Aufgaben:Aufgabe 4.5: Ortskurve bei ZSB-AM

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Spektrum des analytischen Signals

Wir betrachten ein ähnliches Übertragungsszenario wie in der  Aufgabe 4.4  (aber nicht das gleiche):

• ein sinusförmiges Nachrichtensignal mit der Amplitude  $A_{\rm N} = 2 \ \text{V}$  und der Frequenz  $f_{\rm N} = 10 \ \text{kHz}$,
• ZSB-Amplitudenmodulation ohne Trägerunterdrückung mit der Trägerfrequenz  $f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}$.

Nebenstehend sehen Sie die Spektralfunktion  $S_+(f)$  des analytischen Signals  $s_+(t)$.

Berücksichtigen Sie bei der Lösung, dass das äquivalente Tiefpass-Signal auch in der Form

$$s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \phi(t)} $$

dargestellt werden kann, wobei  $a(t) ≥ 0$  gelten soll.  Für  $\phi(t)$  ist der Wertebereich  $–\pi < \phi(t) \leq +\pi$  zulässig und es gilt die allgemeingültige Gleichung:

$$\phi(t)= {\rm arctan} \hspace{0.1cm}\frac{{\rm Im}\big[s_{\rmTP}(t)\big]}{{\rm Re}\big[s_{\rm TP}(t)\big]}.$$

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion.

• Sie können Ihre Lösung mit dem interaktiven Applet  Physikalisches Signal & Äquivalentes Tiefpass-Signal    ⇒   „Ortskurve” überprüfen.

Fragebogen

1 Berechnen Sie das äquivalente Tiefpass-Signal  $s_{\rm TP}(t)$  im Frequenz– und Zeitbereich.  Welchen Wert besitzt  $s_{\rm TP}(t)$  zum Startzeitpunkt  $t = 0$?

$\text{Re}[s_{\text{TP}}(t=0)]\ = \ $  $\text{V}$

$\text{Im}[s_{\text{TP}}(t=0 )]\ = \ $  $\text{V}$

2 Welche Werte weist  $s_{\rm TP}(t)$  zu den Zeitpunkten  $t = 10 \ {\rm µ} \text{s}= T_0/10$,     $t = 25 \ {\rm µ} \text{s}= T_0/4$,     $t = 75 \ {\rm µ} \text{s}= 3T_0/4$  und  $T_0 = 100 \ {\rm µ}s$  auf?
Zeigen Sie, dass alle Werte rein reell sind.

$\text{Re}[s_{\text{TP}}(t=10 \ {\rm µ} \text{s})]\ = \ $  $\text{V}$

$\text{Re}[s_{\text{TP}}(t=25 \ {\rm µ} \text{s})] \ = \ $  $\text{V}$

$\text{Re}[s_{\text{TP}}(t=75 \ {\rm µ} \text{s})]\ = \ $  $\text{V}$

$\text{Re}[s_{\text{TP}}(t=100 \ {\rm µ} \text{s})]\ = \ $  $\text{V}$

3 Wie lautet die Betragsfunktion  $a(t)$  im Zeitbereich?  Welche Werte ergeben sich zu den Zeiten  $t = 25 \ {\rm µ} \text{s}$  und  $t = 75 \ {\rm µ} \text{s}$?

$a(t=25 \ {\rm µ} \text{s})\ = \ $  $\text{V}$

$a(t=75 \ {\rm µ} \text{s})\ = \ $  $\text{V}$

4 Geben Sie die Phasenfunktion  $\phi(t)$  im Zeitbereich allgemein an.  Welche Werte ergeben sich zu den Zeiten  $t = 25 \ {\rm µ} \text{s}$  und  $t = 75 \ {\rm µ} \text{s}$?

$\phi(t=25 \ {\rm µ} \text{s}) \ = \ $  $\text{Grad}$

$\phi(t=75\ {\rm µ} \text{s})\ = \ $  $\text{Grad}$

Musterlösung

Musterlösung

Ortskurve zur Zeit  $t = 0$

(1)  Verschiebt man alle Diraclinien jeweils um  $f_{\rm T} = 50 \ \text{kHz}$  nach links, so liegen diese bei  $-\hspace{-0.08cm}10 \ \text{kHz}$,  $0$  und  $+10 \ \text{kHz}$.

• Die Gleichung für  $s_{\rm TP}(t)$  lautet mit  $\omega_{10} = 2 \pi \cdot 10 \ \text{kHz}$:

$$s_{\rm TP}(t) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} - {\rm j}\cdot {\rm 1\hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\omega_{\rm 10} \hspace{0.05cm} t }+{\rm j}\cdot {\rm 1\hspace{0.05cm} V} \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm}\omega_{\rm 10} \hspace{0.05cm} t }$$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t = 0) = {\rm 1 \hspace{0.05cm} V} - {\rm j}\cdot {\rm 1\hspace{0.05cm} V} +{\rm j}\cdot {\rm 1 \hspace{0.05cm} V}= {\rm 1\hspace{0.05cm} V}.$$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Re}[s_{\rm TP}(t = 0) ] \hspace{0.15 cm}\underline{= {+\rm 1 \hspace{0.05cm} V}}, \hspace{0.2cm}{\rm Im}[s_{\rm TP}(t = 0) ] \hspace{0.15 cm}\underline{= 0}.$$

(2)  Obige Gleichung kann man nach dem  Satz von Euler  mit  $T_0 = 1/f_{\rm N} = 100 \ {\rm µ} \text{s}$  wie folgt umformen:

$$\frac{s_{\rm TP}(t)}{{\rm 1 \hspace{0.05cm} V}}\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}1\hspace{-0.05cm} - \hspace{-0.05cm}{\rm j}\cdot \cos({ \omega_{\rm 10}\hspace{0.05cm} t }) \hspace{-0.05cm}+\hspace{-0.05cm} \sin({\omega_{\rm 10}\hspace{0.05cm} t }) \hspace{-0.05cm}+\hspace{-0.05cm}{\rm j}\cdot \cos({\omega_{\rm 10}\hspace{0.05cm} t })\hspace{-0.05cm} + \hspace{-0.05cm} \sin({ \omega_{\rm10}\hspace{0.05cm} t }) = 1+2 \cdot \sin(2 \pi{t}/{T_0}) .$$

• Damit ist gezeigt, dass  $s_{\rm TP}(t)$  für alle Zeiten  $t$  reell ist.
• Für die gesuchten Zahlenwerte erhält man:

$$s_{\rm TP}(t = {\rm 10 \hspace{0.1cm} {\rm µ} s}) = {\rm 1\hspace{0.05cm} V} \cdot \left[1+2 \cdot\sin(36^\circ)\right]\hspace{0.15 cm}\underline{={{\rm +2.176 \hspace{0.05cm} V}}},$$

$$s_{\rm TP}(t = {\rm 25 \hspace{0.1cm} {\rm µ} s}) = {\rm 1\hspace{0.05cm} V} \cdot \left[1+2 \cdot\sin(90^\circ)\right]\hspace{0.15 cm}\underline{={{\rm +3 \hspace{0.05cm} V}}},$$

$$s_{\rm TP}(t = {\rm 75 \hspace{0.1cm} {\rm µ} s}) = {\rm 1\hspace{0.05cm} V} \cdot \left[1+2 \cdot \sin(270^\circ)\right]\hspace{0.15 cm}\underline{=-{{\rm 1 \hspace{0.05cm} V}}},$$

$$s_{\rm TP}(t = {\rm 100 \hspace{0.1cm}{\rm µ} s}) = s_{\rm TP}(t =0) \hspace{0.15 cm}\underline{={{\rm +1 \hspace{0.05cm} V}}}.$$

(3)  Definitionsgemäß gilt  $a(t) = |s_{\rm TP}(t)|$. Damit erhält man folgende Zahlenwerte:

$$a(t = {\rm 25 \hspace{0.1cm} {\rm µ} s}) = s_{\rm TP}(t = {\rm 25\hspace{0.05cm}{\rm µ} s}) \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm +3 \hspace{0.05cm} V}} ,\hspace{4.15 cm}$$

$$a(t = {\rm 75 \hspace{0.1cm} {\rm µ} s}) = |s_{\rm TP}(t = {\rm 75\hspace{0.05cm} {\rm µ} s})| \hspace{0.15 cm}\underline{= {\rm +1 \hspace{0.05cm} V}} .$$

(4)  Allgemein gilt für die Phasenfunktion:

$$\phi(t)= {\rm arc} \left[s_{\rm TP}(t)\right]= {\rm arctan}\hspace{0.1cm}\frac{{\rm Im}\left[s_{\rm TP}(t)\right]}{{\rmRe}\left[s_{\rm TP}(t)\right]}$$

Aufgrund der Tatsache, dass hier für alle Zeiten  ${\rm Im}[s_{\rm TP}(t)] = 0$  ist, erhält man hieraus das Ergebnis:

• Falls  ${\rm Re}[s_{\rm TP}(t)] > 0$  gilt, ist die Phase  $\phi(t) = 0$.
• Dagegen gilt bei negativem Realteil:     $\phi(t) = \pi$.

Wir beschränken uns hier auf den Zeitbereich einer Periode:   $0 \leq t \leq T_0$.

• Im Bereich zwischen  $t_1$  und  $t_2$  liegt eine Phase von  $180^\circ$  vor, ansonsten gilt  $\text{Re}[s_{\rm TP}(t)] \geq 0$.

• Zur Berechung von  $t_1$  kann das Ergebnis der Teilaufgabe  (2)  herangezogen werden:

$$\sin(2 \pi \cdot {t_1}/{T_0}) = -0.5 \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} 2 \pi \cdot {t_1}/{T_0} = 2 \pi \cdot {7}/{12}\hspace{0.3cm}{\rm (entspricht}\hspace{0.2cm}210^\circ)$$

• Daraus erhält man  $t_1 = 7/12 · T_0 = 58.33 \ {\rm µ} \text{s}$.
• Durch ähnliche Überlegungen kommt man zum Ergebnis:  $t_2 = 11/12 · T_0 = 91.63 \ {\rm µ} \text{s}$.

Die gesuchten Werte sind somit: 

$$\phi(t = 25 \ {\rm µ} \text{s}) \; \underline { = 0},$$

$$\phi(t = 75 \ {\rm µ} \text{s}) \; \underline { = 180^{\circ}}\; (= \pi).$$