Aufgabe 1.2: Verzerrungen? Oder keine Verzerrung?

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Betrachtete Sinkensignale für das
gegebene Eingangssignal  $q(t)$

Die Nachrichtensysteme  $S_1$,  $S_2$  und  $S_3$  werden hinsichtlich der durch sie verursachten Verzerrungen analysiert.  Zu diesem Zwecke wird an den Eingang eines jeden Systems das cosinusförmige Testsignal mit der Signalfrequenz $f_{\rm N} = 1\text{ kHz}$  angelegt:

$$q(t) = 2 \;{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} t )$$

Gemessen werden die drei Signale am Systemausgang, die in der Grafik dargestellt sind:

$$v_1(t) = 2 \;{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} t )\hspace{0.05cm},$$
$$v_2(t) = 1 \;{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} t + 1 \;{\rm V} \cdot \sin(2 \pi f_{\rm N} t) \hspace{0.05cm},$$
$$v_3(t)= 1.5 \;{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} t) - 0.3 \;{\rm V} \cdot \cos(6 \pi f_{\rm N} t)\hspace{0.05cm}.$$

Die in der Praxis stets vorhandenen Rauschanteile werden hier als vernachlässigbar klein angenommen werden.
Hinweise:

  • Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Qualitätskriterien.  Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite  Signal-zu-Stör-Leistungsverhältnis  und auf das Kapitel  Nichtlineare Verzerrungen  im Buch "Lineare zeitinvariante Systeme".
  • Bei nichtlinearen Verzerrungen ist das Sinken–SNR  $ρ_v = 1/K^2,$ wobei der Klirrfaktor  $K$  das Verhältnis der Effektivwerte aller Oberwellen zum Effektivwert der Grundfrequenz angibt.


Fragebogen

1

Welche Aussagen sind nach dieser Messung über das System  $S_1$  möglich?

$S_1$  könnte ein ideales System sein.
$S_1$  könnte ein verzerrungsfreies System sein.
$S_1$  könnte ein linear verzerrendes System sein.
$S_1$  könnte ein nichtlinear verzerrendes System sein.

2

Schreiben Sie das zweite Signal in der Form  $v_2(t) = α · q(t - τ)$  und bestimmen Sie dessen Kenngrößen.

$\alpha \ = \ $

$τ \ = \ $

$\ \rm µ s$

3

Welche Aussagen sind nach dieser Messung über das System  $S_2$  möglich?

$S_2$  könnte ein ideales System sein.
$S_2$  könnte ein verzerrungsfreies System sein.
$S_2$  könnte ein linear verzerrendes System sein.
$S_2$  könnte ein nichtlinear verzerrendes System sein.

4

Von welcher Art sind die Verzerrungen beim System  $S_3$?

Es handelt sich um lineare Verzerrungen.
Es handelt sich um nichtlineare Verzerrungen.

5

Berechnen Sie das Sinken–SNR  $ρ_{v3}$  von System  $S_3$.

$ρ_{v3} \ = \ $


Musterlösung

(1)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1, 2 und 3:

  • Das System  $S_1$  könnte durchaus ein ideales System sein, nämlich dann, wenn für alle Frequenzen $f_{\rm N}$  die Bedingung  $v(t) = q(t)$  erfüllt wäre.
  • Auch die zweite Alternative ist möglich, da das ideale System ein Sonderfall der verzerrungsfreien Systeme darstellt.
  • Würde bei einer anderen Nachrichtenfrequenz $f_{\rm N} \ne 1$  kHz die Bedingung  $v(t) = q(t)$  allerdings nicht erfüllt, so würde ein linear verzerrendes System vorliegen, dessen Frequenzgang bei der Frequenz $f_{\rm N}$  zufällig gleich  $1$  wäre.
  • Dagegen kann ein nichtlinear verzerrendes System (Vorschlag 4) aufgrund fehlender Oberwellen ausgeschlossen werden.


(2)  Entsprechend den Ausführungen im Kapitel „Harmonische Schwingung” im Buch „Signaldarstellung” gelten folgende Gleichungen:

$$A \cdot \cos(\omega_{\rm N} t ) + B \cdot \sin(\omega_{\rm N} t ) = C \cdot \cos(\omega_{\rm N} t - \varphi)\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} C = \sqrt{A^2 + B^2},\hspace{0.5cm}\varphi ={\rm arctan}\hspace{0.1cm} ({A}/{B})\hspace{0.05cm}$$
  • Angewandt auf das vorliegende Beispiel erhält man
$$C = \sqrt{(1 \,{\rm V})^2 + (1 \,{\rm V})^2}= 1.414\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$
  • Der Dämpfungsfaktor des Systems hat somit den Wert  $α = 1.414/2 \hspace{0.15cm}\underline{= 0.707}$, und für die Phase gilt:
$$ \varphi ={\rm arctan}\hspace{0.1cm}\frac {1 \,{\rm V}}{1 \,{\rm V}} = 45^{\circ} = {\pi}/{4}\hspace{0.05cm}.$$
  • Die Umformung  $\cos(\omega_{\rm N} t - \varphi)= \cos[\omega_{\rm N} (t - \tau)]$  erlaubt Aussagen über die Laufzeit:
$$\tau =\frac {\varphi}{2\pi f_{\rm N}} = \frac {\pi /4}{2\pi f_{\rm N}} = \frac {1}{8 \cdot 1 \,{\rm kHz}} \hspace{0.15cm}\underline {= 125\,{\rm µ s}}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 2 und 3:

  • Das System  $S_2$  ist nach den Ausführungen zur Teilaufgabe  (1)  weder ideal noch nichtlinear verzerrend.
  • Dagegen sind die Alternativen 2 und 3 möglich, je nachdem, ob die berechneten Werte von  $α$  und  $τ$   für alle Frequenzen erhalten bleiben oder nicht.
  • Mit einer einzigen Messung bei nur einer Frequenz kann allerdings diese Frage nicht geklärt werden.


(4)  Das Signal  $v_3(t)$  beinhaltet eine Oberwelle dritter Ordnung.  Deshalb ist die Verzerrung nichtlinear   ⇒  Lösungsvorschlag 2.


(5)  Mit den Amplituden  $A_1 = 1.5 \ \rm V$  und  $A_3 = -0.3\ \rm V$  erhält man für den Klirrfaktor:

$$ K_3 =\frac {|A_3|}{|A_1|} = 0.2\hspace{0.05cm}.$$
  • Deshalb beträgt das Sinken–SNR entsprechend der angegebenen Gleichung  $ρ_{v3} = 1/K_3^{ 2 } = 25$.


Zum gleichen Ergebnis kommt man nach der allgemeinen Berechnung.

  • Aus den Amplituden von Quellensignal und Grundwelle des Sinkensignals erhält man für den frequenzunabhängigen Dämpfungsfaktor:
$$ \alpha =\frac {1.5 \,{\rm V}}{2 \,{\rm V}} = 0.75\hspace{0.05cm}.$$
  • Das von den nichtlinearen Verzerrungen herrührende Fehlersignal lautet deshalb:  
$$\varepsilon_3(t) = v_3(t) - \alpha \cdot q(t) = - 0.3 \,{\rm V} \cdot \cos(6 \pi f_{\rm N} t)\hspace{0.05cm}.$$
  • Damit ergibt sich die Verzerrungsleistung:
$$P_{\varepsilon 3}= {1}/{2} \cdot (0.3 \,{\rm V})^2 = 0.045 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm}.$$
  • Mit der Leistung des Quellensignals,
$$P_{q}= {1}/{2} \cdot (2\,{\rm V})^2 = 2 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm},$$
erhält man unter Berücksichtigung des gerade berechneten Dämpfungsfaktors  $ \alpha = 0.75 $:
$$\rho_{v3} = \frac{\alpha^2 \cdot P_{q}}{P_{\varepsilon 3}} = \frac{0.75^2 \cdot 2 {\rm V}^2}{0.045 } \hspace{0.15cm}\underline {= 25}\hspace{0.05cm}.$$