Aufgaben:Exercise 2.5: Half-Wave Rectification

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Gleichgerichtete Cosinusfunktionen

Gesucht sind die Fourierkoeffizienten des unten skizzierten Signals $x(t)$, das sich durch die Einweggleichrichtung des Sinussignals $w(t)$ mit der Amplitude $\pi /2$ ergibt.

Als bekannt vorausgesetzt wird die Fourierreihendarstellung des oben skizzierten Signals $u(t)$. Diese wurde bereits in der Aufgabe 2.4 ermittelt. Unter Berücksichtigung der Amplitude $\pi /2$ gilt hierfür:

$$u(t)=1+\frac{2}{3} \cdot \cos(\omega_1t)-\frac{2}{15}\cdot \cos(2\omega_1t)+\frac{2}{35}\cdot \cos(3\omega_1t)-\dots$$

Anzumerken ist:

• Die Grundkreisfrequenz ist mit $\omega_1$ bezeichnet. Da aber die Periodendauer der Signale $u(t)$ und $v(t)$ jeweils $T/2$ beträgt, gilt $\omega_1 = 2\pi /(T/2) = 4 \pi /T$.
• Weil in dieser Aufgabe die Signale $u(t)$, $w(t)$ und $x(t)$ zueinander in Bezug gebracht werden sollen, muss auch das Signal $u(t)$ mit der Periodendauer $T$ des Signals $x(t)$ dargestellt werden. Mit $\omega_0 = 2\pi /T = \omega_1/2$ gilt somit gleichermaßen:

$$u(t)=1+\frac{2}{3} \cdot \cos(2\omega_0t)-\frac{2}{15} \cdot \cos(4\omega_0t)+\frac{2}{35} \cdot \cos(6\omega_0t)-\dots$$

Für die Fourierkoeffizienten bedeutet dies:

• der Gleichkoeffizient ergibt sich zu $A_0 = 1$,
• alle Sinuskoeffizienten sind $B_n = 0$,
• die Cosinuskoeffizienten mit ungeradzahligem $n = 1, 3, 5, \dots$ sind alle $0$,
• die Cosinuskoeffizienten mit geradzahligem $n = 2, 4, 6, \dots$ sind ungleich $0$:

$$A_n=(-1)^{\hspace{0.01cm}n/2+1}\frac{2}{n^2-1}.$$

Daraus ergeben sich folgende Zahlenwerte:

$$A_1=A_3=A_5=\dots=0,$$

$$A_2=2/3; \;A_4=-2/15;\;A_6=2/35;\;A_8=-2/63.$$

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel Fourierreihe.
• Eine kompakte Zusammenfassung der Thematik finden Sie in den beiden Lernvideos

Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten sowie Eigenschaften der Fourierreihendarstellung.

• Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.

Fragebogen

1

Berechnen Sie die Fourierkoeffizienten des Signals $v(t)$. Welchen Wert besitzt der Koeffizient $A_2$?

$A_2\ = \ $

2

Berechnen Sie die Fourierkoeffizienten des Signals $w(t)$. Welchen Wert besitzt der Koeffizient $B_1$?

$B_1\ = \ $

3

Wie kann $x(t)$ aus $v(t)$ und $w(t)$ zusammengesetzt werden? Geben Sie die entsprechenden Fourierkoeffizienten des Signals $x(t)$ an, insbesondere

$A_0\ = \ $

$B_1\ = \ $

$A_2\ = \ $

Musterlösung

Solution

(1)  Auch das verschobene Signal $v(t)$ ist gerade und alle Sinuskoeffizienten sind dementsprechend $0$. Am Gleichsignalkoeffizienten ändert sich ebenfalls nichts: $A_0 = 1$.

Aus den Signalverläufen ist zu erkennen, dass $v(t) = u(t - T/4)$ gilt: 

$$v(t)=1+\frac{2}{3}\cdot \cos(2\omega_0(t-\frac{T}{4}))-\frac{2}{15}\cdot \cos(4\omega_0(t-\frac{T}{4}))+\frac{2}{35}\cdot \cos(6\omega_0(t-\frac{T}{4}))-\dots$$

Die Cosinusterme können nun mit $\omega_0 \cdot T = 2 \pi$ umgeformt werden: 

$$\cos(2\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(2\omega_0t-\pi)=-\cos(2\omega_0t),$$

$$\cos(4\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(4\omega_0t-2\pi)=\cos(4\omega_0t),$$

$$\cos(6\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(6\omega_0t-3\pi)=-\cos(6\omega_0t).$$

Damit erhält man für die Fourierreihe:

$$v(t)=1-{2}/{3}\cdot \cos(2\omega_0t)-{2}/{15}\cdot \cos(4\omega_0t)-{2}/{35}\cdot \cos(6\omega_0t)-\dots$$

bzw. für die Cosinuskoeffizienten mit geradzahligem $n$:

$$A_n=\frac{-2}{n^2-1}\hspace{0.5cm}\Rightarrow\hspace{0.5cm}A_2=-\hspace{-0.1cm}2/3 \hspace{0.1cm}\underline{= -\hspace{-0.1cm}0.667}.$$

(2)  Wegen $w(t) = \pi /2 \cdot \sin(\omega_0 t)$ sind alle Fourierkoeffizienten außer $B_1 = \pi /2 \hspace{0.1cm}\underline{=1.571}$ gleich $0$.

(3)  Aus der grafischen Darstellung erkennt man den Zusammenhang $x(t)={1}/{2} \cdot [v(t)+w(t)].$ Das bedeutet:

$$x(t)=\frac{1}{2}+\frac{\pi}{4}\cdot \sin(\omega_0 t)-\frac{1}{3}\cdot \cos(2\omega_0 t)-\frac{1}{15}\cdot \cos(4\omega_0 t)-\frac{1}{35}\cdot \cos(6\omega_0 t)-\ldots$$

Die gesuchten Fourierkoeffizienten sind somit:

$$A_0 \hspace{0.1cm}\underline{=0.5},$$

$$B_1 = \pi /4 \hspace{0.1cm}\underline{= 0.785}$$

$$A_2\hspace{0.1cm}\underline{ = -0.333}.$$