Applets:Impulse und Spektren: Unterschied zwischen den Versionen
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'''(A)''' Bereich der graphischen Darstellung für x(t) | '''(A)''' Bereich der graphischen Darstellung für x(t) | ||
Version vom 20. August 2020, 18:42 Uhr
Applet in neuem Tab öffnen English Version
Inhaltsverzeichnis
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)⋅e−j2πftdtFT: 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 V, X(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 K⋅T=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)=K⋅e−π⋅(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)=K⋅Δt⋅e−π(f⋅Δt)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)=K⋅Δt⋅si(π⋅Δt⋅f)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 2⋅Δt; diese ist doppelt so groß als die des Rechtecks.
- Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
- X(f)=K⋅Δf⋅si2(π⋅Δt⋅f)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)={KK⋅t2−|t|t2−t10f¨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=t2−t1t2+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)=K⋅Δt⋅si(π⋅Δt⋅f)⋅si(π⋅r⋅Δt⋅f)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)={KK⋅cos2(|t|−t1t2−t1⋅π/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=t2−t1t2+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)=K⋅Δt⋅cos(π⋅r⋅Δt⋅f)1−(2⋅r⋅Δt⋅f)2⋅si(π⋅Δt⋅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⇒t1=0, t2=Δt:
- x(t)={K⋅cos2(|t|⋅π2⋅Δt)0f¨urf¨ur|t|<Δt,|t|≥Δt.
- Für die Spektralfunktion erhält man gemäß der Fouriertransformation:
- X(f)=K⋅Δf⋅π4⋅[si(π(Δt⋅f+0.5))+si(π(Δt⋅f−0.5))]⋅si(π⋅Δt⋅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.
- 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 K⋅Δt/2.
- Der asymptotische Abfall von X(f) verläuft in diesem Sonderfall mit 1/f3.
Versuchsdurchführung
- 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)≡0. X2(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 Δt2: X2(f) immer niedriger und breiter. Sehr flacher Verlauf bei Δt2=0.05: X2(f=0)=0.05, X2(f=±3)=0.048.
- Würde man Δt2=ε→0 wählen (im Programm nicht möglich), so ergäbe sich das nahezu konstante, sehr kleine Spektrum X2(f)=A⋅ε→0.
- 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=ε→0 und Höhe A=1/ε→∞ approximierbar. Das Diracgewicht ist Eins: x(t)=1⋅δ(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(π⋅f).
- 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(π⋅f).
- Der Trapezimpuls mit Rolloff-Faktor r1=1 ist identisch mit dem Dreieckimpuls. Das „normierte Spektrum” lautet: X1(f)=si2(π⋅f).
- 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
(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.