 1.500 - {\rm j} \cdot 0.866.$$
  • For times  $t > 0$  the three pointers rotate at different angular velocities  $\omega_i = 2\pi f_i$.  The red pointer rotates faster than the green one,  but slower than the blue one.
  • Since all pointers rotate counterclockwise, the resulting pointer  $x_+(t)$  will also tend to move in this direction. 
  • At time  $t = 1\,µ\text {s}$  the tip of the resulting pointer for the given parameter values is
$$ \begin{align*}x_+(t = 1 {\rm \hspace{0.05cm}µ s}) & = 1 \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}60^\circ}\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.1cm}40 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.1cm} 0.001} + 2\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.1cm}50 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.1cm} 0.001}- 1\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.1cm}60 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.1cm} 0.001} = \\ & = 1 \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}45.6^\circ} + 2\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}18^\circ}- 1\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}21.6^\circ} \approx 1.673- {\rm j} \cdot 0.464.\end{align*}$$
  • The resulting pointer tip does not lie on a circle like a single oscillation, but a complicated geometric figure is created.


The interactive applet  »Physical Signal and Analytical Signal«  illustrates  $x_+(t)$  for the sum of three harmonic oscillations.

Exercises for the chapter


Exercise 4.3: Vector Diagram Representation

Exercise 4.3Z: Hilbert Transformator

Exercise 4.4: Vector Diagram for DSB-AM

Exercise 4.4Z: Vector Diagram for SSB-AM