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diff --git a/buch/papers/fm/03_bessel.tex b/buch/papers/fm/03_bessel.tex index fdaa0d1..5f85dc6 100644 --- a/buch/papers/fm/03_bessel.tex +++ b/buch/papers/fm/03_bessel.tex @@ -3,26 +3,208 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{FM und Besselfunktion -\label{fm:section:teil2}} -\rhead{Teil 2} +\section{FM und Bessel-Funktion +\label{fm:section:proof}} +\rhead{Herleitung} +Die momentane Trägerkreisfrequenz \(\omega_i\), wie schon in (ref) beschrieben ist, bringt die Ableitung \(\frac{d \varphi(t)}{dt}\) mit sich. +Diese wiederum kann durch \(\beta\sin(\omega_mt)\) ausgedrückt werden, wobei es das modulierende Signal \(m(t)\) ist. +Somit haben wir unser \(x_c\) welches +\[ +\cos(\omega_c t+\beta\sin(\omega_mt)) +\] +ist. +\subsection{Herleitung} +Das Ziel ist, unser moduliertes Signal mit der Bessel-Funktion so auszudrücken: +\begin{align} + x_c(t) + = + \cos(\omega_ct+\beta\sin(\omega_mt)) + &= + \sum_{k= -\infty}^\infty J_{k}(\beta) \cos((\omega_c+k\omega_m)t) + \label{fm:eq:proof} +\end{align} + +\subsubsection{Hilfsmittel} +Doch dazu brauchen wir die Hilfe der Additionsthoerme +\begin{align} + \cos(A + B) + &= + \cos(A)\cos(B)-\sin(A)\sin(B) + \label{fm:eq:addth1} + \\ + 2\cos (A)\cos (B) + &= + \cos(A-B)+\cos(A+B) + \label{fm:eq:addth2} + \\ + 2\sin(A)\sin(B) + &= + \cos(A-B)-\cos(A+B) + \label{fm:eq:addth3} +\end{align} +und die drei Bessel-Funktionsindentitäten, +\begin{align} + \cos(\beta\sin\phi) + &= + J_0(\beta) + 2\sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \cos(2k\phi) + \label{fm:eq:besselid1} + \\ + \sin(\beta\sin\phi) + &= + 2\sum_{k=0}^\infty J_{2k+1}(\beta) \cos((2k+1)\phi) + \label{fm:eq:besselid2} + \\ + J_{-n}(\beta) &= (-1)^n J_n(\beta) + \label{fm:eq:besselid3} +\end{align} +welche man im Kapitel \eqref{buch:fourier:eqn:expinphireal}, \eqref{buch:fourier:eqn:expinphiimaginary}, \eqref{buch:fourier:eqn:symetrie} findet. + +\subsubsection{Anwenden des Additionstheorem} +Mit dem \eqref{fm:eq:addth1} wird aus dem modulierten Signal +\[ + x_c(t) + = + \cos(\omega_c t + \beta\sin(\omega_mt)) + = + \cos(\omega_c t)\cos(\beta\sin(\omega_m t))-\sin(\omega_ct)\sin(\beta\sin(\omega_m t)). + \label{fm:eq:start} +\] +%----------------------------------------------------------------------------------------------------------- +\subsubsection{Cos-Teil} +Zu beginn wird der Cos-Teil +\begin{align*} + c(t) + &= + \cos(\omega_c t)\cdot\cos(\beta\sin(\omega_mt)) +\end{align*} +mit hilfe der Besselindentität \eqref{fm:eq:besselid1} zum +\begin{align*} + c(t) + &= + \cos(\omega_c t) \cdot \bigg[ J_0(\beta) + 2\sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \cos( 2k \omega_m t)\, \bigg] + \\ + &= + J_0(\beta) \cdot \cos(\omega_c t) + \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \underbrace{2\cos(\omega_c t)\cos(2k\omega_m t)}_{\text{Additionstheorem \eqref{fm:eq:addth2}}} +\end{align*} +%intertext{} Funktioniert nicht. +wobei mit dem Additionstheorem \eqref{fm:eq:addth2} \(A = \omega_c t\) und \(B = 2k\omega_m t \) ersetzt wurden. +\begin{align*} + c(t) + &= + J_0(\beta) \cdot \cos(\omega_c t) + \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \{ \underbrace{\cos((\omega_c - 2k \omega_m) t)} \,+\, \cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) \} + \\ + &= + \sum_{k=-\infty}^{-1} J_{2k}(\beta) \overbrace{\cos((\omega_c +2k \omega_m) t)} + \,+\,J_0(\beta)\cdot \cos(\omega_c t+ 2\cdot0 \omega_m) + \,+\, \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta)\cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) +\end{align*} +wird. +Das Minus im Ersten Term wird zur negativen Summe \(\sum_{-\infty}^{-1}\) ersetzt. +Da \(2k\) immer gerade ist, wird es durch alle negativen und positiven Ganzzahlen \(n\) ersetzt: +\begin{align*} + \sum_{n\, \text{gerade}} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n \omega_m) t), + \label{fm:eq:gerade} +\end{align*} +%---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- +\subsubsection{Sin-Teil} +Nun zum zweiten Teil des Term \eqref{fm:eq:start}, den Sin-Teil +\begin{align*} + s(t) + &= + -\sin(\omega_c t)\cdot\sin(\beta\sin(\omega_m t)). +\end{align*} +Dieser wird mit der \eqref{fm:eq:besselid2} Besselindentität zu +\begin{align*} + s(t) + &= + -\sin(\omega_c t) \cdot \bigg[ 2 \sum_{k=0}^\infty J_{ 2k + 1}(\beta) \cos(( 2k + 1) \omega_m t) \bigg] + \\ + &= + \sum_{k=0}^\infty -1 \cdot J_{2k+1}(\beta) 2\sin(\omega_c t)\cos((2k+1)\omega_m t). +\end{align*} +Da \(2k + 1\) alle ungeraden positiven Ganzzahlen entspricht wird es durch \(n\) ersetzt. +Wird die Besselindentität \eqref{fm:eq:besselid3} gebraucht, so ersetzten wird \(J_{-n}(\beta) = -1\cdot J_n(\beta)\) ersetzt: +\begin{align*} + s(t) + &= + \sum_{n=0}^\infty J_{-n}(\beta) \underbrace{2\sin(\omega_c t)\cos(n \omega_m t)}_{\text{Additionstheorem \eqref{fm:eq:addth3}}}. +\end{align*} +Auch hier wird ein Additionstheorem \eqref{fm:eq:addth3} gebraucht, dabei ist \(A = \omega_c t\) und \(B = n \omega_m t \), +somit wird daraus: +\begin{align*} + s(t) + &= + \sum_{n=0}^\infty J_{-n}(\beta) \{ \underbrace{\cos((\omega_c - n\omega_m) t)} \,-\, \cos((\omega_c + n\omega_m) t) \} + \\ + &= + \sum_{n=- \infty}^{0} J_{n}(\beta) \overbrace{\cos((\omega_c + n \omega_m) t)} + \,-\, \sum_{n=0}^\infty J_{-n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\end{align*} +Auch hier wurde wieder eine zweite Summe \(\sum_{-\infty}^{-1}\) gebraucht um das Minus zu einem Plus zu wandeln. +Wenn \(n = 0 \) ist der Minuend gleich dem Subtrahend und somit dieser Teil \(=0\), das bedeutet \(n\) ended bei \(-1\) und started bei \(1\). +\begin{align*} + s(t) + &= + \sum_{n=- \infty}^{-1} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n \omega_m) t) + \underbrace{\,-\, \sum_{n=1}^\infty J_{-n}(\beta)} \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\end{align*} +Um aus diesem Subtrahend eine Addition zu kreiernen, wird die Besselindentität \eqref{fm:eq:besselid3} gebraucht, +jedoch so \(-1 \cdot J_{-n}(\beta) = J_n(\beta)\) und daraus wird dann: +\begin{align*} + s(t) + &= + \sum_{n=- \infty}^{-1} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n \omega_m) t) + \,+\, \sum_{n=1}^\infty J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\end{align*} +Da \(n\) immer ungerade ist und \(0\) nicht zu den ungeraden zahlen zählt, kann man dies so vereinfacht +\[ + s(t) + = + \sum_{n\, \text{ungerade}} -1 \cdot J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t). + \label{fm:eq:ungerade} +\] +schreiben. +%------------------------------------------------------------------------------------------ +\subsubsection{Summe Zusammenführen} +Beide Teile \eqref{fm:eq:gerade} Gerade +\[ + \sum_{n\, \text{gerade}} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\] +und \eqref{fm:eq:ungerade} Ungerade +\[ + \sum_{n\, \text{ungerade}} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\] +ergeben zusammen +\[ + \cos(\omega_ct+\beta\sin(\omega_mt)) + = + \sum_{k= -\infty}^\infty J_{k}(\beta) \cos((\omega_c+k\omega_m)t). +\] +Somit ist \eqref{fm:eq:proof} bewiesen. +\newpage +%----------------------------------------------------------------------------------------- +\subsection{Bessel und Frequenzspektrum} +Um sich das ganze noch einwenig Bildlicher vorzustellenhier einmal die Bessel-Funktion \(J_{k}(\beta)\) in geplottet. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/fm/Python animation/bessel.pgf} + \caption{Bessle Funktion \(J_{k}(\beta)\)} + \label{fig:bessel} +\end{figure} +TODO Grafik einfügen, +\newline +Nun einmal das Modulierte FM signal im Frequenzspektrum mit den einzelen Summen dargestellt + +TODO Hier wird beschrieben wie die Bessel Funktion der FM im Frequenzspektrum hilft, wieso diese gebrauch wird und ihre Vorteile. -%Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem -%accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa -%quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae -%dicta sunt explicabo. 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