Digitale Signalverarbeitung

Navigationshilfe

Diese Navigationshilfe zeigt die ersten Schritte zur Verwendung der Präsention. Sie kann mit ⟶ (Pfeiltaste rechts) übersprungen werden.

Navigation

Zwischen den Folien und Abschnitten lässt sich mittels der Pfeiltasten hin- und herspringen, dazu lassen sich auch die Pfeiltasten am Computer nutzen.

Navigationspfeile für die Präsentation

Weitere Funktionen

Mit ein paar Tastenkürzeln können weitere Funktionen aufgerufen werden. Die wichtigsten sind:

F1
Help / Hilfe
o
Overview / Übersicht aller Folien
s
Speaker View / Referentenansicht
f
Full Screen / Vollbildmodus
b
Break, Black, Pause / Ausblenden der Präsentation
Alt-Click
In die Folie hin- oder herauszoomen

Übersicht

Die Präsentation ist zweidimensional aufgebaut. Dadurch sind in Spalten die einzelnen Abschnitte eines Kapitels und in den Reihen die Folien zu den Abschnitten.

Tippt man ein „o“ ein, bekommt man eine Übersicht über alle Folien des Foliensatzes. Das hilft, sich zunächst einen Überblick zu verschaffen oder sich zu orientieren, wenn man das Gefüht hat, sich „verlaufen“ zu haben. Die Navigation erfolgt über die Pfeiltasten.

Referentenansicht

Referentenansicht

Tippt man ein „s“ ein, bekommt man ein neues Fenster, die Referentenansicht.

Indem man „Layout“ auswählt, kann man zwischen verschieden Anordnungen der Elemente auswählen.

Praxistipps zur Referentenansicht

  • Wenn man mit einem Projektor arbeitet, stellt man im Betriebssystem die Nutzung von 2 Monitoren ein: Die Referentenansicht wird dann zum Beispiel auf dem Laptop angezeigt, während die Teilnehmer die Präsentation angezeigt bekommen.
  • Bei einer Online-Präsentation, wie beispielsweise auf TREFF.darc.de, präsentiert man den Browser-Tab und navigiert im „Speaker View“ Fenster.
  • Die Referentenansicht bezieht sich immer auf ein Kapitel. Am Ende des Kapitels muss sie geschlossen werden, um im neuen Kapitel eine neue Referentenansicht zu öffnen.
  • Um mit dem Mauszeiger etwas zu markieren oder den Zoom zu verwenden, muss mit der Maus auf den Bildschirm mit der Präsentation gewechselt werden.

Vollbild

Tippt man ein „f“ ein, wird die aktuelle Folie im Vollbild angezeigt. Mit „Esc“ kann man das Vollbild wieder verlassen.

Das ist insbesondere für den Bildschirm mit der Präsentation für das Publikum praktisch.

Ausblenden

Tippt man ein „b“ ein, wird die Präsentation ausgeblendet.

Sie kann wie folgt wieder eingeblendet werden:

  • Durch Klicken in das Fenster.
  • Durch nochmaliges Drücken von „b“.
  • Durch Klicken der Schaltfläche „Resume presentation“.
Schaltfläche für Resume Presentation

Zoom

Bei gedrückter Alt-Taste und einem Mausklick in der Präsentation wird in diesen Teil hineingezoomt. Das ist praktisch, um Details von Schaltungen hervorzuheben. Durch einen nochmaligen Mausklick zusammen mit Alt wird wieder herausgezoomt.

Das Zoomen funktioniert nur im ausgewählten Fenster. Die Referentenansicht ist hier nicht mit der Präsenationsansicht gesynct.

Digitale Signalverarbeitung

  • Im Bereich der Funktechnik spricht man bei Geräten, die mittels digitaler Signalverarbeitung arbeiten von sogenannten SDR-Geräten.
  • SDR steht dabei für Software Defined Radio.
  • In diesen Geräten ist zumindest ein Teil der Signalverarbeitung in Software realisiert.
  • Dieses hat einen Kostenvorteil und bringt eine große Flexibilität mit sich.
EF603: Worauf deutet die Bezeichnung SDR bei einem Transceiver oder Empfänger hin?

A: Zumindest ein Teil der Signalaufbereitung ist in Software realisiert.

B: Es werden spezielle Antennenanschlüsse für digitale Signale verwendet.

C: Die Aussendung bzw. der Empfang erfolgt über das Internet und nicht per Funk.

D: Zumindest im NF-Bereich wird Analogtechnik eingesetzt, um besseren Klang zu erreichen.

A/D-Umsetzer

  • Damit die Daten digital verarbeitet werden können, müssen sie zunächst digitalisiert werden.
  • Dazu wird das analoge Signal mittels eines Analog-Digital Umsetzers (A/D-Umsetzer) in digitale Werte umgesetzt.
  • Hierbei wird das analoge Signal in festen Zeitintervallen abgetastet und in einem digitalen Wertebereich (z. B. von $\num{-128}$ bis $\num{+127}$) abgebildet.
  • Die einzelnen gemessenen Signalwerte werden als Samples (Proben) bezeichnet.
EF602: Was ist die Voraussetzung, um ein analoges Signal mit digitaler Signalverarbeitung zu filtern? Das Eingangssignal muss zunächst ...

A: von Oberschwingungen befreit werden.

B: demoduliert werden.

C: von Rauschen befreit werden.

D: digitalisiert werden.

D/A-Umsetzer

  • Nach der digitalen Verarbeitung des Signals wird es in einem Digital-Analog-Umsetzer (D/A-Umsetzer) wieder in ein analoges Signal verwandelt.
EF601: Folgendes Blockschaltbild stellt das Prinzip einer digitalen Signalverarbeitung dar. Welche Aufgaben haben die beiden Blöcke 1 und 2?

A: 1: D/A-Umsetzer, 2: A/D-Umsetzer

B: 1: A/D-Umsetzer, 2: D/A-Umsetzer

C: beides D/A-Umsetzer

D: beides A/D-Umsetzer

Sampling und Quantisierung

Sampling und Quantisierung

Bei der Digitalisierung eines analogen Signals müssen zwei Eigenschaften betrachtet werden:

  • Wann wird das Signal gemessen?
    • Sampling
    • zeitkontinuierlich → zeitdiskret
  • Wie genau wird der gemessene Wert dargestellt?
    • Quantisierung
    • wertkontinuierlich → wertdiskret

Analoges Signal

1) Kurzbeschreibung: Diagramm mit einer horizontalen Achse „Zeit“ und einer vertikalen Achse „Wert“; sinusförmige Kurve entlang der Nulllinie.

2) Ausführliche Beschreibung: Ein Koordinatensystem hat eine horizontale Achse mit der Beschriftung „Zeit“ und eine vertikale Achse mit der Beschriftung „Wert“. Eine sinusförmige Kurve läuft über die gesamte Bildbreite entlang der Nulllinie. Weitere Beschriftungen oder Maße sind nicht vorhanden.
Abbildung NEAS-17.2.1: Wert- und Zeitkontinuierliches Signal
  • Zu jedem beliebigen Zeitpunkt ist ein Signalwert vorhanden
  • Der Signalwert kann beliebige Zwischenwerte annehmen
  • Ein ideales analoges Signal ist daher zeit- und wertkontinuierlich

Sampling

1) Kurzbeschreibung: Diagramm mit einer horizontalen Achse „Zeit“ und einer vertikalen Achse „Wert“; sinusförmige Kurve entlang der Nulllinie.

2) Ausführliche Beschreibung: Ein Koordinatensystem hat eine horizontale Achse mit der Beschriftung „Zeit“ und eine vertikale Achse mit der Beschriftung „Wert“. Eine sinusförmige Kurve läuft über die gesamte Bildbreite entlang der Nulllinie. Weitere Beschriftungen oder Maße sind nicht vorhanden.
Abbildung NEAS-17.2.1: Wert- und Zeitkontinuierliches Signal
  • Das Signal wird nur zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet
  • Die einzelnen Abtastwerte heißen Samples
  • Aus einem zeitkontinuierlichen Signal wird ein zeitdiskretes Signal
  • Die Werte selbst können zunächst weiterhin beliebige Werte annehmen
AF601: Welche der folgenden Abbildungen symbolisiert ein zeitkontinuierliches und wertkontinuierliches Signal am besten?
A:
B:
C:
D:
AF603: Welche der folgenden Abbildungen symbolisiert ein zeitdiskretes und wertkontinuierliches Signal am besten?
A:
B:
C:
D:

Sampling

  • Der Vorgang der zeitlichen Abtastung wird als Sampling bezeichnet
  • Die einzelnen Abtastwerte heißen Samples
  • Zwischen zwei Samples kann sich das analoge Signal weiter verändern

Sampling bedeutet somit:

zeitkontinuierlich → zeitdiskret

AF606: Wie wird die Umwandlung eines zeitkontinuierlichen in ein zeitdiskretes Signal bezeichnet?

A: Codierung

B: Quantisierung

C: Zeitmultiplexing

D: Sampling

Samplingrate

  • Die Samplingrate oder Abtastrate gibt an, wie viele Samples pro Zeiteinheit aufgenommen werden
  • Einheit: Samples pro Sekunde

Beispiel Audio-CD:

$\num{44100}$ Samples pro Sekunde

entsprechen

$$\qty{44,1}{\kilo\sps}$$
AF615: Wie ist die Abtastrate (Samplingrate) eines A/D-Umsetzers definiert?

A: Abtastungen mal Samples

B: Abtastungen mal Zeit

C: Abtastungen je Zeiteinheit

D: Abtastungen je Hertz

Quantisierung

  • Analoge Signalwerte können beliebige Zwischenwerte annehmen: wertkontinuierlich
  • Digital stehen nur endlich viele mögliche Werte zur Verfügung: wertdiskret
  • Ein Messwert muss einer der verfügbaren Stufen zugeordnet werden

Diesen Vorgang bezeichnet man als Quantisierung.

Wertkontinuierlich und wertdiskret

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1) Kurz: Stufenförmiger Verlauf über der Zeit mit mehreren Plateaus ober- und unterhalb der horizontalen Achse.

2) Details: Ein Achsenkreuz mit Pfeilen zeigt eine vertikale Achse links, beschriftet mit „Wert“, und eine horizontale Achse mit Pfeil nach rechts, beschriftet mit „Zeit“. Feine horizontale Rasterlinien füllen den Hintergrund; es gibt keine Zahlen- oder Einheitenangaben. Auf der Zeitachse verläuft eine stufenförmige, waagerecht segmentierte Linie: Sie beginnt knapp rechts der vertikalen Achse etwas oberhalb der horizontalen Achse, steigt in mehreren gleich hohen Stufen zu einem oberen Plateau an, fällt anschließend stufenweise ab, überschreitet die horizontale Achse nach unten, erreicht ein unteres Plateau, bleibt dort kurz und steigt dann wieder stufenweise an. Die Linie endet nahe dem rechten Bildrand knapp unterhalb der horizontalen Achse; dort befindet sich auf der Zeitachse eine kleine senkrechte Markierung.
Abbildung NEAS-17.2.3: Wertdiskretes und Zeitkontinuierliches Signal
  • Links: Werte sind bereits diskret, die Zeit ist noch kontinuierlich
  • Rechts: Werte und Zeit sind diskret

Durch die Kombination von Sampling und Quantisierung entsteht die digitale Darstellung eines analogen Signals.

AF602: Welche der folgenden Abbildungen symbolisiert ein zeitkontinuierliches und wertdiskretes Signal am besten?
A:
B:
C:
D:
AF604: Welche der folgenden Abbildungen symbolisiert ein zeitdiskretes und wertdiskretes Signal am besten?
A:
B:
C:
D:
AF605: Wie wird die Umwandlung eines wertkontinuierlichen in ein wertdiskretes Signal bezeichnet?

A: Raummultiplexing

B: Quantisierung

C: Codierung

D: Sampling

Praktisches Beispiel: Dimmer vs. Stufenschalter

  • Ein analoger Dimmer erlaubt feine, stufenlose Helligkeitseinstellungen
  • Ein Stufenschalter (z. B. $\num{5}$ Stufen) ermöglicht nur feste Helligkeitswerte – Zwischenstufen sind nicht möglich
  • Quantisierung: Auswahl der nächstpassenden Stufe, um den analogen Wert abzubilden

Zusammenfassung

16 Samples/s 16 Bit

Abtasttheorem

Der Prozess des Samplings

  • Analoge Signale werden in diskrete Samples umgewandelt
  • Sampling: Abtastung eines kontinuierlichen Signals in festgelegten Zeitabständen
  • Vergleichbar mit einer Kamera, die in regelmäßigen Intervallen Bilder aufnimmt

Sampling – Das Kamerabeispiel

  • Eine Kamera nimmt z. B. $\num{24}$ Bilder pro Sekunde auf
  • Zwischen den Bildern können schnelle Bewegungen auftreten, die nicht erfasst werden
  • Wie bei der Kamera kann ein plötzliches Ereignis (z. B. eine Fliege) zwischen zwei Aufnahmen verloren gehen
  • Dadurch entsteht ein Verlust an zeitlicher Information

Informationsverlust und Rekonstruktionsgrenze

  • Zwischen den Samples können schnelle Signaländerungen unentdeckt bleiben
  • Für eine fehlerfreie Rekonstruktion muss vor und nach jedem Signalwechsel ein Sample vorliegen
  • Ist dies nicht der Fall, gehen Details verloren – Aliasing tritt auf

Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem

  • Für ein Signal mit maximaler Frequenz $f_{\mathrm{max}}$ muss die Abtastrate $\gt 2 \cdot f_{\mathrm{max}}$ betragen
  • Nur so können alle Signalwechsel korrekt erfasst und rekonstruiert werden
  • Wird diese Grenze unterschritten, entstehen Alias-Effekte
AF617: Unter dem Alias-Effekt werden Fehler verstanden, die ...

A: beim Senden mit mehrelementigen Richtantennen auftreten, deren Elementabstand größer als die halbe Wellenlänge ist.

B: bei der Abtastung von Frequenzanteilen auftreten, die höher als die halbe Abtastfrequenz sind.

C: beim Empfang eines Signals auftreten, von dessen Spektrum mehr als die Hälfte gestört ist.

D: bei Mehrwegeausbreitung mit Laufzeitunterschieden auftreten, die höher als die halbe Dauer einer Schwingung des Trägers sind.

Praktisches Beispiel: CD-Player

  • CD-Player arbeiten typischerweise mit $\qty{44,1}{\kilo\sps}$ ($\num{44100}$ Samples pro Sekunde)
  • Daraus folgt: Frequenzen bis ca. $\qty{22}{\kilo\hertz}$ können korrekt abgebildet werden
  • Dies entspricht dem HiFi-Frequenzbereich guter Stereoanlagen
  • Merke: Die Abtastfrequenz sollte stets knapp über dem Doppelten der maximal zu verarbeitenden Frequenz liegen
AF616: Welche Aussage trifft auf das Abtasttheorem zu? Das Theorem ...

A: bestimmt die maximale Bandbreite, die durch eine Übertragung mit einer bestimmten Datenübertragungsrate theoretisch belegt werden kann.

B: bestimmt die für eine fehlerfreie Rekonstruktion eines Signals theoretisch notwendige minimale Abtastrate.

C: besagt, dass theoretisch eine unendliche Abtastrate erforderlich ist, um ein bandbegrenztes Signal fehlerfrei zu rekonstruieren.

D: besagt, dass unabhängig von der Art der vorherrschenden Störungen eines Übertragungskanals theoretisch eine unbegrenzte Datenübertragungsrate erzielt werden kann.

AF618: Ein analoges Signal mit einer Bandbreite von $f_{\textrm{max}}$ soll digital verarbeitet werden. Welche der folgenden Abtastraten ist die kleinste, die Alias-Effekte vermeidet?

A: knapp über $f_{\textrm{max}}$

B: knapp unter $\dfrac{f_{\mathrm{max}}}{2}$

C: knapp unter $f_{\textrm{max}}$

D: knapp über $2 \cdot f_{\textrm{max}}$

AF619: Ein analoges Sprachsignal mit 4 kHz Bandbreite soll digital verarbeitet werden. Welche der folgenden Abtastraten ist die kleinste, die Alias-Effekte vermeidet?

A: 4000 Samples/s

B: 4800 Samples/s

C: 2400 Samples/s

D: 9600 Samples/s

A/D- und D/A-Umsetzung

A/D- und D/A-Umsetzung

  • A/D-Umsetzer wandeln analoge Signale in digitale Werte um
  • D/A-Umsetzer wandeln digitale Werte wieder in analoge Signale um
  • Beide besitzen nur eine endliche Anzahl möglicher Werte
  • Eine wichtige Eigenschaft ist daher ihre Auflösung

Quantisierung im A/D-Umsetzer

  • Der A/D-Umsetzer kann nur eine begrenzte Anzahl digitaler Werte erzeugen
  • Analoge Eingangswerte werden daher festen Stufen zugeordnet
  • Zwischenwerte können nicht exakt dargestellt werden
  • Dadurch entsteht ein Quantisierungsfehler
AF607: Warum kommt es in einem A/D-Umsetzer zu Quantisierungsfehlern?

A: Die Bandbreite des Eingangssignals ist begrenzt.

B: Es können nur ganzzahlige Frequenzen verwendet werden.

C: Es können nur Werte zwischen 0 und 1 genutzt werden.

D: Es steht nur eine begrenzte Anzahl diskreter Werte zur Verfügung.

Auflösung eines A/D-Umsetzers

  • Die Auflösung gibt die Anzahl der unterscheidbaren digitalen Werte an
  • Sie wird üblicherweise in Bit angegeben
  • $\qty{8}{\bit}$ → $\num{256}$ mögliche Werte
  • $\qty{16}{\bit}$ → $\num{65536}$ mögliche Werte
  • Mehr Bit ermöglichen eine feinere Darstellung der Signalamplitude

Einfluss der Auflösung

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Kurz: Diagramm eines stufigen, periodischen Spannungsverlaufs über der Zeit mit den Achsenbeschriftungen „U_A“ (vertikal) und „t“ (horizontal) sowie Skalenmarken in Volt.

Details: Links eine senkrechte Achse mit Pfeil nach oben und der Beschriftung „U_A“. An dieser Achse sind Markierungen mit den Texten „2 V“, „1 V“, „-1 V“ und „-2 V“ eingetragen; zu mehreren Höhen verlaufen feine horizontale Hilfslinien. Eine waagerechte Achse mit Pfeil nach rechts ist mit „t“ beschriftet und verläuft mittig durch das Bild. Darauf liegt eine durchgehende schwarze Kurve in Treppenform: Sie steigt und fällt in kleinen horizontalen Stufen mit senkrechten Übergängen, wiederholt sich periodisch, schneidet die horizontale Achse mehrfach, erreicht ihre oberen Plateaus in der Nähe der „2 V“-Marke und ihre unteren Plateaus in der Nähe der „-2 V“-Marke, und ist symmetrisch zur mittleren Achse angeordnet.
Abbildung NEAS-17.4.1: Sinussignal digitalisiert durch einen 4-Bit-A/D-Umsetzer und anschließende D/A-Umsetzung
  • $\qty{4}{\bit}$ → $\num{16}$ mögliche Werte
  • $\qty{12}{\bit}$ → $\num{4096}$ mögliche Werte
  • Höhere Auflösung → kleinere Quantisierungsstufen
AF608: Wie viele Bereiche von Eingangswerten, z. B. Spannungen, kann ein A/D-Umsetzer mit 8 Bit Auflösung maximal trennen?

A: 256

B: 8

C: 1024

D: 64

Jitter

  • Die Samples sollten zu exakt festgelegten Zeitpunkten aufgenommen werden
  • In der Praxis können die tatsächlichen Abtastzeitpunkte geringfügig schwanken
  • Diese zeitlichen Abweichungen bezeichnet man als Jitter
  • Jitter kann zusätzliches Rauschen im digitalisierten Signal verursachen
AF621: Bei einer Abtastung mit einem A/D-Umsetzer mit 24 Bit Auflösung wird ein Oszillator mit starkem Taktzittern (Jitter) eingesetzt. Welche Auswirkung wird das Zittern haben?

A: Aufgrund der großen Auflösung bleibt die Schwankung ohne Auswirkung.

B: Es entsteht zusätzliches Rauschen im Abtastergebnis.

C: Das Abtastergebnis wird verbessert (Dithering).

D: Das Abschirmblech des A/D-Umsetzers wird durch Vibration störende Geräusche erzeugen.

D/A-Umsetzer

  • Der D/A-Umsetzer ist der Gegenspieler des A/D-Umsetzers
  • Er erzeugt aus digitalen Samples analoge Spannungswerte
  • Auch ein D/A-Umsetzer besitzt nur eine endliche Anzahl möglicher Ausgangswerte
  • Seine Auflösung wird ebenfalls in Bit angegeben
AF609: Wie viele verschiedene Ausgangswerte, z. B. Spannungen, kann ein idealer D/A-Umsetzer mit 10 Bit Auflösung erzeugen?

A: 1024

B: 100

C: 256

D: 10

Spannungsbereich und Auflösung

  • Ein D/A-Umsetzer besitzt einen festgelegten Spannungsbereich
  • Beispiel: $\qty{0}{\volt}$ bis $\qty{1}{\volt}$
  • Bei $\qty{4}{\bit}$ stehen $\num{2^4}=\num{16}$ mögliche Stufen zur Verfügung
  • Bei einem linearen D/A-Umsetzer sind diese gleichmäßig über den Spannungsbereich verteilt

Schrittweite

Bei $\num{16}$ Stufen gibt es $\num{15}$ Abstände zwischen den Stufen.

Für einen Spannungsbereich von $\qty{0}{\volt}$ bis $\qty{1}{\volt}$ ergibt sich:

$$\frac{\qty{1}{\volt}}{16-1}\approx\qty{67}{\milli\volt}$$

Die Schrittweite beträgt somit etwa $\qty{67}{\milli\volt}$.

AF611: Wie groß ist die Schrittweite zwischen den Spannungsstufen eines linear arbeitenden D/A-Umsetzers mit 10 Bit Auflösung und einem Wertebereich von 0 bis 1 V?

A: ca. 1 V

B: ca. 0,1 V

C: ca. 10 mV

D: ca. 1 mV

AF610: Wie groß ist die Schrittweite zwischen den Spannungsstufen eines linear arbeitenden D/A-Umsetzers mit 8 Bit Auflösung und einem Wertebereich von 0 bis 1 V?

A: ca. 4 mV

B: ca. 8 mV

C: ca. 2 mV

D: ca. 1 mV

A/D- und D/A-Umsetzer im SDR

  • A/D-Umsetzer digitalisieren analoge Eingangssignale
  • Anschließend können die Samples digital verarbeitet werden
  • D/A-Umsetzer erzeugen daraus bei Bedarf wieder analoge Signale
  • Dieses Prinzip wird an vielen Stellen in SDR-Empfängern und Transceivern eingesetzt

Nutzung des Wertebereichs

  • Ein kleines Eingangssignal nutzt nur einen Teil der verfügbaren Stufen
  • Ein zu großes Eingangssignal überschreitet den darstellbaren Wertebereich
  • Werte oberhalb des Maximums können nicht mehr korrekt dargestellt werden
  • Das Signal wird an dieser Stelle abgeschnitten

Diesen Effekt bezeichnet man als Clipping.

Einfluss der Auflösung

  • Hohe Auflösung → viele mögliche Amplitudenwerte
  • Niedrige Auflösung → wenige mögliche Amplitudenwerte
  • Mehr Stufen ermöglichen eine genauere Digitalisierung und Rekonstruktion
  • Der verfügbare Wertebereich sollte möglichst gut genutzt werden
AF613: Eine Sinusschwingung mit einem Spitzenwert von 1,5 V wird in einen A/D-Umsetzer eingegeben, dessen Ausgang direkt mit einem D/A-Umsetzer verbunden ist. Beide Umsetzer arbeiten linear mit einer Auflösung von 12 Bit und einem Wertebereich von -2 V bis 2 V. Welches Signal ist am Ausgang des D/A-Umsetzers zu erwarten?
A:
B:
C:
D:
AF612: Eine Sinusschwingung mit einem Spitzenwert von 1,5 V wird in einen A/D-Umsetzer eingegeben, dessen Ausgang direkt mit einem D/A-Umsetzer verbunden ist. Beide Umsetzer arbeiten linear mit einer Auflösung von 4 Bit und einem Wertebereich von -2 V bis 2 V. Welches Signal ist am Ausgang des D/A-Umsetzers zu erwarten?
A:
B:
C:
D:
AF614: Eine Sinusschwingung mit einem Spitzenwert von 1,5 V wird in einen A/D-Umsetzer eingegeben, dessen Ausgang direkt mit einem D/A-Umsetzer verbunden ist. Beide Umsetzer arbeiten linear mit einer Auflösung von 12 Bit und einem Wertebereich von -1 V bis 1 V. Welches Signal ist am Ausgang des D/A-Umsetzers zu erwarten?
A:
B:
C:
D:

Anti-Alias- und Rekonstruktionsfilter

Filter bei der A/D- und D/A-Umsetzung

TODO
Abbildung NEAS-17.5.1: A/D- und D/A-Umsetzung mit Anti-Aliasing- und Rekonstruktionsfilter
  • Vor dem A/D-Umsetzer: Anti-Aliasing-Filter
  • Nach dem D/A-Umsetzer: Rekonstruktionsfilter
  • Beide Filter unterdrücken unerwünschte Frequenzanteile

Aliasing am A/D-Umsetzer

  • Für die Abtastung gilt: $f_\mathrm{S}>2\cdot f_\mathrm{max}$
  • Am Eingang können auch unerwünschte höhere Frequenzen vorhanden sein
  • Ist die Samplingrate dafür zu gering, entstehen scheinbare Frequenzen
  • Diese werden als Aliase bezeichnet

Anti-Aliasing-Filter

TODO
Abbildung NEAS-17.5.2: A/D- und D/A-Umsetzung mit Anti-Aliasing- und Rekonstruktionsfilter
  • Das Filter befindet sich vor dem A/D-Umsetzer
  • Es begrenzt den Frequenzbereich des Eingangssignals
  • Tiefpass- oder Bandpassfilter können eingesetzt werden
  • Kritische Frequenzanteile müssen ausreichend unterdrückt werden

Insbesondere dürfen Frequenzen oberhalb von $\frac{f_\mathrm{S}}{2}$ nicht ungehindert zum A/D-Umsetzer gelangen.

AF622: Welcher Filtertyp ist geeignet, um Alias-Effekte zu vermeiden, und wo ist das Filter zu platzieren?

A: Hochpassfilter vor dem A/D-Umsetzer

B: Tiefpassfilter vor dem A/D-Umsetzer

C: Tiefpassfilter nach dem D/A-Umsetzer

D: Hochpassfilter nach dem D/A-Umsetzer

AF623: Sie wollen ein Sprachsignal mit einer Abtastrate von $f_{\textrm{A}}$ = 8000 Samples je Sekunde digitalisieren. Vor dem A/D-Umsetzer soll ein Anti-Alias-Filter eingesetzt werden. Welcher Amplitudengang ist für das Filter am besten geeignet?
A:
B:
C:
D:

Abtastratengenerator

TODO
Abbildung NEAS-17.5.3: Anti-Aliasing-Filter, A/D-Umsetzer und Taktgenerator
AF620: Welche Funktionen haben die einzelnen Blöcke im dargestellten Blockschaltbild eines digitalen Direktempfängers?

A: 1: Abtastratengenerator, 2: Antialiasing-Filter, 3: Analog-Digital-Umsetzer

B: 1: Antialiasing-Filter, 2: Abtastratengenerator, 3: Analog-Digital-Umsetzer

C: 1: Analog-Digital-Umsetzer, 2: Abtastratengenerator, 3: Antialiasing-Filter

D: 1: Analog-Digital-Umsetzer, 2: Antialiasing-Filter, 3: Abtastratengenerator

Zurück zum analogen Signal

  • Der D/A-Umsetzer erzeugt aus digitalen Samples wieder analoge Spannungswerte
  • Die Werte werden in festen zeitlichen Abständen ausgegeben
  • Am Ausgang entsteht zunächst kein ideal glatter Signalverlauf
  • Scharfe Übergänge enthalten hohe Frequenzanteile

Rekonstruktionsfilter

Dieser Alt-Text wurde noch nicht überprüft.

Kurz: Diagramm eines stufigen, periodischen Spannungsverlaufs über der Zeit mit den Achsenbeschriftungen „U_A“ (vertikal) und „t“ (horizontal) sowie Skalenmarken in Volt.

Details: Links eine senkrechte Achse mit Pfeil nach oben und der Beschriftung „U_A“. An dieser Achse sind Markierungen mit den Texten „2 V“, „1 V“, „-1 V“ und „-2 V“ eingetragen; zu mehreren Höhen verlaufen feine horizontale Hilfslinien. Eine waagerechte Achse mit Pfeil nach rechts ist mit „t“ beschriftet und verläuft mittig durch das Bild. Darauf liegt eine durchgehende schwarze Kurve in Treppenform: Sie steigt und fällt in kleinen horizontalen Stufen mit senkrechten Übergängen, wiederholt sich periodisch, schneidet die horizontale Achse mehrfach, erreicht ihre oberen Plateaus in der Nähe der „2 V“-Marke und ihre unteren Plateaus in der Nähe der „-2 V“-Marke, und ist symmetrisch zur mittleren Achse angeordnet.
Abbildung NEAS-17.5.4: Signal vor dem Rekonstruktionsfilter
  • Das Rekonstruktionsfilter befindet sich hinter dem D/A-Umsetzer
  • Es lässt den gewünschten Nutzfrequenzbereich passieren
  • Unerwünschte höherfrequente Signalanteile werden unterdrückt
  • Tiefpass- oder Bandpassfilter können eingesetzt werden

Dadurch entsteht wieder ein möglichst sauberes analoges Ausgangssignal.

AF624: Welcher Filtertyp ist als Rekonstruktionsfilter geeignet und wo ist das Filter zu platzieren?

A: Hochpassfilter vor dem A/D-Umsetzer

B: Hochpassfilter nach dem D/A-Umsetzer

C: Tiefpassfilter nach dem D/A-Umsetzer

D: Tiefpassfilter vor dem A/D-Umsetzer

AF625: Sie wollen ein Sprachsignal mit einer Abtastrate von $f_{\textrm{A}}$ = 8000 Samples je Sekunde rekonstruieren. Nach dem D/A-Umsetzer soll ein Rekonstruktionsfilter eingesetzt werden. Welcher Amplitudengang ist für das Filter am besten geeignet?
A:
B:
C:
D:

Fourier-Transformation

Fourier-Transformation und Signalzerlegung

  • Signale können sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich dargestellt werden
  • Im Zeitbereich: X-Achse $\rightarrow$ Zeit, Y-Achse $\rightarrow$ Spannung oder Leistung
  • Im Frequenzbereich: X-Achse $\rightarrow$ Frequenz, Y-Achse $\rightarrow$ Amplitude oder Leistung

Zerlegung von Signalen

  • Jedes Signal lässt sich als Überlagerung von Sinusschwingungen darstellen
  • Jede Sinusschwingung hat eine bestimmte Amplitude und Phase
  • Dieses Prinzip ermöglicht es, komplexe Signale in ihre Bestandteile zu zerlegen

Fourier-Transformation

  • Mathematisch komplexes Verfahren, das ein zeitliches Signal analysiert
  • Zeigt an, welche Sinus-Schwingungen (Frequenzen) im Signal enthalten sind
  • Das Ergebnis wird als Frequenzspektrum dargestellt (X-Achse: Frequenz, Y-Achse: Amplitude/Leistung)

Fast Fourier Transformation (FFT)

  • Effiziente Berechnung der diskreten Fourier-Transformation (DFT)
  • Reduziert den Rechenaufwand erheblich
  • Weit verbreitet in Soft- und Hardware zur Signalverarbeitung

Spektren typischer Signalformen

  • Sinus: nur eine Frequenz: $f$
  • Rechteck: nur ungeradzahlige Vielfache: $f$, $3f$, $5f$, $7f$, ...
  • Sägezahn: alle ganzzahligen Vielfachen: $f$, $2f$, $3f$, $4f$, ...
  • Dreieck: nur ungeradzahlige Vielfache: $f$, $3f$, $5f$, $7f$, ... (hohe Oberwellen fallen schneller ab als beim Rechteck)

In der Prüfung muss man nur Sinus und Rechteck unterscheiden können.

AF630: Wozu dient die diskrete Fouriertransformation mittels FFT? Es ist eine schnelle mathematische Methode zur Umwandlung ...

A: eines Widerstandswertes in einen diskreten Leitwert.

B: eines zeitdiskreten Signals in ein Frequenzspektrum.

C: eines diskreten Widerstandswertes in eine Impedanz.

D: eines zeitdiskreten Signals in ein analoges Signal.

AB404: Welches Frequenzspektrum passt zu folgendem sinusförmigen Signal?
A:
B:
C:
D:
AB405: Welches Frequenzspektrum passt zu folgendem periodischen Signal?
A:
B:
C:
D:
AB406: Welches Signal passt zu folgendem Frequenzspektrum?
A:
B:
C:
D:
AB407: Welches Signal passt zu folgendem Frequenzspektrum?
A:
B:
C:
D:

Digitale Filter

Digitale Signalverarbeitung: Filter

  • Digitale Informationen können nahezu beliebig bearbeitet werden
  • Eingangssamples werden mittels mathematischer Funktionen in Ausgangssamples umgerechnet
  • Filteroperationen können digital implementiert werden (z. B. Tief-, Band- oder Hochpass)

FIR-Filter (Finite Impulse Response)

  • „Finite“ = Es werden nur eine begrenzte Anzahl von Eingangssamples für jedes Ausgangssample genutzt
  • Keine Rückkopplung; Berechnung basiert ausschließlich auf aktuellen und vergangenen Samples

IIR-Filter (Infinite Impulse Response)

  • „Infinite“ = Berechnung eines Ausgangssamples bezieht sich auf alle bisherigen Eingangssamples
  • Einsatz von Rückkopplung führt zu einem theoretisch unendlichen Impulsverhalten
AF631: Welche der folgenden Aussagen zu digitalen Filtern ist richtig? Digitale Filter können ...

A: nicht in Software realisiert werden.

B: nicht in Hardware realisiert werden.

C: als FIR- oder IIR-Filter realisiert werden.

D: ohne Latenz realisiert werden.

Digitale I/Q-Signalverarbeitung

Abbildung des Frequenzbereichs beim I/Q-Verfahren

  • Der I/Q-Datenstrom bildet den Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz ab
  • Beispiel:
    • $\qty{435}{\mega\hertz}$-Träger
    • Abtastrate von $\num{10}$ Mio. Samples/s $\rightarrow$ Bandbreite = $\qty{10}{\mega\hertz}$ ($\pm\qty{5}{\mega\hertz}$ um die Mittenfrequenz)
    • Abgedeckter Bereich: ca. $\qty{430}{\mega\hertz}$ bis $\qty{440}{\mega\hertz}$
AF634: Welchen Frequenzbereich (z. B. in Bezug auf eine Mitten- oder Trägerfrequenz) kann ein digitaler Datenstrom entsprechend dem Abtasttheorem maximal eindeutig abbilden, der aus einem I- und einem Q-Anteil mit einer Abtastrate von jeweils 48000 Samples pro Sekunde besteht? Den Bereich zwischen ...

A: 0 Hz und 96 kHz.

B: -24 kHz und +24 kHz.

C: 0 Hz und 6 kHz.

D: -48 kHz und +48 kHz.

Abhängigkeit der Bandbreite von der Abtastrate

  • Die abgedeckte Bandbreite in $\unit{\hertz}$ entspricht der Abtastrate in Samples pro Sekunde
AF635: Welchen Frequenzbereich (z. B. in Bezug auf eine Mitten- oder Trägerfrequenz) kann ein digitaler Datenstrom entsprechend dem Abtasttheorem maximal eindeutig abbilden, der aus einem I- und einem Q-Anteil mit einer Abtastrate von jeweils 96000 Samples pro Sekunde besteht? Den Bereich zwischen ...

A: -24 kHz und +24 kHz.

B: -48 kHz und +48 kHz.

C: 0 Hz und 9,6 kHz.

D: 0 Hz und 192 kHz.

AF636: Welchen Frequenzbereich (z. B. in Bezug auf eine Mitten- oder Trägerfrequenz) kann ein digitaler Datenstrom entsprechend dem Abtasttheorem maximal eindeutig abbilden, der aus einem I- und einem Q-Anteil mit einer Abtastrate von jeweils 10 Millionen Samples pro Sekunde besteht? Den Bereich zwischen ...

A: 0 Hz und 1024 kHz.

B: 0 Hz und 512 kHz.

C: -5 MHz und +5 MHz.

D: -10 MHz und +10 MHz.

Latenz

Verzögerungen in der Signalübertragung

  • Bei der Signalübertragung und -verarbeitung entstehen Verzögerungen
  • Lichtgeschwindigkeit: Zeit, die elektromagnetische Wellen vom Sender zum Empfänger benötigen
  • Weitere Verzögerungen durch Zwischenspeicherung (Buffer) und Filter

Latenz in der Signalverarbeitung

  • Laufzeit zwischen Sender und Empfänger oder zwischen Verarbeitungsstufen
  • Latenz wird in Sekunden gemessen
  • Typische Werte: wenige Millisekunden bis einige Sekunden
  • Analoge Verfahren haben oft geringere Latenzen als digitale, da weniger Zwischenspeicherung erfolgt
AF637: Was wird in der digitalen Signalverarbeitung unter Latenz verstanden und in welcher Einheit kann sie angegeben werden?

A: Laufzeit bzw. Verzögerung eines Signals in Sekunden

B: Schwankung der Amplitude eines Signals in Volt pro Sekunde

C: Geschwindigkeit eines Signals in Metern pro Sekunde

D: Schwankung der Frequenz eines Signals in Hertz pro Sekunde

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