Applets:Impulse und Spektren: Unterschied zwischen den Versionen

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Version vom 18. August 2020, 14:59 Uhr

Applet in neuem Tab öffnen       English Version

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)X(f)

  • Der Zusammenhang zwischen der Zeitfunktion  x(t)  und dem Spektrum  X(f)  ist durch das  erste Fourierintegral  gegeben:
X(f)=FT[x(t)]=+x(t)ej2πftdtFT: Fouriertransformation.
  • Um aus der Spektralfunktion  X(f)  die Zeitfunktion  x(t)  berechnen zu können, benötigt man das  zweite Fourierintegral:
x(t)=IFT[X(f)]=+X(f)e+j2πftdfIFT:Inverse Fouriertransformation.
  • In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen.  Somit gilt:
x(t)=+X(f)cos(2πft)df     X(f)=+x(t)cos(2πft)dt.
  • x(t)  und  X(f)  haben unterschiedliche Einheiten, beispielsweise  x(t)  in  VX(f)  in  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.


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 Eins und außerhalb dieses Bereichs gleich Null.  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.


Gaußimpuls     Gaussian Pulse

  • Die Zeitfunktion des Gaußimpulses mit der Höhe  K  und der (äquivalenten) Dauer  Δt  lautet:
x(t)=Keπ(t/Δt)2.
  • Die äquivalente Zeitdauer  Δt  ergibt sich aus dem flächengleichen Rechteck.
  • Der Wert bei  t=Δt/2  ist um den Faktor  0.456  kleiner als der Wert bei  t=0.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔteπ(fΔt)2.
  • Je kleiner die äquivalente Zeitdauer  Δt  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=1.5Δt  auf weniger als  0.1%  des Maximums abgefallen.


Rechteckimpuls     Rectangular Pulse

  • Die Zeitfunktion des Rechteckimpulses mit der Höhe  K  und der (äquivalenten) Dauer  Δt  lautet:
x(t)={KK/20f¨urf¨urf¨ur|t|<T/2,|t|=T/2,|t|>T/2.
  • Der  ±Δt/2–Wert liegt mittig zwischen links- und rechtsseitigem Grenzwert.
  • Für die Spektralfunktion erhält man entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation (1. Fourierintegral):
X(f)=KΔtsi(πΔtf)mit si(x)=sin(x)x.
  • Der Spektralwert bei  f=0  ist gleich der Rechteckfläche der Zeitfunktion.
  • Die Spektralfunktion besitzt Nullstellen in äquidistanten Abständen  1/Δt.
  • Das Integral über der Spektralfunktion  X(f)  ist gleich dem Signalwert zum Zeitpunkt  t=0, also der Impulshöhe  K.


Dreieckimpuls Dreieckimpuls Triangular Pulse

  • Die Zeitfunktion des Dreieckimpulses mit der Höhe  K  und der (äquivalenten) Dauer  Δt  lautet:
x(t)={K(1|t|/Δt)0f¨urf¨ur|t|<Δt,|t|Δt.
  • Die absolute Zeitdauer ist  2Δt;  diese ist doppelt so groß als die des Rechtecks.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔfsi2(πΔtf)mitsi(x)=sin(x)x.
  • Obige Zeitfunktion ist gleich der Faltung zweier Rechteckimpulse, jeweils mit Breite  Δt.
  • Daraus folgt:  X(f)  beinhaltet anstelle der  si-Funktion die  si2-Funktion.
  • X(f)  weist somit ebenfalls Nullstellen im äquidistanten Abständen  1/Δf  auf.
  • Der asymptotische Abfall von  X(f)  erfolgt hier mit  1/f2, während zum Vergleich der Rechteckimpuls mit  1/f  abfällt.


Trapezimpuls     Trapezoidal Pulse

Die Zeitfunktion des Trapezimpulses mit der Höhe  K  und den Zeitparametern  t1  und  t2  lautet:

x(t)={KKt2|t|t2t10f¨urf¨urf¨ur|t|t1,t1|t|t2,|t|t2.
  • Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt:   Δt=t1+t2.
  • Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
r=t2t1t2+t1.
  • Der Sonderfall  r=0  entspricht dem Rechteckimpuls und der Sonderfall  r=1  dem Dreieckimpuls.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔtsi(πΔtf)si(πrΔtf)mitsi(x)=sin(x)x.
  • Der asymptotische Abfall von  X(f)  liegt zwischen  1/f  (für Rechteck,  r=0)  und  1/f2  (für Dreieck,  r=1).


Cosinus-Rolloff-Impuls     Cosine-rolloff Pulse

Die Zeitfunktion des Cosinus-Rolloff-Impulses mit der Höhe  K  und den Zeitparametern  t1  und  t2  lautet:

x(t)={KKcos2(|t|t1t2t1π/2)0f¨urf¨urf¨ur|t|t1,t1|t|t2,|t|t2.
  • Für die äquivalente Impulsdauer (flächengleiches Rechteck) gilt:   Δt=t1+t2.
  • Der Rolloff-Faktor (im Zeitbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
r=t2t1t2+t1.
  • Der Sonderfall  r=0  entspricht dem Rechteckimpuls und der Sonderfall  r=1  dem Cosinus-Quadrat-Impuls.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔtcos(πrΔtf)1(2rΔtf)2si(πΔtf).
  • 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=1t1=0, t2=Δt:
x(t)={Kcos2(|t|π2Δt)0f¨urf¨ur|t|<Δt,|t|Δt.
  • Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
X(f)=KΔfπ4[si(π(Δtf+0.5))+si(π(Δtf0.5))]si(πΔtf).
  • 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.
  • Aufgrund des Klammerausdrucks weist  X(f)  nun weitere Nulldurchgänge bei  f=±1.5F±2.5F±3.5F, ... auf.
  • Für die Frequenz  f=±F/2  erhält man die Spektralwerte  KΔt/2.
  • Der asymptotische Abfall von  X(f)  verläuft in diesem Sonderfall mit  1/f3.

Versuchsdurchführung


Aufgaben 2D-Gauss.png
  • Wählen Sie zunächst die Nummer  (1, 2, ... )  der zu bearbeitenden Aufgabe.
  • Eine Aufgabenbeschreibung wird angezeigt.  Die Parameterwerte sind angepasst.
  • Lösung nach Drücken von „Musterlösung”.
  • Die Nummer  0  entspricht einem „Reset”:  Einstellung wie beim Programmstart.
  • „Rot” bezieht sich auf den ersten Parametersatz   ⇒   x1(t) X1(f).
  • „Blau” bezieht sich auf den zweiten Parametersatz   ⇒   x2(t) X2(f).
  • Werte betragsmäßig kleiner  0.0005  werden im Programm zu Null gesetzt.


(1)   Vergleichen Sie den  roten Gaußimpuls  (A1=1,Δt1=1)  mit dem  blauen Rechteckimpuls  (A2=1,Δt2=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  x1(t)  für  |t|>1.5  und  X1(f)  für  |f|>1.5  nahezu Null.
  • Das Rechteck ist zeitlich steng begrenzt:  x2(|t|>0.5)0X2(f)  hat in einem viel größeren Bereich als  X1(f)  Anteile.
  • Es gilt  X1(f=0)=X2(f=0), weil das Integral über den Gaußimpuls  x1(t)  gleich dem Integral über den Rechteckimpuls  x2(t)  ist.


(2)   Vergleichen Sie den  roten Gaußimpuls  (A1=1,Δt1=1)  mit dem  blauen Rechteckimpuls  (A2=1,Δt2).
          Variieren Sie die äquivalente Impulsdauer  Δt2  zwischen  0.5  und  2.  Interpretieren Sie die dargestellten Graphen.

  • Man erkennt das Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer.  Je größer  Δt2  ist, um so höher und schmäler ist die Spektralfunktion  X2(f).
  • Bei jeder Einstellung von  Δt2  sind die Zeitsignalwerte  x1(t=0)  und  x2(t=0)  gleich   ⇒   Auch die Integrale über  X1(f)  und  X2(f)  sind identisch.


(3)   Vergleichen Sie den  roten Rechteckimpuls  (A1=1,Δt1=1)  mit dem  blauen Rechteckimpuls  (A2=1,Δt2=0.5).
          Variieren Sie  Δt2  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  X1(f)  bei  f=1  und von  X2(f)  erst bei  f=2.
  • Verkleinerung von  Δt2X2(f)  immer niedriger und breiter.  Sehr flacher Verlauf bei  Δt2=0.05X2(f=0)=0.05X2(f=±3)=0.048.
  • Würde man  Δt2=ε0  wählen (im Programm nicht möglich), so ergäbe sich das nahezu konstante, sehr kleine Spektrum  X2(f)=Aε0.
  • Erhöht man die Amplitude auf  A=1/ε, so ergibt sich die konstante Spektralfunktion  X2(f)=1  der Diracfunktion  δ(t).  Das bedeutet:
  • δ(t)  ist durch ein Rechteck mit Breite  Δt=ε0  und Höhe  A=1/ε  approximierbar. Das Diracgewicht ist Eins:  x(t)=1δ(t).


(4)   Vergleichen Sie den  Rechteckimpuls  (A1=1,Δt1=1)  mit dem  Dreieckimpuls (A2=1,Δt2=1).  Interpretieren Sie die Spektalfunktionen.

  • Das (normierte) Spektrum des Rechtecks  x1(t)  mit den (normierte) Parametern  A1=1, Δt1=1  lautet:  X1(f)=si(πf).
  • Die Faltung des Rechtecks  x1(t)  mit sich selbst ergibt das Dreieck  x2(t)=x1(t)x1(t).  Nach dem Faltungssatz gilt somit  X2(f)=[X1(f)]2.
  • Durch das Quadrieren der  si–förmigen Spektralfunktion  X1(f)  bleiben die Nullstellen in  X2(f)  erhalten.  Es gilt aber nun  X2(f)0.


(5)   Vergleichen Sie den  Trapezimpuls  (A1=1,Δt1=1,r1=0.5)  mit dem  Dreieckimpuls  (A2=1,Δt2=1).
         Variieren Sie  r1  zwischen  0  und  1.  Interpretieren Sie die Spektalfunktion  X1(f).

  • Der Trapezimpuls mit Rolloff-Faktor  r1=0  ist identisch mit dem Rechteckimpuls.  Das „normierte Spektrum” lautet:  X1(f)=si(πf).
  • Der Trapezimpuls mit Rolloff-Faktor  r1=1  ist identisch mit dem Dreieckimpuls.  Das „normierte Spektrum” lautet:  X1(f)=si2(πf).
  • In beiden Fällen besitzt  X1(f)  äquidistante Nulldurchgänge bei  ±1, ±2, ... (sonst keine).  Mit  0<r1<1  gibt es abhängig von  r1  weitere Nulldurchgänge.


(6)   Vergleichen Sie den  Trapezimpuls  (A1=1,Δt1=1,r1=0.5)  mit dem  Cosinus-Rolloff-Impuls  (A2=1,Δt2=1.0,r1=0.5).
         Variieren Sie  r2  zwischen  0  und  1.  Interpretieren Sie die Spektalfunktion  X2(f)  für  r2=0.7.

  • Bei gleichem  r=0.5  besitzt der Cosinus-Rolloff-Impuls  X2(f)  ⇒  für  f>1 betragsmäßig größere Anteile als der Trapezimpuls.
  • Bei gleichem Rolloff-Faktor  (r1=r2=0.5)  verläuft der Abfall von  X2(f)  um die Frequenz  f=0.5  steiler als der Abfall von  X1(f).
  • Mit  r1=0.5  und  r2=0.7  gilt  x1(t)x2(t)  und damit auch  X1(f)X2(f).  Vergleichbare Flankensteilheit.


(7)   Vergleichen Sie den  roten Trapezimpuls  (A1=1,Δt1=1,r1=1)  mit dem  blauen Cosinus-Rolloff-Impuls  (A2=1,Δt2=1.0,r2=1).
          Interpretieren Sie die Zeitfunktion  x2(t)  und die Spektralfunktion  X2(f)  systemtheoretisch.

  • Es handelt sich bei  x2(t)=cos2(|t|π/2)  für |t|1  um den Cosinus-Quadrat-Impuls.  Nulldurchgänge bei  f=±1±2, ...
  • Für die Frequenz  f=±0.5  erhält man die Spektralwerte  X2(f)=0.5.  Der asymptotische Abfall verläuft hier mit  1/f3.


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 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.
  • Letztmalige Überarbeitung 2020 durch  Carolin Mirschina  im Rahmen einer Werkstudententätigkeit.

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