Aufgaben:Aufgabe 1.4Z: Darstellungsformen von Schwingungen: Unterschied zwischen den Versionen
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| − | Betrachtet wird eine harmonische Schwingung $z(t)$, die zusammen mit dem zugehörigen Signal $z_+(t)$ in der Grafik dargestellt ist. | + | Betrachtet wird eine harmonische Schwingung $z(t)$, die zusammen mit dem zugehörigen analytischen Signal $z_+(t)$ in der Grafik dargestellt ist. |
Diese Signale können mathematisch wie folgt beschrieben werden: | Diese Signale können mathematisch wie folgt beschrieben werden: | ||
| − | $$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T}) | + | :$$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T})= A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T}( t - \tau)) \hspace{0.05cm},$$ |
| − | + | :$$ z_+(t) = A_{\rm 0} \cdot {\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t}$$ | |
| − | $$ z_+(t) = A_{\rm 0} \cdot {\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t}$$ | + | Die zwei Amplitudenparameter $A_{\rm T} $ und $A_0$ sind jeweils dimensionslos, der Phasenwert $ϕ_{\rm T} $ soll zwischen $\text{±π}$ liegen und die Laufzeit $τ$ ist nicht negativ. |
| − | Die zwei Amplitudenparameter $ | ||
| − | + | Die Teilaufgabe (4) bezieht sich auf das äquivalente TP–Signal $z_{\rm TP}(t)$, das mit $z_+(t)$ wie folgt zusammenhängt: | |
| + | :$$z_{\rm TP}(t) = z_+(t) \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t} \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | + | Beachten Sie weiter, dass $ϕ_{\rm T}$ in obiger Gleichung mit positivem Vorzeichen erscheint. Unter Anmerkungen zur Nomenklatur finden Sie eine Begründung für die unterschiedliche Verwendung von $φ_{\rm T}$ und $ϕ_{\rm T} = – φ_{\rm T}$. | |
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| + | *In diesem Tutorial geht – wie auch in anderer Literatur üblich – bei der Beschreibung von harmonischer Schwingung, Fourierreihe und Fourierintegral die Phase mit negativem Vorzeichen in die Gleichungen ein, während in Zusammenhang mit Modulationsverfahren die Phase stets mit einem Pluszeichen angesetzt wird. | ||
| + | *Zur Unterscheidung dieser beiden Varianten benutzen wir $φ_{\rm T}$ und $ϕ_{\rm T} = – φ_{\rm T}$. Beide Symbole kennzeichnen das kleine griechische „phi”, wobei die Schreibweise $φ$ vorwiegend im anglo-amerikanischen und $ϕ$ im deutschen Sprachraum angewandt wird. | ||
| + | *Die Phasenwerte $φ_{\rm T} = 90^\circ$ und $ϕ_{\rm T} = -90^\circ$ sind somit äquivalent und stehen beide für die Sinusfunktion: | ||
| + | :$$\cos(2 \pi f_0 t - 90^{\circ}) = \cos(2 \pi f_0 t - \varphi) = \cos(2 \pi f_0 t + \phi) = \sin(2 \pi f_0 t ).$$ | ||
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| + | *Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Modulationsverfahren/Qualitätskriterien|Qualitätskriterien]]. | ||
| + | *Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite [[Modulationsverfahren/Allgemeines_Modell_der_Modulation#Beschreibung_von_s.28t.29_mit_Hilfe_des_analytischen_Signals|Beschreibung von ''s''(''t'') mit Hilfe des analytischen Signals]]. | ||
| + | *Weitere Informationen zu dieser Thematik finden Sie in den Kapiteln [[Signaldarstellung/Harmonische_Schwingung|Harmonische Schwingung]], [[Signaldarstellung/Analytisches_Signal_und_zugeh%C3%B6rige_Spektralfunktion|Analytisches Signal und zugehörige Spektralfunktion]] und [[Signaldarstellung/%C3%84quivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugeh%C3%B6rige_Spektralfunktion| Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion]] des Buches „Signaldarstellung”. | ||
| + | *Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein. | ||
| + | *In unserem Tutorial LNTwww wird die Darstellung des analytischen Signals $s_+(t)$ in der komplexen Ebene teilweise auch als „Zeigerdiagramm” bezeichnet, während die „Ortskurve” den zeitlichen Verlauf des äquivalenten TP–Signals $s_{\rm TP}(t)$ angibt. Wir verweisen auf die entsprechenden Interaktionsmodule [[Zeigerdiagramm – Darstellung des analytischen Signals]] sowie [[Ortskurve – Verlauf des äquivalenten Tiefpass-Signals]]. | ||
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Version vom 21. Juni 2017, 12:13 Uhr
Betrachtet wird eine harmonische Schwingung $z(t)$, die zusammen mit dem zugehörigen analytischen Signal $z_+(t)$ in der Grafik dargestellt ist.
Diese Signale können mathematisch wie folgt beschrieben werden:
- $$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T})= A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T}( t - \tau)) \hspace{0.05cm},$$
- $$ z_+(t) = A_{\rm 0} \cdot {\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t}$$
Die zwei Amplitudenparameter $A_{\rm T} $ und $A_0$ sind jeweils dimensionslos, der Phasenwert $ϕ_{\rm T} $ soll zwischen $\text{±π}$ liegen und die Laufzeit $τ$ ist nicht negativ.
Die Teilaufgabe (4) bezieht sich auf das äquivalente TP–Signal $z_{\rm TP}(t)$, das mit $z_+(t)$ wie folgt zusammenhängt:
- $$z_{\rm TP}(t) = z_+(t) \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t} \hspace{0.05cm}.$$
Beachten Sie weiter, dass $ϕ_{\rm T}$ in obiger Gleichung mit positivem Vorzeichen erscheint. Unter Anmerkungen zur Nomenklatur finden Sie eine Begründung für die unterschiedliche Verwendung von $φ_{\rm T}$ und $ϕ_{\rm T} = – φ_{\rm T}$.
Anmerkung zur Nomenklatur:
- In diesem Tutorial geht – wie auch in anderer Literatur üblich – bei der Beschreibung von harmonischer Schwingung, Fourierreihe und Fourierintegral die Phase mit negativem Vorzeichen in die Gleichungen ein, während in Zusammenhang mit Modulationsverfahren die Phase stets mit einem Pluszeichen angesetzt wird.
- Zur Unterscheidung dieser beiden Varianten benutzen wir $φ_{\rm T}$ und $ϕ_{\rm T} = – φ_{\rm T}$. Beide Symbole kennzeichnen das kleine griechische „phi”, wobei die Schreibweise $φ$ vorwiegend im anglo-amerikanischen und $ϕ$ im deutschen Sprachraum angewandt wird.
- Die Phasenwerte $φ_{\rm T} = 90^\circ$ und $ϕ_{\rm T} = -90^\circ$ sind somit äquivalent und stehen beide für die Sinusfunktion:
- $$\cos(2 \pi f_0 t - 90^{\circ}) = \cos(2 \pi f_0 t - \varphi) = \cos(2 \pi f_0 t + \phi) = \sin(2 \pi f_0 t ).$$
Weitere Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Qualitätskriterien.
- Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite Beschreibung von s(t) mit Hilfe des analytischen Signals.
- Weitere Informationen zu dieser Thematik finden Sie in den Kapiteln Harmonische Schwingung, Analytisches Signal und zugehörige Spektralfunktion und Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion des Buches „Signaldarstellung”.
- Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
- In unserem Tutorial LNTwww wird die Darstellung des analytischen Signals $s_+(t)$ in der komplexen Ebene teilweise auch als „Zeigerdiagramm” bezeichnet, während die „Ortskurve” den zeitlichen Verlauf des äquivalenten TP–Signals $s_{\rm TP}(t)$ angibt. Wir verweisen auf die entsprechenden Interaktionsmodule Zeigerdiagramm – Darstellung des analytischen Signals sowie Ortskurve – Verlauf des äquivalenten Tiefpass-Signals.
Fragebogen
Musterlösung
2.Das analytische Signal lautet allgemein:
$$z_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t + \phi_{\rm T})} = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j} \cdot \phi_{\rm T}} \cdot {\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t }\hspace{0.05cm}.$$
Gleichzeitig gilt der Zusammenhang:
$$A_0 = z_+(t = 0) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j} \cdot \phi_{\rm T}} \hspace{0.05cm}.$$
Die komplexe Amplitude $A_0$ kann aus der oberen Grafik abgelesen werden.
$$A_0 = - \sqrt{2} - {\rm j} \cdot \sqrt{2} = A_{\rm 0} \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} 0.75 \pi} \hspace{0.05cm}.$$
Ein Vergleich beider Gleichungen führt zum Ergebnis:
$$ \phi_{\rm T} = - 0.75 \pi \hspace{0.15cm}\underline {= - 135^{\circ}} \hspace{0.05cm}.$$
Dabei besteht folgender Zusammenhang mit der Laufzeit $τ$:
$$\phi_{\rm T} = - 2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot \tau \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \tau = \frac{-\phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_{\rm T}} = \frac{0.75 \pi}{2 \pi \cdot 0.5\,{\rm kHz}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.75 \,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.$$
3.Das analytische Signal legt in der Zeit $T_0$ genau eine Umdrehung zurück. Ausgehend von $A_0$ erreicht man somit nach $T_0/8 = 0.25 ms$ zum ersten Mal, dass das analytische Signal imaginär ist: $z_+(t1) = – 2 j$. Wegen der Beziehung $z(t) = Re[z_+(t)]$ tritt zu diesem Zeitpunkt $t_1$ auch der erste Nulldurchgang des Signals $z(t)$ auf.
4.Mit dem Ergebnis aus b) erhält man:
$$ z_{\rm TP}(t) = z_+(t) \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.05cm}t} = A_0 = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j} \cdot \phi_{\rm T}} = {\rm const.}$$
Somit gilt für alle Zeiten t und damit auch für t = 1 ms:
$${\rm Re}[z_{\rm TP}(t)] = - \sqrt{2} \hspace{0.15cm}\underline {= -1.414} \hspace{0.05cm},\\ {\rm Im}[z_{\rm TP}(t)] = - \sqrt{2}\hspace{0.15cm}\underline {= -1.414} \hspace{0.05cm}.$$
5.Richtig sind die Aussagen 1, 3 und 4:
- Die einzige Diracfunktion von $Z_+(f)$ liegt bei $f = f_T$ und nicht bei $–f_T$.
- Das analytische Signal einer harmonischen Schwingung ist immer komplex.
- Das äquivalente TP–Signal einer harmonischen Schwingung ist meistens komplex.
Ausnahme: $z(t) = ±A_T · cos(ω_T · t).$
