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Applets:Impulse und Spektren: Unterschied zwischen den Versionen

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*Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
 
*Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
 
:r=t2t1t2+t1.
 
:r=t2t1t2+t1.
*Sonderfall r=0: Rechteckimpuls. Sonderfall r=1: Dreieckimpuls.
+
*Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteckimpuls der Sonderfall r=1 dem Dreieckimpuls.
 
*Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
 
*Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
 
:X(f)=KΔtsi(πΔtf)si(πrΔtf)mit si(x)=sin(x)x.
 
:X(f)=KΔtsi(πΔtf)si(πrΔtf)mit si(x)=sin(x)x.
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*Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
 
*Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
 
:r=t2t1t2+t1.
 
:r=t2t1t2+t1.
*Sonderfall r=0: Rechteckimpuls. Sonderfall r=1: Cosinus2-Impuls.
+
*Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteckimpuls der Sonderfall r=1 dem Cosinus-Quadrat-Impuls .
 
*Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
 
*Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
 
:X(f)=KΔtcos(πrΔtf)1(2rΔtf)2si(πΔtf).
 
:X(f)=KΔtcos(πrΔtf)1(2rΔtf)2si(πΔtf).
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===Cosinus-Quadrat-Impuls ===
 
===Cosinus-Quadrat-Impuls ===
*Dies ist ein Sonderfall des Cosinus-Rolloff-Impulses und ergibt sich für $r=1 \ (t_1=0, t_2= \Delta t)$:
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*Dies ist ein Sonderfall des Cosinus-Rolloff-Impulses und ergibt sich für $r=1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}t_1=0, t_2= \Delta t$:
  
x(t)={Kcos2(|t|π2Δt)0f¨urf¨ur|t|<Δt,|t|Δt.
+
:x(t)={Kcos2(|t|π2Δt)0f¨urf¨ur|t|<Δt,|t|Δt.
  
 
*Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
 
*Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔfπ4[si(π(Δtf+0.5))+si(π(Δtf0.5))]si(πΔtf).
+
:$$X(f)=K\cdot \Delta f \cdot \frac{\pi}{4}\cdot \big  [{\rm si}(\pi(\Delta t\cdot f +0.5))+{\rm si}(\pi(\Delta t\cdot f -0.5))\big ]\cdot {\rm si}(\pi \cdot \Delta t \cdot f).$$
*Wegen der letzten si-Funktion ist X(f)=0 für alle Vielfachen von F=1/Δt. Die äquidistanten Nulldurchgänge des Cos-Rolloff-Impulses bleiben erhalten.
+
*Wegen der letzten ${\rm si}FunktionistX(f)=0 für alle Vielfachen von F=1/\Delta t$. 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.
 
*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.
 
*Für die Frequenz f=\pm F/2 erhält man die Spektralwerte K\cdot \Delta t/2.
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  {{BlaueBox|TEXT=   
 
  {{BlaueBox|TEXT=   
'''(1)''' &nbsp; Vergleichen Sie den roten Gaußimpuls (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)  mit dem blauen Rechteckimpuls (A_2 = 1, \Delta t_2 = 1)  &nbsp; &rArr; &nbsp; Voreinstellung.
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'''(1)''' &nbsp; Vergleichen Sie den '''roten Gaußimpuls''' (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)  mit dem '''blauen Rechteckimpuls''' (A_2 = 1, \Delta t_2 = 1)  &nbsp; &rArr; &nbsp; Voreinstellung.
 
<br>Welche Unterschiede erkennt man im Zeit- und im Frequenzbereich?}}
 
<br>Welche Unterschiede erkennt man im Zeit- und im Frequenzbereich?}}
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*Der Gaußimpuls reicht sowohl im Zeit&ndash; als auch im Frequenzbereich theoretisch bis ins Unendliche. Praktisch sind aber x_1(t) für |t| > 1.5 und X_1(t) für |f| > 1.5 nahezu Null.
 
*Der Gaußimpuls reicht sowohl im Zeit&ndash; als auch im Frequenzbereich theoretisch bis ins Unendliche. Praktisch sind aber x_1(t) für |t| > 1.5 und X_1(t) für |f| > 1.5 nahezu Null.
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{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(2)''' &nbsp; Vergleichen Sie den roten Gaußimpuls (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)  mit dem blauen Rechteckimpuls (A_2 = 1,\Delta t_2) und variieren Sie \Delta t_2 zwischen 0.5 und 2. Interpretieren Sie die dargestellten Graphen.}}
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'''(2)''' &nbsp; Vergleichen Sie den '''roten Gaußimpuls''' (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)  mit dem '''blauen Rechteckimpuls''' (A_2 = 1,\Delta t_2) und variieren Sie \Delta t_2 zwischen 0.5 und 2. Interpretieren Sie die dargestellten Graphen.}}
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*Man erkennt das [[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).
 
*Man erkennt das [[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).
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'''(3)''' &nbsp; Vergleichen Sie nun einen 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.}}
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'''(3)''' &nbsp; 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.}}
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*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&ndash;Achse schon bei f =1 schneidet.
 
*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&ndash;Achse schon bei f =1 schneidet.
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{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(4)''' &nbsp; Vergleichen Sie nun einen roten Rechteckimpuls (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)  mit dem blauen Dreieckimpuls $(A_2 = 1,\Delta t_2 = 1.0)$ und interpretieren Sie deren Spektalfunktionen.}}
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'''(4)''' &nbsp; 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.}}
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*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).
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*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 .
 
* 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&ndash;förmigen Spektralfunktion X_1(f) bleiben die Nullstellen in X_2(f) erhalten. Es gilt aber nun X_2(f) \ge 0.
 
*Durch das Quadrieren der \rm si&ndash;förmigen Spektralfunktion X_1(f) bleiben die Nullstellen in X_2(f) erhalten. Es gilt aber nun X_2(f) \ge 0.
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{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(5)''' &nbsp; Wählen Sie die Voreinstellung &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Recall&rdquo; und ändern Sie $f_1' = 0.2$. Speichern Sie diese Einstellung mit &bdquo;Store&rdquo;:}}
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'''(5)''' &nbsp; Vergleichen Sie nun '''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).}}
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*Der Trapezimpuls mit dem Rolloff-Faktor r= 0 ist identsisch mit dem Rechteckimpuls und das &bdquo;normierte Spektrum&rdquo; lautet: $X_1(f)= {\rm si}(\pi\cdot f)$.
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*Der  Trapezimpuls mit dem Rolloff-Faktor $r= 1$ ist identsisch mit dem Dreieckimpuls und das &bdquo;normierte Spektrum&rdquo; 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.
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Mit 0 < r_1 < 1 gibt es dagegen zusätzliche Nulldurchgänge, deren Lagen von  r_1 abhängen.
  
\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}Die Periodendauer ist T_0 = 10.0 \ \rm ms &nbsp; wegen &nbsp; {\rm ggt}(0.2, 2.5) = 0.1.
 
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(6)''' &nbsp; Wählen Sie die letzte Einstellung &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Recall&rdquo; und ändern Sie $f_2' = 0.6$. Speichern Sie diese Einstellung mit &bdquo;Store&rdquo;:}}
+
'''(6)''' &nbsp; Vergleichen Sie nun '''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 $r_2 zwischen 0 und 1. Interpretieren Sie die Spektalfunktion X_2(f) für r_2 = 0.7$.}}
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*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).
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*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).
  
\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}Die Periodendauer ist T_0 = 5.0 \ \rm ms &nbsp; wegen &nbsp; {\rm ggt}(0.2,0.6) = 0.2.
 
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
'''(7)''' &nbsp; Wie groß ist bei gleicher Einstellung der maximale Signalwert $x_{\rm max}\text{:}$}}
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'''(7)''' &nbsp; Vergleichen Sie nun '''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 Spektalfunktion X_2(f) für r_2 = 0.7.}}
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*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 $1/f^3$.
  
\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}Der maximale Signalwert wird mit x_{\rm max} = 1.39 \ \rm V angegeben.
 
  
{{BlaueBox|TEXT= 
 
'''(8)''' &nbsp; Wählen Sie die letzte Einstellung  &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Recall&rdquo; und ändern Sie \varphi_2 = 0^\circ \hspace{0.1cm}\Rightarrow\hspace{0.1cm} Summe zweier Cosinusschwingungen:}}
 
  
\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}Der maximale Signalwert ist nun mit x_{\rm max} = 1.5 \ \rm V, also gleich A_1 + A_2.
 
  
{{BlaueBox|TEXT= 
 
'''(9)''' &nbsp; Wählen Sie die vorletzte Einstellung  &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Recall&rdquo; und ändern Sie \varphi_1 = 90^\circ \hspace{0.1cm}\Rightarrow\hspace{0.1cm} Summe zweier Sinusschwingungen:}}
 
  
\hspace{1.0cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}Der maximale Signalwert ist nun mit x_{\rm max} = 1.08 \ \rm V, also ungleich A_1 + A_2.
 
  
  

Version vom 14. Oktober 2017, 12:30 Uhr

Aufruf des Applets in neuem Fenster

Applet in neuem Tab öffnen

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 Pulses & Spectra.


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.


\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 erste Nullstelle liegt bei f=1/T = 0.5 \ \rm kHz.


Theoretischer Hintergrund


Zusammenhang x(t)\Leftrightarrow X(f)

  • Der Zusammenhang zwischen Zeitfunktion x(t) und dem Spektrum X(f) ist durch das erste Fourierintegral gegeben:
X(f)={\rm FT} [x(t)] = \int_{-\infty}^{+\infty}x(t)\cdot {\rm e}^{-{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}t\hspace{1cm} \rm FT\hspace{-0.1cm}: \ Fouriertransformation.
  • Um aus der Spektralfunktion X(f) die Zeitfunktion x(t) berechnen zu können, benötigt man das zweite Fourierintegral:
x(t)={\rm IFT} [X(f)] = \int_{-\infty}^{+\infty}X(f)\cdot {\rm e}^{+{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}f\hspace{1cm} {\rm IFT}\hspace{-0.1cm}: \rm Inverse \ Fouriertransformation.
  • In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen. Somit gilt:
x(t)=\int_{-\infty}^{+\infty}X(f)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}f \ \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ \ \ X(f)=\int_{-\infty}^{+\infty}x(t)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}t .
  • x(t) und X(f) haben unterschiedliche Einheiten, z. B. x(t) in \rm V, X(f) in \rm V/Hz.
  • Der Zusammenhang zwischen diesem Modul „Impulse & Spektren” und dem ähnlich aufgebauten Applet Frequenzgang & Impulsantwort basiert auf dem Vertauschungssatz.
  • Alle Zeiten sind auf eine Normierungszeit T normiert und alle Frequenzen auf 1/T \Rightarrow die Spektralwerte X(f) müssen noch mit der Normierungszeit T multipliziert werden.


\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.


Gaußimpuls   \Rightarrow   Gaussian Pulse

  • Die Zeitfunktion des Gaußimpulses mit der Höhe K und der (äquivalenten) Dauer \Delta t lautet:
x(t)=K\cdot {\rm e}^{-\pi\cdot(t/\Delta t)^2}.
  • 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:
X(f)=K\cdot \Delta t \cdot {\rm e}^{-\pi(f\cdot \Delta t)^2} .
  • Je kleiner die äquivalente Zeitdauer \Delta t ist, um so breiter und niedriger ist das Spektrum   ⇒   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.

Rechteckimpuls   \Rightarrow   Rectangular Pulse

  • Die Zeitfunktion des Rechteckimpulses mit der Höhe K und der (äquivalenten) Dauer \Delta t lautet:
x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K /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}
  • 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):
X(f)=K\cdot \Delta t \cdot {\rm si}(\pi\cdot \Delta t \cdot f) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)=\frac{\sin(x)}{x}.
  • 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.

Dreieckimpuls \Rightarrow Dreieckimpuls

  • Die Zeitfunktion des Dreieckimpulses mit der Höhe K und der (äquivalenten) Dauer \Delta t lautet:
x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K\cdot \Big(1-\frac{|t|}{\Delta t}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\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| < \Delta t,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| \ge \Delta t.} \\ \end{array}
  • 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:
X(f)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm si}^2(\pi\cdot \Delta t \cdot f) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)=\frac{\sin(x)}{x}.
  • 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.


Trapezimpuls   \Rightarrow   Trapezoidal Pulse

Die Zeitfunktion des Trapezimpulses mit der Höhe K und den Zeitparametern t_1 und t_2 lautet:

x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K\cdot \frac{t_2-|t|}{t_2-t_1} \\ \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| \le t_1,} \\ {t_1\le \left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| \le t_2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| \ge t_2.} \\ \end{array}
  • Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt: \Delta t = t_1+t_2.
  • Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
r=\frac{t_2-t_1}{t_2+t_1}.
  • Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteckimpuls der Sonderfall r=1 dem Dreieckimpuls.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=K\cdot \Delta t \cdot {\rm si}(\pi\cdot \Delta t \cdot f)\cdot {\rm si}(\pi \cdot r \cdot \Delta t \cdot f) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)=\frac{\sin(x)}{x}.
  • Der asymptotische Abfall von X(f) liegt zwischen 1/f (für Rechteck, r=0) und 1/f^2 (für Dreieck, r=1).

Cosinus-Rolloff-Impuls   \Rightarrow   Cosine-rolloff Pulse

Die Zeitfunktion des Cosinus-Rolloff-Impulses mit der Höhe K und den Zeitparametern t_1 und t_2 lautet:

x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K\cdot \cos^2\Big(\frac{|t|-t_1}{t_2-t_1}\cdot \frac{\pi}{2}\Big) \\ \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| \le t_1,} \\ {t_1\le \left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| \le t_2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \right| \ge t_2.} \\ \end{array}
  • Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt: \Delta t = t_1+t_2.
  • Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
r=\frac{t_2-t_1}{t_2+t_1}.
  • Der Sonderfall r=0 entspricht dem Rechteckimpuls der Sonderfall r=1 dem Cosinus-Quadrat-Impuls .
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=K\cdot \Delta t \cdot \frac{\cos(\pi \cdot r\cdot \Delta t \cdot f)}{1-(2\cdot r\cdot \Delta t \cdot f)^2} \cdot si(\pi \cdot \Delta t \cdot f).
  • Je größer der Rolloff-Faktor r ist, desto schneller nimmt X(f) asymptotisch mit f ab.

Cosinus-Quadrat-Impuls

  • 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:
x(t) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K\cdot \cos^2\Big(\frac{|t|\cdot \pi}{2\cdot \Delta t}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\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| < \Delta t,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm} \right| \ge \Delta t.} \\ \end{array}
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=K\cdot \Delta f \cdot \frac{\pi}{4}\cdot \big [{\rm si}(\pi(\Delta t\cdot f +0.5))+{\rm si}(\pi(\Delta t\cdot f -0.5))\big ]\cdot {\rm si}(\pi \cdot \Delta t \cdot f).
  • 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.

Vorschlag für die Versuchsdurchführung


„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).

(1)   Vergleichen Sie den roten Gaußimpuls (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1) mit dem blauen Rechteckimpuls (A_2 = 1, \Delta t_2 = 1)   ⇒   Voreinstellung.
Welche Unterschiede erkennt man im Zeit- und im Frequenzbereich?


  • Der Gaußimpuls reicht sowohl im Zeit– als auch im Frequenzbereich theoretisch bis ins Unendliche. Praktisch sind aber x_1(t) für |t| > 1.5 und X_1(t) für |f| > 1.5 nahezu Null.
  • Der Rechteckimpuls ist zeitlich steng begrenzt: x_2(|t| \ge 0.5) \equiv 0, während X_2(f) in einem sehr viel größeren Bereich als X_1(f) betragsmäßige Anteile besitzt.
  • Es gilt X_1(f = 0) = X_2(f = 0), weil das Integral über den Gaußimpuls x_1(t) wie das Integral über den Rechteckimpuls x_2(t).


(2)   Vergleichen Sie den roten Gaußimpuls (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1) mit dem blauen Rechteckimpuls (A_2 = 1,\Delta t_2) und variieren Sie \Delta t_2 zwischen 0.5 und 2. Interpretieren Sie die dargestellten Graphen.


  • Man erkennt das 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.


(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.


  • 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 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).


(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.


  • 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 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.


(5)   Vergleichen Sie nun 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).


  • 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.


(6)   Vergleichen Sie nun 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.


  • 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).


(7)   Vergleichen Sie nun 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 Spektalfunktion X_2(f) für r_2 = 0.7.


  • 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.





Zur Handhabung des Programms


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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