Applets:Frequenzgang und Impulsantwort: Unterschied zwischen den Versionen

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Dargestellt werden reelle und symmetrische Tiefpässe $H(f)$ und die dazugehörigen Impulsantworten $h(t)$, nämlich  
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Dargestellt werden reelle und symmetrische Tiefpässe&nbsp; $H(f)$&nbsp; und die dazugehörigen Impulsantworten&nbsp; $h(t)$, nämlich  
*Gauß&ndash;Tiefpass  (englisch: ''Gaussian low&ndash;pass''),  
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*Gauß&ndash;Tiefpass&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Gaussian low&ndash;pass''),  
*Rechteck&ndash;Tiefpass (englisch: ''Rectangular low&ndash;pass''),
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*Rechteck&ndash;Tiefpass &nbsp; (englisch:&nbsp; ''Rectangular low&ndash;pass''),
*Dreieck&ndash;Tiefpass  (englisch: ''Triangular low&ndash;pass''),  
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*Dreieck&ndash;Tiefpass&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Triangular low&ndash;pass''),  
*Trapez&ndash;Tiefpass  (englisch: ''Trapezoidal low&ndash;pass''),  
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*Trapez&ndash;Tiefpass&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Trapezoidal low&ndash;pass''),  
*Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Tiefpass  (englisch: ''Cosine-rolloff low&ndash;pass''),
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*Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Tiefpass&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Cosine-rolloff low&ndash;pass''),
*Cosinus-Quadrat-Tiefpass  (englisch: ''Cosine-rolloff -squared  Low&ndash;pass'').  
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*Cosinus-Quadrat-Tiefpass&nbsp;   (englisch:&nbsp; ''Cosine-rolloff -squared  Low&ndash;pass'').  
  
  
Das aufzurufende Applet verwendet die englischen Begriffe im Gegensatz zu dieser deutschen Beschreibung.
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Es ist zu beachten:
 
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* Die Funktionen&nbsp; $H(f)$&nbsp; bzw.&nbsp; $h(t)$&nbsp; werden für bis zu zwei Parametersätzen in jeweils einem Diagramm dargestellt.
Die englische Beschreibung finden Sie unter [[englische Version: Frequency  & Pulse response]] (ist derzeit noch nicht realisiert).
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* Die roten Kurven und Zahlenangaben gelten für den linken Parametersatz, die blauen für den rechten Parametersatz.
 
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* Die Abszissen&nbsp; $t$&nbsp; (Zeit) und&nbsp; $f$&nbsp; (Frequenz) sowie die Ordinaten&nbsp; $H(f)$&nbsp; und&nbsp; $h(t)$&nbsp; sind jeweils normiert.  
 
 
Weiter ist zu beachten:
 
* Die Funktionen $H(f)$ bzw. $h(t)$ werden für bis zu zwei Parametersätzen in jeweils einem Diagramm dargestellt.
 
* Die orangenfarbenen (&bdquo;roten&rdquo;) Kurven und Zahlenangaben gelten für den linken Parametersatz, die blauen für den rechten Parametersatz.
 
* Die Abszissen $t$ (Zeit) und $f$ (Frequenz) sowie die Ordinaten $H(f)$  und $h(t)$ sind jeweils normiert.  
 
  
  
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==Theoretischer Hintergrund==
 
==Theoretischer Hintergrund==
 
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===Frequenzgang $H(f)$ und Impulsantwort $h(t)$===
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===Frequenzgang&nbsp; $H(f)$&nbsp; und Impulsantwort&nbsp; $h(t)$===
*Der [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Frequenzbereich#.C3.9Cbertragungsfunktion_-_Frequenzgang|Frequenzgang]] (oder auch die ''Übertragungsfunktion'') eines linearen zeitinvarianten Übertragungssystems  $H(f)$ gibt das Verhältnis zwischen  dem Ausgangsspektrum $Y(f)$ und dem dem Eingangsspektrum $X(f)$ an:  
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*Der&nbsp; [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Frequenzbereich#.C3.9Cbertragungsfunktion_-_Frequenzgang|Frequenzgang]]&nbsp; (oder auch die&nbsp; ''Übertragungsfunktion'')&nbsp; $H(f)$&nbsp; eines linearen zeitinvarianten Übertragungssystems gibt das Verhältnis zwischen  dem Ausgangsspektrum&nbsp; $Y(f)$&nbsp; und dem dem Eingangsspektrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; an:  
 
:$$H(f) = \frac{Y(f)}{X(f)}.$$  
 
:$$H(f) = \frac{Y(f)}{X(f)}.$$  
*Ist das Übertragungsverhalten bei tiefen Frequenzen besser als bei höheren, so spricht man von einem '''Tiefpass''' (englisch: ''Low-pass'').
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*Ist das Übertragungsverhalten bei tiefen Frequenzen besser als bei höheren, so spricht man von einem&nbsp; '''Tiefpass'''&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Low-pass'').
*Die Eigenschaften von $H(f)$ werden im Zeitbereich durch die [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Zeitbereich#Impulsantwort|Impulsantwort]] $h(t)$ ausgedrückt. Entsprechend dem  [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|zweiten Fourierintegral]] gilt:
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*Die Eigenschaften von&nbsp; $H(f)$&nbsp; werden im Zeitbereich durch die&nbsp; [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Zeitbereich#Impulsantwort|Impulsantwort]]&nbsp; $h(t)$&nbsp; ausgedrückt.&nbsp; Entsprechend dem&nbsp; [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|zweiten Fourierintegral]]&nbsp; gilt:
 
:$$h(t)={\rm IFT} [H(f)] = \int_{-\infty}^{+\infty}H(f)\cdot {\rm e}^{+{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}f\hspace{1cm}
 
:$$h(t)={\rm IFT} [H(f)] = \int_{-\infty}^{+\infty}H(f)\cdot {\rm e}^{+{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}f\hspace{1cm}
 
{\rm IFT}\hspace{-0.1cm}: \rm  Inverse \ Fouriertransformation.$$  
 
{\rm IFT}\hspace{-0.1cm}: \rm  Inverse \ Fouriertransformation.$$  
*Die Gegenrichtung wird durch das  [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_erste_Fourierintegral|erste Fourierintegral]] beschrieben:
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*Die Gegenrichtung wird durch das&nbsp;   [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_erste_Fourierintegral|erste Fourierintegral]]&nbsp; beschrieben:
 
:$$H(f)={\rm FT} [h(t)] = \int_{-\infty}^{+\infty}h(t)\cdot {\rm e}^{-{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}t\hspace{1cm}
 
:$$H(f)={\rm FT} [h(t)] = \int_{-\infty}^{+\infty}h(t)\cdot {\rm e}^{-{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}t\hspace{1cm}
 
\rm FT\hspace{-0.1cm}: \ Fouriertransformation.$$  
 
\rm FT\hspace{-0.1cm}: \ Fouriertransformation.$$  
*In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen. Somit gilt:
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*In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen.&nbsp; Somit gilt:
 
:$$h(t)=\int_{-\infty}^{+\infty}H(f)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}f \ \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ \ \ H(f)=\int_{-\infty}^{+\infty}h(t)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}t .$$
 
:$$h(t)=\int_{-\infty}^{+\infty}H(f)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}f \ \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ \ \ H(f)=\int_{-\infty}^{+\infty}h(t)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}t .$$
*Bei einem Vierpol &nbsp; &rArr; &nbsp; $X(f)$ und $Y(f)$ haben gleiche Einheiten] &nbsp; ist $Y(f)$ dimensionslos.  Die Einheit der Impulsantwort ist  $\rm 1/s$. Es gilt zwar $\rm 1/s = 1 \ Hz$, aber die Einheit &bdquo;Hertz&rdquo; ist in diesem Zusammenhang unüblich.
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*Bei einem Vierpol&nbsp; $[$das bedeutet:&nbsp; $X(f)$&nbsp; und&nbsp; $Y(f)$&nbsp; haben gleiche Einheiten$]$ &nbsp; ist&nbsp; $Y(f)$&nbsp; dimensionslos.&nbsp;  
*Der Zusammenhang zwischen diesem Modul &bdquo;Frequenzgang & Impulsantwort&rdquo;  und dem ähnlich aufgebauten Applet [[Applets:Impulse_und_Spektren]] basiert auf dem [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Vertauschungssatz|Vertauschungssatz]].
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*Die Einheit der Impulsantwort ist&nbsp; $\rm 1/s$.&nbsp; Es gilt zwar $\rm 1/s = 1 \ Hz$, aber die Einheit &bdquo;Hertz&rdquo; ist in diesem Zusammenhang unüblich.
*Alle Zeiten sind auf eine Normierungszeit $T$ normiert und alle Frequenzen auf $1/T \Rightarrow$ die Impulsantwortwerte $h(t)$ müssen noch durch die Normierungszeit $T$ dividiert werden.
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*Der Zusammenhang zwischen diesem Applet und dem ähnlich aufgebauten Applet &nbsp;[[Applets:Impulse_und_Spektren|Impulse und Spektren]]&nbsp; basiert auf dem&nbsp; [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Vertauschungssatz|Vertauschungssatz]].
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*Alle Zeiten sind auf eine Normierungszeit&nbsp; $T$&nbsp; normiert und alle Frequenzen auf&nbsp; $1/T&nbsp; \ \Rightarrow$&nbsp; die Zahlenwerte von &nbsp; $h(t)$&nbsp; müssen noch durch&nbsp; $T$&nbsp; dividiert werden.
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
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$\text{Beispiel:}$&nbsp; Stellt man einen Rechteck&ndash;Tiefpass mit Höhe $K_1 = 1$ und äquivalenter Bandbreite $\Delta f_1 = 1$ ein, so ist der Frequenzgang  $H_1(f)$ im Bereich $-1 < f < 1$ gleich $1$ und außerhalb dieses Bereichs gleich $0$. Die Impulsantwort $h_1(t)$ verläuft si&ndash;förmig mit $h_1(t= 0) = 1$ und der ersten Nullstelle bei $t=1$.
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$\text{Beispiel:}$&nbsp; Stellt man einen Rechteck&ndash;Tiefpass mit Höhe&nbsp; $K_1 = 1$&nbsp; und äquivalenter Bandbreite&nbsp; $\Delta f_1 = 1$&nbsp; ein,  
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*so ist der Frequenzgang&nbsp; $H_1(f)$&nbsp; im Bereich&nbsp; $-1 < f < 1$&nbsp; gleich&nbsp; $1$&nbsp; und außerhalb dieses Bereichs gleich Null.&nbsp;
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*Die Impulsantwort&nbsp; $h_1(t)$&nbsp; verläuft&nbsp; $\rm si$&ndash;förmig mit&nbsp; $h_1(t= 0) = 1$&nbsp; und der ersten Nullstelle bei&nbsp; $t=1$.
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Mit dieser Einstellung soll nun ein Rechteck&ndash;Tiefpass mit $K = 1.5$ und $\Delta f  = 2 \ \rm kHz$ nachgebildet werden, wobei wir die Normierungszeit $T= 1 \ \rm ms$.  Dann liegt die erste Nullstelle bei $t=0.5\ \rm ms$ und das Impulsantwortmaximum ist dann $h(t= 0) = 3 \cdot 10^3 \ \rm 1/s$.}}
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Mit dieser Einstellung soll nun ein Rechteck&ndash;Tiefpass mit&nbsp; $K = 1.5$&nbsp; und&nbsp; $\Delta f  = 2 \ \rm kHz$&nbsp; nachgebildet werden, wobei die Normierungszeit&nbsp; $T= 1 \ \rm ms$&nbsp; betrage.&nbsp;  
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*Dann liegt die erste Nullstelle bei&nbsp; $t=0.5\ \rm ms$&nbsp; und das Impulsantwortmaximum ist dann&nbsp; $h(t= 0) = 3 \cdot 10^3 \ \rm 1/s$.}}
  
  
 
===Gauß&ndash;Tiefpass  &nbsp; $\Rightarrow$ &nbsp; Gaussian Low&ndash;pass ===
 
===Gauß&ndash;Tiefpass  &nbsp; $\Rightarrow$ &nbsp; Gaussian Low&ndash;pass ===
  
*Der Gauß&ndash;Tiefpass  lautet mit der Höhe $K$ und der (äquivalenten) Bandbreite $\Delta f$:  
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*Der Gauß&ndash;Tiefpass  lautet mit der Höhe&nbsp;  $K$&nbsp; und der (äquivalenten) Bandbreite&nbsp; $\Delta f$:  
:$$H(f)=K\cdot {\rm e}^{-\pi\cdot(f/\Delta f)^2}.$$
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:$$H(f)=K\cdot {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}(f/\Delta f)^2}.$$
*Die äquivalente Bandbreite $\Delta f$ ergibt sich aus dem flächengleichen Rechteck.
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*Die äquivalente Bandbreite&nbsp; $\Delta f$&nbsp; ergibt sich aus dem flächengleichen Rechteck.
*Der Wert bei $f = \Delta f/2$ ist um den Faktor $0.456$ kleiner als der Wert bei $f=0$.
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*Der Wert bei&nbsp; $f = \Delta f/2$&nbsp; ist um den Faktor&nbsp; $0.456$&nbsp; kleiner als der Wert bei&nbsp; $f=0$.
 
*Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
 
*Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
:$$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm e}^{-\pi(t\cdot \Delta f)^2} .$$
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:$$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm e}^{-\pi(t\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \Delta f)^2} .$$
*Je kleiner $\Delta f$ ist, um so breiter und niedriger ist die Impulsantwort &nbsp; &rArr; &nbsp;  [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Reziprozit.C3.A4tsgesetz_von_Zeitdauer_und_Bandbreite|Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer]].
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*Je kleiner&nbsp; $\Delta f$&nbsp; ist, um so breiter und niedriger ist die Impulsantwort &nbsp; &rArr; &nbsp;  [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Reziprozit.C3.A4tsgesetz_von_Zeitdauer_und_Bandbreite|Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer]].
*Sowohl $H(f)$ als auch $h(t)$ sind zu keinem $f$- bzw. $t$-Wert exakt gleich Null.
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*Sowohl&nbsp; $H(f)$&nbsp; als auch&nbsp; $h(t)$&nbsp; sind zu keinem&nbsp; $f$&ndash; bzw.&nbsp; $t$&ndash;Wert exakt gleich Null.
*Für praktische Anwendungen kann der Gaußimpuls jedoch  in Zeit und Frequenz als begrenzt angenommen werden. Zum Beispiel ist $h(t)$ bereits bei $t=1.5 \cdot \Delta t$ auf weniger als $0.1\% $ des Maximums abgefallen.
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*Für praktische Anwendungen kann der Gaußimpuls jedoch  in Zeit und Frequenz als begrenzt angenommen werden.&nbsp;
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*Zum Beispiel ist&nbsp; $h(t)$&nbsp; bereits bei&nbsp; $t=1.5 \cdot \Delta t$&nbsp; auf weniger als&nbsp; $0.1\% $&nbsp; des Maximums abgefallen.
  
 
===Idealer (rechteckförmiger) Tiefpass  &nbsp; $\Rightarrow$ &nbsp;  Rectangular  Low&ndash;pass  ===
 
===Idealer (rechteckförmiger) Tiefpass  &nbsp; $\Rightarrow$ &nbsp;  Rectangular  Low&ndash;pass  ===

Version vom 3. August 2020, 09:33 Uhr

Applet in neuem Tab öffnen

Programmbeschreibung


Dargestellt werden reelle und symmetrische Tiefpässe  $H(f)$  und die dazugehörigen Impulsantworten  $h(t)$, nämlich

  • Gauß–Tiefpass  (englisch:  Gaussian low–pass),
  • Rechteck–Tiefpass   (englisch:  Rectangular low–pass),
  • Dreieck–Tiefpass  (englisch:  Triangular low–pass),
  • Trapez–Tiefpass  (englisch:  Trapezoidal low–pass),
  • Cosinus–Rolloff–Tiefpass  (englisch:  Cosine-rolloff low–pass),
  • Cosinus-Quadrat-Tiefpass  (englisch:  Cosine-rolloff -squared Low–pass).


Es ist zu beachten:

  • Die Funktionen  $H(f)$  bzw.  $h(t)$  werden für bis zu zwei Parametersätzen in jeweils einem Diagramm dargestellt.
  • Die roten Kurven und Zahlenangaben gelten für den linken Parametersatz, die blauen für den rechten Parametersatz.
  • Die Abszissen  $t$  (Zeit) und  $f$  (Frequenz) sowie die Ordinaten  $H(f)$  und  $h(t)$  sind jeweils normiert.


Theoretischer Hintergrund


Frequenzgang  $H(f)$  und Impulsantwort  $h(t)$

  • Der  Frequenzgang  (oder auch die  Übertragungsfunktion)  $H(f)$  eines linearen zeitinvarianten Übertragungssystems gibt das Verhältnis zwischen dem Ausgangsspektrum  $Y(f)$  und dem dem Eingangsspektrum  $X(f)$  an:
$$H(f) = \frac{Y(f)}{X(f)}.$$
  • Ist das Übertragungsverhalten bei tiefen Frequenzen besser als bei höheren, so spricht man von einem  Tiefpass  (englisch:  Low-pass).
  • Die Eigenschaften von  $H(f)$  werden im Zeitbereich durch die  Impulsantwort  $h(t)$  ausgedrückt.  Entsprechend dem  zweiten Fourierintegral  gilt:
$$h(t)={\rm IFT} [H(f)] = \int_{-\infty}^{+\infty}H(f)\cdot {\rm e}^{+{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}f\hspace{1cm} {\rm IFT}\hspace{-0.1cm}: \rm Inverse \ Fouriertransformation.$$
$$H(f)={\rm FT} [h(t)] = \int_{-\infty}^{+\infty}h(t)\cdot {\rm e}^{-{\rm j}2\pi f t}\hspace{0.15cm} {\rm d}t\hspace{1cm} \rm FT\hspace{-0.1cm}: \ Fouriertransformation.$$
  • In allen Beispielen verwenden wir reelle und gerade Funktionen.  Somit gilt:
$$h(t)=\int_{-\infty}^{+\infty}H(f)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}f \ \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\ \ \ H(f)=\int_{-\infty}^{+\infty}h(t)\cdot \cos(2\pi ft) \hspace{0.15cm} {\rm d}t .$$
  • Bei einem Vierpol  $[$das bedeutet:  $X(f)$  und  $Y(f)$  haben gleiche Einheiten$]$   ist  $Y(f)$  dimensionslos. 
  • Die Einheit der Impulsantwort ist  $\rm 1/s$.  Es gilt zwar $\rm 1/s = 1 \ Hz$, aber die Einheit „Hertz” ist in diesem Zusammenhang unüblich.
  • Der Zusammenhang zwischen diesem Applet und dem ähnlich aufgebauten Applet  Impulse und Spektren  basiert auf dem  Vertauschungssatz.
  • Alle Zeiten sind auf eine Normierungszeit  $T$  normiert und alle Frequenzen auf  $1/T  \ \Rightarrow$  die Zahlenwerte von   $h(t)$  müssen noch durch  $T$  dividiert werden.


$\text{Beispiel:}$  Stellt man einen Rechteck–Tiefpass mit Höhe  $K_1 = 1$  und äquivalenter Bandbreite  $\Delta f_1 = 1$  ein,

  • so ist der Frequenzgang  $H_1(f)$  im Bereich  $-1 < f < 1$  gleich  $1$  und außerhalb dieses Bereichs gleich Null. 
  • Die Impulsantwort  $h_1(t)$  verläuft  $\rm si$–förmig mit  $h_1(t= 0) = 1$  und der ersten Nullstelle bei  $t=1$.


Mit dieser Einstellung soll nun ein Rechteck–Tiefpass mit  $K = 1.5$  und  $\Delta f = 2 \ \rm kHz$  nachgebildet werden, wobei die Normierungszeit  $T= 1 \ \rm ms$  betrage. 

  • Dann liegt die erste Nullstelle bei  $t=0.5\ \rm ms$  und das Impulsantwortmaximum ist dann  $h(t= 0) = 3 \cdot 10^3 \ \rm 1/s$.


Gauß–Tiefpass   $\Rightarrow$   Gaussian Low–pass

  • Der Gauß–Tiefpass lautet mit der Höhe  $K$  und der (äquivalenten) Bandbreite  $\Delta f$:
$$H(f)=K\cdot {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}(f/\Delta f)^2}.$$
  • Die äquivalente Bandbreite  $\Delta f$  ergibt sich aus dem flächengleichen Rechteck.
  • Der Wert bei  $f = \Delta f/2$  ist um den Faktor  $0.456$  kleiner als der Wert bei  $f=0$.
  • Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
$$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm e}^{-\pi(t\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \Delta f)^2} .$$
  • Je kleiner  $\Delta f$  ist, um so breiter und niedriger ist die Impulsantwort   ⇒   Reziprozitätsgesetz von Bandbreite und Impulsdauer.
  • Sowohl  $H(f)$  als auch  $h(t)$  sind zu keinem  $f$– bzw.  $t$–Wert exakt gleich Null.
  • Für praktische Anwendungen kann der Gaußimpuls jedoch in Zeit und Frequenz als begrenzt angenommen werden. 
  • Zum Beispiel ist  $h(t)$  bereits bei  $t=1.5 \cdot \Delta t$  auf weniger als  $0.1\% $  des Maximums abgefallen.

Idealer (rechteckförmiger) Tiefpass   $\Rightarrow$   Rectangular Low–pass

  • Der Rechteck–Tiefpass lautet mit der Höhe $K$ und der (äquivalenten) Bandbreite $\Delta f$:
$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K /2 \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| < \Delta f/2,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| = \Delta f/2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm} \right| > \Delta f/2.} \\ \end{array}$$
  • Der $\pm \Delta f/2$–Wert liegt mittig zwischen links- und rechtsseitigem Grenzwert.
  • Für die Impulsantwort $h(t)$ erhält man entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Fourierrücktransformation (2. Fourierintegral):
$$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm si}(\pi\cdot \Delta f \cdot t) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)={\sin(x)}/{x}.$$
  • Der $h(t)$–Wert bei $t=0$ ist gleich der Rechteckfläche des Frequenzgangs.
  • Die Impulsantwort besitzt Nullstellen in äquidistanten Abständen $1/\Delta f$.
  • Das Integral über die Impulsantwort $h(t)$ ist gleich dem Frequenzgang $H(f)$ bei der Frequenz $f=0$, also gleich $K$.

Dreieck–Tiefpass $\Rightarrow$ Triangular Low–pass

  • Der Dreieck–Tiefpass lautet mit der Höhe $K$ und der (äquivalenten) Bandbreite $\Delta f$:
$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K\cdot \Big(1-\frac{|f|}{\Delta f}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| < \Delta f,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| \ge \Delta f.} \\ \end{array}$$
  • Die absolute physikalische Bandbreite $B$   ⇒   nur positive Frequenzen]   ist ebenfalls gleich $\Delta f$, also so groß wie beim Rechteck–Tiefpass.
  • Für die Impulsantwort $h(t)$ erhält man gemäß der Fouriertransformation:
$$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm si}^2(\pi\cdot \Delta f \cdot t) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)={\sin(x)}/{x}.$$
  • $H(f)$ kann man als Faltung zweier Rechteckfunktionen (jeweils mit Breite $\Delta f$) darstellen.
  • Daraus folgt: $h(t)$ beinhaltet anstelle der ${\rm si}$-Funktion die ${\rm si}^2$-Funktion.
  • $h(t)$ weist somit ebenfalls Nullstellen im äquidistanten Abständen $1/\Delta f$ auf.
  • Der asymptotische Abfall von $h(t)$ erfolgt hier mit $1/t^2$, während zum Vergleich beim Rechteck–Tiefpass $h(t)$ mit $1/t$ abfällt.


Trapez–Tiefpass   $\Rightarrow$   Trapezoidal Low–pass

Der Trapez–Tiefpass lautet mit der Höhe $K$ und den Eckfrequenzen $f_1$ und $f_2$:

$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K\cdot \frac{f_2-|f|}{f_2-f_1} \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| \le f_1,} \\ {f_1\le \left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| \le f_2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm} \right| \ge f_2.} \\ \end{array}$$
  • Für die äquivalente Bandbreite (flächengleiches Rechteck) gilt: $\Delta f = f_1+f_2$.
  • Der Rolloff-Faktor (im Frequenzbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
$$r=\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}.$$
  • Der Sonderfall $r=0$ entspricht dem Rechteck–Tiefpass und der Sonderfall $r=1$ dem Dreieck–Tiefpass.
  • Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
$$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\rm si}(\pi\cdot \Delta f \cdot t)\cdot {\rm si}(\pi \cdot r \cdot \Delta f \cdot t) \quad \text{mit} \ {\rm si}(x)={\sin(x)}/{x}.$$
  • Der asymptotische Abfall von $h(t)$ liegt zwischen $1/t$ (für Rechteck–Tiefpass oder $r=0$) und $1/t^2$ (für Dreieck–Tiefpass oder $r=1$).


Cosinus-Rolloff-Tiefpass   $\Rightarrow$   Cosine-rolloff Low–pass

Der Cosinus–Rolloff–Tiefpass lautet mit der Höhe $K$ und den Eckfrequenzen $f_1$ und $f_2$:

$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K \\ K\cdot \cos^2\Big(\frac{|f|-f_1}{f_2-f_1}\cdot \frac{\pi}{2}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| \le f_1,} \\ {f_1\le \left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| \le f_2,} \\ {\left|\hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm} \right| \ge f_2.} \\ \end{array}$$
  • Für die äquivalente Bandbreite (flächengleiches Rechteck) gilt: $\Delta f = f_1+f_2$.
  • Der Rolloff-Faktor (im Frequenzbereich) kennzeichnet die Flankensteilheit:
$$r=\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}.$$
  • Der Sonderfall $r=0$ entspricht dem Rechteck–Tiefpass der Sonderfall $r=1$ dem Cosinus-Quadrat-Tiefpass.
  • Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
$$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot \frac{\cos(\pi \cdot r\cdot \Delta f \cdot t)}{1-(2\cdot r\cdot \Delta f \cdot t)^2} \cdot {\rm si}(\pi \cdot \Delta f \cdot t).$$
  • Je größer der Rolloff-Faktor $r$ ist, desto schneller nimmt $h(t)$ asymptotisch mit $t$ ab.


Cosinus-Quadrat-Tiefpass   $\Rightarrow$   Cosine-rolloff -squared Low–pass

  • Dies ist ein Sonderfall des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses und ergibt sich aus diesem für $r=1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}f_1=0, f_2= \Delta f$:
$$H(f) = \left\{ \begin{array}{l} \hspace{0.25cm}K\cdot \cos^2\Big(\frac{|f|\cdot \pi}{2\cdot \Delta f}\Big) \\ \hspace{0.25cm} 0 \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{20}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\left| \hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} \right| < \Delta f,} \\ {\left| \hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm} \right| \ge \Delta f.} \\ \end{array}$$
  • Für die Impulsantwort erhält man gemäß der Fourierrücktransformation:
$$h(t)=K\cdot \Delta f \cdot {\pi}/{4}\cdot \big [{\rm si}(\pi(\Delta f\cdot t +0.5))+{\rm si}(\pi(\Delta f\cdot t -0.5))\big ]\cdot {\rm si}(\pi \cdot \Delta f \cdot t).$$
  • Wegen der letzten ${\rm si}$-Funktion ist $h(t)=0$ für alle Vielfachen von $T=1/\Delta f$   ⇒   Die äquidistanten Nulldurchgänge des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses bleiben erhalten.
  • Aufgrund des Klammerausdrucks weist $h(t)$ nun weitere Nulldurchgänge bei $t=\pm1.5 T$, $\pm2.5 T$, $\pm3.5 T$, ... auf.
  • Für $t=\pm T/2$ hat die Impulsanwort den Wert $K\cdot \Delta f/2$.
  • Der asymptotische Abfall von $h(t)$ verläuft in diesem Sonderfall mit $1/t^3$.

Versuchsdurchführung


„Rot” bezieht sich stets auf den ersten Parametersatz   ⇒   $H_1(f) \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\ h_1(t)$ und „Blau” auf den zweiten   ⇒   $H_2(f) \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\ h_2(t)$.

(1)   Vergleichen Sie den  roten Gauß–Tiefpass  $(K_1 = 1, \ \Delta f_1 = 1)$  mit dem  blauen Rechteck–Tiefpass  $(K_2 = 1, \Delta f_2 = 1)$.  Fragen:
          (a)  Welche Ausgangssignale  $y(t)$  ergeben sich, wenn am Eingang das Signal  $x(t) = 2 \cdot \cos (2\pi f_0 t -\varphi_0)$  mit  $f_0 = 0.5$  anliegt?
          (b)  Welche Unterschiede ergeben sich bei beiden Tiefpässen mit  $f_0 = 0.5 \pm f_\varepsilon$  und  $f_\varepsilon \ne 0, \ f_\varepsilon \to 0$?

(a)  In beiden Fällen gilt  $y(t) = A \cdot \cos (2\pi f_0 t -\varphi_0)$  mit  $A = 2 \cdot H(f = f_0) \ \Rightarrow \ A_1 = 0.912, A_2 = 1.000$.  Die Phase  $\varphi_0$  bleibt erhalten.
(b)  Bei  Rot  gilt weiterhin  $ A_1 = 0.912$. Bei  Blau  ist  $A_2 = 0$  für  $f_0 = 0.5000\text{...}001$  und  $A_2 = 2$  für  $f_0 = 0.4999\text{...}999$.


(2)   Lassen Sie die Einstellungen unverändert.  Welcher Tiefpass  $H(f)$  kann das erste oder das zweite Nyquistkriterium erfüllen?
        $H(f)$  bezeichnet hierbei den Gesamtfrequenzgang von Sender, Kanal und Empfangsfilter.

  • Erstes Nyquistkriterium:  Die Impulsantwort  $h(t)$  muss äquidistante Nulldurchgänge zu den (normierten) Zeiten  $t = 1,\ 2$, ...  aufweisen.
  • Die Impulsantwort  $h(t) = {\rm si}(\pi \cdot \Delta f \cdot t)$  des Rechteck–Tiefpasses erfüllt dieses Kriterium mit  $\Delta f = 1$.
  • Dagegen wird beim Gauß–Tiefpass das erste Nyquistkriterium nie erfüllt und es kommt immer zu Impulsinterferenzen.
  • Das zweite Nyquistkriterium erfüllt weder der Rechteck–Tiefpass noch der Gauß–Tiefpass.


(3)   Vergleichen Sie den  roten Rechteck–Tiefpass  $(K_1 = 0.5, \ \Delta f_1 = 2)$  mit dem  blauen Rechteck–Tiefpass  $(K_2 = 1, \ \Delta f_2 = 1)$.
        Variieren Sie anschließend  $\Delta f_1$  zwischen  $2$  und  $0.5$.

  • Mit  $\Delta f_1 = 2$  liegen die Nullstellen von  $h_1(t)$  bei Vielfachen von  $0.5$   ⇒   $h_1(t)$  klingt doppelt so schnell ab wie  $h_2(t)$.
  • Mit dieser Einstellung gilt  $h_1(t = 0) = h_2(t = 0)$, da die Rechteckflächen von  $H_1(f)$  und  $H_2(f)$  gleich sind.
  • Verringert man man  $\Delta f_1$, so wird die Impulsantwort  $h_1(t)$  immer breiter und niedriger.
  • Mit  $\Delta f_1 = 0.5$  ist  $h_1(t)$  doppelt so breit wie  $h_2(t)$, gleichzeitig aber um den Faktor  $4$  niedriger.


(4)   Vergleichen Sie den  roten Trapez–Tiefpass  $(K_1 = 1, \ \Delta f_1 = 1, \ r_1 = 0.5)$  mit dem  blauen Rechteck–Tiefpass  $(K_2 = 1, \ \Delta f_2 = 1)$.
        Variieren Sie anschließend  $r_1$  zwischen  $0$  und  $1$.

  • Mit  $r_1 = 0.5$  sind die Unterschwinger von  $h_1(t)$  beim Trapez–Tiefpass wegen des flacheren Flankenabfalls geringer als beim Rechteck–Tiefpass.
  • Mit kleinerem  $r_1$  nehmen die Unterschwinger zu.  Mit  $r_1= 0$  ist der Trapez–Tiefpass gleich dem Rechteck–Tiefpass   ⇒   $h(t)= {\rm si}(\pi \cdot t)$.
  • Mit größerem  $r_1$  werden die Unterschwinger geringerer. Mit  $r_1= 1$  ist der Trapez–Tiefpass gleich dem Dreieck–Tiefpass   ⇒   $h(t)= {\rm si}^2(\pi \cdot t)$.


(5)   Vergleichen Sie den  Trapez–Tiefpass  $(K_1 = 1, \ \Delta f_1 = 1, \ r_1 = 0.5)$  mit dem  Cosinus-Rolloff-Tiefpass  $(K_2 = 1,\ \Delta f_2 = 1, \ r_2 = 0.5)$.
        Variieren Sie  $r_2$  zwischen  $0$  und  $1$.  Interpretieren Sie die Impulsantwort für  $r_2 = 0.75$.  Welcher Tiefpass erfüllt das erste Nyquistkriterium?

  • Bei  $r_1 = r_2= 0.5$  verläuft der Flankenabfall von  $H_2(f)$  um die Frequenz  $f = 0.5$  steiler als der Flankenabfall von  $H_1(f)$.
  • Bei gleichem Rolloff  $r= 0.5$  hat die Impulsantwort  $h_2(t)$  für  $t > 1$  betragsmäßig größere Anteile als  $h_1(t)$.
  • Mit  $r_1 = 0.5$  und  $r_2 = 0.75$  gilt  $H_1(f) \approx H_2(f)$  und damit auch  $h_1(t) \approx h_2(t)$.
  • $H_1(f)$  und  $H_2(f)$  erfüllen beide das erste Nyquistkriterium:  beide Funktionen sind punktsymmetrisch um den sog. „Nyquistpunkt”.
  • Wegen  $\Delta f = 1$  besitzen sowohl  $h_1(t)$  als auch  $h_2(t)$  Nulldurchgänge bei  $\pm 1$,  $\pm 2$, ...   ⇒   jeweils maximale vertikale Augenöffnung.


(6)   Vergleichen Sie den  Cosinus–Quadrat–Tiefpass  $(K_1 = 1, \ \Delta f_1 = 1)$  mit dem  Cosinus-Rolloff-Tiefpass  $(K_2 = 1, \ \Delta f_2 = 1,\ r_2 = 0.5)$.
        Variieren Sie  $r_2$  zwischen  $0$  und  $1$.  Interpretieren Sie die Ergebnisse.  Welcher Tiefpass erfüllt das zweite Nyquistkriterium]]?

  • $H_1(f)$  ist ein Sonderfall des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses mit Rolloff  $r_2 =1$.  Das erste Nyquistkriterium wird auch mit  $r_2 \ne 1$  erfüllt.
  • Nach dem zweiten Nyquistkriterium muss  $h(t)$  auch Nulldurchgänge bei  $t=\pm 1.5$,  $\pm 2.5$,  $\pm 3.5$, ... besitzen  $($nicht jedoch bei  $t = \pm 0.5)$.
  • Für den Cosinus–Quadrat–Tiefpass gilt also  $h_1(t=\pm 0.5) = 0.5$,  $h_1(t=\pm 1) = h_1(t=\pm 1.5) = h_1(t=\pm 2)= h_1(t=\pm 2.5) = \text{...} =0$.
  • Nur der Cosinus–Quadrat–Tiefpass erfüllt das erste und zweite Nyquistkriterium gleichzeitig:  Maximale vertikale und horizontale Augenöffnung.


Zur Handhabung des Programms

Frequenzgang fertig version1.png

    (A)     Bereich der graphischen Darstellung für $H(f)$

    (B)     Bereich der graphischen Darstellung für $h(t)$

    (C)     Variationsmöglichkeit für die graphischen Darstellungen

    (D)     Parametereingabe per Slider
                      links (rot): „Low–pass 1”,         rechts (blau): „Low–pass 2”

    (E)     Parameter entsprechend der Voreinstellung   ⇒   „Reset”

    (F)     Einstellung von $t_*$ und $f_*$ für Numerikausgabe

    (G)     Numerikausgabe von $H(f_*)$ und $h(t_*)$
                      links (rot): „Low–pass 1”,         rechts (blau): „Low–pass 2”

Details zum obigen Punkt (C)

    (*)   Zoom–Funktionen „$+$” (Vergrößern), „$-$” (Verkleinern)
                     und $\rm o$ (Zurücksetzen)

    (*)   Verschiebe–Funktionen „$\leftarrow$” (Bildausschnitt nach links,
                     Ordinate nach rechts) sowie „$\uparrow$” „$\downarrow$” „$\rightarrow$”


Andere Möglichkeiten:

  • Bei gedrückter Shifttaste und Scrollen kann im Koordinatensystem gezoomt werden.
  • Bei gedrückter Shifttaste und gedrückter linker Maustaste kann das Koordinatensystem verschoben werden.



Über die Autoren

Dieses interaktive Berechnungstool wurde am Lehrstuhl für Nachrichtentechnik der Technischen Universität München konzipiert und realisiert.

  • Die erste Version wurde 2005 von Ji Li im Rahmen ihrer Diplomarbeit mit „FlashMX–Actionscript” erstellt (Betreuer: Günter Söder und Klaus Eichin).
  • 2017 wurde „Impulse & Spektren” von David Jobst im Rahmen seiner Ingenieurspraxis (Betreuer: Tasnád Kernetzky) auf „HTML5” umgesetzt und neu gestaltet.

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