Difference between revisions of "Signal Representation/Special Cases of Pulses"

From LNTwww
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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Aperiodische Signale - Impulse
+
|Untermenü=Aperiodic Signals - Impulses
|Vorherige Seite=Fouriertransformation und -rücktransformation
+
|Vorherige Seite=Fourier Transform and Its Inverse
|Nächste Seite=Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
+
|Nächste Seite=Fourier Transform Laws
 
}}
 
}}
  
==Rechteckimpuls==
+
==Rectangular Pulse==
 
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<br>
[[File:Sig_T_3_2_S1_version3.png|right|frame|Rechteckimpuls und zugehöriges Spektrum]]
+
[[File:Sig_T_3_2_S1_version3.png|right|frame|Rectangle Pulse and Its Spectrum]]
Man spricht von einem&nbsp; '''Rechteckimpuls''', wenn für die Zeitfunktion gilt:
+
One speaks of a&nbsp; '''rectangle-pulse'', if the following applies for the time domain:
  
:$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}A  \\  A /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\  \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c}  {\rm{f\ddot{u}r}}  \\  {\rm{f\ddot{u}r}}  \\  {\rm{f\ddot{u}r}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}  {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < T/2,}  \\  {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| = T/2,}  \\  {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| > T/2.}  \\ \end{array}$$
+
:$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}A  \\  A /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\  \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c}  {\rm{for}}  \\  {\rm{for}}  \\  {\rm{for}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}  {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < T/2,}  \\  {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| = T/2,}  \\  {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| > T/2.}  \\ \end{array}$$
 
   
 
   
Hierbei bezeichnet&nbsp; $A$&nbsp; die Impulsamplitude und&nbsp; $T$&nbsp; die Impulsdauer.
+
&nbsp; $A$&nbsp; denotes the amplitude of the pulse and&nbsp; $T$&nbsp; the pulse duration.
  
  
Die dazugehörige Spektralfunktion&nbsp; $X(f)$&nbsp; erhält man durch Anwendung des&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_Its_Inverse#Das_erste_Fourierintegral|ersten Fourierintegrals]]:
+
The corresponding spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; is obtained by using the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_Its_Inverse#Das_erste_Fourierintegral|first Fourier integral]]:
 
   
 
   
 
:$$X(f) = \int_{ - T/2}^{+T/2} {A  \cdot {\rm e}^{ -{\rm j}2\pi  ft}\, {\rm d}t = A }\cdot  \int_{ - T/2}^{+T/2} {\cos ( {2\pi}ft )\,{\rm d}t - {\rm j} \cdot A} \int_{ - T/2}^{+T/2} {\sin ( {2\pi ft} )}\,{\rm d}t .$$
 
:$$X(f) = \int_{ - T/2}^{+T/2} {A  \cdot {\rm e}^{ -{\rm j}2\pi  ft}\, {\rm d}t = A }\cdot  \int_{ - T/2}^{+T/2} {\cos ( {2\pi}ft )\,{\rm d}t - {\rm j} \cdot A} \int_{ - T/2}^{+T/2} {\sin ( {2\pi ft} )}\,{\rm d}t .$$
  
*Hierbei berücksichtigen die Integrationsgrenzen&nbsp; $\pm T/2$, dass&nbsp; $x(t)$&nbsp; ausserhalb des Intervalls von&nbsp; $-T/2$&nbsp; bis&nbsp; $+T/2$&nbsp; identisch Null ist.  
+
*Here the integration limits&nbsp; $\pm T/2$ take into account that&nbsp; $x(t)$&nbsp; is identical to zero outside the interval from&nbsp; $-T/2$&nbsp; to&nbsp; $+T/2$&nbsp; .
*Das zweite Integral verschwindet aufgrund des ungeraden Integranden und man erhält:
+
*The second integral disappears due to the odd integrand and you get
 
   
 
   
 
:$$X(f) = \frac{A  \cdot \sin \left( {\pi fT} \right)}{\pi f}.$$
 
:$$X(f) = \frac{A  \cdot \sin \left( {\pi fT} \right)}{\pi f}.$$
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{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
Zur Abkürzung definieren wir die nachfolgende Funktion und bezeichnen diese als&nbsp; '''si-Funktion'''&nbsp; oder auch als&nbsp; '''Spaltfunktion''':
+
For abbreviation we define the following function and call it&nbsp; '''si-function'''&nbsp; or also as&nbsp; '''splitting function''':
  
 
:$${\rm si}\hspace{-0.08cm}\left( x \right) = \sin \left( x \right)/x.$$}}
 
:$${\rm si}\hspace{-0.08cm}\left( x \right) = \sin \left( x \right)/x.$$}}
  
  
Durch eine Erweiterung von Zähler und Nenner jeweils mit&nbsp; $T$&nbsp; kann man für die Spektralfunktion des Rechteckimpulses auch schreiben:
+
By extending the numerator and denominator each with&nbsp; $T$&nbsp; one can also write for the spectral function of the rectangular pulse:
 
   
 
   
 
:$$X( f ) = A \cdot T \cdot {\rm si}\hspace{-0.08cm}\left( {\pi fT} \right).$$
 
:$$X( f ) = A \cdot T \cdot {\rm si}\hspace{-0.08cm}\left( {\pi fT} \right).$$
  
Wie die Grafik zeigt, besitzt&nbsp; $X(f)$&nbsp; folgende Eigenschaften:
+
As the graphic shows,&nbsp; $X(f)$&nbsp; has the following properties:
*Das Maximum liegt bei der Frequenz&nbsp; $f=0$&nbsp; und hat den Wert&nbsp; $A \cdot T$&nbsp; (Fläche des Rechtecks).
+
*The maximum is at frequency&nbsp; $f=0$&nbsp; and has the value&nbsp; $A \cdot T$&nbsp; (area of the rectangle).
*Bei den Frequenzen&nbsp; $f_n = n/T$&nbsp; mit&nbsp; $n = ±1, ±2, ±3,\text{ ...} $&nbsp; besitzt das Spektrum Nullstellen:
+
*For the frequencies&nbsp; $f_n = n/T$&nbsp; with&nbsp; $n = ±1, ±2, ±3,\text{ ...} $&nbsp; has the spectrum zeroes:
  
 
:$$X( {f = f_n } ) = 0.$$
 
:$$X( {f = f_n } ) = 0.$$
 
   
 
   
*Für das Betragsspektrum gilt folgende Schranke:
+
*The following constraint applies to the magnitude spectrum:
 
   
 
   
 
:$$\left| {X( f )} \right| \le \frac{A}{\pi \cdot \left| f \right|}.$$
 
:$$\left| {X( f )} \right| \le \frac{A}{\pi \cdot \left| f \right|}.$$
  
  
==Gaußimpuls==
+
==Gaussian Pulse==
 
<br>
 
<br>
Ein weiteres Beispiel eines aperiodischen Signals ist der&nbsp; '''Gaußimpuls'''&nbsp; mit dem Zeitverlauf
+
Another example of an aperiodic signal is the&nbsp; '''Gaussian pulse'''&nbsp; with the time
 
   
 
   
 
:$$x(t) = A  \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {t/\Delta t} \right)^2 } .$$
 
:$$x(t) = A  \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {t/\Delta t} \right)^2 } .$$
  
Dieser Impuls wird durch zwei Parameter beschrieben, nämlich durch
+
This pulse is described by two parameters, namely
*die Impulsamplitude&nbsp; $A$, und
+
*the pulse amplitude&nbsp; $A$, and
*die äquivalente Impulsdauer&nbsp; $\Delta t$.
+
*the equivalent pulse duration&nbsp; $\Delta t$.
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Definition:}$&nbsp; Als&nbsp; '''äquivalente Impulsdauer'''&nbsp; bezeichnet man allgemein die Dauer eines Rechteckimpulses mit gleicher Amplitude und Fläche wie das gegebene impulsförmige Signal&nbsp; $x(t)$:
+
$\text{Definition:}$&nbsp; The term&nbsp; '''equivalent pulse duration'''&nbsp; is generally used to describe the duration of a rectangular pulse with the same amplitude and area as the given pulse-shaped signal&nbsp; $x(t)$:
  
 
:$$\Delta t = \frac{1}{A }\cdot \hspace{-0.15cm} \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x( t )\, {\rm d}t.}$$}}
 
:$$\Delta t = \frac{1}{A }\cdot \hspace{-0.15cm} \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x( t )\, {\rm d}t.}$$}}
  
  
Der Gaußimpuls&nbsp; $x(t)$&nbsp; weist folgende Eigenschaften auf $($siehe Grafik im&nbsp; $\text{Beispiel 1})$:
+
The Gaussian pulse&nbsp; $x(t)$&nbsp; has the following properties $($see graphic in&nbsp; $\text{Example 1})$:
*Die Zeitfunktion ist für alle Zeiten von&nbsp; $-\infty$&nbsp; bis&nbsp; $+\infty$&nbsp; existent und positiv.  
+
*The time function is for all times from&nbsp; $-\infty$&nbsp; to&nbsp; $+\infty$&nbsp; existent and positive.  
*Das bedeutet gleichzeitig:&nbsp; Die absolute Impulsdauer ist unendlich groß.
+
*This means simultaneously:&nbsp; The absolute impulse duration is infinite.
*Das Impulsmaximum&nbsp; $A$&nbsp; liegt bei $t = 0$.
+
*The pulse maximum&nbsp; $A$&nbsp; is $t = 0$.
*Bei&nbsp; $t = \pm \Delta t/2$&nbsp; ist der Impuls auf&nbsp; $\text{e}^{-\pi/4} \approx 0.456$&nbsp; des Maximums abgeklungen, und bei&nbsp; $t = \pm \Delta t$&nbsp; ist der Signalwert kleiner als&nbsp; $3.5 \cdot 10^{-6} \cdot A$.
+
*At&nbsp; $t = \pm \Delta t/2$&nbsp;, the impulse is decayed to &nbsp; $\text{e}^{-\pi/4} \approx 0.456$&nbsp; of the Maximum. And at&nbsp; $t = \pm \Delta t$&nbsp;, the signal value is less than&nbsp; $3.5 \cdot 10^{-6} \cdot A$.
*Die Spektralfunktion&nbsp; $X(f)$&nbsp; ist ebenfalls gaußförmig  und  hat sinngemäß gleiche Eigenschaften wie der gaußförmige Impuls&nbsp; $x(t)$:
+
*The  spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; is also gaussian and has the same properties as the gaussian pulse&nbsp; $x(t)$:
  
 
:$$X(f) = A  \cdot \Delta t \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {f \cdot \Delta t} \right)^2 }.$$
 
:$$X(f) = A  \cdot \Delta t \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {f \cdot \Delta t} \right)^2 }.$$
 
   
 
   
Auf der Seite&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Reziprozit.C3.A4tsgesetz_von_Zeitdauer_und_Bandbreite|Reziprozitätsgesetz]]&nbsp;  wird auf die Analogien von Zeitbereich und Frequenzbereich des Gaußimpulses detailliert eingegangen.
+
On the page&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Reziprozit.C3.A4tsgesetz_von_Zeitdauer_und_Bandbreite|reciprocity theorem]]&nbsp;  the analogies of time domain and frequency domain of the Gaussian pulse are discussed in detail.
  
Das folgende Beispiel verdeutlicht die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen dem Gaußimpuls&nbsp; $x(t)$&nbsp; und seinem Spektrum&nbsp; $X(f)$.
+
The following example illustrates the similarities and differences between the Gaussian pulse&nbsp; $x(t)$&nbsp; and its spectrum&nbsp; $X(f)$
  
  
[[File:P_ID559__Sig_T_3_2_S2_b_neu.png|right|frame|Gaußimpuls und zugehöriges Spektrum (Zahlenwertbeispiel)]]
+
[[File:P_ID559__Sig_T_3_2_S2_b_neu.png|right|frame|Gaussian Pulse and Its Spectrum (Numerical Values)]]
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;
Der Ausgangsleistungsimpuls&nbsp; $x(t)$&nbsp; eines Lasers für die digitale optische Übertragung kann im äquivalenten Tiefpassbereich mit guter Näherung als gaußförmig angenommen werden.
+
The output power pulse&nbsp; $x(t)$&nbsp; of a laser for digital optical transmission can be assumed to be Gaussian in the equivalent low pass range with good approximation.
  
Die Signalparameter seien&nbsp; $A = 1 \,\text{mW}$&nbsp; und&nbsp; $\Delta t =1 \,\text{ns}$.  
+
Let the signal parameters be&nbsp; $A = 1 \,\text{mW}$&nbsp; and&nbsp; $\Delta t =1 \,\text{ns}$.  
  
 
Damit erhält man im Spektralbereich die vergleichbaren Kenngrößen:
 
Damit erhält man im Spektralbereich die vergleichbaren Kenngrößen:
 
* das Maximum&nbsp; $X_0 = X(f=0) = A \cdot \Delta t = 10^{-12} \,\text{W/Hz}$,
 
* das Maximum&nbsp; $X_0 = X(f=0) = A \cdot \Delta t = 10^{-12} \,\text{W/Hz}$,
*die äquivalente Bandbreite&nbsp; $\Delta f = 1/\Delta t = 1 \,\text{GHz}$.  
+
*the equivalent bandwidth&nbsp; $\Delta f = 1/\Delta t = 1 \,\text{GHz}$.  
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Theoretisch erstreckt sich das absolute Frequenzband bis ins Unendliche. Allerdings ist bei&nbsp; $f = 2 \cdot \Delta f = 2\,\text{GHz}$&nbsp; die Spektralfunktion gegenüber ihrem Maximum schon um den Faktor&nbsp; $3.5 \cdot 10^{-6}$&nbsp; abgeklungen.}}
+
Theoretically, the absolute frequency band extends to infinity. However, at&nbsp; $f = 2 \cdot \delta f = 2\,\text{GHz}$&nbsp; the spectral function is already reduced by the factor&nbsp; $3.5 \cdot 10^{-6}$&nbsp; compared to its maximum.}
  
  
Wir möchten Sie auf zwei interaktive Applets zu dieser Thematik aufmerksam machen, mit denen Sie sich die Zeit– und Frequenzbereichsdarstellungen von Gaußimpuls, Rechteckimpuls, Dreieckimpuls, Trapezimpuls und Cosinus–Rolloff–Impuls  bzw. die vergleichbaren Größen eines LZI&ndash;Systems parametrisiert anzeigen lassen:
+
We would like to draw your attention to two interactive applets on this topic with which you can display the time and frequency domain representations of the Gaussian pulse, rectangular pulse, triangular pulse, trapezoidal pulse and cosine rolloff pulse or the comparable quantities of an LZI&ndash;system parameterized:
*[[Applets:Impulse_und_Spektren|Impulse und Spektren]]
+
*[[Applets:Impulse_und_Spektren|Pulses and Spectra]]
*[[Applets:Frequenzgang_und_Impulsantwort|Frequenzgang und  Impulsantwort]]
+
*[[Applets:Frequenzgang_und_Impulsantwort|Frequency Response and Impulse Response]]
  
  
Ebenso ist die Darstellung der so genannten „dualen Korrespondenzen” möglich.
+
It is also possible to display the so-called "dual correspondences".
  
  
==Diracimpuls==
+
==Dirac Delta Pulse==
 
<br>
 
<br>
Im Kapitel&nbsp; [[Signal_Representation/General_Description|Periodische Signale]]&nbsp; wurde die&nbsp; ''Diracfunktion''&nbsp; bereits zur Beschreibung des Spektrums eines Gleichsignals oder einer harmonischen Schwingung verwendet.  
+
In the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/General_Description|Periodic Signals]]&nbsp; the&nbsp; ''Dirac Function''&nbsp; was already used to describe the spectrum of a DC signal or a harmonic oscillation.  
  
In der Nachrichtentechnik ist es aber auch üblich und äußerst vorteilhaft, kurzfristige impulsartige Vorgänge mit Hilfe dieser mathematischen Funktion im Zeitbereich zu beschreiben und zu analysieren.
+
However, in communications engineering it is also common and extremely advantageous to describe and analyze short-term impulse-like processes with the help of this mathematical function in the time domain.
  
[[File:Sig_T_3_2_S3_version3.png|right|frame|Diracimpuls und zugehöriges Spektrum]]
+
[[File:Sig_T_3_2_S3_version3.png|right|frame|Dirac Pulse and Corresponding Spectrum]]
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
Man bezeichnet als&nbsp; '''Diracimpuls'''&nbsp; den Zeitverlauf
+
One calls as&nbsp; '''Diracimpuls'''&nbsp; the time response
 
:$$x(t) = X_0 \cdot \delta (t),$$
 
:$$x(t) = X_0 \cdot \delta (t),$$
 
   
 
   
der wie folgt charakterisiert werden kann (siehe Skizze):
+
which can be characterised as follows (see plot):
*Der Diracimpuls ist unendlich schmal &nbsp; &rArr; &nbsp; es gilt&nbsp; $x(t)$ = 0&nbsp; für&nbsp; $t \neq 0$&nbsp; und zum Zeitpunkt $t = 0$ ist der Diracimpuls unendlich hoch.
+
*The Dirac-pulse is infinitely narrow &nbsp; &rArr; &nbsp; it holds&nbsp; $x(t)$ = 0&nbsp; for&nbsp; $t \neq 0$&nbsp; and at time $t = 0$ the Dirac-pulse is infinitely high.
*Beschreibt&nbsp; $x(t)$&nbsp; einen Spannungsverlauf, so hat das Impulsgewicht&nbsp; $X_0$&nbsp; die Einheit „Vs” (also die Einheit „V/Hz” einer Spektralfunktion), da&nbsp; $\delta (t)$&nbsp; selbst die Einheit „1/s” besitzt.
+
*I f&nbsp; $x(t)$&nbsp;describes a voltage curve, so the pulse weight&nbsp; $X_0$&nbsp; has the unit "Vs" (i.e. the unit "V/Hz" of a spectral function), since&nbsp; $\delta (t)$&nbsp; itself has the unit "1/s".
*Die Spektralfunktion des Diracimpulses beinhaltet alle Frequenzen&nbsp; $f$&nbsp; gleichermaßen: &nbsp;  
+
*The spectral function of the Dirac impulse includes all frequencies&nbsp; $f$&nbsp; equally: &nbsp;  
 
:$$X(f) = X_0 = \rm const.$$}}
 
:$$X(f) = X_0 = \rm const.$$}}
  
  
Die hier genannten Eigenschaften sind im Lernvideo&nbsp; [[Herleitung_und_Visualisierung_der_Diracfunktion_(Lernvideo)|Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion]]&nbsp; zusammenfassend dargestellt.
+
The properties mentioned here are shown in the german learning video&nbsp; [[Herleitung_und_Visualisierung_der_Diracfunktion_(Lernvideo)|Derivation and Visualisation of the Dirac Function]]&nbsp;.
  
[[File:P_ID561__Sig_T_3_2_S3b_neu.png|right|frame|Zur Bedeutung des Diracimpulses]]
+
[[File:P_ID561__Sig_T_3_2_S3b_neu.png|right|frame|On The Significance of The Dirac Pulse]]
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Wir betrachten ein
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; We consider a
Netzwerk mit Tiefpass&ndash;Charakteristik und sehr niedriger Grenzfrequenz&nbsp; $f_{\rm G} = 10\,\text{ kHz}$. Das Ausgangssignal&nbsp; $y(t)$&nbsp; ändert sich (nahezu) nicht, wenn eines der skizzierten Signale&nbsp; $x_1(t)$,&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; oder&nbsp; $x_3(t)$&nbsp; an den Eingang angelegt wird.
+
Network with low pass&ndash;characteristic and very low cutoff frequency&nbsp; $f_{\rm G} = 10\,\text{ kHz}$. The output signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; does not (almost) change when one of the sketched signals&nbsp; $x_1(t)$,&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; or&nbsp; $x_3(t)$&nbsp; is applied to the input.
  
Dieses Ergebnis kann wie folgt interpretiert werden:
+
This result can be interpreted as follows:
*Da bei&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; und&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; die äquivalenten Impulsdauern jeweils gleich sind&nbsp; $(\Delta t = 1\, &micro;\text{s})$&nbsp; und diese sehr viel kleiner ist als&nbsp; $1/f_{\rm G} = 100 \, &micro;\text{s}$, hat die tatsächliche Impulsform (Rechteck oder Dreieck) nur einen untergeordneten Einfluss auf das Ausgangssignal&nbsp; $y(t)$.
+
equivalent pulse durations are the same in each case&nbsp; $(\Delta t = 1\, &micro;\text{s})$&nbsp; and this is much smaller than&nbsp; $1/f_{\rm G} = 100 \, &micro;\text{s}$, the actual pulse shape (rectangle or triangle) has only a minor influence on the output signal&nbsp; $y(t)$.
*Beide Eingangsimpulse – sowohl das Rechteck&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; als auch das Dreieck&nbsp; $x_2(t)$ – kann man durch den Diracimpuls&nbsp; $x_3(t)$&nbsp; annähern.  
+
*Both the rectangle&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and the triangle&nbsp; $x_2(t)$ - can be approximated by the diraculse&nbsp; $x_3(t)$&nbsp;.  
*Das Impulsgewicht&nbsp; $X_0 = 6 · 10^{-6}\, \text{Vs}$&nbsp; muss dabei gleich den Impulsflächen von&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; und&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; sein. Voraussetzung für diese Näherung ist allerdings eine hinreichend kleine Grenzfrequenz. Bei&nbsp; $f_{\rm G} = 10 \, \text{MHz}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $1/f_{\rm G} = 100 \, \text{ns}$&nbsp; wäre diese Vereinfachung dagegen nicht erlaubt.
+
*The impulse weight&nbsp; $X_0 = 6 - 10^{-6}\, \text{Vs}$&nbsp; must be equal to the impulse areas of&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp;. However, a sufficiently small cutoff frequency is required for this approximation. With&nbsp; $f_{\rm G} = 10 \, \text{MHz}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $1/f_{\rm G} = 100 \, \text{ns}$&nbsp; this simplification would not be permitted.
*Auch wenn der Diracimpuls gleich hoch wie die beiden anderen Impulse gezeichnet ist, so hat er zum Zeitpunkt&nbsp; $t = 0$&nbsp; trotzdem einen unendlich großen Wert.  
+
*Even if the Dirac-pulse is drawn with the same height as the other two pulses, it still has an infinite value at the time&nbsp; $t = 0$&nbsp;.  
*Beim Diracimpuls ist immer die Impulsfläche („Impulsgewicht”) angegeben. Diese unterscheidet sich gegenüber den anderen Impulsamplituden bereits in der Einheit&nbsp; (zum Beispiel „Vs” anstelle von „V”).}}
+
*The pulse area ("pulse weight") is always specified for the Dirac impulse. This differs from the other pulse amplitudes already in the unit&nbsp; (for example "Vs" instead of "V").}}
  
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the Chapter==
  
 
[[Aufgaben:Exercise 3.3: From The Signal to the Spectrum|Exercise 3.3: From The Signal to the Spectrum]]
 
[[Aufgaben:Exercise 3.3: From The Signal to the Spectrum|Exercise 3.3: From The Signal to the Spectrum]]

Revision as of 17:14, 2 November 2020

Rectangular Pulse


Rectangle Pulse and Its Spectrum

One speaks of a  'rectangle-pulse, if the following applies for the time domain:

$$x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}A \\ A /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} t\hspace{0.05cm} \right| < T/2,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| = T/2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| > T/2.} \\ \end{array}$$

  $A$  denotes the amplitude of the pulse and  $T$  the pulse duration.


The corresponding spectral function  $X(f)$  is obtained by using the  first Fourier integral:

$$X(f) = \int_{ - T/2}^{+T/2} {A \cdot {\rm e}^{ -{\rm j}2\pi ft}\, {\rm d}t = A }\cdot \int_{ - T/2}^{+T/2} {\cos ( {2\pi}ft )\,{\rm d}t - {\rm j} \cdot A} \int_{ - T/2}^{+T/2} {\sin ( {2\pi ft} )}\,{\rm d}t .$$
  • Here the integration limits  $\pm T/2$ take into account that  $x(t)$  is identical to zero outside the interval from  $-T/2$  to  $+T/2$  .
  • The second integral disappears due to the odd integrand and you get
$$X(f) = \frac{A \cdot \sin \left( {\pi fT} \right)}{\pi f}.$$

$\text{Definition:}$  For abbreviation we define the following function and call it  si-function  or also as  splitting function:

$${\rm si}\hspace{-0.08cm}\left( x \right) = \sin \left( x \right)/x.$$


By extending the numerator and denominator each with  $T$  one can also write for the spectral function of the rectangular pulse:

$$X( f ) = A \cdot T \cdot {\rm si}\hspace{-0.08cm}\left( {\pi fT} \right).$$

As the graphic shows,  $X(f)$  has the following properties:

  • The maximum is at frequency  $f=0$  and has the value  $A \cdot T$  (area of the rectangle).
  • For the frequencies  $f_n = n/T$  with  $n = ±1, ±2, ±3,\text{ ...} $  has the spectrum zeroes:
$$X( {f = f_n } ) = 0.$$
  • The following constraint applies to the magnitude spectrum:
$$\left| {X( f )} \right| \le \frac{A}{\pi \cdot \left| f \right|}.$$


Gaussian Pulse


Another example of an aperiodic signal is the  Gaussian pulse  with the time

$$x(t) = A \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {t/\Delta t} \right)^2 } .$$

This pulse is described by two parameters, namely

  • the pulse amplitude  $A$, and
  • the equivalent pulse duration  $\Delta t$.


$\text{Definition:}$  The term  equivalent pulse duration  is generally used to describe the duration of a rectangular pulse with the same amplitude and area as the given pulse-shaped signal  $x(t)$:

$$\Delta t = \frac{1}{A }\cdot \hspace{-0.15cm} \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x( t )\, {\rm d}t.}$$


The Gaussian pulse  $x(t)$  has the following properties $($see graphic in  $\text{Example 1})$:

  • The time function is for all times from  $-\infty$  to  $+\infty$  existent and positive.
  • This means simultaneously:  The absolute impulse duration is infinite.
  • The pulse maximum  $A$  is $t = 0$.
  • At  $t = \pm \Delta t/2$ , the impulse is decayed to   $\text{e}^{-\pi/4} \approx 0.456$  of the Maximum. And at  $t = \pm \Delta t$ , the signal value is less than  $3.5 \cdot 10^{-6} \cdot A$.
  • The spectral function  $X(f)$  is also gaussian and has the same properties as the gaussian pulse  $x(t)$:
$$X(f) = A \cdot \Delta t \cdot {\rm e}^{ - \pi \left( {f \cdot \Delta t} \right)^2 }.$$

On the page  reciprocity theorem  the analogies of time domain and frequency domain of the Gaussian pulse are discussed in detail.

The following example illustrates the similarities and differences between the Gaussian pulse  $x(t)$  and its spectrum  $X(f)$


Gaussian Pulse and Its Spectrum (Numerical Values)

{{GraueBox|TEXT= $\text{Example 1:}$  The output power pulse  $x(t)$  of a laser for digital optical transmission can be assumed to be Gaussian in the equivalent low pass range with good approximation.

Let the signal parameters be  $A = 1 \,\text{mW}$  and  $\Delta t =1 \,\text{ns}$.

Damit erhält man im Spektralbereich die vergleichbaren Kenngrößen:

  • das Maximum  $X_0 = X(f=0) = A \cdot \Delta t = 10^{-12} \,\text{W/Hz}$,
  • the equivalent bandwidth  $\Delta f = 1/\Delta t = 1 \,\text{GHz}$.


Theoretically, the absolute frequency band extends to infinity. However, at  $f = 2 \cdot \delta f = 2\,\text{GHz}$  the spectral function is already reduced by the factor  $3.5 \cdot 10^{-6}$  compared to its maximum.}


We would like to draw your attention to two interactive applets on this topic with which you can display the time and frequency domain representations of the Gaussian pulse, rectangular pulse, triangular pulse, trapezoidal pulse and cosine rolloff pulse or the comparable quantities of an LZI–system parameterized:


It is also possible to display the so-called "dual correspondences".


Dirac Delta Pulse


In the chapter  Periodic Signals  the  Dirac Function  was already used to describe the spectrum of a DC signal or a harmonic oscillation.

However, in communications engineering it is also common and extremely advantageous to describe and analyze short-term impulse-like processes with the help of this mathematical function in the time domain.

Dirac Pulse and Corresponding Spectrum

$\text{Definition:}$  One calls as  Diracimpuls  the time response

$$x(t) = X_0 \cdot \delta (t),$$

which can be characterised as follows (see plot):

  • The Dirac-pulse is infinitely narrow   ⇒   it holds  $x(t)$ = 0  for  $t \neq 0$  and at time $t = 0$ the Dirac-pulse is infinitely high.
  • I f  $x(t)$ describes a voltage curve, so the pulse weight  $X_0$  has the unit "Vs" (i.e. the unit "V/Hz" of a spectral function), since  $\delta (t)$  itself has the unit "1/s".
  • The spectral function of the Dirac impulse includes all frequencies  $f$  equally:  
$$X(f) = X_0 = \rm const.$$


The properties mentioned here are shown in the german learning video  Derivation and Visualisation of the Dirac Function .

On The Significance of The Dirac Pulse

$\text{Example 2:}$  We consider a Network with low pass–characteristic and very low cutoff frequency  $f_{\rm G} = 10\,\text{ kHz}$. The output signal  $y(t)$  does not (almost) change when one of the sketched signals  $x_1(t)$,  $x_2(t)$  or  $x_3(t)$  is applied to the input.

This result can be interpreted as follows: equivalent pulse durations are the same in each case  $(\Delta t = 1\, µ\text{s})$  and this is much smaller than  $1/f_{\rm G} = 100 \, µ\text{s}$, the actual pulse shape (rectangle or triangle) has only a minor influence on the output signal  $y(t)$.

  • Both the rectangle  $x_1(t)$  and the triangle  $x_2(t)$ - can be approximated by the diraculse  $x_3(t)$ .
  • The impulse weight  $X_0 = 6 - 10^{-6}\, \text{Vs}$  must be equal to the impulse areas of  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$ . However, a sufficiently small cutoff frequency is required for this approximation. With  $f_{\rm G} = 10 \, \text{MHz}$   ⇒   $1/f_{\rm G} = 100 \, \text{ns}$  this simplification would not be permitted.
  • Even if the Dirac-pulse is drawn with the same height as the other two pulses, it still has an infinite value at the time  $t = 0$ .
  • The pulse area ("pulse weight") is always specified for the Dirac impulse. This differs from the other pulse amplitudes already in the unit  (for example "Vs" instead of "V").


Exercises for the Chapter

Exercise 3.3: From The Signal to the Spectrum

Exercise 3.3Z: Rectangular- and Dirac Pulse