Aufgaben:Aufgabe 4.5Z: Einfacher Phasenmodulator: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Datei:P_ID757__Sig_Z_4_5.png|right|frame|Modell des betrachteten Phasenmodulators]]
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Die Grafik zeigt eine recht einfache Anordnung zur Approximation eines Phasenmodulators. Alle Signale seien hierbei dimensionslose Größen.
Die Grafik zeigt eine recht einfache Anordnung zur Approximation eines Phasenmodulators.  Alle Signale seien hierbei dimensionslose Größen.


Das sinusförmige Nachrichtensignal  $q(t)$  der Frequenz  $f_{\rm N} = 10 \ \text{kHz}$  wird mit dem Signal  $m(t)$  multipliziert, das sich aus dem cosinusförmigen Trägersignal  $z(t)$  durch Phasenverschiebung um  $\phi = 90^\circ$  ergibt:
Das sinusförmige Nachrichtensignal  $q(t)$  der Frequenz  $f_{\rm N} = 10 \ \text{kHz}$  wird mit dem Signal  $m(t)$  multipliziert, das sich aus dem cosinusförmigen Trägersignal  $z(t)$  durch Phasenverschiebung um  $\phi = 90^\circ$  ergibt:
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{Berechnen Sie das äquivalente Tiefpass-Signal  $s_{\rm TP}(t)$. Welche Inphase– und Quadtraturkomponente ergeben sich zum Zeitpunkt  $t = 0$?
{Berechnen Sie das äquivalente Tiefpass-Signal  $s_{\rm TP}(t)$.  Welche Inphase– und Quadtraturkomponente ergeben sich zum Zeitpunkt  $t = 0$?
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$s_{\rm I}(t = 0)\ = \ $  { 1 3% }
$s_{\rm I}(t = 0)\ = \ $  { 1 3% }
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{Welche der folgenden Aussagen treffen für die Ortskurve  $s_{\rm TP}(t)$ zu?
{Welche der folgenden Aussagen treffen für die Ortskurve  $s_{\rm TP}(t)$ zu?
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- Die Ortskurve ist ein Kreisbogen.
- Die Ortskurve ist ein Kreisbogen.
- Die Ortskurve ist eine horizontale Gerade.
- Die Ortskurve ist eine horizontale Gerade.
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{Wie lautet die Phasenfunktion  $\phi(t)$. Wie groß ist deren Maximalwert?
{Wie lautet die Phasenfunktion  $\phi(t)$.  Wie groß ist deren Maximalwert?
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$\phi_{\rm max}\ = \ $ { 45 3% }  $\text{Grad}$
$\phi_{\rm max}\ = \ $ { 45 3% }  $\text{Grad}$
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{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Richtig sind <u>der erste und der letzte Vorschlag</u>:
'''(1)'''&nbsp;  Richtig sind <u>der erste und der letzte Vorschlag</u>:
*Durch die Phasenverschiebung um $\phi = 90^\circ$ wird aus der Cosinus– die Minus–Sinusfunktion.  
*Durch die Phasenverschiebung um&nbsp; $\phi = 90^\circ$&nbsp; wird aus der Cosinusfunktion die Minus–Sinusfunktion.  
*Mit $q(t) = \sin(\omega_{\rm N} t)$ gilt:
*Mit&nbsp; $q(t) = \sin(\omega_{\rm N} t)$&nbsp; gilt:
:$${s(t)}  =  \cos({ \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t }) -  \sin({
:$${s(t)}  =  \cos({ \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t }) -  \sin({\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t }) \cdot \sin({ \omega_{\rm N}\hspace{0.05cm} t })  =  \cos({ \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t }) -  0.5 \cdot \cos(({\omega_{\rm T}-\omega_{\rm N})\hspace{0.05cm} t }) + 0.5 \cdot\cos(({ \omega_{\rm T}+\omega_{\rm N})\hspace{0.05cm} t }).$$
\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t }) \cdot \sin({ \omega_{\rm
 
N}\hspace{0.05cm} t })  =  \cos({ \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t }) -  0.5 \cdot \cos(({
\omega_{\rm T}-\omega_{\rm N})\hspace{0.05cm} t }) + 0.5 \cdot
\cos(({ \omega_{\rm T}+\omega_{\rm N})\hspace{0.05cm} t }).$$




'''(2)'''&nbsp;  Das Spektrum des analytischen Signals lautet:
'''(2)'''&nbsp;  Das Spektrum des analytischen Signals lautet:
:$$S_{\rm +}(f) = \delta (f - f_{\rm T}) - 0.5 \cdot \delta (f -
:$$S_{\rm +}(f) = \delta (f - f_{\rm T}) - 0.5 \cdot \delta (f -f_{\rm \Delta})+ 0.5 \cdot \delta (f - f_{\rm \Sigma}) .$$
f_{\rm \Delta})+ 0.5 \cdot \delta (f - f_{\rm \Sigma}) .$$
*Durch Verschiebung um&nbsp; $f_{\rm T}$&nbsp; kommt man zum Spektrum des äquivalenten Tiefpass-Signals:
Durch Verschiebung um $f_{\rm T}$ kommt man zum Spektrum des äquivalenten Tiefpass-Signals:
:$$S_{\rm TP}(f) = \delta (f ) - 0.5 \cdot \delta (f + f_{\rm N})+0.5 \cdot \delta (f - f_{\rm N}) .$$
:$$S_{\rm TP}(f) = \delta (f ) - 0.5 \cdot \delta (f + f_{\rm N})+
*Dies führt zu der Zeitfunktion
0.5 \cdot \delta (f - f_{\rm N}) .$$
:$$s_{\rm TP}(t) = {\rm 1 } - 0.5 \cdot {\rm e}^{{-\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t }+ 0.5 \cdot{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t }= 1 + {\rm j} \cdot \sin(\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t ).$$
Dies führt zu der Zeitfunktion
*Zum Zeitpunkt&nbsp; $t = 0$ ist $s_{\rm TP}(t) = 1$, also reell. Somit gilt:
:$$s_{\rm TP}(t) = {\rm 1 } - 0.5 \cdot {\rm e}^{{-\rm
j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t }+ 0.5 \cdot
{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t }
= 1 + {\rm j} \cdot \sin(\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t ).$$
Zum Zeitpunkt $t = 0$ ist $s_{\rm TP}(t) = 1$, also reell. Somit gilt:


:* $s_{\rm I}(t = 0) = \text{Re}[s_{\rm TP}(t = 0)]\; \underline{= 1}$,
:* $s_{\rm I}(t = 0) = \text{Re}[s_{\rm TP}(t = 0)]\; \underline{= 1}$,


:* $s_{\rm Q}(t = 0) = \text{Ime}[s_{\rm TP}(t = 0)]\; \underline{= 0}$.
:* $s_{\rm Q}(t = 0) = \text{Ime}[s_{\rm TP}(t = 0)]\; \underline{= 0}$.




[[Datei:P_ID762__Sig_Z_4_5_a.png|right|frame|Ortskurve eines einfachen Phasenmodulators]]
[[Datei:P_ID762__Sig_Z_4_5_a.png|right|frame|Ortskurve eines einfachen Phasenmodulators]]
'''(3)'''&nbsp;  Die Ortskurve ist eine vertikale Gerade &nbsp; &rArr; &nbsp;  <u>Vorschlag 3</u> mit folgenden Werten:
'''(3)'''&nbsp;  Die Ortskurve ist eine vertikale Gerade &nbsp; &rArr; &nbsp;  <u>Vorschlag 3</u> mit folgenden Werten:
:$$s_{\rm TP}(t = 0) = s_{\rm TP}(t = {\rm 50 \hspace{0.05cm} \mu s})
:$$s_{\rm TP}(t = 0) = s_{\rm TP}(t = {\rm 50 \hspace{0.05cm} &micro; s})= \text{ ...} = 1,$$
= \text{ ...} = 1,$$
:$$s_{\rm TP}(t = {\rm 25 \hspace{0.05cm} &micro; s}) = s_{\rm TP}(t ={\rm 125 \hspace{0.05cm} \mu s}) = \text{ ...} = 1 + {\rm j},$$
:$$s_{\rm TP}(t = {\rm 25 \hspace{0.05cm} \mu s}) = s_{\rm TP}(t =
:$$s_{\rm TP}(t = {\rm 75 \hspace{0.05cm} &micro; s}) = s_{\rm TP}(t ={\rm 175 \hspace{0.05cm} \mu s}) = \text{ ...} = 1 - {\rm j}.$$
{\rm 125 \hspace{0.05cm} \mu s}) = \text{ ...} = 1 + {\rm j},$$
:$$s_{\rm TP}(t = {\rm 75 \hspace{0.05cm} \mu s}) = s_{\rm TP}(t =
{\rm 175 \hspace{0.05cm} \mu s}) = \text{ ...} = 1 - {\rm j}.$$




'''(4)'''&nbsp;  Der Betrag (die Zeigerlänge) schwankt zwischen $a_{\rm max} = \sqrt{2}\; \underline{\approx 1.414}$ und $a_{\rm min} \;\underline{= 1}$. Es gilt:
'''(4)'''&nbsp;  Der Betrag (die Zeigerlänge) schwankt zwischen&nbsp; $a_{\rm max} = \sqrt{2}\; \underline{\approx 1.414}$&nbsp; und&nbsp; $a_{\rm min} \;\underline{= 1}$. Es gilt:
:$$a(t) = \sqrt{1 + \sin^2(\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t )}.$$
:$$a(t) = \sqrt{1 + \sin^2(\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t )}.$$
Bei idealer Phasenmodulation müsste dagegen die Hüllkurve $a(t)$ konstant sein.
Bei idealer Phasenmodulation müsste dagegen die Hüllkurve&nbsp; $a(t)$&nbsp; konstant sein.




'''(5)'''&nbsp;  Der Realteil ist stets $1$, der Imaginärteil gleich $\sin(\omega_{\rm N} \cdot t) $. Daraus folgt die Phasenfunktion:
'''(5)'''&nbsp;  Der Realteil ist stets&nbsp; $1$, der Imaginärteil gleich&nbsp; $\sin(\omega_{\rm N} \cdot t) $. Daraus folgt die Phasenfunktion:
:$$\phi(t)= {\rm arctan} \hspace{0.1cm}{\left(\sin(\omega_{\rm N}
:$$\phi(t)= {\rm arctan} \hspace{0.1cm}{\left(\sin(\omega_{\rm N}\hspace{0.05cm} t )\right)}.$$
\hspace{0.05cm} t )\right)}.$$
*Der Maximalwert der Sinusfunktion ist&nbsp; $1$. Daraus folgt:
Der Maximalwert der Sinusfunktion ist $1$. Daraus folgt:
:$$\phi_{\rm max} = \arctan (1) \; \underline{= \pi /4 } \; \Rightarrow \; \underline{45^\circ}.$$  
:$$\phi_{\rm max} = \arctan (1) \; \underline{= \pi /4 } \; \Rightarrow \; \underline{45^\circ}.$$  
{{ML-Fuß}}
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^4. Bandpassartige Signale^]]
[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^4. Bandpassartige Signale^]]
[[en:Aufgaben:Exercise_4.5Z:_Simple_Phase_Modulator]]

Aktuelle Version vom 16. März 2026, 14:37 Uhr

Modell des betrachteten Phasenmodulators

Die Grafik zeigt eine recht einfache Anordnung zur Approximation eines Phasenmodulators.  Alle Signale seien hierbei dimensionslose Größen.

Das sinusförmige Nachrichtensignal  $q(t)$  der Frequenz  $f_{\rm N} = 10 \ \text{kHz}$  wird mit dem Signal  $m(t)$  multipliziert, das sich aus dem cosinusförmigen Trägersignal  $z(t)$  durch Phasenverschiebung um  $\phi = 90^\circ$  ergibt:

$$m(t) = {\cos} ( \omega_{\rm T} \cdot t + 90^\circ).$$

Anschließend wird das Signal  $z(t)$  mit der Frequenz  $f_{\rm T} = 1 \ \text{MHz}$  noch direkt addiert.

Zur Abkürzung werden in dieser Aufgabe auch verwendet:

  • die Differenzfrequenz  $f_{\rm \Delta} = f_{\rm T} - f_{\rm N} = 0.99 \ \text{MHz}$,
  • die Summenfrequenz  $f_{\rm \Sigma} = f_{\rm T} + f_{\rm N} = 1.01\ \text{MHz}$,
  • die beiden Kreisfrequenzen  $\omega_{\rm \Delta} = 2\pi \cdot f_{\rm \Delta}$  und  $\omega_{\rm \Sigma} = 2\pi \cdot f_{\rm \Sigma}$.




Hinweise:

  • Berücksichtigen Sie die trigonomischen Umformungen
$$\sin(\alpha) \cdot \cos (\beta)= {1}/{2} \cdot \sin(\alpha - \beta) + {1}/{2} \cdot \sin(\alpha + \beta),$$
$$\sin(\alpha) \cdot \sin (\beta)= {1}/{2} \cdot \cos(\alpha - \beta) - {1}/{2} \cdot \cos(\alpha + \beta).$$


Fragebogen

1 Welche der folgenden Gleichungen beschreiben  $s(t)$  in richtiger Weise?

$s(t) = \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) - q(t) \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t)$.
$s(t) = \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) + q(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t)$.
$s(t) = \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) + 0.5 \sin(\omega_{\rm \Delta} \cdot t) + 0.5 \sin(\omega_{\rm \Sigma} \cdot t)$.
$s(t) = \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) - 0.5 \cos(\omega_{\rm \Delta} \cdot t) + 0.5 \cos(\omega_{\rm \Sigma} \cdot t)$.

2 Berechnen Sie das äquivalente Tiefpass-Signal  $s_{\rm TP}(t)$.  Welche Inphase– und Quadtraturkomponente ergeben sich zum Zeitpunkt  $t = 0$?

$s_{\rm I}(t = 0)\ = \ $
$s_{\rm Q}(t = 0)\ = \ $

3 Welche der folgenden Aussagen treffen für die Ortskurve  $s_{\rm TP}(t)$ zu?

Die Ortskurve ist ein Kreisbogen.
Die Ortskurve ist eine horizontale Gerade.
Die Ortskurve ist eine vertikale Gerade.

4 Berechnen Sie den Betrag  $a(t)$, insbesondere dessen Maximal– und Minimalwert.

$a_{\rm max}\ = \ $
$a_{\rm min}\ = \ $

5 Wie lautet die Phasenfunktion  $\phi(t)$.  Wie groß ist deren Maximalwert?

$\phi_{\rm max}\ = \ $  $\text{Grad}$


Musterlösung

(1)  Richtig sind der erste und der letzte Vorschlag:

  • Durch die Phasenverschiebung um  $\phi = 90^\circ$  wird aus der Cosinusfunktion die Minus–Sinusfunktion.
  • Mit  $q(t) = \sin(\omega_{\rm N} t)$  gilt:
$${s(t)} = \cos({ \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t }) - \sin({\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t }) \cdot \sin({ \omega_{\rm N}\hspace{0.05cm} t }) = \cos({ \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t }) - 0.5 \cdot \cos(({\omega_{\rm T}-\omega_{\rm N})\hspace{0.05cm} t }) + 0.5 \cdot\cos(({ \omega_{\rm T}+\omega_{\rm N})\hspace{0.05cm} t }).$$


(2)  Das Spektrum des analytischen Signals lautet:

$$S_{\rm +}(f) = \delta (f - f_{\rm T}) - 0.5 \cdot \delta (f -f_{\rm \Delta})+ 0.5 \cdot \delta (f - f_{\rm \Sigma}) .$$
  • Durch Verschiebung um  $f_{\rm T}$  kommt man zum Spektrum des äquivalenten Tiefpass-Signals:
$$S_{\rm TP}(f) = \delta (f ) - 0.5 \cdot \delta (f + f_{\rm N})+0.5 \cdot \delta (f - f_{\rm N}) .$$
  • Dies führt zu der Zeitfunktion
$$s_{\rm TP}(t) = {\rm 1 } - 0.5 \cdot {\rm e}^{{-\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t }+ 0.5 \cdot{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t }= 1 + {\rm j} \cdot \sin(\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t ).$$
  • Zum Zeitpunkt  $t = 0$ ist $s_{\rm TP}(t) = 1$, also reell. Somit gilt:
  • $s_{\rm I}(t = 0) = \text{Re}[s_{\rm TP}(t = 0)]\; \underline{= 1}$,
  • $s_{\rm Q}(t = 0) = \text{Ime}[s_{\rm TP}(t = 0)]\; \underline{= 0}$.


Ortskurve eines einfachen Phasenmodulators

(3)  Die Ortskurve ist eine vertikale Gerade   ⇒   Vorschlag 3 mit folgenden Werten:

$$s_{\rm TP}(t = 0) = s_{\rm TP}(t = {\rm 50 \hspace{0.05cm} µ s})= \text{ ...} = 1,$$
$$s_{\rm TP}(t = {\rm 25 \hspace{0.05cm} µ s}) = s_{\rm TP}(t ={\rm 125 \hspace{0.05cm} \mu s}) = \text{ ...} = 1 + {\rm j},$$
$$s_{\rm TP}(t = {\rm 75 \hspace{0.05cm} µ s}) = s_{\rm TP}(t ={\rm 175 \hspace{0.05cm} \mu s}) = \text{ ...} = 1 - {\rm j}.$$


(4)  Der Betrag (die Zeigerlänge) schwankt zwischen  $a_{\rm max} = \sqrt{2}\; \underline{\approx 1.414}$  und  $a_{\rm min} \;\underline{= 1}$. Es gilt:

$$a(t) = \sqrt{1 + \sin^2(\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm} t )}.$$

Bei idealer Phasenmodulation müsste dagegen die Hüllkurve  $a(t)$  konstant sein.


(5)  Der Realteil ist stets  $1$, der Imaginärteil gleich  $\sin(\omega_{\rm N} \cdot t) $. Daraus folgt die Phasenfunktion:

$$\phi(t)= {\rm arctan} \hspace{0.1cm}{\left(\sin(\omega_{\rm N}\hspace{0.05cm} t )\right)}.$$
  • Der Maximalwert der Sinusfunktion ist  $1$. Daraus folgt:
$$\phi_{\rm max} = \arctan (1) \; \underline{= \pi /4 } \; \Rightarrow \; \underline{45^\circ}.$$