Aufgaben:Aufgabe 2.11Z: Nochmals ESB-AM und Hüllkurvendemodulator - Versionsgeschichte

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2020-03-18T13:52:21Z

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2020-03-18T13:42:14Z

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2018-12-17T15:22:59Z

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2018-12-17T15:14:43Z

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}}

[[Datei:P_ID1050__Mod_Z_2_10.png|right|frame|Äquivalentes Tiefpass–Signal bei ESB-AM]]
Nebenstehende Grafik zeigt die Ortskurve – also die Darstellung des äquivalenten Tiefpass–Signals in der komplexen Ebene – für ein ESB–AM–System.

Weiter ist bekannt, dass die Trägerfrequenz $f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$ beträgt und dass der Kanal ideal ist:
:$$ r(t) = s(t) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} r_{\rm TP}(t) = s_{\rm TP}(t) \hspace{0.05cm}.$$

Beim Empfänger wird ein idealer Hüllkurvendemodulator (HKD) eingesetzt. Im Verlauf dieser Aufgabe werden folgende Größen benutzt:
*das Seitenband–zu–Träger–Verhältnis
:$$\mu = \frac{A_{\rm N}/2}{A_{\rm T}}\hspace{0.05cm},$$
*die Hüllkurve
:$$a(t) = |s_{\rm TP}(t)| \hspace{0.05cm},$$
* die maximale Abweichung $τ_{\rm max}$ der Nulldurchgänge zwischen Sendesignal $s(t)$ und Trägersignal $z(t)$.

''Hinweise:''
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation|Einseitenbandmodulation]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation#Seitenband.E2.80.93zu.E2.80.93Tr.C3.A4ger.E2.80.93Verh.C3.A4ltnis|Seitenband-zu-Träger-Verhältnis]].
*Für diese Aufgabe gelten vergleichbare Voraussetzungen wie für die [[Aufgaben:2.11_Hüllkurvendemodulation_eines_ESB-Signals|Aufgabe 2.11]].

===Fragebogen===

<quiz display=simple>
{Geben Sie das äquivalente TP–Signal $s_{\rm TP}(t)$ in analytischer Form an und beantworten Sie folgende Fragen.
|type="[]"}
- Es handelt sich um eine OSB–AM.
+ Es handelt sich um eine USB–AM.
- Das Nachrichtensignal $q(t)$ ist cosinusförmig.
+ Das Nachrichtensignal $q(t)$ ist sinusförmig.

{Geben Sie die Amplitude $A_{\rm N}$ und Frequenz $f_{\rm N}$ des Quellensignals an. Berücksichtigen Sie, dass es sich um eine ESB–AM handelt.
|type="{}"}
$A_{\rm N} \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V$
$f_{\rm N} \ = \ $ { 5 3% } $\ \rm kHz$

{Welcher Wert ergibt sich für das Seitenband–zu–Träger–Verhältnis $μ$? Verwenden Sie diese Größe zur Beschreibung von $s_{\rm TP}(t)$.
|type="{}"}
$μ \ = \ $ { 1 3% }

{Berechnen Sie den zeitlichen Verlauf der Hüllkurve $a(t)$. Welche Werte treten bei $t = 50 \ \rm μs$, $t = 100 \ \rm μs$ und $t = 150 \ \rm μs$ auf?
|type="{}"}
$a(t = 50 \ \rm μs) \hspace{0.32cm} = \ $ { 2 3% } $\ \rm V$
$a(t = 100 \ \rm μs) \ = \ $ { 1.414 3% } $\ \rm V$
$a(t = 150 \ \rm μs) \ = \ $ { 0. } $\ \rm V$

{Um welche Zeitdifferenz $τ_{\rm max}$ (betragsmäßig) sind die Nulldurchgänge von $s(t)$ gegenüber $z(t)$ maximal verschoben?
|type="{}"}
$τ_{\rm max} \ = \ $ { 2.5 3% } $\ \rm μs$
</quiz>

===Musterlösung===
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 4</u>:
*Das äquivalente TP–Signal lautet:
:$$ s_{\rm TP}(t) = 1\,{\rm V} + {\rm j}\cdot 1\,{\rm V}\cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot \hspace{0.03cm}\hspace{0.03cm}t} \hspace{0.05cm}.$$
*Die Ortskurve ist ein Kreis mit dem Mittelpunkt bei $A_{\rm T} = 1 \ \rm V$.
*Da die Drehung im Uhrzeigersinn erfolgt, handelt es sich um eine USB–AM.
*Der sich drehende (grüne) Zeiger zeigt zum Starzeitpunkt $t = 0$ in Richtung der imaginären Achse. Daraus folgt, dass für das Quellensignal gelten wird:   $q(t) = A_{\rm N} \cdot \sin(\omega_{\rm N} \cdot t).$

'''(2)'''  Bei der USB wird nur das untere Seitenband mit der Zeigerlänge $A_{\rm N}/2 = 1 \ \rm V$ übertragen. Daraus ergibt sich $A_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline { = 2 \ \rm V}$.
<br>Für eine Umdrehung in der Ortskurve benötigt der Zeiger die Zeit $200 \ \rm μs$. Der Kehrwert hiervon ist die Frequenz $n_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline { = 5 \ \rm kHz}$.

'''(3)'''  Entsprechend der Definition auf der Angabenseite und den Ergebnissen der Teilaufgaben (1) und (2) gilt:
:$$ \mu = \frac{A_{\rm N}/2}{A_{\rm T}}\hspace{0.15cm}\underline {= 1}\hspace{0.05cm}.$$
Damit kann für das äquivalente TP–Signal auch geschrieben werden:
:$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot \left( 1 + {\rm j} \cdot \mu \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot \hspace{0.03cm}\hspace{0.03cm}t} \right),\hspace{0.3cm}{\rm hier}\hspace{0.15cm}\mu = 1 \hspace{0.05cm}.$$

'''(4)'''  Spaltet man die komplexe Exponentialfunktion mit dem Satz von Euler nach Real– und Imaginärteil auf, so erhält man:
:$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot \left( 1 + \sin(\omega_{\rm N}\cdot t) + {\rm j} \cos(\omega_{\rm N}\cdot t)\right) \hspace{0.05cm}.$$

Durch Anwendung des &bdquo;Satzes von Pythagoras” kann hierfür auch geschrieben werden:
:$$a(t) = |s_{\rm TP}(t)| = A_{\rm T} \cdot \sqrt{ (1 + \sin(\omega_{\rm N}\cdot t))^2 + \cos^2(\omega_{\rm N}\cdot t)} =
A_{\rm T} \cdot \sqrt{ 2 + 2 \cdot \sin(2\omega_{\rm N}\cdot t)} \hspace{0.05cm}.$$
Die abgefragten Werte lauten mit $A_{\rm T} = 1\ \rm V$:
:$$ a(t = 50\,{\rm \mu s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},\hspace{0.3cm}a(t = 100\,{\rm \mu s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 1.414\,{\rm V}},\hspace{0.3cm}a(t = 150\,{\rm \mu s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 0} \hspace{0.05cm}.$$
Diese Ergebnisse können auch direkt aus der Grafik auf der Angabenseite abgelesen werden.

'''(5)'''  Ein Hinweis für die Lage der Nulldurchgänge von $s(t)$ gegenüber dem durch das Trägersignal $z(t)$ vorgegebenen Raster liefert die Phasenfunktion $ϕ(t)$.
*Bei der gegebenen Ortskurve können diese Werte zwischen $±π/2\ (±90^\circ)$ annehmen.
*Diese Maximalwerte treten zum Beispiel im Bereich um $t ≈ 150 \ \rm μs$ auf, da hier ein Phasensprung stattfindet.
*Der Zusammenhang zwischen $τ_{\rm max}$ und $\Delta ϕ_{\rm max}$ lautet:
:$$ \tau_{\rm max} = \frac {\Delta \phi_{\rm max}}{2 \pi }\cdot \frac{1 }{f_{\rm T}} = \frac {1}{4}\cdot 10\,{\rm \mu s} \hspace{0.15cm}\underline {= 2.5\,{\rm \mu s}} \hspace{0.05cm}.$$

{{ML-Fuß}}

[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^2.4 Einseitenbandmodulation^]]

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 Hinweise:''
 *Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation|Einseitenbandmodulation]].
 *Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite&nbsp;   [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation#Seitenband.E2.80.93zu.E2.80.93Tr.C3.A4ger.E2.80.93Verh.C3.A4ltnis|Seitenband-zu-Träger-Verhältnis]].
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 {Geben Sie das äquivalente TP–Signal &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; in analytischer Form an und beantworten Sie folgende Fragen.
 |type="[]"}
-- Es handelt sich um eine OSB–AM.
+- Es handelt sich um eine OSB–AM&nbsp; (nur oberes Seitenband).
-+ Es handelt sich um eine USB–AM.
++ Es handelt sich um eine USB–AM&nbsp; (nur unteres Seitenband).
 - Das Nachrichtensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; ist cosinusförmig.
 + Das Nachrichtensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; ist sinusförmig.
-{Geben Sie die Amplitude &nbsp;$A_{\rm N}$&nbsp; und die Frequenz &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp; des Quellensignals an.&nbsp; Berücksichtigen Sie, dass es sich um eine ESB–AM handelt.
+{Geben Sie die Amplitude &nbsp;$A_{\rm N}$&nbsp; und die Frequenz &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp; des Quellensignals an.&nbsp; Berücksichtigen Sie,&nbsp; dass es sich um eine Einseitenbandmodulation handelt.
 |type="{}"}
 $A_{\rm N} \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V$
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 $μ \ = \ $ { 1 3% }
-{Berechnen Sie den zeitlichen Verlauf der Hüllkurve &nbsp;$a(t)$.&nbsp; Welche Werte treten bei &nbsp;$t = 50 \ \rm  &micro; s$, &nbsp;$t = 100 \ \rm &micro; s$&nbsp; und &nbsp;$t = 150 \ \rm &micro; s$ auf?
+{Berechnen Sie den zeitlichen Verlauf der Hüllkurve &nbsp;$a(t)$.&nbsp; Welche Werte treten bei &nbsp;$t = 50 \ \rm  &micro; s$, &nbsp;$t = 100 \ \rm &micro; s$&nbsp; und &nbsp;$t = 150 \ \rm &micro; s$&nbsp; auf?
 |type="{}"}
 $a(t = 50 \ \rm &micro; s) \hspace{0.32cm} = \ $ { 2 3% } $\ \rm V$
@@ Zeile 58: / Zeile 55: @@
 $a(t = 150 \ \rm &micro; s) \ = \ $ { 0. } $\ \rm V$
-{Um welche Zeitdifferenz&nbsp; $τ_{\rm max}$&nbsp; (betragsmäßig) sind die Nulldurchgänge von &nbsp;$s(t)$&nbsp; gegenüber &nbsp;$z(t)$&nbsp; maximal verschoben?
+{Um welche Zeitdifferenz&nbsp; $τ_{\rm max}$&nbsp; sind die Nulldurchgänge von &nbsp;$s(t)$&nbsp; gegenüber &nbsp;$z(t)$&nbsp; (betragsmäßig)&nbsp; maximal verschoben?
 |type="{}"}
 $τ_{\rm max} \ = \ $ { 2.5 3% } $\ \rm &micro; s$

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 *Das äquivalente TP–Signal lautet:
 :$$ s_{\rm TP}(t) = 1\,{\rm V} + {\rm j}\cdot 1\,{\rm V}\cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot \hspace{0.03cm}\hspace{0.03cm}t} \hspace{0.05cm}.$$
-*Die Ortskurve ist ein Kreis mit dem Mittelpunkt bei $A_{\rm T}  = 1 \ \rm V$.
+*Die Ortskurve ist ein Kreis mit dem Mittelpunkt bei&nbsp; $A_{\rm T}  = 1 \ \rm V$.
 *Da die Drehung im Uhrzeigersinn erfolgt, handelt es sich um eine USB–AM.
-*Der sich drehende (grüne) Zeiger zeigt zum Starzeitpunkt $t = 0$ in Richtung der imaginären Achse.
+*Der sich drehende (grüne) Zeiger zeigt zum Starzeitpunkt&nbsp; $t = 0$&nbsp; in Richtung der imaginären Achse.
 *Daraus folgt, dass für das Quellensignal gelten wird: &nbsp; $q(t) = A_{\rm N} \cdot \sin(\omega_{\rm N} \cdot t).$
 '''(3)'''&nbsp; Entsprechend der Definition auf der Angabenseite und den Ergebnissen der Teilaufgaben '''(1)''' und '''(2)''' gilt:
 :$$ \mu = \frac{A_{\rm N}/2}{A_{\rm T}}\hspace{0.15cm}\underline {= 1}\hspace{0.05cm}.$$
-Damit kann für das äquivalente TP–Signal auch geschrieben werden:
+*Damit kann für das äquivalente TP–Signal auch geschrieben werden:
 :$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot \left( 1 + {\rm j} \cdot \mu \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot \hspace{0.03cm}\hspace{0.03cm}t} \right),\hspace{0.3cm}{\rm hier}\hspace{0.15cm}\mu = 1 \hspace{0.05cm}.$$
 '''(4)'''&nbsp; Spaltet man die komplexe Exponentialfunktion mit dem Satz von Euler nach Real– und Imaginärteil auf, so erhält man:
-:$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot \left( 1 + \sin(\omega_{\rm N}\cdot t) + {\rm j} \cos(\omega_{\rm N}\cdot t)\right) \hspace{0.05cm}.$$
+:$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot \big( 1 + \sin(\omega_{\rm N}\cdot t) + {\rm j} \cos(\omega_{\rm N}\cdot t)\big) \hspace{0.05cm}.$$
-Durch Anwendung des &bdquo;Satzes von Pythagoras&rdquo; kann hierfür auch geschrieben werden:
+*Durch Anwendung des &bdquo;Satzes von Pythagoras&rdquo; kann hierfür auch geschrieben werden:
 :$$a(t)  =  |s_{\rm TP}(t)| = A_{\rm T} \cdot \sqrt{ (1 + \sin(\omega_{\rm N}\cdot t))^2 + \cos^2(\omega_{\rm N}\cdot t)} =
    A_{\rm T} \cdot \sqrt{ 2 + 2 \cdot \sin(2\omega_{\rm N}\cdot t)} \hspace{0.05cm}.$$
-Die abgefragten Werte lauten mit $A_{\rm T}  = 1\ \rm  V$:
+*Die abgefragten Werte lauten mit&nbsp; $A_{\rm T}  = 1\ \rm  V$:
-:$$ a(t = 50\,{\rm \mu s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},\hspace{0.3cm}a(t = 100\,{\rm \mu s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 1.414\,{\rm V}},\hspace{0.3cm}a(t = 150\,{\rm \mu s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 0} \hspace{0.05cm}.$$
+:$$ a(t = 50\,{\rm &micro; s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},\hspace{0.3cm}a(t = 100\,{\rm &micro; s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 1.414\,{\rm V}},\hspace{0.3cm}a(t = 150\,{\rm &micro; s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 0} \hspace{0.05cm}.$$
-Diese Ergebnisse können auch direkt aus der Grafik auf der Angabenseite abgelesen werden.
+*Diese Ergebnisse können auch direkt aus der Grafik auf der Angabenseite abgelesen werden.
-'''(5)'''&nbsp; Ein Hinweis für die Lage der Nulldurchgänge von $s(t)$ gegenüber dem durch das Trägersignal $z(t)$ vorgegebenen Raster liefert die Phasenfunktion $ϕ(t)$.
+'''(5)'''&nbsp; Ein Hinweis für die Lage der Nulldurchgänge von&nbsp; $s(t)$&nbsp; gegenüber dem durch das Trägersignal&nbsp; $z(t)$&nbsp; vorgegebenen Raster liefert die Phasenfunktion&nbsp; $ϕ(t)$.
-*Bei der gegebenen Ortskurve können diese Werte zwischen $±π/2\  (±90^\circ)$ annehmen.
+*Bei der gegebenen Ortskurve können diese Werte zwischen&nbsp; $±π/2\  (±90^\circ)$&nbsp; annehmen.
-*Diese Maximalwerte treten zum Beispiel im Bereich um $t ≈ 150 \ \rm  μs$ auf, da hier ein Phasensprung stattfindet.
+*Diese Maximalwerte treten zum Beispiel im Bereich um&nbsp; $t ≈ 150 \ \rm  &micro; s$&nbsp; auf, da hier ein Phasensprung stattfindet.
-*Der Zusammenhang zwischen $τ_{\rm max}$ und $\Delta ϕ_{\rm max}$ lautet:
+*Der Zusammenhang zwischen&nbsp; $τ_{\rm max}$&nbsp; und&nbsp; $\Delta ϕ_{\rm max}$&nbsp; lautet:
 :$$ \tau_{\rm max} = \frac {\Delta \phi_{\rm max}}{2 \pi }\cdot \frac{1 }{f_{\rm T}} = \frac {1}{4}\cdot 10\,{\rm &micro; s} \hspace{0.15cm}\underline {= 2.5\,{\rm&micro; s}} \hspace{0.05cm}.$$

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 }}
-[[Datei:P_ID1050__Mod_Z_2_10.png|right|frame|Äquivalentes Tiefpass–Signal bei <br>Einseitenband-AM]]
+[[Datei:P_ID1050__Mod_Z_2_10.png|right|frame|Äquivalentes Tiefpass–Signal <br>bei Einseitenband-AM]]
 Nebenstehende Grafik zeigt die Ortskurve – also die Darstellung des äquivalenten Tiefpass–Signals in der komplexen Ebene – für ein ESB–AM–System.
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 :$$ r(t) = s(t) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} r_{\rm TP}(t) = s_{\rm TP}(t) \hspace{0.05cm}.$$
-Beim Empfänger wird ein idealer Hüllkurvendemodulator $\rm (HKD)$ eingesetzt. In der Aufgabe werden folgende Größen benutzt:
+Beim Empfänger wird ein idealer Hüllkurvendemodulator&nbsp; $\rm (HKD)$&nbsp; eingesetzt.&nbsp;
 *das Seitenband–zu–Träger–Verhältnis
 :$$\mu = \frac{A_{\rm N}/2}{A_{\rm T}}\hspace{0.05cm},$$
@@ Zeile 15: / Zeile 17: @@
 :$$a(t) = |s_{\rm TP}(t)| \hspace{0.05cm},$$
 * die maximale Abweichung &nbsp;$τ_{\rm max}$&nbsp; der Nulldurchgänge zwischen Sendesignal &nbsp;$s(t)$&nbsp; und Trägersignal &nbsp;$z(t)$.
@@ Zeile 38: / Zeile 43: @@
 + Das Nachrichtensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; ist sinusförmig.
-{Geben Sie die Amplitude &nbsp;$A_{\rm N}$&nbsp; und die Frequenz &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp; des Quellensignals an. <br>Berücksichtigen Sie, dass es sich um eine ESB–AM handelt.
+{Geben Sie die Amplitude &nbsp;$A_{\rm N}$&nbsp; und die Frequenz &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp; des Quellensignals an.&nbsp; Berücksichtigen Sie, dass es sich um eine ESB–AM handelt.
 |type="{}"}
 $A_{\rm N} \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V$
 $f_{\rm N} \ = \ $ { 5 3% } $\ \rm kHz$
-{Welcher Wert ergibt sich für das Seitenband–zu–Träger–Verhältnis $μ$? Verwenden Sie diese Größe zur Beschreibung von &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$.
+{Welcher Wert ergibt sich für das Seitenband–zu–Träger–Verhältnis&nbsp; $μ$?&nbsp; Verwenden Sie diese Größe zur Beschreibung von &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$.
 |type="{}"}
 $μ \ = \ $ { 1 3% }
-{Berechnen Sie den zeitlichen Verlauf der Hüllkurve &nbsp;$a(t)$. Welche Werte treten bei &nbsp;$t = 50 \ \rm  &micro; s$, &nbsp;$t = 100 \ \rm &micro; s$&nbsp; und &nbsp;$t = 150 \ \rm &micro; s$ auf?
+{Berechnen Sie den zeitlichen Verlauf der Hüllkurve &nbsp;$a(t)$.&nbsp; Welche Werte treten bei &nbsp;$t = 50 \ \rm  &micro; s$, &nbsp;$t = 100 \ \rm &micro; s$&nbsp; und &nbsp;$t = 150 \ \rm &micro; s$ auf?
 |type="{}"}
 $a(t = 50 \ \rm &micro; s) \hspace{0.32cm} = \ $ { 2 3% } $\ \rm V$
@@ Zeile 53: / Zeile 58: @@
 $a(t = 150 \ \rm &micro; s) \ = \ $ { 0. } $\ \rm V$
-{Um welche Zeitdifferenz $τ_{\rm max}$ (betragsmäßig) sind die Nulldurchgänge von &nbsp;$s(t)$&nbsp; gegenüber &nbsp;$z(t)$&nbsp; maximal verschoben?
+{Um welche Zeitdifferenz&nbsp; $τ_{\rm max}$&nbsp; (betragsmäßig) sind die Nulldurchgänge von &nbsp;$s(t)$&nbsp; gegenüber &nbsp;$z(t)$&nbsp; maximal verschoben?
 |type="{}"}
 $τ_{\rm max} \ = \ $ { 2.5 3% } $\ \rm &micro; s$

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(kein Unterschied)

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(kein Unterschied)