Difference between revisions of "Signal Representation/Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function"

From LNTwww
 
(119 intermediate revisions by 6 users not shown)
Line 1: Line 1:
 
   
 
   
 
{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Bandpassartige Signale
+
|Untermenü=Band-Pass Signals
|Vorherige Seite=Analytisches Signal und zugehörige Spektralfunktion
+
|Vorherige Seite=Analytical Signal and Its Spectral Function
|Nächste Seite=Zeitdiskrete Signaldarstellung
+
|Nächste Seite=Discrete-Time Signal Representation
 
}}
 
}}
  
==Motivation==
+
==Motivation for describing in the equivalent low-pass range==
 +
<br>
 +
The following figure shows a possible structure of a transmission system:
 +
[[File:EN_Sig_T_4_3_S1.png|right|frame|Block diagram of a band-pass transmission system]]
  
Zur folgenden Grafik ist anzumerken:
+
*Often the low-frequency source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is converted into a band-pass signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;'''modulation'''&laquo;.
*Bei vielen Nachrichtenübertragungssystemen wird das niederfrequente Quellensignal $q(t)$ in ein BP–Signal $s(t)$ umgesetzt &nbsp;&rArr;&nbsp; '''Modulation'''.  
+
*Nach der Übertragung muss das Empfangssignal $r(t)$ – gegenüber dem Sendesignal s(t) eventuell verzerrt und mit (Rausch-)Störungen beaufschlagt – wieder in den ursprünglichen Frequenzbereich zurückgesetzt werden &nbsp;&rArr;&nbsp; '''Demodulation'''.  
+
*After transmission,&nbsp; the received signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; &ndash; compared to the transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; possibly distorted and with interference&nbsp; $($noise$)$&nbsp; applied &ndash; must be reset to the original frequency range &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;'''demodulation'''&laquo;.
*Das Sinkensignal $v(t)$, das möglichst gut mit $q(t)$ übereinstimmen sollte, ist wieder ein TP–Signal.
+
 +
*The sink signal&nbsp; $v(t)$, which should match the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; as closely as possible,&nbsp; is then again a low-pass signal.
 +
<br clear=All>
 +
Modulation and demodulation are therefore fundamental components of a transmission system,&nbsp; which are dealt in detail in the book&nbsp; [[Modulation_Methods|&raquo;Modulation Methods&laquo;]].&nbsp; A short summary can be found in the first chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Principles_of_Communication|&raquo;Principles of Communication&laquo;]]&nbsp; of this book.
  
[[File:Sig_T_4_3_S1_Version2.png|Blockschaltbild eines Bandpass-Übertragungssystems]]
+
The investigation,&nbsp; simulation,&nbsp; optimization,&nbsp; and dimensioning of band-pass systems are mostly done in the&nbsp; &raquo;equivalent low-pass range}&laquo;,&nbsp; for which the following reasons can be given:
 +
*If quality characteristics&nbsp; $($bandwidth efficiency,&nbsp; signal-to-noise ratio,&nbsp; bit error rate,&nbsp;  etc.$)$&nbsp; of a low-pass system are known,&nbsp; the corresponding values of related band-pass systems can be derived from them relatively easily.&nbsp; Examples are the digital modulation methods&nbsp; [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#ASK_.E2.80.93_Amplitude_Shift_Keying|&raquo;Amplitude Shift Keying&laquo;]]&nbsp; $\text{(ASK)}$&nbsp; and&nbsp; [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|&raquo;Binary Phase Shift Keying&laquo;]]&nbsp; $\text{(BPSK)}$,&nbsp; whose performance variables can be&nbsp; "extrapolated"&nbsp; from the comparable&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/System_Components_of_a_Baseband_Transmission_System#Simplified_system_model|&raquo;baseband system&raquo;]]&nbsp; $($i.e.,&nbsp; without modulator and demodulator$)$.
  
Modulation und Demodulation sind fundamentale Komponenten eines Übertragungssystems, die im Buch [[Modulationsverfahren]] eingehend behandelt werden. Eine kurze Zusammenfassung finden Sie im ersten Kapitel [[Signaldarstellung/Prinzip_der_Nachrichtenübertragung|Prinzip der Nachrichtenübertragung]] des vorliegenden Buches.
+
*Individual subchannels in a so-called&nbsp; [[Modulation_Methods/Objectives_of_Modulation_and_Demodulation#Channel_bundling_.E2.80.93_Frequency_Division_Multiplexing|&raquo;Frequency Division Multiplex&laquo;]]&nbsp; system,&nbsp; which differ by different carrier frequencies,&nbsp; can often be considered qualitatively equivalent.&nbsp; Therefore,&nbsp; it is sufficient to limit the calculation and dimensioning to a single channel and to perform these investigations in the equivalent low-pass range &ndash; i.e. without considering the specific carrier frequency.
  
Untersuchung, Simulation, Optimierung und Dimensionierung von Bandpass-Systemen erfolgen meistens im '''äquivalenten Tiefpassbereich''', wofür folgende Gründe genannt werden können:
+
*It is often the case that the bandwidth of a communication connection is orders of magnitude smaller than the carrier frequency.&nbsp; For example,&nbsp; in the&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM|&raquo;GSM standard&laquo;]]&nbsp; the individual channels are located in the frequency range around&nbsp; $900\ \rm MHz$&nbsp; $($&raquo;D-Network&laquo;$)$&nbsp; and &nbsp; $1800\ \rm MHz$&nbsp; $($&raquo;E-Network&laquo;$)$,&nbsp; while each channel has only a small bandwidth of&nbsp; $200\ \rm kHz$.&nbsp; Therefore a simulation in the equivalent low-pass range is much less complex than a simulation of the corresponding band-pass signals.
*Sind Qualitätsmerkmale (Bandbreiteneffizienz, Signal-zu-Rauschverhältnis, Bitfehlerrate, Leistungsbedarf, usw.) eines Tiefpass-Systems bekannt, so lassen sich die entsprechenden Werte verwandter Bandpass-Systeme daraus relativ einfach herleiten. Beispiele hierfür sind die digitalen Modulationsverfahren [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulationsverfahren#ASK_.E2.80.93_Amplitude_Shift_Keying|Amplitude Shift Keying]] (ASK) und [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulationsverfahren#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|Binary Phase Shift Keying]] (BPSK), deren Performance-Größen aus dem vergleichbaren [[Digitalsignalübertragung/Systemkomponenten_eines_Basisbandübertragungssystems#Vereinfachtes_Systemmodell|Basisbandsystem]] (also ohne Modulator und Demodulator) „hochgerechnet” werden können.
 
*Einzelne Teilkanäle bei einem sog. [[Modulationsverfahren/Zielsetzung_von_Modulation_und_Demodulation#B.C3.BCndelung_von_Kan.C3.A4len_.E2.80.93_Frequenzmultiplex|Frequenzmultiplexsystem]], die sich durch verschiedene Trägerfrequenzen unterscheiden, können oft als qualitativ gleichwertig angesehen werden. Deshalb genügt es, die Berechnung und Dimensionierung auf einen einzigen Kanal zu beschränken und diese Untersuchungen im äquivalenten Tiefpass-Bereich – das heißt ohne Berücksichtigung der spezifischen Trägerfrequenz – durchzuführen.
 
*Häufig ist es so, dass die Bandbreite einer Nachrichtenverbindung um Größenordnungen kleiner ist als die Trägerfrequenz. So liegen beispielsweise beim [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM#Entstehung_und_Historie_von_GSM|GSM-Mobilfunk]] die einzelnen Kanäle im Frequenzbereich um 900 MHz (D-Netz) bzw. 1800 MHz (E-Netz), während jedem Kanal nur eine geringe Bandbreite von 200 kHz zur Verfügung steht. Deshalb ist eine Simulation im äquivalenten TP–Bereich sehr viel weniger aufwändig als eine Simulation der entsprechenden BP–Signale.
 
  
  
==Definition im Frequenzbereich==
+
==Definition in the frequency domain==
 +
<br>
 +
We consider a real band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; with the spectrum&nbsp; $X(f)$.&nbsp; Furthermore,&nbsp; the following shall apply:
 +
*The band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is said to result from the modulation of a low-frequency source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; with the carrier signal&nbsp; $z(t)$&nbsp; of frequency&nbsp; $f_{\rm T}$.&nbsp; The type of modulation&nbsp; $($whether analog or digital,&nbsp; amplitude  or angle modulation,&nbsp; single-sideband or double-sideband$)$&nbsp; is not specified.
  
Wir betrachten ein reelles BP–Signal $x(t)$ mit dem Spektrum $X(f)$. Weiterhin soll gelten:
+
*The spectral function&nbsp; $X_+(f)$&nbsp; of the corresponding analytical signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; exists only for positive frequencies and is twice as large as&nbsp; $X(f)$.&nbsp; For the derivation of&nbsp; $X_+(f)$&nbsp; the carrier frequency&nbsp; $f_{\rm T}$&nbsp; $($German:&nbsp; "Trägerfrequenz" &nbsp; &rArr; &nbsp; "$\rm T$"$)$&nbsp;  of the system does not need to be known.
*Das BP–Signal $x(t)$ sei aus der Modulation eines niederfrequenten Nachrichtensignals $q(t)$ mit dem Trägersignal $z(t)$ der Frequenz $f_{\rm T}$ entstanden.
 
*Die Art der Modulation (ob analog oder digital, Amplituden- oder Winkelmodulation, Einseitenband oder Zweiseitenband) sei nicht festgelegt.
 
*Die Spektralfunktion $X_+(f)$ des dazugehörigen analytischen Signals $x_+(t)$ existiert nur für positive Frequenzen und ist hier doppelt so groß wie $X(f)$.
 
*Die Spektralfunktion $X_+(f)$ ist unabhängig von der Trägerfrequenz $f_{\rm T}$.
 
  
  
{{Definition}}
+
{{BlaueBox|TEXT= 
Verschiebt man das Spektrum des analytischen Signals $x_+(t)$ um $f_{\rm T}$ nach links, so bezeichnet man das Ergebnis als das '''Spektrum des äquivalenten Tiefpass-Signals''':
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
If the spectrum of the analytical signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; is shifted to the left by&nbsp; $f_{\rm T}$,&nbsp; the result is called the&nbsp; &raquo;'''equivalent low-pass spectrum'''&laquo;:  
 
   
 
   
$$X_{\rm TP}(f)  = X_{\rm +}(f + f_{\rm T}).$$
+
:$$X_{\rm TP}(f)  = X_{\rm +}(f + f_{\rm T}).$$
 
 
Im Allgemeinen sind $X(f)$, $X_+(f)$ und $X_{\rm TP}(f)$ komplexwertig. Ist allerdings $X(f)$ rein reell, so sind auch die Spektralfunktionen $X_+(f)$ und $X_{\rm TP}(f)$ rein reell, weil sich diese aus $X(f)$ nur aus den Operationen „Abschneiden und Verdoppeln” bzw. „Frequenzverschiebung” ergeben.
 
 
 
{{end}}
 
  
 +
<u>Note:</u>
 +
# The identifier "$\rm TP$"&nbsp; stands for&nbsp; "low-pass"&nbsp; $($German:&nbsp; "Tiefpass"$)$&nbsp; and the identifier&nbsp; "$\rm T$"&nbsp; stands for&nbsp; "carrier"&nbsp; $($German:&nbsp; Träger$)$.
 +
#In general: &nbsp; $X(f)$,&nbsp; $X_+(f)$&nbsp; and&nbsp; $X_{\rm TP}(f)$&nbsp; are complex-valued.&nbsp;
 +
#However,&nbsp; if&nbsp; $X(f)$&nbsp; is real,&nbsp; then the spectral functions&nbsp; $X_+(f)$&nbsp; and&nbsp; $X_{\rm TP}(f)$&nbsp; are  real too,&nbsp; because they result from&nbsp; $X(f)$&nbsp; only with the linear operations&nbsp; &raquo;truncate&laquo;,&nbsp; &raquo;double&laquo;,&nbsp; and&nbsp; &raquo;frequency shift&laquo;.
 +
#In contrast to&nbsp; $X_+(f)$,&nbsp; for the calculation of the equivalent low-pass spectrum&nbsp; $X_{\rm TP}(f)$&nbsp; the knowledge of the carrier frequency $f_{\rm T}$&nbsp; is absolutely necessary.&nbsp; For other values of $f_{\rm T}$&nbsp; other low-pass spectra will  result.}}
  
Bei der Berechnung des äquivalenten TP–Spektrums $X_{\rm TP}(f)$ ist – im Gegensatz zu $X_+(f)$ – die Kenntnis der Trägerfrequenz $f_{\rm T}$ unbedingt erforderlich. Für andere Werte von $f_{\rm T}$ ergeben sich auch andere Tiefpass–Spektren.
 
  
Transformiert man obige Gleichung in den Zeitbereich, so erhält man:
+
If one transforms the above equation into the time domain,&nbsp; one obtains after applying the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Shifting_Theorem|&raquo;Shifting Theorem&laquo;]]:
 
   
 
   
$$x_{\rm TP}(t) = x_{\rm +}(t)\cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi \cdot f_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t}.$$
+
:$$x_{\rm TP}(t) = x_{\rm +}(t)\cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi \cdot f_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t}.$$
  
Mit der Beziehung $x(t) = \text{Re}[x_+(t)]$ ergibt sich die Vorgehensweise, wie aus dem äquivalenten TP–Signal das tatsächliche, physikalische Bandpass–Signal berechnet werden kann:
+
The relation&nbsp; $x(t) = \text{Re}\big[x_+(t)\big]$&nbsp; yields the procedure to determine the actual physical band-pass signal from the equivalent low-pass signal:
 
   
 
   
$$x(t) = {\rm Re}[x_{\rm +}(t)] = {\rm Re}[x_{\rm TP}(t)\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot 2\pi \cdot f_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t}].$$
+
:$$x(t) = {\rm Re}\big [x_{\rm +}(t)\big] = {\rm Re}\big[x_{\rm TP}(t)\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot 2\pi \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} f_{\rm T}\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \hspace{0.05cm}t}\big].$$
  
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp;
 +
The upper figure shows the real spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; of a band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; which is the result of modulating a low-frequency signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; with the carrier frequency&nbsp; $f_{\rm T}$.
  
{{Beispiel}}
+
[[File:P_ID749__Sig_T_4_3_S2_neu.png|right|frame|Construction of the equivalent low-pass spectrum]]
  
[[File:P_ID749__Sig_T_4_3_S2_neu.png|right|Zur Konstruktion des äquivalenten TP-Signals im Frequenzbereich]]
+
Below the two likewise real spectral functions&nbsp; $X_+(f)$&nbsp; and&nbsp; $X_{\rm TP}(f)$ are shown:&nbsp;
Die obere Grafik zeigt  die rein reelle Spektralfunktion $X(f)$ eines BP–Signals $x(t)$, das aus der Modulation eines niederfrequenten Signals $q(t)$ mit der Trägerfrequenz $f_{\rm T}$ entstanden sei.
+
#Due to the asymmetries concerning the frequency origin&nbsp; $(f = 0)$&nbsp; the corresponding time functions are complex.
 +
#The solid-green spectral function&nbsp; $X_{\rm TP}(f)$&nbsp; is shifted to the left with respect to&nbsp; $X_{+}(f)$&nbsp; by the&nbsp; carrier frequency $f_{\rm T}$.
 +
#If&nbsp; $X(f)$&nbsp; is the modulation result of another source signal&nbsp; $q\hspace{0.05cm}'(t)$&nbsp; with a different carrier frequency&nbsp; ${f_{\rm T} }\hspace{0.05cm}'$, this would result in another equivalent low-pass spectrum&nbsp; ${X\hspace{0.05cm}'_{\rm TP} }(f)$.
 +
#An exemplary function&nbsp; ${X\hspace{0.05cm}'_{\rm TP} }(f)$&nbsp; is drawn in the graphic with green-dashed lines.}}
  
Darunter dargestellt sind die beiden ebenfalls reellen Spektralfunktionen $X_+(f)$ und $X_{\rm TP}(f)$. Aufgrund der Unsymmetrien bezüglich des Frequenzursprungs ($f = 0$) sind die zugehörigen Zeitfunktionen komplex.
+
==Description in the time domain==
*Die durchgezogen–grün dargestellte Spektralfunktion $X_{\rm TP}(f)$ ist gegenüber$X_{+}(f)$ um die Trägerfrequenz $f_{\rm T}$ nach links verschoben.
+
<br>
*Wäre das Spektrum $X(f)$ aber das Modulationsergebnis eines anderen Nachrichtensignals $q'(t)$ mit anderer Trägerfrequenz $f_{\rm T}'$, so ergäbe sich auch ein anderes äquivalentes TP–Signal.
+
To simplify the presentation we now assume a line spectrum&nbsp; so that the analytical signal can be represented as&nbsp; &raquo;pointer group&laquo; &nbsp; &rArr; &nbsp; sum of complex rotating pointers:
*Dessen Spektralfunktion $X_{\rm TP}'(f)$ ist in der Grafik grün-gestrichelt eingezeichnet.
 
 
 
{{end}}
 
 
 
 
 
==Beschreibung im Zeitbereich==
 
 
 
Zur Vereinfachung der Darstellung gehen wir nun von einem Linienspektrum aus, so dass man das analytische Signal als '''Zeigerverbund''' &nbsp;&rArr;&nbsp; Summe von komplexen Drehzeigern darstellen kann:
 
 
   
 
   
$$X_{+}(f) = \sum_{i=1}^{I} {A_i} \cdot {\rm e}^{-{\rm j}
+
:$$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)  \hspace{0.3cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.3cm}
 
\varphi_i}\cdot\delta (f - f_i)  \hspace{0.3cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.3cm}
x_{+}(t) = \sum_{i=1}^{I} A_i \cdot {\rm e}^{{\rm j}( 2 \pi f_i t
+
x_{+}(t) = \sum_{i=1}^{I} A_i \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}( 2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_i\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t
 
\hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi_i)}.$$
 
\hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi_i)}.$$
  
Durch die Frequenzverschiebung um $f_{\rm T}$ nach links lautet somit das äquivalente TP–Signal im Frequenz– und Zeitbereich:
+
*By shifting the frequency by $f_{\rm T}$&nbsp; to the left,&nbsp; the equivalent low-pass signal in frequency and time domain is:
 
   
 
   
$$X_{\rm TP}(f) = \sum_{i=1}^{I} {A_i} \cdot {\rm e}^{-{\rm j}
+
:$$X_{\rm TP}(f) = \sum_{i=1}^{I} {A_i} \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}
\varphi_i}\cdot\delta (f - \nu_i)\hspace{0.3cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.3cm} x_{\rm TP}(t) = \sum_{i=1}^{I} A_i \cdot {\rm e}^{{\rm j}( 2 \pi
+
\varphi_i}\cdot\delta (f - \nu_i)\hspace{0.3cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.3cm} x_{\rm TP}(t) = \sum_{i=1}^{I} A_i \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}( 2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}
\nu_i t \hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi_i)}.$$
+
\nu_i \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi_i)}.$$
  
Zwischen den Frequenzwerten $f_i$ und $\nu_i$ gilt folgender Zusammenhang ($i$ = 1, ... , $I$):
+
*The following relation is valid between the frequency values&nbsp; $f_i$&nbsp; and&nbsp; $\nu_i$&nbsp;  $(i = 1, \ \text{...} \ , I)$:
 
   
 
   
$$\nu_i =  f_i - f_{\rm T}  .$$
+
:$$\nu_i =  f_i - f_{\rm T}  .$$
 +
 
 +
*These equations can be interpreted as follows:
 +
#At time&nbsp; $t = 0$&nbsp; the equivalent low-pass signal is identical to the analytical signal: &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; $x_{\rm TP}(t = 0) = x_{\rm +}(t = 0)= \sum_{i=1}^{I} A_i \cdot {\rm e}^{{-\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \varphi_i}.$
 +
#At this time,&nbsp; the&nbsp; "pointer group"&nbsp; is defined by the&nbsp; $I$&nbsp; amplitude parameter&nbsp; $A_i$&nbsp; and the&nbsp; $I$&nbsp; phase positions&nbsp; $\varphi_i$&nbsp; alone.
 +
#All pointers of the analytical signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; rotate for&nbsp; $t > 0$&nbsp; corresponding to the&nbsp; $($always positive$)$&nbsp; frequencies&nbsp; $f_i$&nbsp; counterclockwise.
 +
#For the equivalent low-pass signal,&nbsp; the rotation speeds are lower.&nbsp;
 +
#Pointers with&nbsp; $\nu_i > 0$&nbsp; turn in mathematically positive direction&nbsp; $($counterclockwise$)$,&nbsp; those with&nbsp; $\nu_i < 0$&nbsp; in opposite direction&nbsp; $($clockwise$)$.
 +
#If the frequency parameter  for a pointer is&nbsp; $\nu_i = 0$,&nbsp; this pointer rests in the complex plane corresponding to its initial position.
 +
 
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;
 +
We consider a spectrum&nbsp; $X_+(f)$ consisting of three spectral lines at&nbsp; $40\,\text{kHz}$,&nbsp; $50\,\text{kHz}$&nbsp; and $60\,\text{kHz}$.&nbsp;  With the amplitude and phase parameters recognizable from the graph you obtain the analytical signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; corresponding to the lower left sketch.
 +
 
 +
[[File:P_ID739__Sig_T_4_3_S3neu.png|right|frame|Construction of the equivalent low-pass signals in the time domain]]
 +
 
 +
The snapshot of the lower left graph &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;analytical signal&laquo; &nbsp; $x_+(t)$&nbsp; applies to the time&nbsp; $t = 0$.&nbsp; All pointers then turn counterclockwise at a constant circular velocity.
 +
*The blue pointer rotates with&nbsp; $60000$&nbsp; rotations per second&nbsp; $($it is the fastest pointer$)$.&nbsp; The green pointer is the slowest;&nbsp; it rotates with the circular frequency&nbsp; $\omega_{40} = 2\pi \cdot 40000 \hspace{0.1cm} 1/\text{s}$.
 +
*The violet sum point of all three pointers moves for&nbsp; $t > 0$&nbsp; in the complex plane in a complicated manner,&nbsp; for the above numerical values first roughly in the drawn direction.
 +
 
  
Diese Gleichungen können wie folgt interpretiert werden:
+
&rArr; &nbsp; The graphics on the right describe the&nbsp; &raquo;equivalent low-pass signal&laquo;&nbsp; in the frequency domain&nbsp; $($top$)$&nbsp; and in the time domain&nbsp; $($bottom$)$,&nbsp;  valid for the carrier frequency&nbsp; $f_{\rm T} = 50\,\text{kHz}$.
*Zur Zeit $t = 0$ ist das äquivalente Tiefpass-Signal identisch mit dem analytischen Signal:
+
*The carrier is now at&nbsp; $f = 0$;&nbsp; the corresponding red pointer does not move.
:$$x_{\rm TP}(t = 0) = x_{\rm +}(t = 0)= \sum_{i=1}^{I} A_i \cdot {\rm e}^{{-\rm j}\hspace{0.05cm} \varphi_i}.$$
 
*Zu diesem Zeitpunkt ist der Zeigerverbund demnach allein durch die $I$ Amplitudenparameter $A_i$ und die $I$ Phasenlagen $\varphi_i$ festgelegt.
 
*Alle Zeiger des analytischen Signals $x_+(t)$ drehen für $t > 0$ entsprechend den Frequenzen $f_i$ entgegen dem Uhrzeigersinn.
 
*Beim äquivalenten TP-Signal sind die Drehgeschwindigkeiten geringer. Zeiger mit $\nu_i > 0$ drehen in mathematisch positiver Richtung, solche mit $\nu_i < 0$ im Uhrzeigersinn.
 
*Ist bei einem Zeiger der Frequenzparameter $\nu_i =0$, so ruht dieser Zeiger in der komplexen Ebene entsprechend seiner Ausgangslage.
 
  
 +
*The blue pointer&nbsp; $($"upper sideband"$)$&nbsp; rotates counterclockwise with&nbsp; $\omega_{10} = 2\pi \cdot 10000 \hspace{0.1cm}1/\text{s}$.
  
{{Beispiel}}
+
*The green pointer&nbsp; $($"lower sideband"$)$&nbsp; rotates clockwise at the same angular velocity&nbsp; ($-\omega_{10}$).}}
Wir betrachten ein aus drei Spektrallinien bei $40\,\text{kHz}$, $50\,\text{kHz}$ und $60\,\text{kHz}$ bestehendes Spektrum $X_+(f)$. Mit den aus der Grafik erkennbaren Amplituden– und Phasenparametern erhält man das analytische Signal $x_+(t)$ entsprechend der unteren linken Skizze.
 
  
[[File:P_ID739__Sig_T_4_3_S3neu.png|Zur Konstruktion des äquivalenten TP-Signals im Zeitbereich]]
 
  
Die Momentaufnahme der linken unteren Grafik  ⇒ '''analytisches Signal''' $x_+(t)$ gilt für die Zeit $t = 0$. Alle Zeiger drehen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit entgegen dem Uhrzeigersinn.
+
==Definition of the "Locality Curve"==
*Der blaue Zeiger dreht hierbei mit 60000 Umdrehungen pro Sekunde am schnellsten und der grüne Zeiger mit der Kreisfrequenz $\omega_{40} = 2\pi \cdot 40000 \hspace{0.1cm} 1/\text{s}$ am langsamsten.
+
<br>
*Der violette Summenpunkt aller drei Zeiger bewegt sich für $t > 0$ in der komplexen Ebene in komplizierter Weise, bei obigen Zahlenwerten zuerst in die eingezeichnete Richtung.
+
{{BlaueBox|TEXT=  
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
As&nbsp; &raquo;'''locality curve'''&laquo;&nbsp; we call the curve on which the&nbsp; &raquo;equivalent low-pass signal&laquo;&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; moves in the&nbsp; complex plane.&nbsp;
  
Die rechten Grafiken beschreiben das '''äquivalente TP–Signal''' im Frequenzbereich (oben) und im Zeitbereich (unten), gültig für $f_{\rm T} = 50\,\text{kHz}$.
+
<u>Notes:</u> &nbsp;  In other technical literature the term&nbsp; "locality curve"&nbsp; is rarely used.&nbsp; Therefore, initially,&nbsp; an example is given.}}
*Der Träger liegt nun bei $f = 0$ und der dazugehörige rote Drehzeiger bewegt sich nicht.
 
*Der blaue Zeiger (OSB) dreht hier mit $\omega_{10} = 2\pi \cdot 10000 \hspace{0.1cm}1/\text{s}$ entgegen dem Uhrzeigersinn.
 
*Der grüne Zeiger (USB) dreht mit gleicher Geschwindigkeit entgegengesetzt ($-\omega_{10}$).
 
  
{{end}}
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID744__Sig_T_4_3_S4_neu.png|right|frame|Given locality curve<br><u>Note:</u> &nbsp; The green pointer has length&nbsp; $2$ ]] 
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp;
 +
We consider the equivalent low-pass signal&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; of&nbsp;  [[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function#Description_in_the_time_domain|$\text{Example 2}$]],
 +
consisting of
 +
*the resting&nbsp;  $($red$)$&nbsp; pointer of length&nbsp; $3$,
  
==Definition der Ortskurve==
+
*the&nbsp;  $($blue$)$&nbsp; pointer rotating  with&nbsp; $\omega_{10} = 2\pi \cdot 10000 \hspace{0.1cm} 1/\text{s}$&nbsp; in mathematical positive direction,&nbsp; complex value&nbsp; $\rm j$,
  
{{Definition}}
+
*the&nbsp;  $($green)&nbsp; pointer of length&nbsp; $2$,&nbsp; which is currently&nbsp; $(t = 0)$&nbsp; in the direction of the negative imaginary axis;&nbsp; <br>this rotates with the same circular velocity&nbsp; $\omega_{10}$&nbsp; as the blue pointer,&nbsp; but in the opposite direction&nbsp; ($-\omega_{10}$).
Als '''Ortskurve''' bezeichnen wir den Kurvenzug, auf dem sich das äquivalente Tiefpass-Signal $x_{\rm TP}(t)$ in der komplexen Ebene bewegt.
 
{{end}}
 
  
''Hinweis:'' in anderer Fachliteratur wird dieser Begriff eher selten verwendet. Deshalb zunächst ein Beispiel.
 
  
{{Beispiel}}
+
The blue and the green pointer each require exactly one period duration &nbsp; $T_0 = 100 \,{\rm &micro;}\text{s}$&nbsp; for one rotation.&nbsp; The further course of the process can be seen in the above illustration:
 +
*The violet pointer sum at time&nbsp; $t = 0$&nbsp; is equal to&nbsp; $x_{\rm TP}(t=0) = 3 - \text{j}$.
  
[[File:P_ID744__Sig_T_4_3_S4_neu.png|right|Zur Definition der Ortskurve]]
+
*After&nbsp; $t = T_0/4 = 25 \,{\rm &micro;}\text{s}$&nbsp; the resulting pointer group has the value&nbsp; $0$,&nbsp; since now the two rotating pointers lie in the opposite direction to the carrier and compensate it exactly.
Wir betrachten das äquivalente TP–Signal $x_{ßrm TP}(t)$ des letzen [[Signaldarstellung/Äquivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion#Beschreibung_im_Zeitbereich|Beispiels]], bestehend aus
 
*dem ruhenden Zeiger mit der Länge $3$ (rot)
 
*dem mit $\omega_{10} = 2\pi \cdot 10000 \hspace{0.1cm} 1/\text{s}$ in mathematisch positiver Richtung rotierenden blauen Zeiger mit der komplexen Amplitude '''j''',
 
*den grünen Zeiger der Länge $2$, der zum Zeitpunkt $t = 0$ in Richtung der negativen imaginären Achse liegt. Dieser dreht sich mit gleicher Winkelgeschwindigkeit $\omega_{10}$ wie der blaue Zeiger, aber in umgekehrter Richtung ($-\omega_{10}$).
 
  
Der blaue Zeiger und der grüne Zeiger benötigen für eine Umdrehung jeweils genau eine Periodendauer $T_0 = 100 \,\text{μs}$. Der weitere Verlauf kann obiger Darstellung entnommen werden:
+
*After one period&nbsp; $(t = T_0 = 100 \,{\rm &micro;}\text{s})$&nbsp; the initial state is reached again: &nbsp; $x_{\rm TP}(t = T_0) = x_{\rm TP}(t=0) = 3 - \text{j}$.}}
*Die violett eingezeichnete Zeigersumme ist zum Zeitpunkt $t = 0$ gleich $3 - \text{j}$.
 
*Nach $t = T_0/4 = 25 \,\text{μs}$ hat der resultierende Zeigerverbund den Wert $0$, da nun die beiden rotierenden Zeiger in Gegenrichtung zum Träger liegen.
 
*Nach einer Periodendauer ($t = T_0 = 100 \,\text{μs}$) ist wieder der Ausgangszustand erreicht: $x_{\rm TP}(t = T_0) = x_{\rm TP}(t=0) = 3 - \text{j}$.
 
  
{{end}}
 
  
 +
In this example the&nbsp; &raquo;locality curve&laquo;&nbsp; is an ellipse,&nbsp; which is traversed by the equivalent low-pass signal once per period.
 +
#The representation applies to the&nbsp; [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation#Double-Sideband_Amplitude_Modulation_with_carrier|&raquo;Double Sideband Amplitude Modulation with carrier&laquo;]]&nbsp; of a sinusoidal&nbsp; $10\ \rm kHz$&nbsp; signal with a cosinusoidal carrier of any frequency,&nbsp; where the upper sideband&nbsp; $($blue pointer$)$&nbsp; is attenuated.
 +
#If the lengths of the blue and the green rotating pointer were equal,&nbsp; the locality curve would be a horizontal one on the real axis &ndash; see&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_4.5:_Locality_Curve_for_DSB-AM|$\text{Exercise 4.5}$]].
 +
#In the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Envelope_Demodulation|&raquo;Envelope Demodulation&laquo;]]&nbsp; the locality curves of different system variants are treated in detail.
  
Im Beispiel ist die Ortskurve eine Ellipse, die vom äquivalenten TP–Signal pro Periodendauer einmal durchlaufen wird.
 
*Die Darstellung gilt für die [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#ZSB-Amplitudenmodulation_mit_Tr.C3.A4ger|Zweiseitenband–Amplitudenmodulation mit Träger]] eines sinusförmigen 10 kHz–Signals mit einem cosinusförmigen Träger beliebiger Frequenz, wobei das obere Seitenband (blauer Zeiger) gedämpft ist.
 
*Wären die Längen des blauen und des grünen Drehzeigers gleich, so ergäbe sich als Ortskurve eine Horizontale auf der reellen Achse – siehe [[Aufgaben:4.5_Ortskurve_bei_ZSB-AM|Aufgabe A4.5]].
 
*Im Buch [[Modulationsverfahren]] werden die Ortskurven verschiedener Systemvarianten noch eingehend behandelt.
 
  
  
==Darstellung nach Betrag und Phase==
 
  
Das äquivalente TP-Signal ist im Allgemeinen komplex und kann deshalb auch in der Form
+
==Representing with magnitude and phase==
+
<br>
$$x_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}
+
The equivalent low-pass signal of the band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is generally complex and can therefore be expressed in the form
\phi(t)}$$
+
:$$x_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}
 +
\phi(t)}.$$
  
dargestellt werden. Zu beachten ist das Pluszeichen im Argument der Exponentialfunktion, das sich von der [[Signaldarstellung/Fourierreihe#Komplexe_Fourierreihe|komplexen Fourierreihendarstellung]] unterscheidet: Man verwendet nämlich bei der Beschreibung der Modulationsverfahren auch für das physikalische Signal meist die Gleichung mit dem positiven Vorzeichen:
+
Note the plus sign in the argument of the exponential function,&nbsp; which differs from the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Series#Complex_Fourier_series|&raquo;complex Fourier series&laquo;]].&nbsp; This is because the equation with the positive sign for the phase is usually used to describe the modulation method for the physical signal as well:
 
   
 
   
$$s(t) =  a(t) \cdot  {\cos} ( 2 \pi f_{\rm T} t + \phi(t)).$$
+
:$$x(t) =  a(t) \cdot  {\cos} ( 2 \pi f_{\rm T} t + \phi(t)).$$
  
In vielen Lehrbüchern wird diese Gleichung je nach Anwendung mit Plus– oder Minuszeichen benutzt, aber stets mit gleichem Phasenbezeichner. Durch die Verwendung zweier verschiedener Symbole ($\varphi$ und $\phi$) versuchen wir in unserem Lerntutorial LNTwww, diese Doppeldeutigkeit zu umgehen.
+
#In many textbooks this equation is used with plus or minus signs depending on the application,&nbsp; but always with the same "phase identifier".&nbsp;
 +
#By using two different symbols&nbsp; $(\varphi$&nbsp; and&nbsp; $\phi)$&nbsp; we try to avoid this ambiguity in our e&ndash;learning tool.
  
  
{{Beispiel}}
+
{{GraueBox|TEXT= 
Es gelten die gleichen Voraussetzungen wie im [[Signaldarstellung/Äquivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion#Definition_der_Ortskurve|Beispiel auf der letzten Seite]]. In der Grafik dargestellt sind aber nun statt der komplexen Funktion $x_{\rm TP}(t)$ die beiden reellen Funktionen $a(t)$ und $\phi(t)$.
+
$\text{Example 4:}$&nbsp; The same prerequisites apply as in&nbsp; [[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function#Description_in_the_time_domain|$\text{Example 2}$]]&nbsp; and in&nbsp;
 +
[[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function#Definition_of_the_.22Locality_Curve.22|$\text{Example 3}$]].&nbsp; However, instead of the complex function&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; the two real functions&nbsp; $a(t)$&nbsp; and&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; are now displayed in the graph.&nbsp; It should be noted with regard to this representation:
  
[[File:P_ID748__Sig_T_4_3_S5.png|Betrag und Phase des äquivalenten TP-Signals]]
+
[[File:P_ID748__Sig_T_4_3_S5.png|right|frame|Magnitude&nbsp; $a(t)$&nbsp; and phase&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; of the equivalent low-pass signal]]
  
Zu dieser Darstellung ist anzumerken:
+
*The&nbsp; &raquo;magnitude function&laquo;&nbsp; shows the time-dependent pointer length:
*Die '''Betragsfunktion''' gibt die Zeitabhängigkeit der Zeigerlänge wieder:
 
 
   
 
   
:$$a(t)= |x_{\rm TP}(t)|=\sqrt{{\rm Re}\left[x_{\rm TP}(t)\right]^2 +
+
:$$a(t)= \vert x_{\rm TP}(t)\vert =\sqrt{ {\rm Re}\left[x_{\rm TP}(t)\right]^2 +
 
{\rm Im}\left[x_{\rm TP}(t)\right]^2 }.$$
 
{\rm Im}\left[x_{\rm TP}(t)\right]^2 }.$$
  
:Die Betragsfunktion $a(t)$ ist im Beispiel wie das komplexe äquivalente TP-Signal $x_{\rm TP}(t)$ periodisch mit $T_0$ und nimmt hier Werte zwischen $0$ und $6$ an.
+
:In this example the magnitude function&nbsp; $a(t)$&nbsp; is like the complex equivalent low-pass signal&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; periodic with&nbsp; $T_0$&nbsp; and takes values between&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $6$.
  
*Die '''Phasenfunktion''' beschreibt den zeitabhängigen Winkel des äquivalenten TP-Signals $x_{\rm TP}(t)$, bezogen auf den Koordinatenursprung:
+
*The&nbsp; &raquo;phase function&laquo;&nbsp; describes the time-dependent angle of the equivalent low-pass signal&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$,&nbsp; related to the coordinate origin:
 
   
 
   
 
:$$\phi(t)= {\rm arc} \left[x_{\rm TP}(t)\right]= {\rm arctan}
 
:$$\phi(t)= {\rm arc} \left[x_{\rm TP}(t)\right]= {\rm arctan}
\hspace{0.1cm}\frac{{\rm Im}\left[x_{\rm TP}(t)\right]}{{\rm
+
\hspace{0.1cm}\frac{ {\rm Im}\left[x_{\rm TP}(t)\right]}{ {\rm
 
Re}\left[x_{\rm TP}(t)\right]}.$$
 
Re}\left[x_{\rm TP}(t)\right]}.$$
  
Hier noch einige numerische Ergebnisse für die Phasenwerte:
+
Here are some numerical results for the phase values:
*Die Phase im Startzeitpunkt ist $\phi (t = 0) =\hspace{0.1cm} \arctan (1/3) ≈ \hspace{0.1cm} –18.43^{\circ} = \hspace{0.1cm} –0.32\,\text{rad}$.
+
#The phase at start time is&nbsp; $\phi (t = 0) =\hspace{0.1cm} -\arctan (1/3) ≈ \hspace{0.1cm} -18.43^{\circ} = \hspace{0.1cm}-0.32\,\text{rad}$.
*Bei $t = 25\,{\rm \mu}\text{s}$ sowie zu allen äquidistanten Zeiten davon im Abstand $T_0 = 100 \,{\rm \mu}\text{s}$ ist $x_{\rm TP}(t) = 0$, so dass zu diesen Zeitpunkten die Phase $\phi(t)$ sprungartig von $-\pi /2$ auf $+\pi /2$ wechselt.
+
#At&nbsp; $t = 25\,{\rm &micro;}\text{s}$&nbsp; it holds &nbsp; $x_{\rm TP}(t ) = 0$, so that at this time the phase function&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; changes abruptly from&nbsp; $-\pi /2$&nbsp; to&nbsp; $+\pi /2$&nbsp;.
*Zum violett eingezeichneten Zeitpunkt $t = 60\,{\rm \mu}\text{s}$ hat die Phase einen leicht positiven Wert.
+
#The same result is obtained for all equidistant times at distance&nbsp; $T_0 = 100 \,{\rm &micro;}\text{s}$.
+
#At time&nbsp; $t = 60\,{\rm &micro;}\text{s}$&nbsp; the phase function has a slightly positive value.
{{end}}
+
<br>}}
  
  
==Zusammenhang zwischen äquivalentem TP-Signal und BP-Signal==
+
==Relation between equivalent low-pass signal and band-pass signal==
 +
<br>
 +
A band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; resulting from the modulation of a low-frequency source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; with a carrier signal&nbsp; $z(t)$&nbsp; of frequency&nbsp; $f_{\rm T}$&nbsp; can be represented as follows:
  
Ein BP–Signal $x(t)$, das sich aus der Modulation eines niederfrequenten Nachrichtensignals $q(t)$ mit einem Trägersignal $z(t)$ der Frequenz $f_{\rm T}$ ergeben hat, kann wie folgt dargestellt werden:
+
:$$x(t) = a(t) \cdot  {\cos} ( 2 \pi f_{\rm T} t + \phi(t))
 
$$x(t) = a(t) \cdot  {\cos} ( 2 \pi f_{\rm T} t + \phi(t))
 
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}
x_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}
+
x_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}
 
\phi(t)}.$$
 
\phi(t)}.$$
  
Hierbei bedeuten:
+
It should be noted here:
* $a(t)$ ist die ''zeitabhängige Amplitude'', die man oft auch als '''Hüllkurve''' bezeichnet wird. Diese ist gleich dem Betrag $|x_{\rm TP}(t)|$ des äquivalenten TP–Signals.
+
# $a(t)$&nbsp; is the&nbsp; time-dependent amplitude &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;magnitude  function&laquo;&nbsp; or&nbsp; &raquo;envelope curve&laquo;.&nbsp; This is equal to the magnitude&nbsp; $|x_{\rm TP}(t)|$&nbsp; of the equivalent low-pass signal.
* $\phi(t)$ ist die '''Phasenfunktion''', also die ''zeitabhängige Phase'', die ebenfalls aus dem äquivalenten TP–Signal als der Winkel zum Koordinatenursprung der komplexen Ebene ermittelt werden kann.
+
# $\phi(t)$&nbsp; is the&nbsp; &raquo;phase function&laquo;, i.e. the&nbsp; time-dependent phase,&nbsp; which can also be determined from&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; as angle to the coordinate origin of the complex plane.
*Im physikalischen Signal $x(t)$ erkennt man die Phase $\phi(t)$ an den '''Nulldurchgängen'''. Bei $\phi(t) > 0$ tritt der Nulldurchgang in $x(t)$ im Bereich der Zeit $t$ früher auf als beim Trägersignal $z(t)$. Dagegen bedeutet $\phi(t) < 0$ eine Verschiebung des Nulldurchgangs auf einen späteren Zeitpunkt.
+
#In the physical&nbsp; $($band-pass$)$&nbsp; signal&nbsp; $x(t)$,&nbsp; the phase function&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; can be recognized by the&nbsp; &raquo;zero crossings&laquo;.&nbsp;
 +
#With&nbsp; $\phi(t) > 0$&nbsp; the zero crossing occurs in&nbsp; $x(t)$&nbsp;  $t$&nbsp; earlier than in the carrier signal&nbsp; $z(t)$.&nbsp; In contrast,&nbsp; $\phi(t) < 0$&nbsp; means a shift of the zero crossing to a later time.
 +
 
 +
 
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definitions:}$&nbsp;
 +
*One speaks of&nbsp; &raquo;'''Amplitude Modulation'''&laquo;&nbsp; if all information about the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is contained in the magnitude function&nbsp; $a(t)$&nbsp; while&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; is constant.
 +
 
 +
*Conversely,&nbsp; with&nbsp; &raquo;'''Phase Modulation'''&laquo;&nbsp; the phase function&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; contains all information about the source signal&nbsp; $q(t)$,&nbsp; while&nbsp; $a(t)$&nbsp; is constant.}}
 +
 
 +
 
  
Steckt die gesamte Information über das Nachrichtensignal in der Hüllkurve $a(t)$, während $\phi(t)$ konstant ist, so spricht man von '''Amplitudenmodulation'''. Dagegen beinhaltet bei '''Phasenmodulation''' die Phasenfunktion $\phi(t)$ die gesamte Information über das Nachrichtensignal, während $a(t)$ konstant ist.
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 5:}$&nbsp;
 +
The upper part of the following figure describes the&nbsp;  [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation#Double-Sideband_Amplitude_Modulation_with_carrier|&raquo;Double-Sideband Amplitude Modulation&nbsp; $\text{(DSB-AM)}$&nbsp; with carrier&laquo;]]:
 +
[[File:EN_Sig_T_4_3_S6_neu_v2.png|right|frame|$x_{\rm TP}(t)$&nbsp; for&nbsp; &raquo;Double-Sideband Amplitude Modulation&laquo;&nbsp; and for&nbsp; &raquo;Phase Modulation&laquo;]]
 +
*The equivalent low-pass signal&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; is always real &nbsp; <br>&rArr; &nbsp; the locality curve is a horizontal straight line.
 +
 
 +
*Therefore the zero crossings of the blue DSB-AM signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; correspond exactly to those of the red carrier signal&nbsp; $z(t)$.
 +
   
 +
*This means: &nbsp; The phase function&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; is identical to zero &nbsp; &rArr; &nbsp; the magnitude function&nbsp; $a(t)$&nbsp; contains all information about&nbsp; $q(t)$.
  
  
{{Beispiel}}
+
The lower part of the graphic applies to the&nbsp; [[Modulation_Methods/Phasenmodulation_(PM)|&raquo;Phase Modulation&laquo;&nbsp; $\text{(PM)}$]]:  
Die oberen Grafiken beschreiben die [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#ZSB-Amplitudenmodulation_mit_Tr.C3.A4ger|Zweiseitenband–Amplitudenmodulation (ZSB-AM) mit Träger]]:
+
*The PM signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; always has a constant envelope&nbsp;  $($magnitude function$)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; the locality curve is a circle.  
*Das äquivalente TP–Signal $x_{\rm TP}(t)$ ist hier stets reell &nbsp;&rArr;&nbsp; die Ortskurve ist eine horizontale Gerade.
 
*Deshalb stimmen die Nulldurchgänge des blauen ZSB–AM–Signals $x(t)$ mit denen des roten Trägersignals $z(t)$ exakt überein.
 
*Das heißt: Die Phasenfunktion $\phi(t)$ ist identisch Null &nbsp;&rArr;&nbsp; die Hüllkurve $a(t)$ beinhaltet die gesamte Information über das Nachrichtensignal $q(t)$.
 
  
[[File:P_ID756__Sig_T_4_3_S6_neu.png|Äquivalentes TP-Signal bei ZSB-AM und PM]]
+
*At&nbsp; $t \approx 0$&nbsp; it holds&nbsp; $\phi (t) < 0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; the zero crossings in &nbsp; $y(t)$&nbsp; occur later than those in&nbsp; $z(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; here,&nbsp; the zero crossings are&nbsp; &raquo;trailers&laquo;.  
  
Die untere Grafik gilt für [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)|Phasenmodulation (PM)]]:
+
*For&nbsp; $\phi (t) > 0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; the zero crossings in &nbsp; $y(t)$&nbsp;  occur earlier than those  in&nbsp; $z(t)$  &nbsp; &rArr; &nbsp; here,&nbsp; the zero crossings are&nbsp; &raquo;precursors&laquo;.
*Das PM-Signal $y(t)$ hat stets eine konstante Einhüllende &nbsp;&rArr;&nbsp; die Ortskurve ist ein Kreisbogen.
+
   
*Im gezeichneten Beispiel ist der Phasenwert zu Beginn kleiner 0 &nbsp; &rArr; &nbsp; die Nulldurchgänge von $y(t)$ treten später auf als beim Trägersignal $z(t)$  &nbsp; &rArr; &nbsp;   „nachlaufend”.
+
*Therefore,&nbsp; with phase modulation,&nbsp; all information about the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is contained in the positions of the zero crossings.}}
*Bei positiven Werten des Nachrichtensignals gilt auch $\phi (t) > 0$ &nbsp; &rArr; &nbsp;   die Nulldurchgänge treten früher auf als beim Trägersignal &nbsp; &rArr; &nbsp;   „vorlaufend”.
 
*Bei Phasenmodulation steckt also die gesamte Information über das Nachrichtensignal $q(t)$ in den Lagen der Nulldurchgänge.
 
  
{{end}}
+
==Why multiple representations of the same signal exist ==
 +
<br>
 +
Finally,&nbsp; and hopefully not too late,&nbsp; we want to turn to the question why the two complex and less comprehensible signals&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; are necessary to describe the actual band-pass signal&nbsp; $x(t)$.&nbsp; They were not introduced in Communications Engineering in order to unsettle students,&nbsp; but:
  
==Warum gibt es für das gleiche Signal drei Darstellungsformen?==
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Conclusions:}$&nbsp;
 +
*The magnitude function&nbsp; $a(t)$&nbsp; and the phase function&nbsp; $\phi (t)$&nbsp; can be extracted directly and easily from the  physical band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; <u>only in some special cases</u>.
  
Abschließend – hoffentlich nicht zu spät – wollen wir uns noch der Frage zuwenden, warum die beiden komplexen und im Verständnis komplizierteren Signale $x_+(t)$ und $x_{\rm TP}(t)$ zur Beschreibung des tatsächlichen Bandpass–Signals $x(t)$ eigentlich notwendig sind. Sie wurden nicht deshalb in der Nachrichtentechnik eingeführt, um Studierende zu verunsichern, sondern:
+
*The real non existing equivalent low-pass signal&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; is a mathematical tool to determine the functions&nbsp; $a(t)$&nbsp; and&nbsp; $\phi (t)$&nbsp; by simple geometrical considerations.
*Hüllkurve $a(t)$ und Phase $\phi (t)$ können aus dem tatsächlichen, physikalischen BP–Signal $x(t)$  nur in einigen Sonderfällen direkt und  in einfacher Weise extrahiert werden.
+
*Das real nicht existierende äquivalente TP–Signal $x_{\rm TP}(t)$ ist ein mathematisches Hilfsmittel, mit dem die Zeitverläufe $a(t)$ und $\phi (t)$ durch einfache geometrische Überlegungen bestimmt werden können. Im Buch [[Modulationsverfahren]] werden wir darauf zurückkommen.
+
*The analytical signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; is an intermediate step in the transition from&nbsp; $x(t)$&nbsp; to&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$.&nbsp; While&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; is always complex,&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; can be real in special cases,&nbsp; for example,&nbsp; with ideal amplitude modulation according to the chapter&nbsp;  [[Modulation_Methods/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation|&raquo;Double-Sideband Amplitude Modulation&laquo;]]&nbsp; $\text{(DSB-AM)}$.
*Das analytische Signal $x_+(t)$ ist ein Zwischenschritt beim Übergang von $x(t)$ zu $x_{\rm TP}(t)$. Während $x_+(t)$ stets komplex ist, kann $x_{\rm TP}(t)$ in Sonderfällen reell sein, zum Beispiel bei idealer Amplitudenmodulation entsprechend dem Kapitel [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation|ZSB-AM]] im Buch &bdquo;Modulationsverfahren&rdquo;.
 
  
  
Es gilt das gleiche Prinzip wie häufig in den Naturwissenschaften und Technik: Die Einführung von $x_+(t)$ und $x_{\rm TP}(t)$ bringt für einfache Probleme eher eine Verkomplizierung. Deren Vorteile erkennt man erst bei schwierigeren Aufgabenstellungen, die allein mit dem physikalischen BP-Signal $x(t)$ nicht gelöst werden könnten oder nur mit sehr viel größerem Aufwand.
+
$\text{The same principle applies as often used in the natural sciences and technologies:}$&nbsp;
  
Zur weiteren Verdeutlichung stellen wir noch zwei Interaktionsmodule bereit:
+
*The introduction of&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; brings rather a complication for simple problems.
 +
 +
*The advantages of this approach can only be seen in more difficult problems,&nbsp; which could not be solved with the  signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; alone or only with much more effort.}}
 +
 
 +
 
 +
For further clarification we provide two interactive applets:
 
    
 
    
*[[Zeigerdiagramm]] &nbsp; &rArr; &nbsp; Darstellung des analytischen Signals $x_{+}(t)$,
+
*[[Applets:Physical_Signal_%26_Analytic_Signal|&raquo;Physical and Analytical Signal&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Pointer Diagram",
*[[Ortskurve]] &nbsp; &rArr; &nbsp; Darstellung des äquivalenten Tiefpass-Signals $x_{\rm TP}(t)$.
 
  
==Darstellung nach Real- und Imaginärteil==
+
*[[Applets:Physical_Signal_%26_Equivalent_Lowpass_Signal|&raquo;Physical and Equivalent Low-Pass Signal&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Locality Curve".
  
Insbesondere zur Beschreibung der [[Modulationsverfahren/Quadratur–Amplitudenmodulation|Quadratur-Amplitudenmodulation]] (QAM) eignet sich die Darstellung des äquivalenten TP–Signals nach Real– und Imaginärteil:
+
==Representation according to real and imaginary part==
 +
<br>
 +
Especially for the description of&nbsp; [[Modulation_Methods/Quadratur–Amplitudenmodulation|&raquo;Quadrature Amplitude Modulation&laquo;]]&nbsp; $\text{(QAM)}$,&nbsp; the representation of the equivalent low-pass signal according to real and imaginary part is suitable:
 
   
 
   
$$x_{\rm TP}(t) = x_{\rm I}(t)+ {\rm j} \cdot x_{\rm Q}(t).$$
+
:$$x_{\rm TP}(t) = x_{\rm I}(t)+ {\rm j} \cdot x_{\rm Q}(t).$$
  
In dieser Darstellung bezeichnet
+
In this representation,
*der Realteil $x_{\rm I}(t)$ die '''Inphasekomponente''' (Normalkomponente) und
+
*the real part&nbsp; $x_{\rm I}(t)$&nbsp; describes the&nbsp; &raquo;in-phase component&laquo;&nbsp; $($"normal component"$)$&nbsp; of&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$,&nbsp;
*der Imaginärteil $x_{\rm Q}(t)$ die '''Quadraturkomponente'''
 
  
von $x_{\rm TP}(t)$. Mit der Betragsfunktion $a(t) = |x_{\rm TP}(t)|$ und der Phasenfunktion $\phi (t) = \text{arc}\,x_{\rm TP}(t)$ entsprechend den Definitionen auf den vorangegangenen Seiten gilt:
+
*whereas the imaginary part&nbsp; $x_{\rm Q}(t)$&nbsp; describes the&nbsp; &raquo;quadrature component&laquo;.  
  
$$\begin{align*}x_{\rm I}(t) & =  {\rm Re}[x_{\rm TP}(t)] = a(t) \cdot \cos
+
 
 +
With the magnitude  function function&nbsp; $a(t) = |x_{\rm TP}(t)|$&nbsp; and the&nbsp; phase function&nbsp; $\phi (t) = \text{arc}\,x_{\rm TP}(t)$&nbsp; according to the definitions in the previous sections:
 +
 
 +
:$$\begin{align*}x_{\rm I}(t) & =  {\rm Re}[x_{\rm TP}(t)] = a(t) \cdot \cos
 
  (\phi(t)),\\
 
  (\phi(t)),\\
 
  x_{\rm Q}(t) & =  {\rm Im}[x_{\rm TP}(t)] = a(t) \cdot \sin
 
  x_{\rm Q}(t) & =  {\rm Im}[x_{\rm TP}(t)] = a(t) \cdot \sin
 
  (\phi(t)).\end{align*}$$
 
  (\phi(t)).\end{align*}$$
  
{{Beispiel}}
 
 
[[File:P_ID1150__Sig_T_4_3_S7a_neu.png|right|Real- und Imaginärteil des äquivalenten TP-Signals]]
 
  
Zu einem betrachteten Zeitpunkt $t_0$ gilt für das äquivalente TP–Signal:
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID1150__Sig_T_4_3_S7a_neu.png|right|frame|Real and imaginary part of the equivalent low-pass signal]] 
 +
$\text{Example 6:}$&nbsp; At the considered time&nbsp; $t_0$&nbsp; applies to the equivalent low-pass signal:
 
   
 
   
$$x_{\rm TP}(t = t_0) = 2\,{\rm V} \cdot {\rm e}^{-{\rm j \cdot 60
+
:$$x_{\rm TP}(t = t_0) = 2\,{\rm V} \cdot {\rm e}^{- {\rm j \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} 60
  ^\circ}}.$$
+
  ^\circ} }.$$
  
Mit dem [[Signaldarstellung/Zum_Rechnen_mit_komplexen_Zahlen#Darstellung_nach_Betrag_und_Phase|Satz von Euler]] kann hierfür geschrieben werden:
+
*With&nbsp; [[Signal_Representation/Calculating_with_Complex_Numbers#Representation_by_magnitude_and_phase|&raquo;Euler's Theorem&laquo;]],&nbsp; this can be written:
  
$$x_{\rm TP}(t = t_0) =  2\,{\rm V} \cdot \cos(60 ^\circ) - {\rm j} \cdot 2\,{\rm V} \cdot \sin(60
+
:$$x_{\rm TP}(t = t_0) =  2\,{\rm V} \cdot \cos(60 ^\circ) - {\rm j} \cdot 2\,{\rm V} \cdot \sin(60
 
  ^\circ).$$
 
  ^\circ).$$
  
Damit gilt für die Inphasekomponente  und die  Quadraturkomponente:  
+
*This applies to the&nbsp; "in-phase"&nbsp; and&nbsp; "quadrature component":  
 
 
$$x_{\rm I}(t = t_0) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(60 ^\circ) = 1\text{V}, $$
 
$$x_{\rm Q}(t = t_0) = \hspace{0.05cm} - {\rm j} \cdot 2\,{\rm V} \cdot \sin(60^\circ) =\hspace{0.05cm}–1.733\text{V}.$$
 
  
{{end}}
+
:$$x_{\rm I}(t = t_0) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(60 ^\circ) = 1\text{V}, $$
 +
:$$x_{\rm Q}(t = t_0) = \hspace{0.05cm} - {\rm j} \cdot 2\,{\rm V} \cdot \sin(60^\circ) =\hspace{0.05cm}-1.733\text{V}.$$}}
  
  
Durch Anwendung einfacher trigonometrischer Umformungen kann gezeigt werden, dass das reelle, physikalische BP–Signal auch in folgender Weise dargestellt werden kann:
+
By applying trigonometric transformations it can be shown that the real&nbsp; $($physical$)$&nbsp; band-pass signal can also be represented in the following way:
 
   
 
   
$$x(t)  =  a(t) \cdot \cos  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi(t)) =  x_{\rm I}(t)\cdot \cos  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t )-x_{\rm Q}(t)\cdot \sin  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ). $$
+
:$$x(t)  =  a(t) \cdot \cos  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi(t)) =  x_{\rm I}(t)\cdot \cos  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t )-x_{\rm Q}(t)\cdot \sin  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ). $$
  
Das Minuszeichen ergibt sich wegen der Verwendung der Phasenfunktion $\phi (t)$.  
+
*The minus sign results from the use of the phase function&nbsp; $\phi (t)$.&nbsp; A comparison with the section&nbsp; [[ Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#Representation_with_cosine_and_sine_components|&raquo;Representation with cosine and sine components&laquo;]]&nbsp; in the second main chapter shows that instead of the difference,&nbsp; the sum results when referring to&nbsp; $\varphi (t) = -\phi (t)$.&nbsp; Adapted to our example,&nbsp; you then get
 
 
Ein Vergleich mit der Seite [[Signaldarstellung/Harmonische_Schwingung#Darstellung_mit_Cosinus-_und_Sinusanteil|Darstellung mit Cosinus- und Sinusanteil]] im zweiten Kapitel zeigt, dass sich anstelle der Differenz die Summe ergibt, wenn man sich auf $\varphi (t) = \phi (t)$ bezieht. Angepasst auf unser Beispiel erhält man dann:
 
 
   
 
   
$$x(t)  =  a(t) \cdot \cos  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t - \varphi(t)) =  x_{\rm I}(t)\cdot \cos  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t )+x_{\rm Q}(t)\cdot \sin  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ).$$
+
:$$x(t)  =  a(t) \cdot \cos  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t - \varphi(t)) =  x_{\rm I}(t)\cdot \cos  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t )+x_{\rm Q}(t)\cdot \sin  (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ).$$
 
 
Die Quadraturkomponente $x_{\rm Q}(t)$ unterscheidet sich gegenüber der oberen Gleichung also im Vorzeichen.
 
  
 +
*The quadrature component&nbsp; $x_{\rm Q}(t)$&nbsp; thus differs from the above equation in the sign.
  
Die folgende Grafik zeigt zwei Anordnungen, um aus dem reellen Bandpass–Signal $x(t)$ das komplexe Tiefpass–Signal aufgespalten nach Inphase– und Quadraturkomponente zu ermitteln, beispielsweise zur Darstellung auf einem Oszilloskop.
+
==Determination of the equivalent low-pass signal from the band-pass signal==
 +
<br>
 +
The figure shows two arrangements to determine the complex low-pass signal split into inphase and quadrature components from the real band-pass signal&nbsp; $x(t)$,&nbsp; for example for display on an oscilloscope.&nbsp; Let us first look at the upper model:
 +
[[File:P_ID1151__Sig_T_4_3_S7b_neu.png|right|frame|Division of the equivalent low-pass signal into In-phase and Quadrature components]]
  
Im oberen Modell wird zunächst das analytische Signal $x_+(t)$ durch Hinzufügen der [[Signaldarstellung/Analytisches_Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion#Darstellung_mit_der_Hilberttransformation|Hilberttransformierten]] erzeugt. Durch Multiplikation mit der komplexen Exponentialfunktion (mit negativem Exponenten!) kommt man zum äquivalenten Tiefpass–Signal $x_{\rm TP}(t)$. Die gesuchten Komponenten $x_{\rm I}(t)$ und $x_{\rm Q}(t)$ erhält man dann durch Real– bzw. Imaginärteilbildung.
+
#The analytical signal&nbsp; $x_+(t)$&nbsp; is first generated here by adding the&nbsp; [[Signal_Representation/Analytical_Signal_and_its_Spectral_Function#Representation_with_Hilbert_transform|&raquo;Hilbert Transform&laquo;]].  
 +
#Multiplication with the complex exponential function&nbsp; $($with negative exponent!$)$&nbsp; yields the equivalent low-pass signal&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$.  
 +
#The sought components&nbsp; $x_{\rm I}(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_{\rm Q}(t)$&nbsp; are then obtained by forming the real and the imaginary part.
  
[[File:P_ID1151__Sig_T_4_3_S7b_neu.png|Aufteilung des äquivalenten TP-Signals in Inphase- und Quadraturkomponente]]
 
  
Bei der unteren, der eher praxisrelevanten Anordnung erhält man für den oberen bzw. unteren Zweig nach den jeweiligen Multiplikationen:
+
&rArr; &nbsp; With the lower&nbsp; $($more practical$)$&nbsp; arrangement,&nbsp; you get for the upper and the  lower branch after the respective multiplications:
 
   
 
   
$$\begin{align*}a(t)\cdot \cos  (\omega_{\rm T} \cdot t + \phi(t)) \cdot 2 \cdot \cos  (\omega_{\rm T} \cdot t ) &= a(t)\cdot \cos  ( \phi(t)) +  \varepsilon_{\rm oben}(t),\\
+
$$a(t)\cdot \cos  (\omega_{\rm T} t + \phi(t)) \cdot 2 \cdot \cos  (\omega_{\rm T} t ) = a(t)\cdot \cos  ( \phi(t)) +  \varepsilon_{\rm 1}(t),$$
a(t)\cdot \cos  (\omega_{\rm T} \cdot t + \phi(t)) \cdot (-2) \cdot \sin  (\omega_{\rm T} \cdot t ) & = a(t)\cdot \sin  ( \phi(t)) + \varepsilon_{\rm unten}(t)).\end{align*}$$
+
$$a(t)\cdot \cos  (\omega_{\rm T} t + \phi(t)) \cdot (-2) \cdot \sin  (\omega_{\rm T} t ) = a(t)\cdot \sin  ( \phi(t)) + \varepsilon_{\rm 2}(t)).$$
  
Die jeweils zweiten Anteile liegen um die doppelte Trägerfrequenz und werden durch die Tiefpässe mit jeweiliger Grenzfrequenz $f_{\rm  
+
&rArr; &nbsp; The respective second parts are in the range around twice the carrier frequency and are removed by low-pass filters with cut-off frequency&nbsp; $f_{\rm T}$&nbsp;:
T}$ entfernt:
 
 
   
 
   
$$\begin{align*}\varepsilon_{\rm oben}(t) & = a(t)\cdot \cos  (2\omega_{\rm T} \cdot t +
+
:$$\varepsilon_{\rm 1}(t) = a(t)\cdot \cos  (2\omega_{\rm T} \cdot t +
  \phi(t)),\\
+
  \phi(t)),$$
\varepsilon_{\rm unten}(t) & = -  a(t)\cdot \sin  (2\omega_{\rm T} \cdot t +
+
:$$\varepsilon_{\rm 2}(t) = -  a(t)\cdot \sin  (2\omega_{\rm T} \cdot t +
  \phi(t)).\end{align*}$$
+
  \phi(t)).$$
  
Ein Vergleich mit obigen Gleichungen zeigt, dass am Ausgang die gewünschten Komponenten $x_{\rm I}(t)$ und $x_{\rm Q}(t)$ abgegriffen werden können:
+
&rArr; &nbsp; A comparison with the above equations shows that the desired components&nbsp; $x_{\rm I}(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_{\rm Q}(t)$&nbsp; can be tapped at the output:
 
   
 
   
$$\begin{align*}x_{\rm I}(t) & = a(t)\cdot \cos  ( \phi(t)) ,\\
+
:$$x_{\rm I}(t) = a(t)\cdot \cos  ( \phi(t)) ,$$
x_{\rm Q}(t) & = a(t)\cdot \sin  ( \phi(t)) .\end{align*}$$
+
:$$x_{\rm Q}(t) = a(t)\cdot \sin  ( \phi(t)) .$$
  
  
==Leistung nach Energie eines Bandpass-Signals==
+
==Power and energy of a band-pass signal==
 +
<br>
 +
We look at the&nbsp;  $($blue$)$&nbsp; band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; according to the graph,&nbsp; which results e.g. from&nbsp; [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#ASK_.E2.80.93_Amplitude_Shift_Keying|&raquo;Binary Amplitude Shift Keying&laquo;]]&nbsp; $\text{(2ASK)}$.&nbsp; This digital modulation method is also known as&nbsp; &raquo;On-Off keying&laquo;.
 +
 +
[[File:P_ID1152__Sig_T_4_3_S8a.png|right|frame|Power and energy of a band-pass signal]]
  
Wir betrachten das Signal $x(t)$ gemäß der Grafik, das sich zum Beispiel bei On–Off–Keying – auch bekannt als binäres Amplitude Shift Keying – ergibt. $x(t)$ ist ein BP–Signal.
+
*The signal power related to&nbsp; $1 \,\Omega$&nbsp; is given by the explanations in section&nbsp; [[Signal_Representation/Signal_classification#Energy.E2.80.93limited_and_power.E2.80.93limited_signals|&raquo;Energy–limited and power–limited signals&laquo;]]&nbsp; as
 
 
[[File:P_ID1152__Sig_T_4_3_S8a.png|Leistung und Energie eines BP-Signals]]
 
 
 
Die auf $1 \Omega$ bezogene Signalleistung ergibt sich nach den Ausführungen in Kapitel 1.2 zu
 
 
   
 
   
$$P_x = \lim_{T_{\rm M} \to \infty} \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int^{+T_{\rm M}/2} _{-T_{\rm M}/2}\hspace{-0.1cm} x^2(t)\,{\rm d}t.$$
+
:$$P_x = \lim_{T_{\rm M} \to \infty} \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int^{+T_{\rm M}/2} _{-T_{\rm M}/2}\hspace{-0.1cm} x^2(t)\,{\rm d}t.$$
  
Sind die binären Nullen und Einsen gleichwahrscheinlich sind, so kann man auf den unendlichen Integrationsbereich und den Grenzübergang verzichten, und man erhält für obiges Mustersignal:
+
*If the binary&nbsp; "zeros"&nbsp; and&nbsp; "ones"&nbsp; are equally probable,&nbsp; then the infinite integration range and the boundary crossing can be omitted,&nbsp; and you get for the above sketched pattern signal:  
 
   
 
   
$$P_x = \frac{1}{2T} \cdot \int ^{2T} _{0} x^2(t)\,{\rm d}t =
+
:$$P_x = \frac{1}{2T} \cdot \int ^{2T} _{0} x^2(t)\,{\rm d}t =
 
  \frac{4\,{\rm V}^2}{2T} \cdot \int^{T} _{0} \cos^2(\omega_{\rm T} \cdot t)\,{\rm d}t= 1\,{\rm V}^2.$$
 
  \frac{4\,{\rm V}^2}{2T} \cdot \int^{T} _{0} \cos^2(\omega_{\rm T} \cdot t)\,{\rm d}t= 1\,{\rm V}^2.$$
  
Aus der unteren Skizze ist zu erkennen, dass man durch Mittelung über die quadrierte Hüllkurve $a_2(t)$ – also über das Betragsquadrat des äquivalenten Tiefpass–Signals xTP(t) – ein um den Faktor 2 größeres Ergebnis erhält. Deshalb gilt in gleicher Weise:
+
*From the sketch below you can see that by averaging over the squared envelope&nbsp; $a^2(t)$&nbsp; &ndash; i.e. over the&nbsp; &raquo;magnitude square of the equivalent low-pass signal&laquo;&nbsp; $x_{\rm TP}(t)$&nbsp; &ndash; you get a result twice as large.  
 +
 
 +
*Therefore the same holds here likewise:
 
   
 
   
$$P_x = {\frac {1}{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\lim_{T_{\rm M} \to \infty} \frac{1}{T_{\rm M}}
+
:$$P_x = { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\lim_{T_{\rm M} \to \infty} \frac{1}{T_{\rm M}}
 
  \cdot \int^{T_{\rm M}/2} _{-T_{\rm M}/2} |x_{\rm TP}(t)|^2\,{\rm
 
  \cdot \int^{T_{\rm M}/2} _{-T_{\rm M}/2} |x_{\rm TP}(t)|^2\,{\rm
 
  d}t =
 
  d}t =
  {\frac {1}{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\lim_{T_{\rm M} \to \infty} \frac{1}{T_{\rm M}}
+
  {{1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\lim_{T_{\rm M} \to \infty} \frac{1}{T_{\rm M}}
 
  \cdot \int^{T_{\rm M}/2} _{-T_{\rm M}/2} a^2(t)\,{\rm d}t.$$
 
  \cdot \int^{T_{\rm M}/2} _{-T_{\rm M}/2} a^2(t)\,{\rm d}t.$$
  
Dieses Resultat lässt sich verallgemeinern und es auch auf energiebegrenzte Signale anwenden. In diesem Fall gilt für die Energie entsprechend Kapitel 1.2 :
+
*This result can be generalized and applied to energy limited signals.&nbsp; In this case,&nbsp; the energy according to section&nbsp; [[Signal_Representation/Signal_classification#Energy.E2.80.93limited_and_power.E2.80.93limited_signals|&raquo;Energy–limited and power–limited signals&laquo;]]:
 
   
 
   
$$E_x =  \int ^{+\infty} _{-\infty} x^2(t)\,{\rm
+
:$$E_x =  \int ^{+\infty} _{-\infty} x^2(t)\,{\rm
  d}t = {\frac {1}{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int ^{+\infty} _{-\infty} |x_{\rm TP}(t)|^2\,{\rm
+
  d}t = { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int ^{+\infty} _{-\infty} |x_{\rm TP}(t)|^2\,{\rm
  d}t = {\frac {1}{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int ^{+\infty} _{-\infty} a^2(t)\,{\rm
+
  d}t = { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int ^{+\infty} _{-\infty} a^2(t)\,{\rm
 
  d}t.$$
 
  d}t.$$
  
Diese Gleichung gilt allerdings nur dann exakt, wenn die zugrunde liegende Trägerfrequenz $f_T$ sehr viel größer als die BP–Bandbreite (BBP) ist.
+
However,&nbsp; this equation only applies exactly if the carrier frequency&nbsp; $f_{\rm T}$&nbsp; is much larger than the bandwidth&nbsp; $B_{\rm BP}$&nbsp; of the band-pass.
  
{{Beispiel}}
+
{{GraueBox|TEXT= 
Wir betrachten das Bandpass–Signal $x(t)$ mit $A$ = 2V, $B$ = 1 kHz und $f_T$ = 10 kHz:
+
$\text{Example 7:}$&nbsp;
 +
We look at the band-pass signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; with&nbsp; $A = 2\,\text{V}$,&nbsp; $B = 1\,\text{kHz}$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm T} = 10\,\text{kHz}$:
 +
 
 +
[[File:P_ID1154__Sig_T_4_3_S8b_neu.png|right|frame|Power calculation in the equivalent low-pass range]]
 
   
 
   
$$x(t) = A \cdot {\rm si}(\pi \cdot B \cdot t) \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t + \phi(t)).$$
+
:$$x(t) = A \cdot {\rm sinc}(B \cdot t) \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t + \phi(t)).$$
  
[[File:P_ID1154__Sig_T_4_3_S8b_neu.png|Leistungsberechnung im äquivalenten TP-Bereich]]
+
The magnitude spectrum&nbsp; $\vert X(f) \vert$&nbsp; belonging to the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is displayed in the upper right corner.&nbsp; The blue label applies:
 +
* $X(f)$&nbsp; is purely real due to the symmetry relations: 
 +
:$$\vert X(f) \vert  = X(f).$$
  
Oben dargestellt ist das Signal $x(t)$ und das in der Bandbreite $B$ konstante Betragsspektrum $|X(f)| = A/(2B) = 10^{–3}$ V/Hz. $X(f)$ setzt sich also aus zwei Rechtecken um $\pm f_T$ zusammen.
+
* $\vert X(f) \vert$&nbsp; is thus composed of two rectangles around&nbsp; $\pm f_{\rm T}$&nbsp;. In the range around the carrier frequency applies:
 +
:$$\vert X(f) \vert = A/(2B) = 10^{-3}\text{V/Hz}.$$
  
Die Energie dieses BP–Signals könnte prinzipiell nach folgender Gleichung berechnet werden:
+
&rArr; &nbsp; The energy of this band-pass signal could in principle be calculated by the following equation:
 
   
 
   
$$E_x =  \int^{+\infty} _{-\infty} A^2 \cdot \frac{{\rm
+
$$E_x =  \int^{+\infty} _{-\infty} A^2 \cdot \frac{ {\rm
sin}^2(\pi \cdot B \cdot t)}{(\pi \cdot B \cdot t)^2}\cdot
+
sin}^2(\pi \cdot B \cdot t)}{ (\pi \cdot B \cdot t)^2}\cdot
 
\cos^2(2 \pi \cdot f_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t +
 
\cos^2(2 \pi \cdot f_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t +
 
\phi(t))\,{\rm
 
\phi(t))\,{\rm
 
  d}t .$$
 
  d}t .$$
 
+
According to the above equations,&nbsp; however,&nbsp; with the envelope curve&nbsp; $a(t)$&nbsp; drawn in red at the top left also applies:
Entsprechend der letzten Seite gilt mit der Hüllkurve $a(t)$ von $x(t)$ aber auch:
 
 
   
 
   
$$\begin{align*}E_x & = {\frac {1}{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int^{+\infty} _{-\infty} a^2(t)\,{\rm
+
$$E_x = { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int^{+\infty} _{-\infty} a^2(t)\,{\rm
  d}t=  {\frac {1}{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int^{+\infty} _{-\infty} |A \cdot {\rm si}(\pi \cdot B \cdot t)|^2\,{\rm
+
  d}t=  { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int^{+\infty} _{-\infty} \vert A \cdot {\rm sinc}(B \cdot t)\vert^2\,{\rm
  d}t = \\ & = A^2\cdot \int^{+\infty} _{0} {\rm si}^2(\pi \cdot B \cdot t)\,{\rm
+
  d}t $$
  d}t =A^2\cdot \frac {\pi}{2}\cdot \frac {1}{\pi B} = \frac {A^2}{2 B}= 2 \cdot 10^{-3}\,{\rm V}^2/{\rm Hz}.\end{align*}$$
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} E_x  =   A^2\cdot \int^{+\infty} _{0} {\rm sinc}^2(B \cdot t)\,{\rm
 +
  d}t =A^2\cdot \frac {\pi}{2}\cdot \frac {1}{\pi B} = \frac {A^2}{2 B}= 2 \cdot 10^{-3}\,{\rm V}^2/{\rm Hz}.$$
  
Man erkennt, dass die Signalenergie Ex unabhängig von der Trägerphase $\Phi$ ist.
+
&rArr; &nbsp; A second solution with the same result is offered by&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Parseval%27s_theorem &raquo;Parseval's theorem&laquo;]:
Eine zweite Lösungsmöglichkeit mit gleichem Ergebnis bietet der '''Satz von Parseval''':
 
  
$$\int ^{+\infty} _{-\infty} a^2(t)\,{\rm  d}t= \int
+
:$$\int ^{+\infty} _{-\infty} a^2(t)\,{\rm  d}t= \int
^{+\infty} _{-\infty} |A(f)|^2\,{\rm  d}f  \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
+
^{+\infty} _{-\infty} \vert A(f) \vert ^2\,{\rm  d}f  \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
E_x =  {1}/{2}\cdot ( {A}/{B})^2 \cdot B =  {A^2}/(2
 
E_x =  {1}/{2}\cdot ( {A}/{B})^2 \cdot B =  {A^2}/(2
 
B).$$
 
B).$$
 
   
 
   
Es gilt $|A(f)| = |X_{TP}(f)|$. Innerhalb der Bandbreite $B$ um die Frequenz $f = 0$ ist $X_{TP}(f)$ doppelt so groß wie $X(f)$ um die Frequenz $f = f_T$, nämlich $A/B$. Dies hängt mit der Definition des Spektrums $X_+(f)$ zusammen, aus dem $X_{TP}(f)$ durch Verschiebung entsteht.
+
This is taken into account:
 
+
#The following applies&nbsp; $\vert A(f) \vert = \vert X_{\rm TP}(f) \vert $.  
{{end}}
+
#Inside the bandwidth&nbsp; $B$&nbsp; around the frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp; &rArr; &nbsp; $X_{\rm TP}(f)$&nbsp; is twice as large as&nbsp; $X(f)$&nbsp; around the frequency&nbsp; $f = f_{\rm T}$,&nbsp; namely&nbsp; $A/B$.  
 
+
#This is related to the definition of the spectrum&nbsp; $X_+(f)$&nbsp; of the analytical signal from which&nbsp; $X_{\rm TP}(f)$&nbsp; is created by shifting.}}
  
  
==Aufgaben zum Kapitel==
 
  
[[Aufgaben:4.5 Ortskurve bei ZSB-AM|A4.5 Ortskurve bei ZSB-AM]]
+
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_4.5:_Locality_Curve_for_DSB-AM|Exercise 4.5: Locality Curve for DSB-AM]]
  
[[Aufgaben:4.5Z Einfacher Phasenmodulator|Z4.5 Einfacher Phasenmodulator]]
+
[[Aufgaben:Exercise 4.5Z: Simple Phase Modulator|Exercise 4.5Z: Simple Phase Modulator]]
  
[[Aufgaben:4.6 Ortskurve bei ESB-AM|A4.6 Ortskurve bei ESB-AM]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.6:_Locality_Curve_for_SSB-AM|Exercise 4.6: Locality Curve for SSB-AM]]
  
[[Aufgaben:4.6Z Ortskure bei Phasenmodulation|Z4.6 Ortskure bei Phasenmodulation]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.6Z:_Locality_Curve_for_Phase_Modulation|Exercise 4.6Z: Locality Curve  for Phase Modulation]]
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 16:11, 21 June 2023

Motivation for describing in the equivalent low-pass range


The following figure shows a possible structure of a transmission system:

Block diagram of a band-pass transmission system
  • Often the low-frequency source signal  $q(t)$  is converted into a band-pass signal  $s(t)$    ⇒   »modulation«.
  • After transmission,  the received signal  $r(t)$  – compared to the transmitted signal  $s(t)$  possibly distorted and with interference  $($noise$)$  applied – must be reset to the original frequency range   ⇒   »demodulation«.
  • The sink signal  $v(t)$, which should match the source signal  $q(t)$  as closely as possible,  is then again a low-pass signal.


Modulation and demodulation are therefore fundamental components of a transmission system,  which are dealt in detail in the book  »Modulation Methods«.  A short summary can be found in the first chapter  »Principles of Communication«  of this book.

The investigation,  simulation,  optimization,  and dimensioning of band-pass systems are mostly done in the  »equivalent low-pass range}«,  for which the following reasons can be given:

  • If quality characteristics  $($bandwidth efficiency,  signal-to-noise ratio,  bit error rate,  etc.$)$  of a low-pass system are known,  the corresponding values of related band-pass systems can be derived from them relatively easily.  Examples are the digital modulation methods  »Amplitude Shift Keying«  $\text{(ASK)}$  and  »Binary Phase Shift Keying«  $\text{(BPSK)}$,  whose performance variables can be  "extrapolated"  from the comparable  »baseband system»  $($i.e.,  without modulator and demodulator$)$.
  • Individual subchannels in a so-called  »Frequency Division Multiplex«  system,  which differ by different carrier frequencies,  can often be considered qualitatively equivalent.  Therefore,  it is sufficient to limit the calculation and dimensioning to a single channel and to perform these investigations in the equivalent low-pass range – i.e. without considering the specific carrier frequency.
  • It is often the case that the bandwidth of a communication connection is orders of magnitude smaller than the carrier frequency.  For example,  in the  »GSM standard«  the individual channels are located in the frequency range around  $900\ \rm MHz$  $($»D-Network«$)$  and   $1800\ \rm MHz$  $($»E-Network«$)$,  while each channel has only a small bandwidth of  $200\ \rm kHz$.  Therefore a simulation in the equivalent low-pass range is much less complex than a simulation of the corresponding band-pass signals.


Definition in the frequency domain


We consider a real band-pass signal  $x(t)$  with the spectrum  $X(f)$.  Furthermore,  the following shall apply:

  • The band-pass signal  $x(t)$  is said to result from the modulation of a low-frequency source signal  $q(t)$  with the carrier signal  $z(t)$  of frequency  $f_{\rm T}$.  The type of modulation  $($whether analog or digital,  amplitude or angle modulation,  single-sideband or double-sideband$)$  is not specified.
  • The spectral function  $X_+(f)$  of the corresponding analytical signal  $x_+(t)$  exists only for positive frequencies and is twice as large as  $X(f)$.  For the derivation of  $X_+(f)$  the carrier frequency  $f_{\rm T}$  $($German:  "Trägerfrequenz"   ⇒   "$\rm T$"$)$  of the system does not need to be known.


$\text{Definition:}$  If the spectrum of the analytical signal  $x_+(t)$  is shifted to the left by  $f_{\rm T}$,  the result is called the  »equivalent low-pass spectrum«:

$$X_{\rm TP}(f) = X_{\rm +}(f + f_{\rm T}).$$

Note:

  1. The identifier "$\rm TP$"  stands for  "low-pass"  $($German:  "Tiefpass"$)$  and the identifier  "$\rm T$"  stands for  "carrier"  $($German:  Träger$)$.
  2. In general:   $X(f)$,  $X_+(f)$  and  $X_{\rm TP}(f)$  are complex-valued. 
  3. However,  if  $X(f)$  is real,  then the spectral functions  $X_+(f)$  and  $X_{\rm TP}(f)$  are real too,  because they result from  $X(f)$  only with the linear operations  »truncate«,  »double«,  and  »frequency shift«.
  4. In contrast to  $X_+(f)$,  for the calculation of the equivalent low-pass spectrum  $X_{\rm TP}(f)$  the knowledge of the carrier frequency $f_{\rm T}$  is absolutely necessary.  For other values of $f_{\rm T}$  other low-pass spectra will result.


If one transforms the above equation into the time domain,  one obtains after applying the  »Shifting Theorem«:

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

The relation  $x(t) = \text{Re}\big[x_+(t)\big]$  yields the procedure to determine the actual physical band-pass signal from the equivalent low-pass signal:

$$x(t) = {\rm Re}\big [x_{\rm +}(t)\big] = {\rm Re}\big[x_{\rm TP}(t)\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot 2\pi \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} f_{\rm T}\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \hspace{0.05cm}t}\big].$$

$\text{Example 1:}$  The upper figure shows the real spectral function  $X(f)$  of a band-pass signal  $x(t)$  which is the result of modulating a low-frequency signal  $q(t)$  with the carrier frequency  $f_{\rm T}$.

Construction of the equivalent low-pass spectrum

Below the two likewise real spectral functions  $X_+(f)$  and  $X_{\rm TP}(f)$ are shown: 

  1. Due to the asymmetries concerning the frequency origin  $(f = 0)$  the corresponding time functions are complex.
  2. The solid-green spectral function  $X_{\rm TP}(f)$  is shifted to the left with respect to  $X_{+}(f)$  by the  carrier frequency $f_{\rm T}$.
  3. If  $X(f)$  is the modulation result of another source signal  $q\hspace{0.05cm}'(t)$  with a different carrier frequency  ${f_{\rm T} }\hspace{0.05cm}'$, this would result in another equivalent low-pass spectrum  ${X\hspace{0.05cm}'_{\rm TP} }(f)$.
  4. An exemplary function  ${X\hspace{0.05cm}'_{\rm TP} }(f)$  is drawn in the graphic with green-dashed lines.

Description in the time domain


To simplify the presentation we now assume a line spectrum  so that the analytical signal can be represented as  »pointer group«   ⇒   sum of complex rotating pointers:

$$X_{+}(f) = \sum_{i=1}^{I} {A_i} \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \varphi_i}\cdot\delta (f - f_i) \hspace{0.3cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.3cm} x_{+}(t) = \sum_{i=1}^{I} A_i \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}( 2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}f_i\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi_i)}.$$
  • By shifting the frequency by $f_{\rm T}$  to the left,  the equivalent low-pass signal in frequency and time domain is:
$$X_{\rm TP}(f) = \sum_{i=1}^{I} {A_i} \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \varphi_i}\cdot\delta (f - \nu_i)\hspace{0.3cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.3cm} x_{\rm TP}(t) = \sum_{i=1}^{I} A_i \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}( 2 \pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \nu_i \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm}-\hspace{0.05cm} \varphi_i)}.$$
  • The following relation is valid between the frequency values  $f_i$  and  $\nu_i$  $(i = 1, \ \text{...} \ , I)$:
$$\nu_i = f_i - f_{\rm T} .$$
  • These equations can be interpreted as follows:
  1. At time  $t = 0$  the equivalent low-pass signal is identical to the analytical signal:         $x_{\rm TP}(t = 0) = x_{\rm +}(t = 0)= \sum_{i=1}^{I} A_i \cdot {\rm e}^{{-\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \varphi_i}.$
  2. At this time,  the  "pointer group"  is defined by the  $I$  amplitude parameter  $A_i$  and the  $I$  phase positions  $\varphi_i$  alone.
  3. All pointers of the analytical signal  $x_+(t)$  rotate for  $t > 0$  corresponding to the  $($always positive$)$  frequencies  $f_i$  counterclockwise.
  4. For the equivalent low-pass signal,  the rotation speeds are lower. 
  5. Pointers with  $\nu_i > 0$  turn in mathematically positive direction  $($counterclockwise$)$,  those with  $\nu_i < 0$  in opposite direction  $($clockwise$)$.
  6. If the frequency parameter for a pointer is  $\nu_i = 0$,  this pointer rests in the complex plane corresponding to its initial position.


$\text{Example 2:}$  We consider a spectrum  $X_+(f)$ consisting of three spectral lines at  $40\,\text{kHz}$,  $50\,\text{kHz}$  and $60\,\text{kHz}$.  With the amplitude and phase parameters recognizable from the graph you obtain the analytical signal  $x_+(t)$  corresponding to the lower left sketch.

Construction of the equivalent low-pass signals in the time domain

The snapshot of the lower left graph   ⇒   »analytical signal«   $x_+(t)$  applies to the time  $t = 0$.  All pointers then turn counterclockwise at a constant circular velocity.

  • The blue pointer rotates with  $60000$  rotations per second  $($it is the fastest pointer$)$.  The green pointer is the slowest;  it rotates with the circular frequency  $\omega_{40} = 2\pi \cdot 40000 \hspace{0.1cm} 1/\text{s}$.
  • The violet sum point of all three pointers moves for  $t > 0$  in the complex plane in a complicated manner,  for the above numerical values first roughly in the drawn direction.


⇒   The graphics on the right describe the  »equivalent low-pass signal«  in the frequency domain  $($top$)$  and in the time domain  $($bottom$)$,  valid for the carrier frequency  $f_{\rm T} = 50\,\text{kHz}$.

  • The carrier is now at  $f = 0$;  the corresponding red pointer does not move.
  • The blue pointer  $($"upper sideband"$)$  rotates counterclockwise with  $\omega_{10} = 2\pi \cdot 10000 \hspace{0.1cm}1/\text{s}$.
  • The green pointer  $($"lower sideband"$)$  rotates clockwise at the same angular velocity  ($-\omega_{10}$).


Definition of the "Locality Curve"


$\text{Definition:}$  As  »locality curve«  we call the curve on which the  »equivalent low-pass signal«  $x_{\rm TP}(t)$  moves in the  complex plane. 

Notes:   In other technical literature the term  "locality curve"  is rarely used.  Therefore, initially,  an example is given.


Given locality curve
Note:   The green pointer has length  $2$

$\text{Example 3:}$  We consider the equivalent low-pass signal  $x_{\rm TP}(t)$  of  $\text{Example 2}$, consisting of

  • the resting  $($red$)$  pointer of length  $3$,
  • the  $($blue$)$  pointer rotating with  $\omega_{10} = 2\pi \cdot 10000 \hspace{0.1cm} 1/\text{s}$  in mathematical positive direction,  complex value  $\rm j$,
  • the  $($green)  pointer of length  $2$,  which is currently  $(t = 0)$  in the direction of the negative imaginary axis; 
    this rotates with the same circular velocity  $\omega_{10}$  as the blue pointer,  but in the opposite direction  ($-\omega_{10}$).


The blue and the green pointer each require exactly one period duration   $T_0 = 100 \,{\rm µ}\text{s}$  for one rotation.  The further course of the process can be seen in the above illustration:

  • The violet pointer sum at time  $t = 0$  is equal to  $x_{\rm TP}(t=0) = 3 - \text{j}$.
  • After  $t = T_0/4 = 25 \,{\rm µ}\text{s}$  the resulting pointer group has the value  $0$,  since now the two rotating pointers lie in the opposite direction to the carrier and compensate it exactly.
  • After one period  $(t = T_0 = 100 \,{\rm µ}\text{s})$  the initial state is reached again:   $x_{\rm TP}(t = T_0) = x_{\rm TP}(t=0) = 3 - \text{j}$.


In this example the  »locality curve«  is an ellipse,  which is traversed by the equivalent low-pass signal once per period.

  1. The representation applies to the  »Double Sideband Amplitude Modulation with carrier«  of a sinusoidal  $10\ \rm kHz$  signal with a cosinusoidal carrier of any frequency,  where the upper sideband  $($blue pointer$)$  is attenuated.
  2. If the lengths of the blue and the green rotating pointer were equal,  the locality curve would be a horizontal one on the real axis – see  $\text{Exercise 4.5}$.
  3. In the chapter  »Envelope Demodulation«  the locality curves of different system variants are treated in detail.



Representing with magnitude and phase


The equivalent low-pass signal of the band-pass signal  $x(t)$  is generally complex and can therefore be expressed in the form

$$x_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \phi(t)}.$$

Note the plus sign in the argument of the exponential function,  which differs from the  »complex Fourier series«.  This is because the equation with the positive sign for the phase is usually used to describe the modulation method for the physical signal as well:

$$x(t) = a(t) \cdot {\cos} ( 2 \pi f_{\rm T} t + \phi(t)).$$
  1. In many textbooks this equation is used with plus or minus signs depending on the application,  but always with the same "phase identifier". 
  2. By using two different symbols  $(\varphi$  and  $\phi)$  we try to avoid this ambiguity in our e–learning tool.


$\text{Example 4:}$  The same prerequisites apply as in  $\text{Example 2}$  and in  $\text{Example 3}$.  However, instead of the complex function  $x_{\rm TP}(t)$  the two real functions  $a(t)$  and  $\phi(t)$  are now displayed in the graph.  It should be noted with regard to this representation:

Magnitude  $a(t)$  and phase  $\phi(t)$  of the equivalent low-pass signal
  • The  »magnitude function«  shows the time-dependent pointer length:
$$a(t)= \vert x_{\rm TP}(t)\vert =\sqrt{ {\rm Re}\left[x_{\rm TP}(t)\right]^2 + {\rm Im}\left[x_{\rm TP}(t)\right]^2 }.$$
In this example the magnitude function  $a(t)$  is like the complex equivalent low-pass signal  $x_{\rm TP}(t)$  periodic with  $T_0$  and takes values between  $0$  and  $6$.
  • The  »phase function«  describes the time-dependent angle of the equivalent low-pass signal  $x_{\rm TP}(t)$,  related to the coordinate origin:
$$\phi(t)= {\rm arc} \left[x_{\rm TP}(t)\right]= {\rm arctan} \hspace{0.1cm}\frac{ {\rm Im}\left[x_{\rm TP}(t)\right]}{ {\rm Re}\left[x_{\rm TP}(t)\right]}.$$

Here are some numerical results for the phase values:

  1. The phase at start time is  $\phi (t = 0) =\hspace{0.1cm} -\arctan (1/3) ≈ \hspace{0.1cm} -18.43^{\circ} = \hspace{0.1cm}-0.32\,\text{rad}$.
  2. At  $t = 25\,{\rm µ}\text{s}$  it holds   $x_{\rm TP}(t ) = 0$, so that at this time the phase function  $\phi(t)$  changes abruptly from  $-\pi /2$  to  $+\pi /2$ .
  3. The same result is obtained for all equidistant times at distance  $T_0 = 100 \,{\rm µ}\text{s}$.
  4. At time  $t = 60\,{\rm µ}\text{s}$  the phase function has a slightly positive value.



Relation between equivalent low-pass signal and band-pass signal


A band-pass signal  $x(t)$  resulting from the modulation of a low-frequency source signal  $q(t)$  with a carrier signal  $z(t)$  of frequency  $f_{\rm T}$  can be represented as follows:

$$x(t) = a(t) \cdot {\cos} ( 2 \pi f_{\rm T} t + \phi(t)) \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} x_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \phi(t)}.$$

It should be noted here:

  1. $a(t)$  is the  time-dependent amplitude   ⇒   »magnitude function«  or  »envelope curve«.  This is equal to the magnitude  $|x_{\rm TP}(t)|$  of the equivalent low-pass signal.
  2. $\phi(t)$  is the  »phase function«, i.e. the  time-dependent phase,  which can also be determined from  $x_{\rm TP}(t)$  as angle to the coordinate origin of the complex plane.
  3. In the physical  $($band-pass$)$  signal  $x(t)$,  the phase function  $\phi(t)$  can be recognized by the  »zero crossings«. 
  4. With  $\phi(t) > 0$  the zero crossing occurs in  $x(t)$  $t$  earlier than in the carrier signal  $z(t)$.  In contrast,  $\phi(t) < 0$  means a shift of the zero crossing to a later time.


$\text{Definitions:}$ 

  • One speaks of  »Amplitude Modulation«  if all information about the source signal  $q(t)$  is contained in the magnitude function  $a(t)$  while  $\phi(t)$  is constant.
  • Conversely,  with  »Phase Modulation«  the phase function  $\phi(t)$  contains all information about the source signal  $q(t)$,  while  $a(t)$  is constant.


$\text{Example 5:}$  The upper part of the following figure describes the  »Double-Sideband Amplitude Modulation  $\text{(DSB-AM)}$  with carrier«:

$x_{\rm TP}(t)$  for  »Double-Sideband Amplitude Modulation«  and for  »Phase Modulation«
  • The equivalent low-pass signal  $x_{\rm TP}(t)$  is always real  
    ⇒   the locality curve is a horizontal straight line.
  • Therefore the zero crossings of the blue DSB-AM signal  $x(t)$  correspond exactly to those of the red carrier signal  $z(t)$.
  • This means:   The phase function  $\phi(t)$  is identical to zero   ⇒   the magnitude function  $a(t)$  contains all information about  $q(t)$.


The lower part of the graphic applies to the  »Phase Modulation«  $\text{(PM)}$:

  • The PM signal  $y(t)$  always has a constant envelope  $($magnitude function$)$   ⇒   the locality curve is a circle.
  • At  $t \approx 0$  it holds  $\phi (t) < 0$   ⇒   the zero crossings in   $y(t)$  occur later than those in  $z(t)$   ⇒   here,  the zero crossings are  »trailers«.
  • For  $\phi (t) > 0$   ⇒   the zero crossings in   $y(t)$  occur earlier than those in  $z(t)$   ⇒   here,  the zero crossings are  »precursors«.
  • Therefore,  with phase modulation,  all information about the source signal  $q(t)$  is contained in the positions of the zero crossings.

Why multiple representations of the same signal exist


Finally,  and hopefully not too late,  we want to turn to the question why the two complex and less comprehensible signals  $x_+(t)$  and  $x_{\rm TP}(t)$  are necessary to describe the actual band-pass signal  $x(t)$.  They were not introduced in Communications Engineering in order to unsettle students,  but:

$\text{Conclusions:}$ 

  • The magnitude function  $a(t)$  and the phase function  $\phi (t)$  can be extracted directly and easily from the physical band-pass signal  $x(t)$  only in some special cases.
  • The real non existing equivalent low-pass signal  $x_{\rm TP}(t)$  is a mathematical tool to determine the functions  $a(t)$  and  $\phi (t)$  by simple geometrical considerations.
  • The analytical signal  $x_+(t)$  is an intermediate step in the transition from  $x(t)$  to  $x_{\rm TP}(t)$.  While  $x_+(t)$  is always complex,  $x_{\rm TP}(t)$  can be real in special cases,  for example,  with ideal amplitude modulation according to the chapter  »Double-Sideband Amplitude Modulation«  $\text{(DSB-AM)}$.


$\text{The same principle applies as often used in the natural sciences and technologies:}$ 

  • The introduction of  $x_+(t)$  and  $x_{\rm TP}(t)$  brings rather a complication for simple problems.
  • The advantages of this approach can only be seen in more difficult problems,  which could not be solved with the signal  $x(t)$  alone or only with much more effort.


For further clarification we provide two interactive applets:

Representation according to real and imaginary part


Especially for the description of  »Quadrature Amplitude Modulation«  $\text{(QAM)}$,  the representation of the equivalent low-pass signal according to real and imaginary part is suitable:

$$x_{\rm TP}(t) = x_{\rm I}(t)+ {\rm j} \cdot x_{\rm Q}(t).$$

In this representation,

  • the real part  $x_{\rm I}(t)$  describes the  »in-phase component«  $($"normal component"$)$  of  $x_{\rm TP}(t)$, 
  • whereas the imaginary part  $x_{\rm Q}(t)$  describes the  »quadrature component«.


With the magnitude function function  $a(t) = |x_{\rm TP}(t)|$  and the  phase function  $\phi (t) = \text{arc}\,x_{\rm TP}(t)$  according to the definitions in the previous sections:

$$\begin{align*}x_{\rm I}(t) & = {\rm Re}[x_{\rm TP}(t)] = a(t) \cdot \cos (\phi(t)),\\ x_{\rm Q}(t) & = {\rm Im}[x_{\rm TP}(t)] = a(t) \cdot \sin (\phi(t)).\end{align*}$$


Real and imaginary part of the equivalent low-pass signal

$\text{Example 6:}$  At the considered time  $t_0$  applies to the equivalent low-pass signal:

$$x_{\rm TP}(t = t_0) = 2\,{\rm V} \cdot {\rm e}^{- {\rm j \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} 60 ^\circ} }.$$
$$x_{\rm TP}(t = t_0) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(60 ^\circ) - {\rm j} \cdot 2\,{\rm V} \cdot \sin(60 ^\circ).$$
  • This applies to the  "in-phase"  and  "quadrature component":
$$x_{\rm I}(t = t_0) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(60 ^\circ) = 1\text{V}, $$
$$x_{\rm Q}(t = t_0) = \hspace{0.05cm} - {\rm j} \cdot 2\,{\rm V} \cdot \sin(60^\circ) =\hspace{0.05cm}-1.733\text{V}.$$


By applying trigonometric transformations it can be shown that the real  $($physical$)$  band-pass signal can also be represented in the following way:

$$x(t) = a(t) \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi(t)) = x_{\rm I}(t)\cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t )-x_{\rm Q}(t)\cdot \sin (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ). $$
  • The minus sign results from the use of the phase function  $\phi (t)$.  A comparison with the section  »Representation with cosine and sine components«  in the second main chapter shows that instead of the difference,  the sum results when referring to  $\varphi (t) = -\phi (t)$.  Adapted to our example,  you then get
$$x(t) = a(t) \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t - \varphi(t)) = x_{\rm I}(t)\cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t )+x_{\rm Q}(t)\cdot \sin (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ).$$
  • The quadrature component  $x_{\rm Q}(t)$  thus differs from the above equation in the sign.

Determination of the equivalent low-pass signal from the band-pass signal


The figure shows two arrangements to determine the complex low-pass signal split into inphase and quadrature components from the real band-pass signal  $x(t)$,  for example for display on an oscilloscope.  Let us first look at the upper model:

Division of the equivalent low-pass signal into In-phase and Quadrature components
  1. The analytical signal  $x_+(t)$  is first generated here by adding the  »Hilbert Transform«.
  2. Multiplication with the complex exponential function  $($with negative exponent!$)$  yields the equivalent low-pass signal  $x_{\rm TP}(t)$.
  3. The sought components  $x_{\rm I}(t)$  and  $x_{\rm Q}(t)$  are then obtained by forming the real and the imaginary part.


⇒   With the lower  $($more practical$)$  arrangement,  you get for the upper and the lower branch after the respective multiplications:

$$a(t)\cdot \cos (\omega_{\rm T} t + \phi(t)) \cdot 2 \cdot \cos (\omega_{\rm T} t ) = a(t)\cdot \cos ( \phi(t)) + \varepsilon_{\rm 1}(t),$$ $$a(t)\cdot \cos (\omega_{\rm T} t + \phi(t)) \cdot (-2) \cdot \sin (\omega_{\rm T} t ) = a(t)\cdot \sin ( \phi(t)) + \varepsilon_{\rm 2}(t)).$$

⇒   The respective second parts are in the range around twice the carrier frequency and are removed by low-pass filters with cut-off frequency  $f_{\rm T}$ :

$$\varepsilon_{\rm 1}(t) = a(t)\cdot \cos (2\omega_{\rm T} \cdot t + \phi(t)),$$
$$\varepsilon_{\rm 2}(t) = - a(t)\cdot \sin (2\omega_{\rm T} \cdot t + \phi(t)).$$

⇒   A comparison with the above equations shows that the desired components  $x_{\rm I}(t)$  and  $x_{\rm Q}(t)$  can be tapped at the output:

$$x_{\rm I}(t) = a(t)\cdot \cos ( \phi(t)) ,$$
$$x_{\rm Q}(t) = a(t)\cdot \sin ( \phi(t)) .$$


Power and energy of a band-pass signal


We look at the  $($blue$)$  band-pass signal  $x(t)$  according to the graph,  which results e.g. from  »Binary Amplitude Shift Keying«  $\text{(2ASK)}$.  This digital modulation method is also known as  »On-Off keying«.

Power and energy of a band-pass signal
$$P_x = \lim_{T_{\rm M} \to \infty} \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int^{+T_{\rm M}/2} _{-T_{\rm M}/2}\hspace{-0.1cm} x^2(t)\,{\rm d}t.$$
  • If the binary  "zeros"  and  "ones"  are equally probable,  then the infinite integration range and the boundary crossing can be omitted,  and you get for the above sketched pattern signal:
$$P_x = \frac{1}{2T} \cdot \int ^{2T} _{0} x^2(t)\,{\rm d}t = \frac{4\,{\rm V}^2}{2T} \cdot \int^{T} _{0} \cos^2(\omega_{\rm T} \cdot t)\,{\rm d}t= 1\,{\rm V}^2.$$
  • From the sketch below you can see that by averaging over the squared envelope  $a^2(t)$  – i.e. over the  »magnitude square of the equivalent low-pass signal«  $x_{\rm TP}(t)$  – you get a result twice as large.
  • Therefore the same holds here likewise:
$$P_x = { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\lim_{T_{\rm M} \to \infty} \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int^{T_{\rm M}/2} _{-T_{\rm M}/2} |x_{\rm TP}(t)|^2\,{\rm d}t = {{1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\lim_{T_{\rm M} \to \infty} \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int^{T_{\rm M}/2} _{-T_{\rm M}/2} a^2(t)\,{\rm d}t.$$
$$E_x = \int ^{+\infty} _{-\infty} x^2(t)\,{\rm d}t = { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int ^{+\infty} _{-\infty} |x_{\rm TP}(t)|^2\,{\rm d}t = { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int ^{+\infty} _{-\infty} a^2(t)\,{\rm d}t.$$

However,  this equation only applies exactly if the carrier frequency  $f_{\rm T}$  is much larger than the bandwidth  $B_{\rm BP}$  of the band-pass.

$\text{Example 7:}$  We look at the band-pass signal  $x(t)$  with  $A = 2\,\text{V}$,  $B = 1\,\text{kHz}$  and  $f_{\rm T} = 10\,\text{kHz}$:

Power calculation in the equivalent low-pass range
$$x(t) = A \cdot {\rm sinc}(B \cdot t) \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t + \phi(t)).$$

The magnitude spectrum  $\vert X(f) \vert$  belonging to the signal  $x(t)$  is displayed in the upper right corner.  The blue label applies:

  • $X(f)$  is purely real due to the symmetry relations:
$$\vert X(f) \vert = X(f).$$
  • $\vert X(f) \vert$  is thus composed of two rectangles around  $\pm f_{\rm T}$ . In the range around the carrier frequency applies:
$$\vert X(f) \vert = A/(2B) = 10^{-3}\text{V/Hz}.$$

⇒   The energy of this band-pass signal could in principle be calculated by the following equation:

$$E_x = \int^{+\infty} _{-\infty} A^2 \cdot \frac{ {\rm sin}^2(\pi \cdot B \cdot t)}{ (\pi \cdot B \cdot t)^2}\cdot \cos^2(2 \pi \cdot f_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t + \phi(t))\,{\rm d}t .$$ According to the above equations,  however,  with the envelope curve  $a(t)$  drawn in red at the top left also applies:

$$E_x = { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int^{+\infty} _{-\infty} a^2(t)\,{\rm d}t= { {1}/{2} \hspace{0.08cm}\cdot }\int^{+\infty} _{-\infty} \vert A \cdot {\rm sinc}(B \cdot t)\vert^2\,{\rm d}t $$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} E_x = A^2\cdot \int^{+\infty} _{0} {\rm sinc}^2(B \cdot t)\,{\rm d}t =A^2\cdot \frac {\pi}{2}\cdot \frac {1}{\pi B} = \frac {A^2}{2 B}= 2 \cdot 10^{-3}\,{\rm V}^2/{\rm Hz}.$$

⇒   A second solution with the same result is offered by  »Parseval's theorem«:

$$\int ^{+\infty} _{-\infty} a^2(t)\,{\rm d}t= \int ^{+\infty} _{-\infty} \vert A(f) \vert ^2\,{\rm d}f \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} E_x = {1}/{2}\cdot ( {A}/{B})^2 \cdot B = {A^2}/(2 B).$$

This is taken into account:

  1. The following applies  $\vert A(f) \vert = \vert X_{\rm TP}(f) \vert $.
  2. Inside the bandwidth  $B$  around the frequency  $f = 0$  ⇒   $X_{\rm TP}(f)$  is twice as large as  $X(f)$  around the frequency  $f = f_{\rm T}$,  namely  $A/B$.
  3. This is related to the definition of the spectrum  $X_+(f)$  of the analytical signal from which  $X_{\rm TP}(f)$  is created by shifting.


Exercises for the chapter


Exercise 4.5: Locality Curve for DSB-AM

Exercise 4.5Z: Simple Phase Modulator

Exercise 4.6: Locality Curve for SSB-AM

Exercise 4.6Z: Locality Curve for Phase Modulation