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Frequenzgang und Impulsantwort

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Programmbeschreibung


Dargestellt werden impulsförmige symmetrische Zeitsignale   ⇒   „Impulse” x(t) und die dazugehörigen Spektralfunktionen X(f), nämlich

  • Gaußimpuls (englisch: Gaussian pulse),
  • Rechteckimpuls (englisch: Rectangular pulse),
  • Dreieckimpuls (englisch: Triangular pulse),
  • Trapezimpuls (englisch: Trapezoidal pulse),
  • Cosinus–Rolloff–Impuls (englisch: Cosine-rolloff pulse).


Das aufzurufende Applet verwendet die englischen Begriffe im Gegensatz zu dieser deutschen Beschreibung. Die englische Beschreibung finden Sie unter Englische Version: Frequency response & Pulse response.


Weiter ist zu beachten:

  • Die Funktionen x(t) bzw. X(f) werden für bis zu zwei Parametersätzen in jeweils einem Diagramm dargestellt.
  • Die roten Kurven und Zahlenangaben gelten für den linken Parametersatz, die blauen für den rechten Parametersatz.
  • Die Abszissen t (Zeit) und f (Frequenz) sowie die Ordinaten x(t) (Signalwerte) bzw. X(f) (Spektralwerte) sind jeweils normiert.


Beispiel:  Stellt man einen Rechteckimpuls mit Amplitude A1=1 und äquivalenter Impulsdauer Δt1=1 ein, so ist x1(t) im Bereich 0.5<t<+0.5 gleich 1 und außerhalb dieses Bereichs gleich 0. Die Spektralfunktion X1(f) verläuft si–förmig mit X1(f=0)=1 und der ersten Nullstelle bei f=1.

Soll mit dieser Einstellung ein Rechteckimpuls mit A=K=3 V und Δt=T=2 ms nachgebildet werden, dann sind alle Signalwerte mit K=3 V und alle Spektralwerte mit KT=0.006 V/Hz zu multiplizieren. Der maximale Spektralwert ist dann X(f=0)=0.006 V/Hz und die erste Nullstelle liegt bei f=1/T=0.5 kHz.


Theoretischer Hintergrund


Frequenzgang H(f) und Impulsantwort h(t)

  • Der Frequenzgang (oder auch die Übertragungsfunktion eines linearen zeitinvarianten Übertragungssystems H(f) gibt das Verhältnis zwischen Zusammenhang zwischen Zeitfunktion x(t) und dem dem Eingangsspektrum X(f) an:
H(f)=Y(f)X(f).
  • Ist das Übertragungsverhalten bei tiefen Frequenzen besser als bei höheren, so spricht man von einem Tiefpass (englisch: Low-pass Filter).
  • Die Eigenschaften von H(f) werden im Zeitbereich durch die Impulsantwort h(t) ausgedrückt. Entsprechend dem zweiten Fourierintegral gilt:
h(t)=IFT[H(f)]=+H(f)e+j2πftdfIFT:Inverse Fouriertransformation.
H(f)=FT[h(t)]=+h(t)ej2πftdtFT: Fouriertransformation.
  • In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen. Somit gilt:
h(t)=+H(f)cos(2πft)df     H(f)=+h(t)cos(2πft)dt.
  • BeieinemVierpolX(f)undY(f)habengleicheEinheitenistY(f)dimensionslos.DieEinheitderImpulsantwortist\rm 1/s.Esgiltzwar\rm 1/s = 1 \ Hz, aber die Einheit &Hertz” ist in diesem Zusammenhang unüblich. *Der Zusammenhang zwischen diesem Modul „Frequenzgang & Impulsantwort”  und dem ähnlich aufgebauten Applet [[Applets:Impulse_und_Spektren]] basiert auf dem [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Vertauschungssatz|Vertauschungssatz]]. *Alle Zeiten sind auf eine NormierungszeitTnormiertundalleFrequenzenauf1/T \RightarrowdieSpektralwerteX(f)müssennochmitderNormierungszeitT multipliziert werden. <div class="greybox"> \text{Beispiel:}  Stellt man einen Rechteckimpuls mit Amplitude A_1 = 1 und äquivalenter Impulsdauer \Delta t_1 = 1 ein, so ist x_1(t) im Bereich -0.5 < t < +0.5 gleich 1 und außerhalb dieses Bereichs gleich 0. Die Spektralfunktion X_1(f) verläuft si–förmig mit X_1(f= 0) = 1 und der ersten Nullstelle bei f=1. Soll mit dieser Einstellung ein Rechteckimpuls mit A = K = 3 \ \rm V und \Delta t = T = 2 \ \rm ms nachgebildet werden, dann sind alle Signalwerte mit K = 3 \ \rm V und alle Spektralwerte mit K \cdot T = 0.006 \ \rm V/Hz zu multiplizieren. Der maximale Spektralwert ist dann X(f= 0) = 0.006 \ \rm V/Hz und die ersteNullstelle liegt bei f=1/T = 0.5 \ \rm kHz. <div style="clear:both;"> </div> </div> ==='"`UNIQ--h-4--QINU`"'Gauß–Tiefpass   \Rightarrow   Gaussian Low–pass === *Die Zeitfunktion des Gaußimpulses mit der Höhe K und der (äquivalenten) Dauer \Delta t lautet: :'"`UNIQ-MathJax6-QINU`"' *Die äquivalente Zeitdauer \Delta t ergibt sich aus dem flächengleichen Rechteck. *Der Wert bei t = \Delta t/2 ist um den Faktor 0.456 kleiner als der Wert bei t=0. *Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation: :'"`UNIQ-MathJax7-QINU`"' *Je kleiner die äquivalente Zeitdauer \Delta t ist, um so breiter und niedriger ist das Spektrum   ⇒   [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Reziprozit.C3.A4tsgesetz_von_Zeitdauer_und_Bandbreite|Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer]]. *Sowohl x(t) als auch X(f) sind zu keinem f- bzw. t-Wert exakt gleich Null. *Für praktische Anwendungen kann der Gaußimpuls jedoch in Zeit und Frequenz als begrenzt angenommen werden. Zum Beispiel ist x(t) bereits bei t=1.5 \Delta t auf weniger als 0.1\% des Maximums abgefallen. ==='"`UNIQ--h-5--QINU`"'Idealer (rechteckförmiger) Tiefpass   \Rightarrow   Rectangular Low–pass === *Die Zeitfunktion des Rechteckimpulses mit der Höhe K und der (äquivalenten) Dauer \Delta t lautet: :'"`UNIQ-MathJax8-QINU`"' *Der \pm \Delta t/2–Wert liegt mittig zwischen links- und rechtsseitigem Grenzwert. *Für die Spektralfunktion erhält man entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation (1. Fourierintegral): :'"`UNIQ-MathJax9-QINU`"' *Der Spektralwert bei f=0 ist gleich der Rechteckfläche der Zeitfunktion. *Die Spektralfunktion besitzt Nullstellen in äquidistanten Abständen 1/\Delta t. *Das Integral über der Spektralfunktion X(f) ist gleich dem Signalwert zum Zeitpunkt t=0, also der Impulsamplitude K. ==='"`UNIQ--h-6--QINU`"'Dreieck–Tiefpass \Rightarrow Triangular Low–pass=== *Die Zeitfunktion des Dreieckimpulses mit der Höhe K und der (äquivalenten) Dauer \Delta t lautet: :'"`UNIQ-MathJax10-QINU`"' *Die absolute Zeitdauer ist 2 \cdot \Delta t; diese ist doppelt so groß als die des Rechtecks. *Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation: :'"`UNIQ-MathJax11-QINU`"' *Obige Zeitfunktion ist gleich der Faltung zweier Rechteckimpulse, jeweils mit Breite \Delta t *Daraus folgt: X(f) beinhaltet anstelle der {\rm si}-Funktion die {\rm si}^2-Funktion. *X(f) weist somit ebenfalls Nullstellen im äquidistanten Abständen 1/\Delta f auf. *Der asymptotische Abfall von X(f) erfolgt hier mit 1/f^2, während zum Vergleich der Rechteckimpuls mit 1/f abfällt. ==='"`UNIQ--h-7--QINU`"'Trapez–Tiefpass   \Rightarrow   Trapezoidal Low–pass === Die Zeitfunktion des Trapezimpulses mit der Höhe K und den Zeitparametern t_1 und t_2 lautet: :'"`UNIQ-MathJax12-QINU`"' *Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt: \Delta t = t_1+t_2. *Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit: :'"`UNIQ-MathJax13-QINU`"' *Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteckimpuls der Sonderfall r=1 dem Dreieckimpuls. *Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation: :'"`UNIQ-MathJax14-QINU`"' *Der asymptotische Abfall von X(f) liegt zwischen 1/f (für Rechteck, r=0) und 1/f^2 (für Dreieck, r=1). ==='"`UNIQ--h-8--QINU`"'Cosinus-Rolloff-Tiefpass   \Rightarrow   Cosine-rolloff Low–pass === Die Zeitfunktion des Cosinus-Rolloff-Impulses mit der Höhe K und den Zeitparametern t_1 und t_2 lautet: :'"`UNIQ-MathJax15-QINU`"' *Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt: \Delta t = t_1+t_2. *Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit: :'"`UNIQ-MathJax16-QINU`"' *Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteckimpuls der Sonderfall r=1 dem Cosinus-Quadrat-Impuls . *Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation: :'"`UNIQ-MathJax17-QINU`"' *Je größer der Rolloff-Faktor r ist, desto schneller nimmt X(f) asymptotisch mit f ab. ==='"`UNIQ--h-9--QINU`"'Cosinus-Quadrat-Tiefpass === *Dies ist ein Sonderfall des Cosinus-Rolloff-Impulses und ergibt sich für r=1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}t_1=0, t_2= \Delta t: :'"`UNIQ-MathJax18-QINU`"' *Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation: :'"`UNIQ-MathJax19-QINU`"' *Wegen der letzten {\rm si}-Funktion ist X(f)=0 für alle Vielfachen von F=1/\Delta t. Die äquidistanten Nulldurchgänge des Cos-Rolloff-Impulses bleiben erhalten. *Aufgrund des Klammerausdrucks weist X(f) nun weitere Nulldurchgänge bei f=\pm1.5 F, \pm2.5 F, \pm3.5 F, ... auf. *Für die Frequenz f=\pm F/2 erhält man die Spektralwerte K\cdot \Delta t/2. *Der asymptotische Abfall von X(f) verläuft in diesem Sonderfall mit 1/f^3. =='"`UNIQ--h-10--QINU`"'Vorschlag für die Versuchsdurchführung== <br> „Rot” bezieht sich stets auf den ersten Parametersatz   ⇒   x_1(t) \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ X_1(f) und „Blau” den zweiten   ⇒   x_2(t) \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ X_2(f). <div class="bluebox"> '''(1)'''   Vergleichen Sie den '''roten Gauß–Tiefpass''' (K_1 = 1, \Delta f_1 = 1) mit dem '''blauen Rechteck–Tiefpass''' (K_1 = 1, \Delta f_1 = 1)   ⇒   Voreinstellung. und beantworten Sie folgende Fragen:<br> '''(a)'''   Welche Signale y(t) treten am Ausgang der Tiefpässe auf, wenn am Eingang das Signal x(t) = 2 \cdot \cos (2\pi f_0 t -\varphi_0) mit f_0 = 0.5 anliegt? '''(b)'''   Welche Unterschiede ergeben sich f_0 = 0.5 \pm f_\varepsilon mit f_\varepsilon \ne 0, \ f_\varepsilon \to 0 bei beiden Tiefpässen? <div style="clear:both;"> </div> </div> '''(a)''' In beiden Fällen gilt y(t) = A \cdot \cos (2\pi f_0 t -\varphi_0) mit A = 2 \cdot H(f = f_0) \ \Rightarrow \ A_1 = 0.912, A_2 = 1.000. Die Phase \varphi_0 bleibt erhalten. '''(b)''' Beim Gauß–Tiefpass gilt weiterhin A_1 = 0.912. Beim Rechteck–Tiefpass ist A_2 = 0 für f_0 = 0.5000\text{...}001 und A_2 = 2 für f_0 = 0.4999\text{...}999. <div class="bluebox"> '''(2)'''   Lassen Sie die Einstellungen unverändert. Welcher Tiefpass kann das [[Digitalsignalübertragung/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#Erstes_Nyquistkriterium_im_Zeitbereich|erste Nyquistkriterium]] oder das [[Digitalsignalübertragung/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#Zweites_Nyquistkriterium|zweite Nyquistkriterium]] erfüllen, wenn H(f) den Gesamtfrequenzgang von Sender, Kanal und Empfangsfilter bezeichnet. <div style="clear:both;"> </div> </div> *Um das erste Nyquistkriterium zu erfüllen, muss die Impulsantwort h(t) äquidistante Nulldurchgänge bei Vielfachen der (normierten) Zeit t = 1, 2, ... aufweisen. Die Impulsantwort h(t) = {\rm si}(\pi f/\Delta f) des Rechteck–Tiefpasses erfüllt dieses Kriterium mit \Delta f = 1. Dagegen ist beim Gauß–Tiefpass das erste Nyquistkriterium nie erfüllt und es kommt immer zu [[Digitalsignalübertragung/Ursachen_und_Auswirkungen_von_Impulsinterferenzen|Impulsinterferenzen]]. *Das zweite Nyquistkriterium erfüllt der Rechteck–Tiefpass dagegen nicht. h(t)[[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Reziprozit.C3.A4tsgesetz_von_Zeitdauer_und_Bandbreite|Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer]]. Je größer die äquivalente Impulsdauer \Delta t_2 ist, um so höher und schmäler ist die Spektralfunktion X_2(f). *Da bei jeder Einstellung von \Delta t_2 die Zeitsignalwerte bei t=0 von x_1(t) und x_2(t) sind auch die Integrale über X_1(f) und X_2(f) identisch. <div class="bluebox"> '''(3)'''   Vergleichen Sie den '''roten Trapez–Tiefpass''' (K_1 = 1, \Delta f_1 = 1, r_1 = 0.5) mit dem '''blauen Rechteck–Tiefpass''' (K_1 = 1, \Delta f_1 = 1) und variieren Sie anschließend r_1 zwischen 0 und 1. '''(a)'''   Welche Signale y(t) treten am Ausgang der Tiefpässe auf, wenn am Eingang das Signal x(t) = 2 \cdot \cos (2\pi f_0 t -\varphi_0) mit f_0 = 0.5 anliegt? '''(b)'''   Welche Unterschiede ergeben sich f_0 = 0.5 \pm f_\varepsilon mit f_\varepsilon \ne 0, \ f_\varepsilon \to 0 bei beiden Tiefpässen? <div style="clear:both;"> </div> </div> <div class="bluebox"> '''(3)'''   Vergleichen Sie den '''roten Rechteckimpuls''' (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1) mit dem '''blauen Rechteckimpuls''' (A_2 = 1,\Delta t_2 = 0.5) und variieren Sie anschließend \Delta t_2 zwischen 0.05 und 2. Interpretieren Sie die dargestellten Graphen und extrapolieren Sie das Ergebnis. <div style="clear:both;"> </div> </div> *Mit \Delta t_2 = 0.5 ist X_2(f = 0) = X_1(f = 0) = 1. Das blaue Spektrum ist aber nun doppelt so breit, das heißt, dass sie erste Nullstelle von X_2(f) erst bei f =2 auftritt, während X_1(f) die x–Achse schon bei f =1 schneidet. *Verkleinert man \Delta t_2 immer mehr, so wird X_2(f) immer niedriger und breiter. Bei \Delta t_2 = 0.05 ist X_2(f = 0)= 0.1 und es ergibt sich ein sehr flacher Verlauf. Beispielsweise ist X_2(f = \pm 3)= 0.096. *Würde man \Delta t_2 = \varepsilon wählen (was bei dem Programm nicht möglich ist), so wäre im Grenzübergang \varepsilon \to 0 das Spektrum X_2(f)=2 \cdot \varepsilon (für A=2) bzw. X_2(f)=\varepsilon (für A=1) nahezu konstant, aber sehr klein. *Erhöht man dafür die Amplitude auf A=1/\varepsilon, so ergibt sich die konstante Spektralfunktion X_2(f) = 1 der [[Signaldarstellung/Gleichsignal_-_Grenzfall_eines_periodischen_Signals#Diracfunktion_im_Frequenzbereich|Diracfunktion]] \delta(t) (im Zeitbereich). *Das bedeutet, dass \delta(t) durch ein Rechteck der Breite \Delta t = \varepsilon \to 0 und der Höhe A = 1/\varepsilon \to \infty approximiert werden kann. Die Impulsfläche ist dann Eins, was dem Gewicht der Diracfunktion entspricht:   x(t) = 1 \cdot \delta (t). <div class="bluebox"> '''(4)'''   Vergleichen Sie den '''roten Rechteckimpuls''' (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1) mit dem '''blauen Dreieckimpuls''' (A_2 = 1,\Delta t_2 = 1) und interpretieren Sie deren Spektalfunktionen. <div style="clear:both;"> </div> </div> *Das (normierte) Spektrum des Rechteckimpulses x_1(t) mit den (normierte) Parametern A_1 = 1 und \Delta t_1 = 1 lautet X_1(f)= {\rm si}(\pi\cdot f). * Faltet man den Rechteckimpuls x_1(t) mit sich selbst, so kommt man zum Dreieckimpuls x_2(t) = x_1(t) \star x_1(t). Nach dem [[Signaldarstellung/Faltungssatz_und_Faltungsoperation#Faltung_im_Zeitbereich|Faltungssatz]] gilt dann X_2(f) = X_1(f) \cdot X_1(f) = X_1(f)^2 . *Durch das Quadrieren der \rm si–förmigen Spektralfunktion X_1(f) bleiben die Nullstellen in X_2(f) erhalten. Es gilt aber nun X_2(f) \ge 0. <div class="bluebox"> '''(5)'''   Vergleichen Sie den '''roten Trapezimpuls''' (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1, r_1 = 0.5) mit dem '''blauen Dreieckimpuls''' (A_2 = 1,\Delta t_2 = 1) und und variieren Sie r_1 zwischen 0 und 1. Interpretieren Sie die Spektalfunktion X_1(f). <div style="clear:both;"> </div> </div> *Der Trapezimpuls mit dem Rolloff-Faktor r= 0 ist identsisch mit dem Rechteckimpuls und das „normierte Spektrum” lautet: X_1(f)= {\rm si}(\pi\cdot f). *Der Trapezimpuls mit dem Rolloff-Faktor r= 1 ist identsisch mit dem Dreieckimpuls und das „normierte Spektrum” lautet: X_1(f)= {\rm si}^2(\pi\cdot f). *In beiden Fällen besitzt X_1(f) äquidistante Nulldurchgänge bei \pm 1, \pm 2, ... Sonst gibt es keine Nulldurchgänge. Mit 0 < r_1 < 1 gibt es dagegen zusätzliche Nulldurchgänge, deren Lagen von r_1 abhängen. <div class="bluebox"> '''(6)'''   Vergleichen Sie den '''roten Trapezimpuls''' (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1, r_1 = 0.5) mit dem '''blauen Cosinus-Rolloff-Impuls''' (A_2 = 1,\Delta t_2 = 1.0, r_1 = 0.5) und und variieren Sie r_2 zwischen 0 und 1. Interpretieren Sie die Spektalfunktion X_2(f) für r_2 = 0.7. <div style="clear:both;"> </div> </div> *Der Vergleich von Trapezimpuls x_1(t) und Cosinus-Rolloff-Impuls x_2(t) bei gleichem Rolloff-Faktor r= 0.5 zeigt, dass X_2(f) für f > 1 größere betragsmäßige Anteile besitzt als ist X_1(f). *Bei gleichem Rolloff-Faktor r_1 = r_2= 0.5 verläuft der Flankenabfall des Cosinus-Rolloff-Impulses x_2(t) um die Frequenz f = 0.5 steiler als der Flankenabfall des Trapezimpulses x_2(t). Mit r_1 = 0.5 und r_2 = 0.7 gilt x_1(t) \approx x_2(t) und damit auch X_1(f) \approx X_2(f). <div class="bluebox"> '''(7)'''   Vergleichen Sie den '''roten Trapezimpuls''' (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1, r_1 = 1) mit dem '''blauen Cosinus-Rolloff-Impuls''' (A_2 = 1,\Delta t_2 = 1.0, r_1 = 1). Interpretieren Sie die Funktionen x_1(t) und X_1(f). <div style="clear:both;"> </div> </div> *Es handelt sich bei x_1(t) = \cos^2(|t|\cdot \pi/2) \ \ \text{für} \ |t| \le 1 um den [[Applets:Impulse_und_Spektren#Cosinus-Quadrat-Impuls|Cosinus-Quadrat-Impuls]]. *Wegen \Delta t = 1 besitzt X_1(f) Nulldurchgänge bei \pm 1, \pm 2, ... *Weitere Nulldurchgänge gibt es bei f=\pm 1.5, \pm 2.5, \pm 3.5, ... , nicht jedoch bei \pm 0.5. *Für die Frequenz f=\pm 0.5 erhält man die Spektralwerte 0.5. *Der asymptotische Abfall von X_1(f) verläuft in diesem Sonderfall mit 1/f^3$.


Zur Handhabung des Programms


fehlt noch

Über die Autoren

Dieses interaktive Berechnungstool wurde am Lehrstuhl für Nachrichtentechnik der Technischen Universität München konzipiert und realisiert.

  • Die erste Version wurde 2005 von Ji Li im Rahmen ihrer Diplomarbeit mit „FlashMX–Actionscript” erstellt (Betreuer: Günter Söder und Klaus Eichin).
  • 2017 wurde „Impulse & Spektren” von David Jobst im Rahmen seiner Ingenieurspraxis (Betreuer: Tasnád Kernetzky) auf „HTML5” umgesetzt und neu gestaltet.

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