Frequenzgang und Impulsantwort

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Programmbeschreibung


Dargestellt werden reelle und symmetrische Tiefpässe H(f) und die dazugehörigen Impulsantworten h(t), nämlich

  • Gauß–Tiefpass (englisch: Gaussian low–pass),
  • Rechteck–Tiefpass (englisch: Rectangular low–pass),
  • Dreieck–Tiefpass (englisch: Triangular low–pass),
  • Trapez–Tiefpass (englisch: Trapezoidal low–pass),
  • Cosinus–Rolloff–Tiefpass (englisch: Cosine-rolloff low–pass),
  • Cosinus-Quadrat-Tiefpass (englisch: Cosine-rolloff -squared Low–pass).


Das aufzurufende Applet verwendet die englischen Begriffe im Gegensatz zu dieser deutschen Beschreibung.

Die englische Beschreibung finden Sie unter Englische Version: Frequency & Pulse response (ist derzeit noch nicht realisiert).


Weiter ist zu beachten:

  • Die Funktionen H(f) bzw. h(t) werden für bis zu zwei Parametersätzen in jeweils einem Diagramm dargestellt.
  • Die orangenfarbenen („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 H(f) und h(t) sind jeweils normiert.


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 dem Ausgangsspektrum Y(f) 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).
  • 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.
  • Bei einem Vierpol   ⇒   X(f) und Y(f) haben gleiche Einheiten]   ist Y(f) dimensionslos. Die Einheit der Impulsantwort ist 1/s. Es gilt zwar 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 Impulse und Spektren basiert auf dem Vertauschungssatz.
  • Alle Zeiten sind auf eine Normierungszeit T normiert und alle Frequenzen auf 1/T die Impulsantwortwerte h(t) müssen noch durch die Normierungszeit T dividiert werden.


Beispiel:  Stellt man einen Rechteck–Tiefpass mit Höhe K1=1 und äquivalenter Bandbreite Δf1=1 ein, so ist der Frequenzgang H1(f) im Bereich 1<f<1 gleich 1 und außerhalb dieses Bereichs gleich 0. Die Impulsantwort h1(t) verläuft si–förmig mit h1(t=0)=1 und der ersten Nullstelle bei t=1.

Mit dieser Einstellung soll nun ein Rechteck–Tiefpass mit K=1.5 und Δf=2 kHz nachgebildet werden, wobei wir die Normierungszeit T=1 ms. Dann liegt die erste Nullstelle bei t=0.5 ms und das Impulsantwortmaximum ist dann h(t=0)=3103 1/s.


Gauß–Tiefpass     Gaussian Low–pass

  • Der Gauß–Tiefpass lautet mit der Höhe K und der (äquivalenten) Bandbreite Δf:
H(f)=Keπ(f/Δf)2.
  • Die äquivalente Bandbreite Δf ergibt sich aus dem flächengleichen Rechteck.
  • Der Wert bei f=Δf/2 ist um den Faktor 0.456 kleiner als der Wert bei f=0.
  • Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
h(t)=KΔfeπ(tΔf)2.
  • Je kleiner Δf ist, um so breiter und niedriger ist die Impulsantwort   ⇒   Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer.
  • Sowohl H(f) als auch h(t) 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 h(t) bereits bei t=1.5Δt auf weniger als 0.1% des Maximums abgefallen.

Idealer (rechteckförmiger) Tiefpass     Rectangular Low–pass

  • Der Rechteck–Tiefpass lautet mit der Höhe K und der (äquivalenten) Bandbreite Δf:
H(f)={KK/20f¨urf¨urf¨ur|f|<Δf/2,|f|=Δf/2,|f|>Δf/2.
  • Der ±Δf/2–Wert liegt mittig zwischen links- und rechtsseitigem Grenzwert.
  • Für die Impulsantwort h(t) erhält man entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Fourierrücktransformation (2. Fourierintegral):
h(t)=KΔfsi(πΔft)mit si(x)=sin(x)/x.
  • Der h(t)–Wert bei t=0 ist gleich der Rechteckfläche des Frequenzgangs.
  • Die Impulsantwort besitzt Nullstellen in äquidistanten Abständen 1/Δf.
  • Das Integral über die Impulsantwort h(t) ist gleich dem Frequenzgang H(f) bei der Frequenz f=0, also gleich K.

Dreieck–Tiefpass Triangular Low–pass

  • Der Dreieck–Tiefpass lautet mit der Höhe K und der (äquivalenten) Bandbreite Δf:
H(f)={K(1|f|Δf)0f¨urf¨ur|f|<Δf,|f|Δf.
  • Die absolute physikalische Bandbreite B   ⇒   nur positive Frequenzen]   ist ebenfalls gleich Δf, also so groß wie beim Rechteck–Tiefpass.
  • Für die Impulsantwort h(t) erhält man gemäß der Fouriertransformation:
h(t)=KΔfsi2(πΔft)mit si(x)=sin(x)/x.
  • H(f) kann man als Faltung zweier Rechteckfunktionen (jeweils mit Breite Δf) darstellen.
  • Daraus folgt: h(t) beinhaltet anstelle der si-Funktion die si2-Funktion.
  • h(t) weist somit ebenfalls Nullstellen im äquidistanten Abständen 1/Δf auf.
  • Der asymptotische Abfall von h(t) erfolgt hier mit 1/t2, während zum Vergleich beim Rechteck–Tiefpass h(t) mit 1/t abfällt.


Trapez–Tiefpass     Trapezoidal Low–pass

Der Trapez–Tiefpass lautet mit der Höhe K und den Eckfrequenzen f1 und f2:

H(f)={KKf2|f|f2f10f¨urf¨urf¨ur|f|f1,f1|f|f2,|f|f2.
  • Für die äquivalente Bandbreite (flächengleiches Rechteck) gilt: Δf=f1+f2.
  • Der Rolloff-Faktor (im Frequenzbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
r=f2f1f2+f1.
  • Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteck–Tiefpass und der Sonderfall r=1 dem Dreieck–Tiefpass.
  • Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
h(t)=KΔfsi(πΔft)si(πrΔft)mit si(x)=sin(x)/x.
  • Der asymptotische Abfall von h(t) liegt zwischen 1/t (für Rechteck–Tiefpass oder r=0) und 1/t2 (für Dreieck–Tiefpass oder r=1).


Cosinus-Rolloff-Tiefpass     Cosine-rolloff Low–pass

Der Cosinus–Rolloff–Tiefpass lautet mit der Höhe K und den Eckfrequenzen f1 und f2:

H(f)={KKcos2(|f|f1f2f1π2)0f¨urf¨urf¨ur|f|f1,f1|f|f2,|f|f2.
  • Für die äquivalente Bandbreite (flächengleiches Rechteck) gilt: Δf=f1+f2.
  • Der Rolloff-Faktor (im Frequenzbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
r=f2f1f2+f1.
  • Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteck–Tiefpass der Sonderfall r=1 dem Cosinus-Quadrat-Tiefpass.
  • Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
h(t)=KΔfcos(πrΔft)1(2rΔft)2si(πΔft).
  • Je größer der Rolloff-Faktor r ist, desto schneller nimmt h(t) asymptotisch mit t ab.


Cosinus-Quadrat-Tiefpass     Cosine-rolloff -squared Low–pass

  • Dies ist ein Sonderfall des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses und ergibt sich aus diesem für r=1f1=0,f2=Δf:
H(f)={Kcos2(|f|π2Δf)0f¨urf¨ur|f|<Δf,|f|Δf.
  • Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
h(t)=KΔfπ/4[si(π(Δft+0.5))+si(π(Δft0.5))]si(πΔft).
  • Wegen der letzten si-Funktion ist h(t)=0 für alle Vielfachen von T=1/Δf   ⇒   Die äquidistanten Nulldurchgänge des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses bleiben erhalten.
  • Aufgrund des Klammerausdrucks weist h(t) nun weitere Nulldurchgänge bei t=±1.5T, ±2.5T, ±3.5T, ... auf.
  • Für t=±T/2 hat die Impulsanwort den Wert KΔf/2.
  • Der asymptotische Abfall von h(t) verläuft in diesem Sonderfall mit 1/t3.

Versuchsdurchführung


„Rot” bezieht sich stets auf den ersten Parametersatz   ⇒   H1(f) h1(t) und „Blau” auf den zweiten   ⇒   H2(f) h2(t).

(1)   Vergleichen Sie den  roten Gauß–Tiefpass  (K1=1, Δf1=1)  mit dem  blauen Rechteck–Tiefpass  (K2=1,Δf2=1).  Fragen:
          (a)  Welche Ausgangssignale  y(t)  ergeben sich, wenn am Eingang das Signal  x(t)=2cos(2πf0tφ0)  mit  f0=0.5  anliegt?
          (b)  Welche Unterschiede ergeben sich bei beiden Tiefpässen mit  f0=0.5±fε  und  fε0, fε0?

(a)  In beiden Fällen gilt  y(t)=Acos(2πf0tφ0)  mit  A=2H(f=f0)  A1=0.912,A2=1.000.  Die Phase  φ0  bleibt erhalten.
(b)  Bei  Rot  gilt weiterhin  A1=0.912. Bei  Blau  ist  A2=0  für  f0=0.5000...001  und  A2=2  für  f0=0.4999...999.


(2)   Lassen Sie die Einstellungen unverändert.  Welcher Tiefpass  H(f)  kann das erste oder das zweite Nyquistkriterium erfüllen?
        H(f)  bezeichnet hierbei den Gesamtfrequenzgang von Sender, Kanal und Empfangsfilter.

  • Erstes Nyquistkriterium:  Die Impulsantwort  h(t)  muss äquidistante Nulldurchgänge zu den (normierten) Zeiten  t=1, 2, ...  aufweisen.
  • Die Impulsantwort  h(t)=si(πΔft)  des Rechteck–Tiefpasses erfüllt dieses Kriterium mit  Δf=1.
  • Dagegen wird beim Gauß–Tiefpass das erste Nyquistkriterium nie erfüllt und es kommt immer zu Impulsinterferenzen.
  • Das zweite Nyquistkriterium erfüllt weder der Rechteck–Tiefpass noch der Gauß–Tiefpass.


(3)   Vergleichen Sie den  roten Rechteck–Tiefpass  (K1=0.5, Δf1=2)  mit dem  blauen Rechteck–Tiefpass  (K2=1, Δf2=1).
        Variieren Sie anschließend  Δf1  zwischen  2  und  0.5.

  • Mit  Δf1=2  liegen die Nullstellen von  h1(t)  bei Vielfachen von  0.5   ⇒   h1(t)  klingt doppelt so schnell ab wie  h2(t).
  • Mit dieser Einstellung gilt  h1(t=0)=h2(t=0), da die Rechteckflächen von  H1(f)  und  H2(f)  gleich sind.
  • Verringert man man  Δf1, so wird die Impulsantwort  h1(t)  immer breiter und niedriger.
  • Mit  Δf1=0.5  ist  h1(t)  doppelt so breit wie  h2(t), gleichzeitig aber um den Faktor  4  niedriger.


(4)   Vergleichen Sie den  roten Trapez–Tiefpass  (K1=1, Δf1=1, r1=0.5)  mit dem  blauen Rechteck–Tiefpass  (K2=1, Δf2=1).
        Variieren Sie anschließend  r1  zwischen  0  und  1.

  • Mit  r1=0.5  sind die Unterschwinger von  h1(t)  beim Trapez–Tiefpass wegen des flacheren Flankenabfalls geringer als beim Rechteck–Tiefpass.
  • Mit kleinerem  r1  nehmen die Unterschwinger zu.  Mit  r1=0  ist der Trapez–Tiefpass gleich dem Rechteck–Tiefpass   ⇒   h(t)=si(πt).
  • Mit größerem  r1  werden die Unterschwinger geringerer. Mit  r1=1  ist der Trapez–Tiefpass gleich dem Dreieck–Tiefpass   ⇒   h(t)=si2(πt).


(5)   Vergleichen Sie den  Trapez–Tiefpass  (K1=1, Δf1=1, r1=0.5)  mit dem  Cosinus-Rolloff-Tiefpass  (K2=1, Δf2=1, r2=0.5).
        Variieren Sie  r2  zwischen  0  und  1.  Interpretieren Sie die Impulsantwort für  r2=0.75.  Welcher Tiefpass erfüllt das erste Nyquistkriterium?

  • Bei  r1=r2=0.5  verläuft der Flankenabfall von  H2(f)  um die Frequenz  f=0.5  steiler als der Flankenabfall von  H1(f).
  • Bei gleichem Rolloff  r=0.5  hat die Impulsantwort  h2(t)  für  t>1  betragsmäßig größere Anteile als  h1(t).
  • Mit  r1=0.5  und  r2=0.75  gilt  H1(f)H2(f)  und damit auch  h1(t)h2(t).
  • H1(f)  und  H2(f)  erfüllen beide das erste Nyquistkriterium:  beide Funktionen sind punktsymmetrisch um den sog. „Nyquistpunkt”.
  • Wegen  Δf=1  besitzen sowohl  h1(t)  als auch  h2(t)  Nulldurchgänge bei  ±1±2, ...   ⇒   jeweils maximale vertikale Augenöffnung.


(6)   Vergleichen Sie den  Cosinus–Quadrat–Tiefpass  (K1=1, Δf1=1)  mit dem  Cosinus-Rolloff-Tiefpass  (K2=1, Δf2=1, r2=0.5).
        Variieren Sie  r2  zwischen  0  und  1.  Interpretieren Sie die Ergebnisse.  Welcher Tiefpass erfüllt das zweite Nyquistkriterium]]?

  • H1(f)  ist ein Sonderfall des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses mit Rolloff  r2=1.  Das erste Nyquistkriterium wird auch mit  r21  erfüllt.
  • Nach dem zweiten Nyquistkriterium muss  h(t)  auch Nulldurchgänge bei  t=±1.5±2.5±3.5, ... besitzen  (nicht jedoch bei  t=±0.5).
  • Für den Cosinus–Quadrat–Tiefpass gilt also  h1(t=±0.5)=0.5h1(t=±1)=h1(t=±1.5)=h1(t=±2)=h1(t=±2.5)=...=0.
  • Nur der Cosinus–Quadrat–Tiefpass erfüllt das erste und zweite Nyquistkriterium gleichzeitig:  Maximale vertikale und horizontale Augenöffnung.


Zur Handhabung des Programms

Frequenzgang fertig version1.png

    (A)     Bereich der graphischen Darstellung für H(f)

    (B)     Bereich der graphischen Darstellung für h(t)

    (C)     Variationsmöglichkeit für die graphischen Darstellungen

    (D)     Parametereingabe per Slider
                      links (rot): „Low–pass 1”,         rechts (blau): „Low–pass 2”

    (E)     Parameter entsprechend der Voreinstellung   ⇒   „Reset”

    (F)     Einstellung von t und f für Numerikausgabe

    (G)     Numerikausgabe von H(f) und h(t)
                      links (rot): „Low–pass 1”,         rechts (blau): „Low–pass 2”

Details zum obigen Punkt (C)

    (*)   Zoom–Funktionen „+” (Vergrößern), „” (Verkleinern)
                     und o (Zurücksetzen)

    (*)   Verschiebe–Funktionen „” (Bildausschnitt nach links,
                     Ordinate nach rechts) sowie „” „” „


Andere Möglichkeiten:

  • Bei gedrückter Shifttaste und Scrollen kann im Koordinatensystem gezoomt werden.
  • Bei gedrückter Shifttaste und gedrückter linker Maustaste kann das Koordinatensystem verschoben werden.



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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