Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.5: Half-Wave Rectification"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Fourierreihe
+
{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Fourier_Series
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID311__Sig_A_2_5.png|250px|right|Fourierreihe: Gleichgerichteter Cosinus (Aufgabe A2.5)]]
+
[[File:P_ID311__Sig_A_2_5.png|right|frame|Rectified cosine functions]]
  
Gesucht sind die Fourierkoeffizienten des Signals $x(t)$, das sich durch die Einweggleichrichtung des Sinussignals $w(t)$ mit der Amplitude $\pi /2$ ergibt.
+
We are looking for the Fourier coefficients of the signal  $x(t)$, sketched below, which results from the one-way rectification of the sinusoidal signal  $w(t)$  with amplitude  $\pi /2$.
Die Fourierreihendarstellung des oben skizzierten Signals $u(t)$ wird als bekannt vorausgesetzt. Diese wurde bereits in der Aufgabe A2.4 ermittelt. Unter Berücksichtigung der Amplitude $\pi /2$ gilt hierfür:
+
 
$$u(t)=1+\frac{2}{3}\cos(\omega_1t)-$$ 
+
The Fourier series representation of the signal  $u(t)$ sketched above is assumed to be known.  This was already determined in  [[Aufgaben:Aufgabe_2.4:_Gleichgerichteter_Cosinus|Exercise 2.4]].  Taking into account the amplitude  $\pi /2$  the following applies:
$$-\frac{2}{15}\cos(2\omega_1t)+\frac{2}{35}\cos(3\omega_1t)-\dots$$
+
:$$u(t)=1+\frac{2}{3} \cdot \cos(\omega_1t)-\frac{2}{15}\cdot \cos(2\omega_1t)+\frac{2}{35}\cdot \cos(3\omega_1t)-\dots$$
 
   
 
   
Die Grundkreisfrequenz ist mit ω1 bezeichnet. Da aber die Periodendauer der Signale $u(t)$ und $v(t)$ jeweils $T/2$ beträgt, gilt $\omega_1 = 2\pi /(T/2) = 4 \pi /T$.
+
It should be noted:
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:
+
*The basic circular frequency is denoted by  $\omega_1$ .  But since the period of the signals  $u(t)$  and  $v(t)$  is  $T/2$,   $\omega_1 = 2\pi /(T/2) = 4 \pi /T$.
 +
*Because in this task the signals  $u(t)$,  $w(t)$  and  $x(t)$  are to be related to each other, the signal  $u(t)$  must also be represented with the period duration  $T$  of the signal  $x(t)$. 
 +
*With  $\omega_0 = 2\pi /T = \omega_1/2$  the same applies:
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:$$u(t)=1+\frac{2}{3} \cdot \cos(2\omega_0t)-\frac{2}{15} \cdot \cos(4\omega_0t)+\frac{2}{35} \cdot \cos(6\omega_0t)-\dots$$
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For the Fourier coefficients this means:
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*The DC coefficient results in  $A_0 = 1$,
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*All sine coefficients are  $B_n = 0$,
 +
*The cosine coefficients with odd  $n = 1, \ 3, \ 5, \dots$ are all  $0$,
 +
*The cosine coefficients with even  $n = 2, \ 4, \ 6, \dots$ are not equal to  $0$ :
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:$$A_n=(-1)^{\hspace{0.01cm}n/2+1}\frac{2}{n^2-1}.$$
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This results in the following numerical values:
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:$$A_1=A_3=A_5=\dots=0,$$
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:$$A_2=2/3; \;A_4=-2/15;\;A_6=2/35;\;A_8=-2/63.$$
 
   
 
   
$$u(t)=1+\frac{2}{3}\cos(2\omega_0t)-\frac{2}{15}\cos(4\omega_0t)+\frac{2}{35}\cos(6\omega_0t)-\dots$$
 
  
Für die Fourierkoeffizienten bedeutet dies:
 
*der Gleichkoeffizient ergibt sich zu $A_0 = 1$,
 
*alle Sinuskoeffizienten $B_n$ sind 0,
 
*die Cosinuskoeffizienten mit ungeradzahligem $n$ = 1, 3, 5, ... sind 0,
 
*die Cosinuskoeffizienten mit geradzahligem $n$ = 2, 4, 6, ... sind ungleich 0:
 
$$A_n=(-1)^{\hspace{0.01cm}n/2+1}\frac{2}{n^2-1}.$$
 
  
  
Daraus ergeben sich folgende Zahlenwerte:
 
  
$$A_1=A_3=A_5=\dots=0,$$
 
  
$$A_2=2/3; \;A_4=-2/15;\;A_6=2/35;\;A_8=-2/63.$$
+
 
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the chapter  [[Signal_Representation/Fourier_Series|Fourier Series]].
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*You can find a compact summary of the topic in the two learning videos
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::[[Zur_Berechnung_der_Fourierkoeffizienten_(Lernvideo)|Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten]]  ⇒   "To calculate the Fourier coefficients",
 +
:: [[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|Eigenschaften der Fourierreihendarstellung]]   ⇒     "Properties of the Fourier series representation".
 
   
 
   
Hinweis: Die Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von Kapitel 2.4. Diese sind in zwei Lernvideos zusammengefasst:
 
Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten (Dauer 3:50)
 
Eigenschaften und Genauigkeit der Fourierreihe (Dauer Teil 1: 3:31 – Teil 2: 8:39)
 
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die Fourierkoeffizienten des Signals $v(t)$. Welchen Wert besitzt der Koeffizient $A_2$?
+
{Calculate the Fourier coefficients of the signal&nbsp; $v(t)$.&nbsp; What is the coefficient&nbsp; $A_2$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Signal $v(t)$: $A_2$ = { -0.667 3% }
+
$v(t)$: &nbsp; $A_2\ = \ $ { -0.67--0.66 }
  
{Berechnen Sie die Fourierkoeffizienten des Signals $w(t)$. Welchen Wert besitzt der Koeffizient $B_1$?
+
{Calculate the Fourier coefficients of the signal&nbsp; $w(t)$.&nbsp; What is the coefficient&nbsp; $B_1$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Signal $w(t)$: $B_1$ = { 1.571 3% }
+
$w(t)$: &nbsp;$B_1\ = \ $ { 1.571 3% }
  
{Wie kann $x(t)$ aus $v(t)$ und $w(t)$ zusammengesetzt werden? Geben Sie die entsprechenden Fourierkoeffizienten des Signals $x(t)$ an, insbesondere
+
{How can&nbsp; $x(t)$&nbsp; be composed of&nbsp; $v(t)$&nbsp; and&nbsp; $w(t)$?&nbsp; Give the corresponding Fourier coefficients of the signal&nbsp; $x(t)$.&nbsp; In particular:
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Signal $x(t)$: $A_0$ = { 0.5 3% }
+
$x(t)$: &nbsp;$A_0\ = \ $ { 0.5 3% }
Signal $x(t)$: $B_1$ = { 0.785 3% }
+
$\hspace{1cm}B_1\ = \ $ { 0.785 3% }
Signal $x(t)$: $A_2$ = { -0.333 3% }
+
$\hspace{1cm}A_2\ = \ $ { -0.34--0.33 }
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' Auch das verschobene Signal $v(t)$ ist gerade und alle Sinuskoeffizienten sind dementsprechend 0. Am Gleichsignalkoeffizienten ändert sich ebenfalls nichts: $A_0 = 1$.
+
'''(1)'''&nbsp; The shifted signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; is also even and all sine coefficients are accordingly zero.
Aus den Signalverläufen ist zu erkennen, dass $v(t) = u(t T/4)$ gilt:
+
*Nothing changes in the DC signal coefficient: &nbsp; $A_0 = 1$.
 +
 
 +
*From the signal curves it can be seen that&nbsp; $v(t) = u(t - T/4)$&nbsp; applies:&nbsp;
 
   
 
   
$$v(t)=1+\frac{2}{3}\cos(2\omega_0(t-\frac{T}{4}))-\frac{2}{15}\cos(4\omega_0(t-\frac{T}{4}))+\frac{2}{35}\cos(6\omega_0(t-\frac{T}{4}))-\dots$$
+
:$$v(t)=1+\frac{2}{3}\cdot \cos(2\omega_0(t-\frac{T}{4}))-\frac{2}{15}\cdot \cos(4\omega_0(t-\frac{T}{4}))+\frac{2}{35}\cdot \cos(6\omega_0(t-\frac{T}{4}))-\dots$$
  
Die Cosinusterme können nun mit $\omega_0 \cdot T = 2 \pi$ umgeformt werden:
+
*The cosine terms can now be transformed with&nbsp; $\omega_0 \cdot T = 2 \pi$&nbsp; :&nbsp;
 
   
 
   
$$\cos(2\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(2\omega_0t-\pi)=-\cos(2\omega_0t),$$
+
:$$\cos(2\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(2\omega_0t-\pi)=-\cos(2\omega_0t),$$
 
   
 
   
$$\cos(4\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(4\omega_0t-2\pi)=\cos(4\omega_0t),$$
+
:$$\cos(4\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(4\omega_0t-2\pi)=\cos(4\omega_0t),$$
 
   
 
   
$$\cos(6\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(6\omega_0t-3\pi)=-\cos(6\omega_0t).$$
+
:$$\cos(6\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(6\omega_0t-3\pi)=-\cos(6\omega_0t).$$
  
Damit erhält man für die Fourierreihe
+
*This gives us for the Fourier series:
 
   
 
   
$$v(t)=1-{2}/{3}\cdot \cos(2\omega_0t)-{2}/{15}\cdot \cos(4\omega_0t)-{2}/{35}\cdot \cos(6\omega_0t)-\dots$$
+
:$$v(t)=1-{2}/{3}\cdot \cos(2\omega_0t)-{2}/{15}\cdot \cos(4\omega_0t)-{2}/{35}\cdot \cos(6\omega_0t)-\dots$$
  
bzw. für die Cosinuskoeffizienten mit geradzahligem $n$:
+
:or for the cosine coefficients with even-numbered&nbsp; $n$:
 
   
 
   
$$A_n=\frac{-2}{n^2-1}.$$
+
:$$A_n=\frac{-2}{n^2-1}\hspace{0.5cm}\Rightarrow\hspace{0.5cm}A_2=-\hspace{-0.05cm}2/3 \hspace{0.1cm}\underline{= -\hspace{-0.05cm}0.667}.$$
  
Insbesondere ist $A_2 = –2/3$.
 
  
'''2.''' Wegen $w(t) = \pi /2 \cdot sin(\omega_0 t)$ sind alle Fourierkoeffizienten außer $B_1 = \pi /2 =1.571$ gleich 0.
 
  
'''3.''' Aus der grafischen Darstellung erkennt man den Zusammenhang
+
'''(2)'''&nbsp; Because of&nbsp; $w(t) = \pi /2 \cdot \sin(\omega_0 t)$&nbsp;  all Fourier coefficients except&nbsp; $B_1 = \pi /2 \hspace{0.1cm}\underline{=1.571}$&nbsp; are zero.
+
 
$$x(t)=\frac{1}{2} \cdot [v(t)+w(t)].$$
 
  
Das bedeutet:
+
'''(3)'''&nbsp; From the graphical representation one can see the relationship&nbsp; $x(t)={1}/{2} \cdot \big [v(t)+w(t) \big].$ This means:
 
   
 
   
$$x(t)=\frac{1}{2}+\frac{\pi}{4}\cdot \sin(\omega_0 t)-\frac{1}{3}\cdot \cos(2\omega_0 t)-\frac{1}{15}\cdot \cos(4\omega_0 t)-\frac{1}{35}\cdot \cos(6\omega_0 t)-\ldots$$
+
:$$x(t)=\frac{1}{2}+\frac{\pi}{4}\cdot \sin(\omega_0 t)-\frac{1}{3}\cdot \cos(2\omega_0 t)-\frac{1}{15}\cdot \cos(4\omega_0 t)-\frac{1}{35}\cdot \cos(6\omega_0 t)-\ldots$$
  
Die gesuchten Fourierkoeffizienten sind somit $A_0 =1/2$; $B_1 = \pi /4 = 0.785$ und $A_2 = –1/3$.
+
*The Fourier coefficients sought are thus:
 +
:$$A_0 \hspace{0.1cm}\underline{=0.5},\hspace{1cm}
 +
B_1 = \pi /4 \hspace{0.1cm}\underline{= 0.785},\hspace{1cm}
 +
A_2\hspace{0.1cm}\underline{ = -0.333}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
 
__NOEDITSECTION__
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^2. Periodische Signale^]]
+
[[Category:Signal Representation: Exercises|^2.4 Fourier Series^]]

Latest revision as of 14:14, 15 April 2021

Rectified cosine functions

We are looking for the Fourier coefficients of the signal  $x(t)$, sketched below, which results from the one-way rectification of the sinusoidal signal  $w(t)$  with amplitude  $\pi /2$.

The Fourier series representation of the signal  $u(t)$ sketched above is assumed to be known.  This was already determined in  Exercise 2.4.  Taking into account the amplitude  $\pi /2$  the following applies:

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

It should be noted:

  • The basic circular frequency is denoted by  $\omega_1$ .  But since the period of the signals  $u(t)$  and  $v(t)$  is  $T/2$,   $\omega_1 = 2\pi /(T/2) = 4 \pi /T$.
  • Because in this task the signals  $u(t)$,  $w(t)$  and  $x(t)$  are to be related to each other, the signal  $u(t)$  must also be represented with the period duration  $T$  of the signal  $x(t)$. 
  • With  $\omega_0 = 2\pi /T = \omega_1/2$  the same applies:
$$u(t)=1+\frac{2}{3} \cdot \cos(2\omega_0t)-\frac{2}{15} \cdot \cos(4\omega_0t)+\frac{2}{35} \cdot \cos(6\omega_0t)-\dots$$

For the Fourier coefficients this means:

  • The DC coefficient results in  $A_0 = 1$,
  • All sine coefficients are  $B_n = 0$,
  • The cosine coefficients with odd  $n = 1, \ 3, \ 5, \dots$ are all  $0$,
  • The cosine coefficients with even  $n = 2, \ 4, \ 6, \dots$ are not equal to  $0$ :
$$A_n=(-1)^{\hspace{0.01cm}n/2+1}\frac{2}{n^2-1}.$$

This results in the following numerical values:

$$A_1=A_3=A_5=\dots=0,$$
$$A_2=2/3; \;A_4=-2/15;\;A_6=2/35;\;A_8=-2/63.$$




Hints:

  • This exercise belongs to the chapter  Fourier Series.
  • You can find a compact summary of the topic in the two learning videos
Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten  ⇒   "To calculate the Fourier coefficients",
Eigenschaften der Fourierreihendarstellung   ⇒   "Properties of the Fourier series representation".


Questions

1

Calculate the Fourier coefficients of the signal  $v(t)$.  What is the coefficient  $A_2$?

$v(t)$:   $A_2\ = \ $

2

Calculate the Fourier coefficients of the signal  $w(t)$.  What is the coefficient  $B_1$?

$w(t)$:  $B_1\ = \ $

3

How can  $x(t)$  be composed of  $v(t)$  and  $w(t)$?  Give the corresponding Fourier coefficients of the signal  $x(t)$.  In particular:

$x(t)$:  $A_0\ = \ $

$\hspace{1cm}B_1\ = \ $

$\hspace{1cm}A_2\ = \ $


Solution

(1)  The shifted signal  $v(t)$  is also even and all sine coefficients are accordingly zero.

  • Nothing changes in the DC signal coefficient:   $A_0 = 1$.
  • From the signal curves it can be seen that  $v(t) = u(t - T/4)$  applies: 
$$v(t)=1+\frac{2}{3}\cdot \cos(2\omega_0(t-\frac{T}{4}))-\frac{2}{15}\cdot \cos(4\omega_0(t-\frac{T}{4}))+\frac{2}{35}\cdot \cos(6\omega_0(t-\frac{T}{4}))-\dots$$
  • The cosine terms can now be transformed with  $\omega_0 \cdot T = 2 \pi$  : 
$$\cos(2\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(2\omega_0t-\pi)=-\cos(2\omega_0t),$$
$$\cos(4\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(4\omega_0t-2\pi)=\cos(4\omega_0t),$$
$$\cos(6\omega_0(t-\frac{T}{4}))=\cos(6\omega_0t-3\pi)=-\cos(6\omega_0t).$$
  • This gives us for the Fourier series:
$$v(t)=1-{2}/{3}\cdot \cos(2\omega_0t)-{2}/{15}\cdot \cos(4\omega_0t)-{2}/{35}\cdot \cos(6\omega_0t)-\dots$$
or for the cosine coefficients with even-numbered  $n$:
$$A_n=\frac{-2}{n^2-1}\hspace{0.5cm}\Rightarrow\hspace{0.5cm}A_2=-\hspace{-0.05cm}2/3 \hspace{0.1cm}\underline{= -\hspace{-0.05cm}0.667}.$$


(2)  Because of  $w(t) = \pi /2 \cdot \sin(\omega_0 t)$  all Fourier coefficients except  $B_1 = \pi /2 \hspace{0.1cm}\underline{=1.571}$  are zero.


(3)  From the graphical representation one can see the relationship  $x(t)={1}/{2} \cdot \big [v(t)+w(t) \big].$ This means:

$$x(t)=\frac{1}{2}+\frac{\pi}{4}\cdot \sin(\omega_0 t)-\frac{1}{3}\cdot \cos(2\omega_0 t)-\frac{1}{15}\cdot \cos(4\omega_0 t)-\frac{1}{35}\cdot \cos(6\omega_0 t)-\ldots$$
  • The Fourier coefficients sought are thus:
$$A_0 \hspace{0.1cm}\underline{=0.5},\hspace{1cm} B_1 = \pi /4 \hspace{0.1cm}\underline{= 0.785},\hspace{1cm} A_2\hspace{0.1cm}\underline{ = -0.333}.$$