Im Allgemeinen kann angenommen werden, dass $S(f)$ komplexwertig ist. Es lässt sich somit in den Betrag der Übertragungsfunktion $|S(f)|$ und die Phase $\varphi(f)$ zerlegen.
Dieser Demonstrator veranschaulicht, wie sich die Fouriertransformierte eines Signals $s(t)$ in Betrag und Phase verhält.
Im Drop-Down Menü für $s(t)$ kann zwischen fünf verschiedenen Funktionen ausgewählt werden. Die zur Verfügung stehenden Funktionen sind
* Rechteck
* Dreieck
* Dirac
* si-Funktion
* Gauß-Signal
Über den Slider für die Dehnung $T_0$ des Signals kann die Breite des Signals angepasst werden, über die Verschiebung $t_0$ kann die Position des Signals geändert werden.
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``` python
(t,deltat)=np.linspace(-20,20,50001,retstep=True)# t Achse
* Variiere die Breite $T$, während die Verschiebung konstant gehalten wird. Was passiert mit Betrag und Phase des Spektrums? Wo sind die Sprünge in der Phase zu finden?
* Betrachte ein Rechteck der Breite $T=1$. Variiere die Verschiebung $t_0$ und beobachte, was sich ändert. Wieso passiert das?
* Betrachte die Phase für $t_0=0.5$ und $t_0=-0.5$. Was macht die Phase?
Wähle nun ein Dreieck für $s(t)$.
* Wie sieht der Betrag der Phase nun aus im Vergleich? Warum?
* Wie ändert sich die Phase, wenn das Dreieck verschoben wird?
Wähle nun einen Dirac als Funktion aus.
* Ändere die Verschiebung $t_0$. Was passiert mit Betrag und Phase des Spektrums?
* Ändere die Dehnung $T$. Was passiert nun?
Wähle nun die si-Funktion aus.
* Vergleiche mit dem Ergebnis für das Rechteck. Wieso ist das so?
* Ändere $T$. Was passiert mit der Phase?
Wähle nun ein Gauß-Signal.
* Was passiert hier mit der Phase, wenn $T$ und $t_0$ geändert werden?
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This notebook is provided as [Open Educational Resource](https://en.wikipedia.org/wiki/Open_educational_resources)(OER). Feel free to use the notebook for your own purposes. The code is licensed under the [MIT license](https://opensource.org/licenses/MIT).
Please attribute the work as follows:
*Christian Rohlfing, Übungsbeispiele zur Vorlesung "Grundgebiete der Elektrotechnik 3 - Signale und Systeme"*, gehalten von Jens-Rainer Ohm, 2020, Institut für Nachrichtentechnik, RWTH Aachen University.
besteht aus Dirac-Impulsen, positioniert an den Zeitpunkten $nT$ und gewichtet mit den Funktionswerten $s(nT)$. Die zugehörige Fourier-Transformierte $S_{\mathrm{a}}(f)$ wird aus periodischen Wiederholungen des Signalspektrums $S(f)$ zusammengesetzt:
Die Wiederholungen sind bei Vielfachen der Abtastrate $r=\frac{1}{T}$ positioniert und mit $r=\frac{1}{T}$ gewichtet.
Zur Rückgewinnung wird ein Rekonstruktionsfilter $h_\mathrm{TP}(t)$ eingesetzt, welches im Idealfall die spektrale Kopie bei $k=0$ (auch Basisband genannt) aus $S_\mathrm{a}(f)$ rekonstruieren soll.
Hier wird das ideale Tiefpassfilter
$$H_\mathrm{TP}(f)=\mathrm{rect}\left(\frac{f}{2 f_\mathrm{g}}\right)$$ mit Grenzfrequenz $f_\mathrm{g} = \frac{r}{2}$ verwendet.
Zur Rückgewinnung im Spektralbereich wird dieser ideale Tiefpass mit dem Spektrums des abgetasteten Signals $S_{\mathrm{a}}(f)$ multipliziert. Das Spektrum des rekonstruierten Signals ist somit
Das rekonstuierte Signal im Zeitbereich $g(t)$ wird dann durch Rücktransformation gewonnen.
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## Demo
Im Folgenden wird ein ideales Abtastsystem mit fester Abtastrate $r=2$ angenommen. Das ideale Rekonstruktionsfilter wird mit $f_\mathrm{g} = \frac{r}{2} = 1$ verwendet.
Zur Auswahl stehen die folgenden Signale $s(t)$, deren Frequenz $F$ variabel ist.
* $s(t) = \cos(2 \pi F t)$ mit $S(f) = \frac{1}{2}\delta(f-F)+\frac{1}{2}\delta(f+F)$,
* $s(t) = \sin(2 \pi F t)$ mit $S(f) = \frac{1}{2\mathrm{j}}\delta(f-F)-\frac{1}{2\mathrm{j}}\delta(f+F)$,
* $s(t) = \mathrm{si}(2 \pi F t)$ mit $S(f) = \frac{1}{2 |F|}\mathrm{rect}\left(\frac{f}{2F}\right)$,
* $s(t) = \mathrm{rect} (F t)$ mit $S(f) = \frac{1}{|F|}\mathrm{si}\left(\frac{\pi f}{F}\right)$ und
* $s(t) = \Lambda(F t)$ mit $S(f) = \frac{1}{|F|}\mathrm{si}^2\left(\frac{\pi f}{F}\right)$.
Achtung: Die letzten beiden Signale $s(t)$, Rechteck- und Dreieckimpuls, haben unendlich ausgedehnte Spektren $S(f)$. Daher ist eine fehlerfreie Rekonstruktion prinzipiell nicht möglich!
Zunächst werden $s(t)$ und $s_\mathrm{a}(t)$ im Zeitbereich betrachtet. Weiterhin wird das zu $s_\mathrm{a}(t)$ gehörige Spektrum $S_\mathrm{a}(f)$ dargestellt. In der gleichen Abbildung ist die Übertragungsfunktion $H_\mathrm{TP}(f)$ des Rekonstruktionsfilters gezeigt.
Das Spektrum des rekonstruierten Signal $G(f)=S_\mathrm{a}(f) \cdot H_\mathrm{TP}(f) \cdot T$ wird in der nächsten Abbildung dargestellt.
In der letzten Abbildung wird nun das rekonstruierte Signal $g(t)$ gezeigt. Im Alias-freien Fall für cos-, sin- und si-Funktion gilt $g(t)=s(t)$.
* Wähle eine cos-Funktion für $s(t)$ und setze $F$ auf die kleinstmögliche Größe. Im Spektrum ist die Frequenz des Cosinus zu erkennen und im Zeitbereich wird dieser perfekt rekonstruiert. Erhöhe nun $F$ schrittweise. Beobachte das Spektrum. Was passiert und warum?
* Betrachte das Spektrum für $F=1$. Vergleiche die Höhe der Diracs mit denen für $F=0.9$ und $F=1.1$. Wie ist der Unterschied zu erklären?
* Für $F\geq 1$ wird das Signal nicht mehr perfekt rekonstruiert. Dieser Effekt nennt sich Aliasing. Wie verhält sich das rekonstruierte Signal bei größer werdendem $F$?
* Betrachte abschließend $F=2$. Was passiert hier?
* Wähle nun eine sin-Funktion und untersuche dieselben Dinge, wie zuvor für die cos-Funktion. Wie ist das Ergebnis für $F=1$ und $F=2$ zu erklären?
* Betrachte die si-Funktion. Das Spektrum der si-Funktion ist ein Rechteck. Was passiert, wenn $F$ größere Werte annimmt? Warum?
* Setze $F=1$. Kann aus $S_a(f)$ prinzipiell das ursprüngliche Signal rekonstruiert werden? Warum wird das Signal trotzdem perfekt rekonstruiert?
* Betrachte $F \leq 1$. Welche Form nimmt $G(f)$ an und wie wirkt sich das auf das rekonstruierte Signal aus?
Nun wird der Rechteckimpuls und der Dreiecksimpuls betrachtet. Im Gegensatz zu den vorherigen Funktionen ist das Spektrum hier, wie bereits oben erwähnt, unendlich ausgedehnt. Daher ist eine fehlerfreie Rekonstruktion prinzipiell nicht möglich.
* Starte wieder mit dem kleinstmöglichen $F$. Betrachte das Spektrum des abgetasteten Signals $S_{\mathrm{a}}(f)$ und das Spektrum nach Anwendung des Rekonstruktionsfilters $G(f)$. Wie müsste $G(f)$ für fehlerfreie Rekonstruktion aussehen? Was erzeugt den Unterschied?
* Erhöhe nun $F$ schrittweise und betrachte die Änderung von $S_{\mathrm{a}}(f)$, $G(f)$ und $g(t)$. Ab welchem $F$ ist das Ausgangssignal nicht mehr zu erkennen?
* Was passiert für $F \leq 1$ und wie erklärt sich das?
* Führe dieselben Überlegungen für den Dreiecksimpuls aus. Wie erklärt sich das unterschiedliche Verhalten?
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This notebook is provided as [Open Educational Resource](https://en.wikipedia.org/wiki/Open_educational_resources)(OER). Feel free to use the notebook for your own purposes. The code is licensed under the [MIT license](https://opensource.org/licenses/MIT).
Please attribute the work as follows:
*Emin Kosar, Christian Rohlfing, Übungsbeispiele zur Vorlesung "Grundgebiete der Elektrotechnik 3 - Signale und Systeme"*, gehalten von Jens-Rainer Ohm, 2020, Institut für Nachrichtentechnik, RWTH Aachen University.
Zum Starten: Im Menü: Run <spanclass="fa-chevron-right fa"></span> Run All Cells auswählen.
## Einleitung
Im Gegensatz zur [idealen Abtastung](GDET3%20Ideale%20Abtastung.ipynb) werden hier zwei Verfahren zur realen Abtastung betrachtet. Tatsächlich kann nicht mit einem idealen Dirac an einem definierten Zeitpunkt abgetastet werden. Im Folgenden werden zwei Verfahren der Abtastung, die *Shape-top Abtastung* und die *Flat-top Abtastung* beschrieben.
## Shape-top Abtastung
Bei der Shape-top Abtastung wird das kontinuierliche Signal $s(t)$ mit Abstand $T=\frac{1}{r}$ abgetastet.
Anstatt einer Diracfolge wird eine Folge schmaler Rechteckimpulse mit endlicher Dauer $T_0$ verwendet. Das abgetastete Signal $s_0(t)$ ergibt sich zu
Auch hier entstehen wie bei der idealen Abtastung spektrale Kopien, welche um $\frac{k}{T}$ zentriert sind. Jede spektrale Kopie wird mit einem von $f$ unabhängigen Faktor $\mathrm{si} \left(\pi T_0 \frac{k}{T}\right)$ skaliert.
Der Grenzübergang $T_0\rightarrow 0$ liefert hier die ideale Abtastung: $\lim\limits_{T_0\rightarrow 0}\left(\frac{1}{T_0}s_0(t)\right) = s_\mathrm{a}(t)$.
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## Flat-top Abtastung
Bei der Flat-top Abtastung wird in Intervallen endlicher Dauer abgetastet und der Signalwert dann um $T=\frac{1}{r}$ gehalten. Dieses Verfahren wird häufig in Analog-Digital-Wandlern eingesetzt. Das abgetastete Signal $s_0(t)$ ergibt sich somit zu
= S_\mathrm{a}(f) \cdot T \cdot \mathrm{si}(\pi f T) \cdot \mathrm{e}^{-\mathrm{j}\pi f T}
= \left[S(f) \ast \sum\limits_{k=-\infty}^\infty \delta(f-kr)\right] \cdot \mathrm{si}(\pi f T) \cdot \mathrm{e}^{-\mathrm{j}\pi f T}\text{.}
$$
In der Demonstration kann der Unterschied zwischen der Shape-top und der Flat-top Abtastung noch einmal anschaulich betrachtet werden.
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## Beispiel
### Abtastung
Zunächst wird noch einmal die [ideale Abtastung](GDET3%20Ideale%20Abtastung.ipynb) wiederholt. In der Abbildung ist als gestrichelte Linie das Signal $s(t)$ dargestellt, das zugehörige Spektrum in blau. Das Signal wird mit Abtastrate $r=2$ abgetastet.
Das abgetastete Signal
$s_\mathrm{a}(t) = \sum\limits_{n=-\infty}^\infty s(nT)\cdot\delta(t-nT)$ und das Spektrum des abgetasteten Signals
$S_\mathrm{a}(f) = \frac{1}{T} \sum\limits_{k=-\infty}^\infty S(f-kr)$ sind ebenfalls abgebildet.
Das Spektrum des abgetasteten Signals zeigt die für die Abtastung typischen spektralen Wiederholungen.
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``` python
# Construction of s(t) and corresponding spectrum S(f)
Durch die Multiplikation von $S_\mathrm{a}(f)$ mit $T \cdot \mathrm{si}(\pi f T) \cdot \mathrm{e}^{-j\pi f T}$ wird das Spektrum $S_0(f)$ im Basisband verzerrt. So ist es nicht möglich, $S(f)$ mittels eines einfachen idealen Tiefpasses zu rekonstruieren. Zusätzlich ist ein Filter nötig, welches diesen Faktor ausgleicht, dieses ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
$$
H_\mathrm{eq}(f) = \frac{1}{T \cdot \mathrm{si}(\pi f T) \cdot \mathrm{e}^{-j\pi f T}}
$$
%% Cell type:code id: tags:
``` python
# Reconstruction filters #plt.close('all')
## Ideal Low pass to crop the base band
H_lp=rect(f/(r+0.001))# ideal low pass between -r/2 and r/2
## Equalizing filter to compensate the influence of si(...) and exp(...) terms in S_0(f)
Dieses Filter wird nun zur Rekonstruktion angewendet.
Das rekonstruierte Signal unter Verwendung des ausgleichenden Filters ist unten abgebildet. Das Originalsignal konnte erfolgreich rekonstruiert werden.
In der folgenden interaktiven Demonstration kann nun betrachtet werden, was der Unterschied zwischen der Flat-top und der Shape-top Abtastung ist.
Dargestellt sind untereinander:
* der Zeitbereich mit dem Originalsignal und dem abgestasteten Signal
* der zugehörige Frequenzbereich mit dem Originalspektrum, dem Spektrum des abgetasteten Signal und dem Rekonstruktionsfilter
* das rekonstruierte Spektrum
* das rekonstruierte Signal im Zeitbereich.
Im Drop-Down-Menü kann die Art der Abtastung (Shape-top oder Flat-top) sowie die abzutastende Funktion (Cosinus-, Sinus-und si-Funktion, sowie Rechteck- oder Dreieckimpuls) ausgewählt werden.
Über den Schieberegler kann $F$ geändert werden, was bei Cosinus-, Sinus- und si-Funktion die Frequenz und bei Rechteck- und Dreieckimpuls die Breite beeinflusst.
* Wie sieht das abgetastete Signal mit Shape-top Abtastung aus und wie mit Flat-top Abtastung?
* Welche Auswirkungen hat die Abtastungsart auf das Spektrum und die Rekonstruktion?
* Variiere $F$. Was passiert?
* Führe diese Beobachtung für unterschiedliche Funktionen aus.
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*Christian Rohlfing, Übungsbeispiele zur Vorlesung "Grundgebiete der Elektrotechnik 3 - Signale und Systeme"*, gehalten von Jens-Rainer Ohm, 2020, Institut für Nachrichtentechnik, RWTH Aachen University.
