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Applets:Impulse und Spektren: Unterschied zwischen den Versionen

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==Programmbeschreibung==
 
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Dargestellt werden impulsförmige symmetrische Zeitsignale &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Impulse&rdquo; x(t) und die dazugehörigen Spektralfunktionen X(f), nämlich  
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Dargestellt werden impulsförmige symmetrische Zeitsignale &nbsp; &rArr; &nbsp; &bdquo;Impulse&rdquo;&nbsp; x(t)&nbsp; und die dazugehörigen Spektralfunktionen&nbsp; X(f), nämlich  
*Gaußimpuls (englisch: ''Gaussian pulse''),  
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*Gaußimpuls&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Gaussian pulse''),  
*Rechteckimpuls  (englisch: ''Rectangular pulse''),
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*Dreieckimpuls  (englisch: ''Triangular pulse''),  
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*Trapezimpuls  (englisch: ''Trapezoidal pulse''),  
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*Trapezimpuls&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Trapezoidal pulse''),  
*Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Impuls  (englisch: ''Cosine-rolloff pulse'').
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*Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Impuls&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Cosine-rolloff pulse'').
 
 
 
 
Das aufzurufende Applet verwendet die englischen Begriffe im Gegensatz zu dieser deutschen Beschreibung.
 
 
 
Die englische Beschreibung finden Sie unter [[Applets:Pulses_%26_Spectra|Pulses & Spectra]] (derzeit noch nicht realisiert).
 
  
  
 
Weiter ist zu beachten:
 
Weiter ist zu beachten:
* Die Funktionen x(t) bzw. X(f) werden für bis zu zwei Parametersätzen in jeweils einem Diagramm dargestellt.
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* Die Funktionen&nbsp; x(t)&nbsp; bzw.&nbsp; X(f)&nbsp; 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 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.  
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* Die Abszissen&nbsp; t&nbsp; (Zeit) und&nbsp; f&nbsp; (Frequenz) sowie die Ordinaten&nbsp; x(t)&nbsp; (Signalwerte) bzw.&nbsp; X(f)&nbsp; (Spektralwerte) sind jeweils normiert.  
 
 
 
 
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Beispiel:&nbsp; 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&ndash;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.}}
 
  
  
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===Zusammenhang x(t)X(f)===
 
===Zusammenhang x(t)X(f)===
*Der Zusammenhang zwischen Zeitfunktion x(t) und dem Spektrum X(f) ist durch das [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_erste_Fourierintegral|erste Fourierintegral]] gegeben:
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*Der Zusammenhang zwischen der Zeitfunktion&nbsp; x(t)&nbsp; und dem Spektrum&nbsp; X(f)&nbsp; ist durch das&nbsp; [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_erste_Fourierintegral|erste Fourierintegral]]&nbsp; 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}
 
:$$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.$$  
 
\rm FT\hspace{-0.1cm}: \ Fouriertransformation.$$  
  
*Um aus der Spektralfunktion X(f) die Zeitfunktion x(t) berechnen zu können, benötigt man das [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|zweite Fourierintegral]]:
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*Um aus der Spektralfunktion&nbsp; X(f)&nbsp; die Zeitfunktion&nbsp; x(t)&nbsp; berechnen zu können, benötigt man das&nbsp; [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|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}
 
:$$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.$$  
 
{\rm IFT}\hspace{-0.1cm}: \rm  Inverse \ Fouriertransformation.$$  
  
*In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen. Somit gilt:
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*In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen.&nbsp; Somit gilt:
 
:x(t)=+X(f)cos(2πft)df     X(f)=+x(t)cos(2πft)dt.
 
:x(t)=+X(f)cos(2πft)df     X(f)=+x(t)cos(2πft)dt.
*x(t) und X(f) haben unterschiedliche Einheiten, z. B. x(t) in V, X(f) in V/Hz.
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*x(t)&nbsp; und&nbsp; X(f)&nbsp; haben unterschiedliche Einheiten, beispielsweise&nbsp; x(t)&nbsp; in&nbsp; V,&nbsp; X(f)&nbsp; in&nbsp; V/Hz.
*Der Zusammenhang zwischen diesem Modul &bdquo;Impulse & Spektren&rdquo;  und dem ähnlich aufgebauten Applet [[Frequenzgang & Impulsantwort]] basiert auf dem [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Vertauschungssatz|Vertauschungssatz]].
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*Der Zusammenhang zwischen diesem Modul und dem ähnlich aufgebauten Applet&nbsp; [[Applets:Frequenzgang_und_Impulsantwort|Frequenzgang & Impulsantwort]]&nbsp; basiert auf dem&nbsp; [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Vertauschungssatz|Vertauschungssatz]].
*Alle Zeiten sind auf eine Normierungszeit T normiert und alle Frequenzen auf $1/T \RightarrowdieSpektralwerteX(f) müssen noch mit der Normierungszeit T$ multipliziert werden.
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*Alle Zeiten sind auf eine Zeit&nbsp; T&nbsp; normiert und alle Frequenzen auf&nbsp; 1/T &nbsp; &rArr; &nbsp; die Spektralwerte&nbsp; X(f)&nbsp; müssen noch mit der Normierungszeit&nbsp; T&nbsp; multipliziert werden.
  
  
 
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{{GraueBox|TEXT=   
\text{Beispiel:}&nbsp; 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&ndash;förmig mit X_1(f= 0) = 1 und der ersten Nullstelle bei f=1.
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\text{Beispiel:} &nbsp; Stellt man einen Rechteckimpuls mit Amplitude&nbsp; A_1 = 1&nbsp; und äquivalenter Impulsdauer&nbsp; \Delta t_1 = 1&nbsp; ein, so ist&nbsp; x_1(t)&nbsp; im Bereich&nbsp; -0.5 < t < +0.5&nbsp; gleich Eins und außerhalb dieses Bereichs gleich Null.&nbsp; Die Spektralfunktion&nbsp; X_1(f)&nbsp; verläuft&nbsp; $\rm si$&ndash;förmig mit&nbsp; X_1(f= 0) = 1&nbsp; und der ersten Nullstelle bei&nbsp; 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.}}
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*Soll mit dieser Einstellung ein Rechteckimpuls mit&nbsp; A = K = 3 \ \rm V&nbsp; und&nbsp; \Delta t = T = 2 \ \rm ms&nbsp; nachgebildet werden, dann sind alle Signalwerte mit&nbsp; K = 3 \ \rm V&nbsp; und alle Spektralwerte mit&nbsp; K \cdot T = 0.006 \ \rm V/Hz&nbsp; zu multiplizieren.  
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*Der maximale Spektralwert ist dann&nbsp; X(f= 0) = 0.006 \ \rm V/Hz&nbsp; und die erste Nullstelle liegt bei&nbsp; f=1/T = 0.5 \ \rm kHz.}}
  
  

Version vom 31. Juli 2020, 13:46 Uhr

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).


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.


Theoretischer Hintergrund


Zusammenhang x(t)\Leftrightarrow X(f)

  • Der Zusammenhang zwischen der 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, beispielsweise  x(t)  in  \rm VX(f)  in  \rm V/Hz.
  • Der Zusammenhang zwischen diesem Modul und dem ähnlich aufgebauten Applet  Frequenzgang & Impulsantwort  basiert auf dem  Vertauschungssatz.
  • Alle Zeiten sind auf eine Zeit  T  normiert und alle Frequenzen auf  1/T   ⇒   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 Eins und außerhalb dieses Bereichs gleich Null.  Die Spektralfunktion  X_1(f)  verläuft  \rm 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.


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 Triangular Pulse

  • 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.

Versuchsdurchführung


Aufgaben 2D-Gauss.png
  • Wählen Sie zunächst die Nummer  (1, ... , 7)  der zu bearbeitenden Aufgabe.
  • Eine Aufgabenbeschreibung wird angezeigt.  Die Parameterwerte sind angepasst.
  • Lösung nach Drücken von „Musterlösung”.
  • Die Nummer  0  entspricht einem „Reset”:  Gleiche Einstellung wie beim Programmstart.
  • „Rot” bezieht sich auf den ersten Parametersatz   ⇒   x_1(t) \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ X_1(f).
  • „Blau” bezieht sich auf den zweiten Parametersatz   ⇒   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.
  • Das Rechteck ist zeitlich steng begrenzt:  x_2(|t| > 0.5) \equiv 0X_2(f)  hat in einem viel größeren Bereich als  X_1(f)  Anteile.
  • Es gilt  X_1(f = 0) = X_2(f = 0), weil das Integral über den Gaußimpuls  x_1(t)  gleich dem Integral über den Rechteckimpuls  x_2(t)  ist.


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

  • Man erkennt das Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer.  Je größer  \Delta t_2  ist, um so höher und schmäler ist die Spektralfunktion  X_2(f).
  • Bei jeder Einstellung von  \Delta t_2  sind die Zeitsignalwerte  x_1(t= 0)  und  x_2(t=0)  gleich   ⇒   Auch die Integrale über  X_1(f)  und  X_2(f)  sind 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).
          Variieren Sie  \Delta t_2  zwischen  0.05  und  2.  Interpretieren Sie die dargestellten Graphen und extrapolieren Sie das Ergebnis.

  • Das blaue Spektrum ist nun doppelt so breit wie das rote, aber nur halb so hoch.  Erste Nullstelle von  X_1(f)  bei  f =1  und von  X_2(f)  erst bei  f =2.
  • Verkleinerung von  \Delta t_2X_2(f)  immer niedriger und breiter.  Sehr flacher Verlauf bei  \Delta t_2 = 0.05X_2(f = 0)= 0.05X_2(f = \pm 3)= 0.048.
  • Würde man  \Delta t_2 = \varepsilon \to 0  wählen (im Programm nicht möglich), so ergäbe sich das nahezu konstante, sehr kleine Spektrum  X_2(f)=A \cdot \varepsilon \to 0.
  • Erhöht man die Amplitude auf  A=1/\varepsilon, so ergibt sich die konstante Spektralfunktion  X_2(f) = 1  der Diracfunktion  \delta(t).  Das bedeutet:
  • \delta(t)  ist durch ein Rechteck mit Breite  \Delta t = \varepsilon \to 0  und Höhe  A = 1/\varepsilon \to \infty  approximierbar. Das Gewicht der Diracfunktion ist Eins:  x(t) = 1 \cdot \delta (t).


(4)   Vergleichen Sie den  Rechteckimpuls  (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1)  mit dem  Dreieckimpuls (A_2 = 1,\Delta t_2 = 1).  Interpretieren Sie die Spektalfunktionen.

  • Das (normierte) Spektrum des Rechtecks  x_1(t)  mit den (normierte) Parametern  A_1 = 1, \ \Delta t_1 = 1  lautet:  X_1(f)= {\rm si}(\pi\cdot f).
  • Die Faltung von Rechteck  x_1(t)  mit sich selbst ergibt das Dreieck  x_2(t) = x_1(t) \star x_1(t).  Nach dem Faltungssatz gilt somit  X_2(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 den  Trapezimpuls  (A_1 = 1, \Delta t_1 = 1, r_1 = 0.5)  mit dem  Dreieckimpuls  (A_2 = 1,\Delta t_2 = 1).
         Variieren Sie  r_1  zwischen  0  und  1.  Interpretieren Sie die Spektalfunktion  X_1(f).

  • Der Trapezimpuls mit Rolloff-Faktor  r_1= 0  ist identisch mit dem Rechteckimpuls.  Das „normierte Spektrum” lautet:  X_1(f)= {\rm si}(\pi\cdot f).
  • Der Trapezimpuls mit Rolloff-Faktor  r_1= 1  ist identisch mit dem Dreieckimpuls.  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 keine).  Mit  0 < r_1 < 1  gibt es abhängig von  r_1  weitere Nulldurchgänge.


(6)   Vergleichen Sie diesen  Trapezimpuls  mit dem  Cosinus-Rolloff-Impuls  (A_2 = 1,\Delta t_2 = 1.0, r_1 = 0.5).
         Variieren Sie  r_2  zwischen  0  und  1.  Interpretieren Sie die Spektalfunktion  X_2(f)  für  r_2 = 0.7.

  • Bei gleichem  r= 0.5  besitzt der Cosinus-Rolloff-Impuls  X_2(f)  ⇒  für  f > 1 betragsmäßig größere Anteile als der Trapezimpuls.
  • Bei gleichem Rolloff-Faktor  (r_1 = r_2= 0.5)  verläuft der Abfall von  X_2(f)  um die Frequenz  f = 0.5  steiler als der Abfall von  X_1(f).
  • 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).  Vergleichbare Flankensteilheit.


(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_2 = 1).
          Interpretieren Sie die Zeitfunktion  x_2(t)  und die Spektralfunktion  X_2(f)  systemtheoretisch.

  • Es handelt sich bei  x_2(t) = \cos^2(|t|\cdot \pi/2) \ \ \text{für} \ |t| \le 1  um den Cosinus-Quadrat-Impuls.  Nulldurchgänge bei  f = \pm 1\pm 2, ...
  • Für die Frequenz  f=\pm 0.5  erhält man die Spektralwerte  X_2(f)=0.5.  Der asymptotische Abfall verläuft hier mit  1/f^3.


Zur Handhabung des Programms


Spektrum version1.png

    (A)     Bereich der graphischen Darstellung für x(t)

    (B)     Bereich der graphischen Darstellung für X(f)

    (C)     Variationsmöglichkeit für die graphischen Darstellungen

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

    (E)     Parameter entsprechend der Voreinstellung   ⇒   „Reset”

    (F)     Einstellung von t_* und f_* für Numerikausgabe

    (G)     Numerikausgabe von x(t_*) und X(f_*)
                      links (rot): „Pulse 1”,         rechts (blau): „Pulse 2”



Details zum obigen Punkt (C)

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

    (*)   Verschiebe–Funktionen „\leftarrow” (Bildausschnitt nach links, Ordinate nach rechts) sowie „\uparrow” „\downarrow” „\rightarrow


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.

Nochmalige Aufrufmöglichkeit des Applets in neuem Fenster

Applet in neuem Tab öffnen