Aufgaben:Aufgabe 1.4: Nyquistkriterien: Unterschied zwischen den Versionen

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'''(1)'''  Die folgende Grafik zeigt das Spektrum (der Index „Per” steht hier für „Periodische Fortsetzung”):
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:$$G_{\rm Per}(f) = \sum_{k = -\infty}^{+\infty} G(f -
 
:$$G_{\rm Per}(f) = \sum_{k = -\infty}^{+\infty} G(f -
 
\frac{k}{T} ) \hspace{0.05cm}.$$
 
\frac{k}{T} ) \hspace{0.05cm}.$$
*Die Laufvariable $k = 0$ gibt die ursprüngliche Spektralfunktion $G(f)$ an. Diese ist grau gefüllt.  
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*Die Laufvariable  $k = 0$  gibt die ursprüngliche Spektralfunktion  $G(f)$ an.  Diese ist grau gefüllt.  
*Das um den Wert $1/T = 10\, \rm kHz$ nach rechts verschobene Spektrum gehört zu $k = 1$ und ist grün markiert, während $k =  -1$ zur gelb hinterlegten Funktion führt.  
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*Das um den Wert  $1/T = 10\, \rm kHz$  nach rechts verschobene Spektrum gehört zu  $k = 1$  und ist grün markiert,  während  $k =  -1$  zur gelb hinterlegten Funktion führt.  
*Die roten und blauen Flächen kennzeichnen die Beiträge der Laufvariablen $k = 2$ und $k = - 2$.
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*Die roten und blauen Flächen kennzeichnen die Beiträge der Laufvariablen  $k = 2$  und  $k = - 2$.
  
  
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Man erkennt,&nbsp; dass&nbsp; $G_{\rm Per}(f)$&nbsp; konstant ist.&nbsp; Daraus folgt,&nbsp; dass das erste Nyquistkriterium erfüllt ist.&nbsp; Richtig ist demzufolge der <u>Lösungsvorschlag 1</u>.
Man erkennt, dass $G_{\rm Per}(f)$ konstant ist. Daraus folgt, dass das erste Nyquistkriterium erfüllt ist. Richtig ist demzufolge der <u>Lösungsvorschlag 1</u>.
 
  
  
 
'''(2)'''&nbsp; Aufgrund der Fourierintegrale gilt folgender Zusammenhang:
 
'''(2)'''&nbsp; Aufgrund der Fourierintegrale gilt folgender Zusammenhang:
 
:$$g(t=0) =  \int_{-\infty}^{\infty}G(f) \,{\rm d} f
 
:$$g(t=0) =  \int_{-\infty}^{\infty}G(f) \,{\rm d} f
  = A \cdot ( 2\,{\rm kHz}+6\,{\rm kHz}+2\,{\rm kHz})= A \cdot 10\,{\rm kHz}\hspace{0.3cm}
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  = A \cdot ( 2\,{\rm kHz}+6\,{\rm kHz}+2\,{\rm kHz})= A \cdot 10\,{\rm kHz}$$
\Rightarrow \hspace{0.3cm}A  = \frac{g(t=0)}{10\,{\rm kHz}}  = \frac{2\,{\rm V}}{10\,{\rm kHz}} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.2 \, {\rm mV/Hz}} \hspace{0.05cm}.$$
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:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}A  = \frac{g(t=0)}{10\,{\rm kHz}}  = \frac{2\,{\rm V}}{10\,{\rm kHz}} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.2 \, {\rm mV/Hz}} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(3)'''&nbsp; Es gelte $g(t) = g_{1}(t) +g_{2}(t)$, wobei  
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'''(3)'''&nbsp; Es gelte&nbsp; $g(t) = g_{1}(t) +g_{2}(t)$,&nbsp; wobei  
*$g_{1}(t)$ die Spektralanteile im Intervall $\pm 3 \, \rm kHz$ beinhaltet und
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*$g_{1}(t)$&nbsp; die Spektralanteile im Intervall&nbsp; $\pm 3 \, \rm kHz$ beinhaltet und
*$g_{2}(t)$ diejenigen zwischen $13 \, \rm kHz$ und $15 \, \rm kHz$ (und zwischen  $-13 \, \rm kHz$ und $-15 \, \rm kHz$).  
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*$g_{2}(t)$&nbsp; diejenigen zwischen&nbsp; $13 \, \rm kHz$&nbsp; und&nbsp; $15 \, \rm kHz$&nbsp; (sowie zwischen&nbsp; $-13 \, \rm kHz$&nbsp; und&nbsp; $-15 \, \rm kHz$).  
  
  
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\\  {\rm{f\ddot{u}r}}\hspace{0.15cm}|f| > 1\,{\rm kHz}  \hspace{0.05cm}. \\
 
\\  {\rm{f\ddot{u}r}}\hspace{0.15cm}|f| > 1\,{\rm kHz}  \hspace{0.05cm}. \\
 
\end{array}$$
 
\end{array}$$
Die untere Grafik zeigt den numerisch ermittelten Zeitverlauf $g(t)$. Für den Zeitpunkt $t = T = 0.1\, \rm ms$ (gelbes Quadrat) erhält man:
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Die untere Grafik zeigt den numerisch ermittelten Zeitverlauf&nbsp; $g(t)$.&nbsp; Für den Zeitpunkt&nbsp; $t = T = 0.1\, \rm ms$&nbsp; (gelbes Quadrat)&nbsp; erhält man:
 
:$$g_2(t = T )  =  2A \cdot 2\,{\rm kHz}  \cdot {\rm si}(0.2 \cdot \pi
 
:$$g_2(t = T )  =  2A \cdot 2\,{\rm kHz}  \cdot {\rm si}(0.2 \cdot \pi
 
   )\cdot \cos (2.8 \cdot \pi)   
 
   )\cdot \cos (2.8 \cdot \pi)   
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   )\cdot\cos (0.8 \cdot \pi) = \frac{ A \cdot 10\,{\rm kHz}}{ \pi}\cdot [{\rm sin}(-0.6 \cdot
 
   )\cdot\cos (0.8 \cdot \pi) = \frac{ A \cdot 10\,{\rm kHz}}{ \pi}\cdot [{\rm sin}(-0.6 \cdot
 
   \pi)+ {\rm sin}(\pi)] $$
 
   \pi)+ {\rm sin}(\pi)] $$
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:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} g_2(t = T )  = -\frac{ A \cdot 10\,{\rm kHz}}{ \pi}\cdot {\rm sin}(0.6 \cdot
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} g_2(t = T )  = -\frac{ A \cdot 10\,{\rm kHz}}{ \pi}\cdot {\rm sin}(0.6 \cdot
 
   \pi).$$
 
   \pi).$$
 
Für den ersten Anteil $g_1(t)$ gilt zum Zeitpunkt $t = T$:
 
Für den ersten Anteil $g_1(t)$ gilt zum Zeitpunkt $t = T$:
:$$g_1(t = T ) =  A \cdot 6\,{\rm kHz}  \cdot {\rm si}(0.6 \cdot \pi
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:$$g_1(t = T ) =  A \cdot 6\,{\rm kHz}  \cdot {\rm sinc}(0.6  
  )= \frac{ A \cdot 6\,{\rm kHz}}{0.6 \cdot \pi}\cdot {\rm sin}(0.6 \cdot \pi
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   )= - g_2(t = T )$$
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:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}g_1(t = T ) = - g_2(t = T )$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} g(t = T ) = g_1(t = T ) + g_2(t = T )\hspace{0.1cm}\underline {= 0 } \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} g(t = T ) = g_1(t = T ) + g_2(t = T )\hspace{0.1cm}\underline {= 0 } \hspace{0.05cm}.$$
 
Dieses Ergebnis ist aufgrund der Nyquisteigenschaft nicht überraschend.
 
Dieses Ergebnis ist aufgrund der Nyquisteigenschaft nicht überraschend.
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'''(4)'''&nbsp; Für $t = 2.5 T$ (grünes Quadrat) erhält man folgende Teilergebnisse:
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'''(4)'''&nbsp; Für&nbsp; $t = 2.5 T$&nbsp; (grünes Quadrat)&nbsp; erhält man folgende Teilergebnisse:
 
:$$g_1(t = 2.5 T ) =  A \cdot 6\,{\rm kHz}  \cdot {\rm si}(1.5 \cdot \pi
 
:$$g_1(t = 2.5 T ) =  A \cdot 6\,{\rm kHz}  \cdot {\rm si}(1.5 \cdot \pi
 
   )= \frac{ A \cdot 6\,{\rm kHz}}{1.5 \cdot \pi}\cdot {\rm sin}(1.5 \cdot \pi
 
   )= \frac{ A \cdot 6\,{\rm kHz}}{1.5 \cdot \pi}\cdot {\rm sin}(1.5 \cdot \pi
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   )\cdot \cos (7 \cdot \pi)=- \frac{ A \cdot 8\,{\rm kHz}}{ \pi} $$
 
   )\cdot \cos (7 \cdot \pi)=- \frac{ A \cdot 8\,{\rm kHz}}{ \pi} $$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} g(t = 2.5  T )  = g_1(t = 2.5  T )  +g_2(t = 2.5  T ) =  - \frac{ A \cdot 12\,{\rm kHz}}{ \pi} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} g(t = 2.5  T )  = g_1(t = 2.5  T )  +g_2(t = 2.5  T ) =  - \frac{ A \cdot 12\,{\rm kHz}}{ \pi} \hspace{0.05cm}.$$
Berücksichtigt man $g(t = 0) = A \cdot 10 \ \rm kHz$, so ergibt sich:
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Berücksichtigt man&nbsp; $g(t = 0) = A \cdot 10 \ \rm kHz$,&nbsp; so ergibt sich:
 
:$$\frac{g(t = 2.5  T )}{g(t = 0)} =  -\frac{ 1.2}{ \pi} \hspace{0.1cm}\underline {= -0.382 } \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\frac{g(t = 2.5  T )}{g(t = 0)} =  -\frac{ 1.2}{ \pi} \hspace{0.1cm}\underline {= -0.382 } \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(5)'''&nbsp; Das zweite Nyquistkriterium besagt, dass der Nyquistimpuls $g(t)$ Nulldurchgänge bei $\pm 1.5T, \pm 2.5T, \pm 3.5T, ...$ besitzt.  
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'''(5)'''&nbsp; Das zweite Nyquistkriterium besagt,&nbsp; dass der Nyquistimpuls&nbsp; $g(t)$&nbsp; Nulldurchgänge bei&nbsp; $\pm 1.5T,&nbsp; \pm 2.5T, \pm 3.5T, ...$&nbsp; besitzt.  
*Nach dem Ergebnis aus '''(4)''' ist diese Bedingung hier nicht erfüllt.  
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*Nach dem Ergebnis aus&nbsp; '''(4)'''&nbsp; ist diese Bedingung hier nicht erfüllt.&nbsp; Richtig ist demzufolge der <u>Lösungsvorschlag 2</u>.
*Richtig ist demzufolge der <u>Lösungsvorschlag 2</u>.
 
  
  

Aktuelle Version vom 1. Mai 2022, 16:01 Uhr


Rechteckförmiges Nyquistspektrum

Durch die Skizze gegeben ist das Spektrum  $G(f)$  des Detektionsgrundimpulses,  wobei der Parameter  $A$  noch zu bestimmen ist.  Überprüft werden soll unter anderem,  ob dieser Detektionsgrundimpuls eines der beiden Nyquistkriterien erfüllt.  Diese lauten:

  • Das  erste Nyquistkriterium  ist erfüllt,  wenn für die Spektralfunktion gilt:
$$\sum_{k = -\infty}^{+\infty} G(f - {k}/{T} ) = {\rm const.}$$
In diesem Fall besitzt der Impuls  $g(t)$  für alle ganzzahligen Werte von  $ν$  mit Ausnahme von  $ν = 0$  Nulldurchgänge bei  $t = ν \cdot T$.  Für die gesamte Aufgabe wird  $T = 0.1 \, \rm ms$  vorausgesetzt.
  • Ist das  zweite Nyquistkriterium  erfüllt,  so hat  $g(t)$  Nulldurchgänge bei  $\pm 1.5 T$,  $\pm 2.5 T$, usw.



Hinweise:

  • Als bekannt vorausgesetzt werden die beiden Gleichungen:
$$X(f) = \left\{ \begin{array}{c} A \\ 0 \\\end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm{f\ddot{u}r}}\hspace{0.15cm}|f| < f_0 \hspace{0.05cm}, \\ {\rm{f\ddot{u}r}}\hspace{0.15cm}|f| > f_0 \hspace{0.08cm} \\ \end{array} \hspace{0.4cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \hspace{0.4cm} x(t) =2 \cdot A \cdot f_0 \cdot {\rm si}(2 \pi f_0 T) \hspace{0.05cm},\hspace{0.4cm} {\rm si} (x) = \sin(x)/x\hspace{0.05cm},$$
$$\sin(\alpha) \cdot \cos (\beta) = \frac{1}{2} \cdot \big[ \sin(\alpha - \beta) + \sin(\alpha + \beta)\big] \hspace{0.05cm}.$$


Fragebogen

1

Erfüllt der vorgegebene Impuls  $g(t)$  das erste Nyquistkriterium?

Das erste Nyquistkriterium wird erfüllt
Das erste Nyquistkriterium wird nicht erfüllt.

2

Bestimmen Sie den Parameter  $A$  derart,  dass  $g(t = 0) = 2\, \rm V$  gilt.

$A \ = \ $

$ \ \rm mV/Hz$

3

Berechnen Sie  $g(t)$  aus  $G(f)$  durch Anwendung der Fourierrücktransformation.  Welcher  (normierte)  Funktionswert ergibt sich bei  $t = T$?

$ g(t = T)/g(t = 0) \ = \ $

4

Welcher  (normierte)  Wert ergibt sich für  $t = 2.5T$?

$g(t = 2.5 T)/g(t = 0)\ = \ $

5

Erfüllt der Impuls  $g(t)$  das zweite Nyquistkriterium?

Das zweite Nyquistkriterium wird erfüllt.
Das zweite Nyquistkriterium wird nicht erfüllt.


Musterlösung

(1)  Die folgende Grafik zeigt das Spektrum  (der Index „Per” steht hier für „Periodische Fortsetzung”):

Zur Verdeutlichung des ersten Nyquistkriteriums
$$G_{\rm Per}(f) = \sum_{k = -\infty}^{+\infty} G(f - \frac{k}{T} ) \hspace{0.05cm}.$$
  • Die Laufvariable  $k = 0$  gibt die ursprüngliche Spektralfunktion  $G(f)$ an.  Diese ist grau gefüllt.
  • Das um den Wert  $1/T = 10\, \rm kHz$  nach rechts verschobene Spektrum gehört zu  $k = 1$  und ist grün markiert,  während  $k = -1$  zur gelb hinterlegten Funktion führt.
  • Die roten und blauen Flächen kennzeichnen die Beiträge der Laufvariablen  $k = 2$  und  $k = - 2$.


Man erkennt,  dass  $G_{\rm Per}(f)$  konstant ist.  Daraus folgt,  dass das erste Nyquistkriterium erfüllt ist.  Richtig ist demzufolge der Lösungsvorschlag 1.


(2)  Aufgrund der Fourierintegrale gilt folgender Zusammenhang:

$$g(t=0) = \int_{-\infty}^{\infty}G(f) \,{\rm d} f = A \cdot ( 2\,{\rm kHz}+6\,{\rm kHz}+2\,{\rm kHz})= A \cdot 10\,{\rm kHz}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}A = \frac{g(t=0)}{10\,{\rm kHz}} = \frac{2\,{\rm V}}{10\,{\rm kHz}} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.2 \, {\rm mV/Hz}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Es gelte  $g(t) = g_{1}(t) +g_{2}(t)$,  wobei

  • $g_{1}(t)$  die Spektralanteile im Intervall  $\pm 3 \, \rm kHz$ beinhaltet und
  • $g_{2}(t)$  diejenigen zwischen  $13 \, \rm kHz$  und  $15 \, \rm kHz$  (sowie zwischen  $-13 \, \rm kHz$  und  $-15 \, \rm kHz$).


Mit der angegebenen Fourierkorrespondenz lauten die beiden Anteile:

$$g_1(t) \ = \ A \cdot 6\,{\rm kHz} \cdot {\rm si}(\pi \cdot 6\,{\rm kHz} \cdot t) \hspace{0.05cm},$$
$$g_2(t) \ = \ A \cdot 2\,{\rm kHz} \cdot{\rm si}(\pi \cdot 2\,{\rm kHz} \cdot t) \cdot 2 \cdot {\rm cos}(2 \pi \cdot 14\,{\rm kHz} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$

Die zweite Gleichung folgt aus der Beziehung:

$$G_2(f) = \left[ \delta(f + 14\,{\rm kHz}) + \delta(f - 14\,{\rm kHz})\right] \star \left\{ \begin{array}{c} A \\ 0 \\\end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm{f\ddot{u}r}}\hspace{0.15cm}|f| < 1\,{\rm kHz} \hspace{0.05cm}, \\ {\rm{f\ddot{u}r}}\hspace{0.15cm}|f| > 1\,{\rm kHz} \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$

Die untere Grafik zeigt den numerisch ermittelten Zeitverlauf  $g(t)$.  Für den Zeitpunkt  $t = T = 0.1\, \rm ms$  (gelbes Quadrat)  erhält man:

$$g_2(t = T ) = 2A \cdot 2\,{\rm kHz} \cdot {\rm si}(0.2 \cdot \pi )\cdot \cos (2.8 \cdot \pi) = \frac{ A \cdot 4\,{\rm kHz}}{0.2 \cdot \pi}\cdot {\rm sin}(0.2 \cdot \pi )\cdot\cos (0.8 \cdot \pi) = \frac{ A \cdot 10\,{\rm kHz}}{ \pi}\cdot [{\rm sin}(-0.6 \cdot \pi)+ {\rm sin}(\pi)] $$
Höherfrequenter Nyquistimpuls
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} g_2(t = T ) = -\frac{ A \cdot 10\,{\rm kHz}}{ \pi}\cdot {\rm sin}(0.6 \cdot \pi).$$

Für den ersten Anteil $g_1(t)$ gilt zum Zeitpunkt $t = T$:

$$g_1(t = T ) = A \cdot 6\,{\rm kHz} \cdot {\rm sinc}(0.6 )$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}g_1(t = T ) = \frac{ A \cdot 6\,{\rm kHz}}{0.6 \cdot \pi}\cdot {\rm sin}(0.6 \cdot \pi )$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}g_1(t = T ) = - g_2(t = T )$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} g(t = T ) = g_1(t = T ) + g_2(t = T )\hspace{0.1cm}\underline {= 0 } \hspace{0.05cm}.$$

Dieses Ergebnis ist aufgrund der Nyquisteigenschaft nicht überraschend.


(4)  Für  $t = 2.5 T$  (grünes Quadrat)  erhält man folgende Teilergebnisse:

$$g_1(t = 2.5 T ) = A \cdot 6\,{\rm kHz} \cdot {\rm si}(1.5 \cdot \pi )= \frac{ A \cdot 6\,{\rm kHz}}{1.5 \cdot \pi}\cdot {\rm sin}(1.5 \cdot \pi )= - \frac{ A \cdot 4\,{\rm kHz}}{ \pi}\hspace{0.05cm},$$
$$g_2(t = 2.5 T ) = 2A \cdot 2\,{\rm kHz} \cdot {\rm si}(0.5 \cdot \pi )\cdot \cos (7 \cdot \pi)=- \frac{ A \cdot 8\,{\rm kHz}}{ \pi} $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} g(t = 2.5 T ) = g_1(t = 2.5 T ) +g_2(t = 2.5 T ) = - \frac{ A \cdot 12\,{\rm kHz}}{ \pi} \hspace{0.05cm}.$$

Berücksichtigt man  $g(t = 0) = A \cdot 10 \ \rm kHz$,  so ergibt sich:

$$\frac{g(t = 2.5 T )}{g(t = 0)} = -\frac{ 1.2}{ \pi} \hspace{0.1cm}\underline {= -0.382 } \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Das zweite Nyquistkriterium besagt,  dass der Nyquistimpuls  $g(t)$  Nulldurchgänge bei  $\pm 1.5T,  \pm 2.5T, \pm 3.5T, ...$  besitzt.

  • Nach dem Ergebnis aus  (4)  ist diese Bedingung hier nicht erfüllt.  Richtig ist demzufolge der Lösungsvorschlag 2.