Aufgaben:Aufgabe 4.3: Unterschiedliche Frequenzen

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Vorgegebene Signalmenge  $\{s_i(t)\}$

In der Grafik sind  $M = 5$  verschiedene Signale  $s_i(t)$  dargestellt.  Entgegen der Nomenklatur im Theorieteil sind für die Laufvariable  $i$  hier die Werte  $0, \ \text{...} \ , M-1$  möglich.

Anzumerken ist:

• Alle Signale sind zeitbegrenzt auf  $0$  bis  $T$;  damit sind auch die Energien aller Signale endlich.

• Das Signal  $s_1(t)$  hat die Periodendauer  $T_0 = T$.  Die Frequenz ist damit gleich  $f_0 = 1/T$.

• Die Signale  $s_i(t)$  mit  $i ≠ 0$  sind Cosinusschwingungen mit der Frequenz  $i \cdot f_0$.

• Dagegen ist  $s_0(t)$  zwischen  $0$  und  $T$  konstant.

• Der Maximalwert aller Signale ist  $A$  und es gilt auch  $|s_i(t)| ≤ A$.

Gesucht sind in dieser Aufgabe die  $N$  Basisfunktionen,  die hier entgegen der bisherigen Beschreibung im Theorieteil mit  $j = 0, \ \text{...} \ , N-1$  durchnummeriert werden.

Hinweis:  Die Aufgabe gehört zum Kapitel  "Signale, Basisfunktionen und Vektorräume".

Fragebogen

1 Beschreiben Sie die Signalmenge  $\{s_i(t)\}$  mit  $0 ≤ i ≤ 4$   möglichst kompakt.  Welche Beschreibungsform ist richtig?

	$s_i(t) = A \cdot \cos {(2\pi \cdot i \cdot t/T)}$.
	$s_i(t) = A \cdot \cos {(2\pi \cdot i \cdot t/T)}$  für  $0 ≤ t < T$,  sonst $0$.
	$s_i(t) = A \cdot \cos {(2\pi t/T \, – \, i \cdot \pi/2)}$  für  $0 ≤ t < T$,  sonst $0$.

2 Geben Sie die Anzahl  $N$  der erforderlichen Basisfunktionen an.

$N \ = \ $

3 Wie lautet die Basisfunktion  $\varphi_0(t)$,  die formgleich mit  $s_0(t)$  ist?

	$\varphi_0(t) = s_0(t)$,
	$\varphi_0(t) = \sqrt{1/T}$ für $0 ≤ t < T$,  außerhalb  $0$.
	$\varphi_0(t) = \sqrt{2/T}$ für $0 ≤ t < T$,  außerhalb  $0$.

4 Wie lautet die Basisfunktion  $\varphi_1(t)$,  die formgleich mit  $s_1(t)$  ist?

	$\varphi_1(t) = s_1(t)$,
	$\varphi_1(t) = \sqrt{1/T} \cdot \cos {(2\pi t/T)}$ für $0 ≤ t < T$,  außerhalb $0$.
	$\varphi_1(t) =\sqrt{2/T} \cdot \cos {(2\pi t/T)}$ für $0 ≤ t < T$,  außerhalb $0$.

Musterlösung

Musterlösung

(1)  Richtig ist der  Lösungsvorchlag 2:

• Dieser berücksichtigt die unterschiedlichen Frequenzen und die Begrenzung auf den Bereich  $0 ≤ t < T$.

• Die Signale  $s_i(t)$  gemäß Vorschlag 3 unterscheiden sich dagegen nicht bezüglich der Frequenz,  sondern weisen unterschiedliche Phasenlagen auf.

(2)  Die energiebegrenzten Signale   $s_i(t) = A \cdot \cos {(2\pi \cdot i \cdot t/T)}$   sind alle zueinander orthogonal,  das heißt, 
dass das innere Produkt zweier Signale  $s_i(t)$  und  $s_k(t)$  mit  $i ≠ k$  stets null ist :

$$< \hspace{-0.1cm}s_i(t), \hspace{0.1cm} s_k(t)\hspace{-0.1cm} > \hspace{0.1cm} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} A^2 \cdot \int_{0}^{T}\cos(2\pi \cdot i \cdot t/T) \cdot \cos(2\pi \cdot k \cdot t/T)\,{\rm d} t $$

$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} < \hspace{-0.1cm}s_i(t), \hspace{0.1cm} s_k(t)\hspace{-0.1cm} > \hspace{0.1cm} \hspace{-0.1cm} {A^2}/{2} \cdot \int_{0}^{T}\cos(2\pi (i-k) t/T) \,{\rm d} t +\frac{A^2}{2} \cdot \int_{0}^{T}\cos(2\pi (i+k) t/T) \,{\rm d} t\hspace{0.05cm}.$$

• Mit  $i ∈ \{0, \ \text{...} \ , 4\}$  und  $k ∈ \{0, \ \text{...}\ , 4\}$  sowie  $i ≠ j$  ist sowohl  $i \, - k$  ganzzahlig ungleich null,  ebenso die Summe  $i + k$.

• Dadurch liefern beide Integrale das Ergebnis  "Null":

$$< \hspace{-0.1cm}s_i(t), \hspace{0.1cm} s_k(t)\hspace{-0.1cm} > \hspace{0.1cm} \hspace{-0.1cm}= 0 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \hspace{0.05cm}\hspace{0.15cm}\underline {N = M = 5}\hspace{0.05cm}.$$

(3)  Die Energie des innerhalb  $T$  konstanten Signals  $s_0(t)$ ist  gleich

$$E_0 = ||s_0(t)||^2 = A^2 \cdot T \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} ||s_0(t)|| = A \cdot \sqrt{T} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \varphi_0 (t) = \frac{s_0(t)}{||s_0(t)||} = \left\{ \begin{array}{c} 1/\sqrt{T} \\0 \end{array} \right.\quad\begin{array}{*{1}c} 0 \le t < T \hspace{0.05cm},\\ {\rm sonst}\hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$

⇒   Richtig ist demzufolge der  Lösungsvorschlag 2.

(4)  Richtig ist hier der  letzte Lösungsvorschlag  wegen

$$E_1 = ||s_1(t)||^2 = \frac{A^2 \cdot T}{2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} ||s_1(t)|| = A \cdot \sqrt{{T}/{2}} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \varphi_1 (t) = \frac{s_1(t)}{||s_1(t)||} = \left\{ \begin{array}{c} \sqrt{2/T} \cdot \cos(2\pi t/T) \\0 \end{array} \right.\quad\begin{array}{*{1}c} 0 \le t < T \hspace{0.05cm},\\ {\rm sonst}\hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$