Aufgabe 2.4: Klirrfaktor und Verzerrungsleistung

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Zur Bedeutung des Klirrfaktors

Zum Test eines Nachrichtenübertragungssystems wird an seinen Eingang ein Cosinussignal

$$x_1(t) = A_x \cdot \cos(\omega_0 t)$$

mit der Amplitude  $A_x = 1 \ \rm V$  angelegt. Am Systemausgang tritt dann das folgende Signal auf:

$$y_1(t) = {0.992 \,\rm V} \cdot \cos(\omega_0 t) - {0.062 \,\rm V} \cdot \cos(2\omega_0 t)+ \hspace{0.05cm}\text{...}$$

In der oberen Grafik sind die Signale  $x_1(t)$  und  $y_1(t)$  dargestellt. Oberwellen mit Amplituden kleiner als  $10 \ \rm mV$  sind hierbei nicht berücksichtigt.


Das untere Bild zeigt das Eingangssignal  $x_2(t)$  mit der Ampiltude  $A_x = 2 \ \rm V$  sowie das dazugehörige Ausgangssignal, wiederum ohne Oberwellen kleiner als  $10 \ \rm mV$:

$$y_2(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm}{1.938 \,\rm V} \cdot \cos(\omega_0 t)\hspace{-0.05cm} -\hspace{-0.05cm} {0.234 \,\rm V} \cdot \cos(2\omega_0 t) \hspace{-0.05cm}+\hspace{-0.05cm} {0.058 \,\rm V} \cdot \cos(3\omega_0 t)\hspace{-0.05cm} -\hspace{-0.05cm}{0.018 \,\rm V} \cdot \cos(4\omega_0 t) \hspace{-0.05cm}+\hspace{-0.05cm} \hspace{0.05cm}\text{...}$$

Es ist offensichtlich, dass die Indizes "1" bzw. "2" jeweils die normierte Amplitude des Eingangssignals kennzeichnen.

Das System soll anhand des im Abschnitt  Quantitatives Maß für die Signalverzerrungen  definierten Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnisses

$$\rho_{\rm V} = { P_{x}}/{P_{\rm V}} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot \lg \hspace{0.1cm}\rho_{\rm V} = 10 \cdot \lg \hspace{0.1cm}{ P_{x}}/{P_{\rm V}}\hspace{0.3cm} \left( {\rm in \hspace{0.15cm} dB} \right)$$

sowie des Klirrfaktors  $K$  analysiert werden:

  • $P_x$  bezeichnet die Leistung des Eingangssignals.
  • Die Verzerrungsleistung  $P_{\rm V}$  gibt jeweils die Leistung  (den quadratischen Mittelwert)  des Differenzsignals  $\varepsilon(t) = y(t) - x(t)$  an.


Zur Bestimmung der Leistungen  $P_{x}$  und  $P_{\rm V}$  muss jeweils über die quadrierten Signale gemittelt werden. Einfacher ist in dieser Aufgabe jedoch die Leistungsberechnung im Frequenzbereich.





Hinweise:

  • Alle hier abgefragten Leistungen beziehen sich auf den Widerstand  $R = 1 \ \rm \Omega$  und haben somit die Einheit  ${\rm V}^2$.


Fragebogen

1

Berechnen Sie den Klirrfaktor  $K$  für die Eingangsamplitude  $\underline{ A_x = 1\ \rm V}$.

$K \ = \ $

$\%$

2

Welcher Klirrfaktor ergibt sich mit der Eingangsamplitude  $\underline{ A_x = 2\ \rm V}$?

$K \ = \ $

$\%$

3

Welche Aussagen sind für die Signale  $x_2(t)$  und  $y_2(t)$  zutreffend?

Die untere Halbwelle verläuft spitzförmiger als die obere.
Der Maximal– und Minimalwert von  $y_2(t)$  sind unsymmetrisch zu Null.
Bei anderer Frequenz würde sich ein anderer Klirrfaktor ergeben.

4

Wie groß ist die Leistung  $P_x$  des Eingangssignals  $x_2(t)$  in  ${\rm V}^2$, also umgerechnet auf den Bezugswiderstand  $R = 1 \ \rm \Omega$?

$P_x \ = \ $

$\ {\rm V}^2$

5

Wie groß ist die "Leistung"  $P_{\rm V}$  des Differenzsignals  $\varepsilon_2(t)$   ⇒   "Verzerrungsleistung"?

$P_{\rm V} \ = \ $

$\ {\rm V}^2$

6

Wie groß ist das Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis in  ${\rm dB}$?

$10 \cdot {\rm lg} \ \rho_{\rm V} \ = \ $

$\ {\rm dB}$

7

Welche der folgenden Aussagen treffen bei cosinusförmigem Eingangssignal zu?

Der Klirrfaktor kann allein aus den Koeffizienten  $A_1$,  $A_2$,  $A_3$,  ...  der Ausgangsgröße berechnet werden.
Das Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis  $10 \cdot {\rm lg} \ \rho_{\rm V}$  ist allein aus den Koeffizienten  $A_1$,  $A_2$,  $A_3$,  ...  berechenbar.
Für den Sonderfall  $A_1 = A_x$   ⇒   keine Veränderung der Grundwelle]  können  $\rho_{\rm V}$  und  $K$  direkt ineinander umgerechnet werden.


Musterlösung

(1)  Mit der Eingangsamplitude  $A_x = 1 \ \rm V$  entsprechend der oberen Skizze liefert nur der Klirrfaktor zweiter Ordnung einen relevanten Beitrag. Deshalb gilt:

$$K \approx K_2 = \frac{0.062 \,\,{\rm V}}{0.992 \,\,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline{\approx 6.25 \%}.$$


(2)  Für die Eingangsamplitude  $A_x = 2 \ \rm V$  (untere Skizze) lauten die verschiedenen Klirrfaktoren:

$$K_2 = \frac{0.234 \,\,{\rm V}}{1.938 \,\,{\rm V}} \approx 0.121, \hspace{0.5cm} K_3 = \frac{0.058 \,\,{\rm V}}{1.938 \,\,{\rm V}} \approx 0.030, \hspace{0.5cm}K_4 = \frac{0.018 \,\,{\rm V}}{1.938 \,\,{\rm V}} \approx 0.009.$$
  • Somit lautet der Gesamtklirrfaktor:
$$K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 + K_4^2 +\text{ ...} }\hspace{0.15cm}\underline{ \approx 12.5 \%}.$$


(3)  Richtig sind die beiden ersten Lösungsvorschläge:

  • Hier bewirken die nichtlinearen Verzerrungen, dass die untere Halbwelle spitzförmiger verläuft als die obere.
  • Da zudem  $y(t)$  gleichsignalfrei ist, gilt  $y_{\rm max} = 1.75 \ \rm V$  und  $y_{\rm min} = -2.25 \ \rm V$. Die Symmetrie bezüglich der Nulllinie ist somit nicht mehr gegeben.
  • Bei einem nichtlinearen System ist der Klirrfaktor  $K$  unabhängig von der Frequenz des cosinusförmigen Eingangssignals, aber stark abhängig von dessen Amplitude.


(4)  Der Effektivwert eines Cosinussignals ist bekanntlich das  $\sqrt{0.5}$–fache der Amplitude. Das Quadrat hiervon ergibt die "Leistung":

$$P_x = \frac{A_x^2}{2} = \frac{(2 \,{\rm V})^2}{2}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2\,{\rm V^2}}.$$
  • Eigentlich hängt die Leistung ja auch vom Bezugswiderstand  $R$  ab und besitzt die Einheit "Watt".
  • Mit  $R = 1 \ \rm \Omega$  ergibt sich  $P_x = 2 \ \rm W$, also der genau gleiche Zahlenwert wie bei dieser einfacheren Berechnung.


(5)  Bezeichnet man

  • mit  $A_1$  die Amplitude der Grundwelle von  $y_2(t)$, und
  • mit  $A_2$,  $A_3$  und  $A_4$  die so genannten Oberwellen,


so erhält man für die Verzerrungsleistung durch Berechnung im Frequenzbereich:

$$P_{\rm V} = \frac{1}{2} \cdot \big[ (A_1 - A_x)^2 + A_2^2+ A_3^2+ A_4^2\big] = \frac{1}{2} \cdot \big[ (-2 \,{\rm V} \hspace{-0.05cm}+ \hspace{-0.05cm}1.938 \,{\rm V} )^2 \hspace{-0.05cm}+ \hspace{-0.05cm} (0.234 \,{\rm V})^2 \hspace{-0.05cm}+ \hspace{-0.05cm} (0.058 \,{\rm V})^2 \hspace{-0.05cm}+ \hspace{-0.05cm} (0.018 \,{\rm V})^2 \big] \hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.031 \,{\rm V}^2}.$$

Hierbei bezeichnet  $A_x$  die Amplitude des Eingangssignals. Die Vorzeichen der Oberwellen spielen bei dieser Berechnung keine Rolle.


(6)  Mit den Ergebnissen der Unterpunkte  (4)  und  (5)  erhält man:

$$10 \cdot \lg \rho_{V} = 10 \cdot \lg \frac{P_x}{P_{\rm V}}= 10 \cdot \lg \frac{2.000\,{\rm V^2}}{0.031 \,{\rm V}^2} \hspace{0.15cm}\underline{\approx 18.10 \,{\rm dB}}.$$


(7)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 3:

  • Die erste Aussage ist richtig, denn es gilt
$$K^2 = \frac{A_2^2 + A_3^2 + A_4^2 + ... }{A_1^2}.$$
  • Dagegen gilt für den Kehrwert des Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnisses:
$${1}/{\rho_{\rm V}} = \frac{(A_1 - A_x)^2+A_2^2 + A_3^2 + A_4^2 + \text{...} }{A_x^2}.$$
  • Bei der Berechnung der Verzerrungsleistung  $P_{\rm V}$  wird auch eine Verfälschung der Grundwellenamplitude  $($diese ist nun  $A_1$  anstelle von  $A_x)$  berücksichtigt. Außerdem wird die Verzerrungsleistung nicht auf  $A_1^2$, sondern auf  $A_x^2$  bezogen.
  • Allgemein gilt zwischen dem Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis und dem Klirrfaktor folgender Zusammenhang:
$${\rho_{\rm V}} = \frac{A_x^2}{(A_1 - A_x)^2 + K^2 \cdot A_1^2}.$$
  • Mit  $A_1 = A_x$  vereinfacht sich diese Gleichung wie folgt:
$${\rho_{\rm V}} = {1}/{ K^2 }.$$


Anmerkungen:

  • Ein Klirrfaktor von  $1\%$  entspricht in diesem Fall dem Ergebnis  $10 \cdot \lg \rho_{\rm V} = 40 \,{\rm dB}$.
  • Mit dem Klirrfaktor  $K = 0.125$  aus Teilaufgabe  (2)  hätte man mit der Näherung  $A_1 \approx A_x$  sofort  $10 \cdot \lg \rho_{\rm V} = 18.06 \,{\rm dB}$  erhalten.
  • Der unter Punkt  (7)  errechnete tatsächliche Wert  $(18.10 \ \rm dB)$  weicht hiervon nur unwesentlich ab.