Aufgaben:Aufgabe 1.8Z: Cosinus-Quadrat-Tiefpass: Unterschied zwischen den Versionen
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:$$H(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm E}(f).$$ | :$$H(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm E}(f).$$ | ||
− | Dieser Frequenzgang wird häufig als $\cos^2$-förmig angenommen (siehe Grafik): | + | Dieser Frequenzgang wird häufig als $\cos^2$-förmig angenommen (siehe Grafik): |
* Für $f \cdot T \ge 1$ ist $H(f) = 0$. | * Für $f \cdot T \ge 1$ ist $H(f) = 0$. | ||
*Im inneren Bereich gilt $H(f) = \cos^2(f \cdot T \cdot {\pi}/{ 2} ) .$ | *Im inneren Bereich gilt $H(f) = \cos^2(f \cdot T \cdot {\pi}/{ 2} ) .$ | ||
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Zu beachten ist, dass das Ausgangssignal $y(t)$ im Gegensatz zur Impulsantwort $h(t)$ ohne Einheit ist. Durch Anwendung trigonomischer Umformungen kann dieses Signal auch wie folgt dargestellt werden: | Zu beachten ist, dass das Ausgangssignal $y(t)$ im Gegensatz zur Impulsantwort $h(t)$ ohne Einheit ist. Durch Anwendung trigonomischer Umformungen kann dieses Signal auch wie folgt dargestellt werden: | ||
:$$y(t) = {\pi}/{4} \cdot {\rm si}(\pi \cdot {t}/{T} )\cdot | :$$y(t) = {\pi}/{4} \cdot {\rm si}(\pi \cdot {t}/{T} )\cdot | ||
− | \big[ {\rm si}\ | + | \big[ {\rm si}\big(\pi \cdot \left({t}/{T}+ 0.5 \right) |
− | \ | + | \big)+ {\rm si}\big(\pi \cdot \left({t}/{T}- 0.5 \right) |
− | \ | + | \big)\big].$$ |
Wählen Sie bei den folgenden Aufgaben die jeweils einfacher handhabbare Gleichung aus. | Wählen Sie bei den folgenden Aufgaben die jeweils einfacher handhabbare Gleichung aus. | ||
− | Für die Teilaufgabe '''(3)''' soll vorausgesetzt werden, dass das Signal $s(t)$ in der Mitte zwischen den beiden Frequenzgängen $H_{\rm S}(f)$ und $H_{\rm S}(f)$ ein Rechteckimpuls ist. Demzufolge muss gelten: | + | Für die Teilaufgabe '''(3)''' soll vorausgesetzt werden, dass das Signal $s(t)$ in der Mitte zwischen den beiden Frequenzgängen $H_{\rm S}(f)$ und $H_{\rm S}(f)$ ein Rechteckimpuls ist. Demzufolge muss gelten: |
:$$H_{\rm E}(f) = {\rm si }(\pi f T ) .$$ | :$$H_{\rm E}(f) = {\rm si }(\pi f T ) .$$ | ||
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− | {Berechnen Sie das Ausgangssignal zu den Zeitpunkten $t = T | + | {Berechnen Sie das Ausgangssignal zu den Zeitpunkten $t = 0.5 T$ und $t = 1.5 T$. |
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$y(t = 0.5 T) \ = \ $ { 0.5 1% } | $y(t = 0.5 T) \ = \ $ { 0.5 1% } | ||
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− | {Berechnen Sie $y(t)$ für große $t$-Werte. Geeignete Näherungen sind erlaubt und erwünscht. | + | {Berechnen Sie $y(t)$ für große $t$-Werte. Geeignete Näherungen sind erlaubt und erwünscht. Wie groß ist der Signalwert bei $t = 10.75 T$? |
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$y(t = 10.75 T) \ = \ $ { 32 1% } $ \ \cdot \ 10^{-6}$ | $y(t = 10.75 T) \ = \ $ { 32 1% } $ \ \cdot \ 10^{-6}$ | ||
− | {Geben Sie den erforderlichen Empfängerfrequenzgang $H_{\rm E}(f)$ für $H_{\rm S}(f)= {\rm si}(πfT)$ an. | + | {Geben Sie den erforderlichen Empfängerfrequenzgang $H_{\rm E}(f)$ für $H_{\rm S}(f)= {\rm si}(πfT)$ an. Welche Werte ergeben sich für die angegebenen Frequenzen? |
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$H_{\rm E}(f=0) \ = \ $ { 1 1% } | $H_{\rm E}(f=0) \ = \ $ { 1 1% } |
Version vom 24. Oktober 2019, 16:44 Uhr
Bei der Untersuchung von Digitalsystemen geht man häufig von einem diracförmigen Eingangssignal $x(t) = T \cdot \delta(t)$ aus, so dass $X(f) = T$ gilt.
Das Ausgangsspektrum $Y(f)$ ist dann formgleich mit dem Gesamtfrequenzgang von Sende– und Empfangsfilter:
- $$H(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm E}(f).$$
Dieser Frequenzgang wird häufig als $\cos^2$-förmig angenommen (siehe Grafik):
- Für $f \cdot T \ge 1$ ist $H(f) = 0$.
- Im inneren Bereich gilt $H(f) = \cos^2(f \cdot T \cdot {\pi}/{ 2} ) .$
Anzumerken ist, dass die äquivalente Bandbreite $\Delta f = 1/{\Delta t}$ ist. Damit erhält man für die äquivalente ${\Delta t}$ der Impulsantwort ebenfalls $T$ und und es gilt:
- $$y(t) = T \cdot h(t) = {\rm si}(\pi \cdot {t}/{T} )\cdot \frac {\cos(\pi \cdot t / T )}{1 - (2 \cdot t/T )^2}.$$
Zu beachten ist, dass das Ausgangssignal $y(t)$ im Gegensatz zur Impulsantwort $h(t)$ ohne Einheit ist. Durch Anwendung trigonomischer Umformungen kann dieses Signal auch wie folgt dargestellt werden:
- $$y(t) = {\pi}/{4} \cdot {\rm si}(\pi \cdot {t}/{T} )\cdot \big[ {\rm si}\big(\pi \cdot \left({t}/{T}+ 0.5 \right) \big)+ {\rm si}\big(\pi \cdot \left({t}/{T}- 0.5 \right) \big)\big].$$
Wählen Sie bei den folgenden Aufgaben die jeweils einfacher handhabbare Gleichung aus.
Für die Teilaufgabe (3) soll vorausgesetzt werden, dass das Signal $s(t)$ in der Mitte zwischen den beiden Frequenzgängen $H_{\rm S}(f)$ und $H_{\rm S}(f)$ ein Rechteckimpuls ist. Demzufolge muss gelten:
- $$H_{\rm E}(f) = {\rm si }(\pi f T ) .$$
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Einige systemtheoretische Tiefpassfunktionen.
- Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite Cosinus–Rolloff–Tiefpass.
- Sie können Ihre Ergebnisse mit dem interaktiven Applet Frequenzgang und Impulsantwort überprüfen.
Fragebogen
Musterlösung
Auch aus der zweiten Gleichung erhält man diese Ergebnisse, beispielsweise
- $$y(t = 0) = {\pi}/{4} \cdot {\rm si}(0)\cdot \left[ {\rm si}(\pi/2)+ {\rm si}(-\pi/2)\right] {\pi}/{2} \cdot {\rm si}(\pi/2) = {\pi}/{2} \cdot \frac{{\rm sin}(\pi/2)}{\pi/2} \hspace{0.15cm}\underline{= 1},$$
- $$y(t = T) \hspace{0.15cm}=\hspace{0.15cm}{\pi}/{4} \cdot {\rm si}(\pi)\cdot \left[ {\rm si}(3\pi/2)+ {\rm si}(\pi/2)\right] \hspace{0.15cm}\underline{= 0}.$$
(2) Zur Berechnung dieser Signalwerte ist die zweite Darstellung besser geeignet:
- $$y(t = T/2) = {\pi}/{4} \cdot {\rm si}(\pi/2)\cdot \big[ {\rm si}(\pi)+ {\rm si}(0)\big].$$
Mit ${\rm si}(0) = 1$ und ${\rm si}(\pi) = 0$ erhält man so:
- $$y(t = T/2) = {\pi}/{4} \cdot {\rm si}(\pi/2)= {\pi}/{4} \cdot \frac{{\rm sin}(\pi/2)}{\pi/2} \hspace{0.15cm}\underline{ = 0.5}.$$
In analoger Weise ergibt sich für $t = 1.5T$:
- $$y(t = 1.5T) = {\pi}/{4} \cdot {\rm si}(3\pi/2)\cdot \left[ {\rm si}(2\pi)+ {\rm si}(\pi)\right] \hspace{0.15cm}\underline{ = 0}.$$
Hierbei ist ${\rm si}(\pi) = {\rm si}(2\pi) = 0$ berücksichtigt. Auch zu den Zeiten $t/T = 2.5, 3.5,\text{ ... }$ gilt $y(t) = 0$, wie obige Grafik zeigt.
(3) Für große Werte von $t$ gilt näherungsweise (wenn man die „1” im Nenner vernachlässigt):
- $$y(t)= {\rm si}(\pi \cdot {t}/{T} )\cdot \frac {\cos(\pi \cdot t / T )}{1 - (2 \cdot t/T )^2} \approx \frac {\sin(\pi \cdot t / T )\cdot \cos(\pi \cdot t / T )}{ - (\pi \cdot t/T )(2 \cdot t/T )^2} = - \frac {\sin(2\pi \cdot t / T )}{ 8 \pi \cdot( t/T )^3}.$$
Hierbei ist berücksichtigt, dass $\sin(\alpha) \cdot \cos(\alpha) = \sin(2\alpha)/2$ ist. Zum Zeitpunkt $t = 10.75 T$ gilt dann:
- $$\sin(2\pi \cdot t / T ) = \sin (21.5\pi)= \sin (1.5\pi) = -1\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} y(t = 10.75 T) = \frac {1 }{ 8 \pi \cdot( 10.75 )^3} \hspace{0.15cm}\underline{= 32 \cdot 10^{-6}}.$$
(4) Der Empfängerfrequenzgang lautet für $|f \cdot T| \le 1$ :
- $$H_{\rm E}(f) = \frac{H(f)}{H_{\rm S}(f)}= \frac{\cos^2(\pi f T /2)}{{\rm si}(\pi fT)}.$$
Dieser Funktionsverlauf ist in der Grafik dargestellt. Für die gesuchten Stützwerte gilt:
- $$H_{\rm E}(f = 0) = \frac{\cos^2(0)}{{\rm si}(0)} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1},$$
- $$H_{\rm E}(f = {0.5}/T \hspace{-0.15cm} = \hspace{-0.15cm} \frac{\cos^2(\pi/4)}{{\rm si}(\pi/2)}= (\sqrt{2} / 2)^2 \cdot \frac{\pi}{2} = \hspace{-0.15cm} \frac{\pi}{4}\hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.785},$$
- $$H_{\rm E}(f = {1}/{T}) = \frac{\cos^2(\pi/2)}{{\rm si}(\pi)} = "0/0"\hspace{0.15cm}\underline{= 0}.$$
Bei diesem Ergebnis ist berücksichtigt, dass im gesamten Frequenzbereich $H_{\rm S}(f) \ge H(f) $ gilt. Eigentlich müsste der zuletzt berechnete Wert durch einen Grenzübergang mathematisch-exakt bestimmt werden.