Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.3: Sinusoidal Characteristic"

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{{quiz-Header|Buchseite=Lineare zeitinvariante Systeme/Nichtlineare Verzerrungen
+
{{quiz-Header|Buchseite=Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortion
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID894__LZI_A_2_3.png|right|frame|Sinusförmige Kennlinie]]
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[[File:P_ID894__LZI_A_2_3.png|right|frame|Sinusoidal characteristic curve]]
Wie betrachten ein System mit Eingang $x(t)$ und Ausgang $y(t)$. Zur einfacheren Darstellung werden die Signale als dimensionslos betrachtet.
+
We consider a system with input  $x(t)$  and output  $y(t)$.  For simplicity of description, the signals are considered to be dimensionless.
  
Der Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal $x(t)$ und dem Ausgangssignal $y(t)$ ist im Bereich zwischen $-\pi/2$ und $+\pi/2$ durch die folgende Kennlinie gegeben.
+
The relationship between the input signal  $x(t)$  and the output signal  $y(t)$  is given by the following characteristic curve in the range between  $-\pi/2$  and  $+\pi/2$:
 
:$$g(x) =  \sin(x) = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} -
 
:$$g(x) =  \sin(x) = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} -
 
  \hspace{0.05cm}\text{...}$$
 
  \hspace{0.05cm}\text{...}$$
  
Der zweite Teil dieser Gleichung beschreibt dabei die Reihenentwicklung der Sinusfunktion. Als Näherungen für die nichtlineare Kennlinie werden in dieser Aufgabe verwendet:
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The second part of this equation describes the series expansion of the sine function.  
 +
 
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As approximations for the nonlinear characteristic curve the following is used in this task:
 
:$$g_1(x) = x\hspace{0.05cm},$$
 
:$$g_1(x) = x\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ g_3(x) = x- x^{3}\hspace{-0.1cm}/6\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ g_3(x) = x- x^{3}\hspace{-0.1cm}/6\hspace{0.05cm},$$
 
:$$g_5(x) = x- x^3\hspace{-0.1cm}/{6}+x^5\hspace{-0.1cm}/{120}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$g_5(x) = x- x^3\hspace{-0.1cm}/{6}+x^5\hspace{-0.1cm}/{120}\hspace{0.05cm}.$$
  
Es wird stets das Eingangssignal $x(t) = A \cdot \cos(\omega_0 \cdot t)$ vorausgesetzt, wobei für die (dimensionslose) Signalamplitude die Werte $A = 0.5$, $A = 1.0$ und $A = 1.5$ zu betrachten sind.
+
*The input signal  $x(t) = A \cdot \cos(\omega_0 \cdot t)$  is always assumed. 
 +
*The values  $A = 0.5$,  $A = 1.0$  and  $A = 1.5$  are to be considered for the (dimensionless) signal amplitude.
  
  
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''Hinweise:''  
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*Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Nichtlineare_Verzerrungen|Nichtlineare Verzerrungen]].
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*Die sich ergebenden Signalverläufe für $x(t)$ und $y(t)$ sind im  Beispiel auf der Seite [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Nichtlineare_Verzerrungen#Beschreibung_nichtlinearer_Systeme|Beschreibung nichtlinearer Systeme]] grafisch dargestellt.
+
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
+
''Please note:''  
*Alle hier abgefragten Leistungen beziehen sich auf den Widerstand $R = 1 \ \rm \Omega$ und haben somit die Einheit ${\rm V}^2$
+
*The task belongs to the chapter  [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortion|Nonlinear Distortions]].
*Als bekannt vorausgesetzt werden die folgenden trigonometrischen Beziehungen:
+
*The resulting signal curves for  $x(t)$  and  $y(t)$  are shown graphically on the page  [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortion#Description_of_nonlinear_systems|Description of nonlinear systems]] .
 +
*All powers required here refer to the resistance  $R = 1 \ \rm \Omega$  and thus have the unit  ${\rm V}^2$.
 +
*The following trigonometric relations are assumed to be known:
 
:$$\cos^3(\alpha) =  {3}/{4} \cdot \cos(\alpha) + {1}/{4} \cdot \cos(3\alpha)
 
:$$\cos^3(\alpha) =  {3}/{4} \cdot \cos(\alpha) + {1}/{4} \cdot \cos(3\alpha)
 
  \hspace{0.05cm}, $$
 
  \hspace{0.05cm}, $$
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===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welchen Klirrfaktor $K$ erhält man mit der Kennliniennäherung $\underline{g_1(x)}$ unabhängig von der Amplitude $A$ des Eingangssignals?
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{What distortion factor&nbsp; $K$&nbsp; is obtained with the approximation&nbsp; $\underline{g_1(x)}$&nbsp; of the characteristic curve independent of the amplitude&nbsp; $A$&nbsp; of the input signal?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$K \ = \ $ { 0. } $\ \%$
 
$K \ = \ $ { 0. } $\ \%$
  
  
{Berechnen Sie den Klirrfaktor $K$ für das Eingangssignal $x(t) = A \cdot \cos(\omega_0 \cdot t)$ und die Näherung $\underline{g_3(x)}$. <br>Welche Werte ergeben sich für $A = 0.5$ und $A = 1.0$?
+
{Compute the distortion factor&nbsp; $K$&nbsp; for the input signal&nbsp; $x(t) = A \cdot \cos(\omega_0 \cdot t)$&nbsp; and the approximation&nbsp; $\underline{g_3(x)}$. <br>What values arise as a result for&nbsp; $A = 0.5$&nbsp; and&nbsp; $A = 1.0$?
 
|type="{}"}
 
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$A = 0.5\hspace{-0.08cm}:\ \ K \ = \ $  { 1.08 3% } $\ \%$
 
$A = 0.5\hspace{-0.08cm}:\ \ K \ = \ $  { 1.08 3% } $\ \%$
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{Wie lautet der Klirrfaktor für $\underline{A = 1.0}$ unter Berücksichtigung der Näherung $\underline{g_5(x)}$?
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{What is the distortion factor for&nbsp; $\underline{A = 1.0}$&nbsp; considering the approximation&nbsp; $\underline{g_5(x)}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$K \ =  \ $ { 4.45 3% } $\ \%$
 
$K \ =  \ $ { 4.45 3% } $\ \%$
  
  
{Welche der folgenden Aussagen treffen zu? <br>Hierbei bezeichnet $K$ den Klirrfaktor der Sinusfunktion $g(x)$, während $K_{\rm g3}$ und $K_{\rm g5}$ auf den Näherungen $g_3(x)$ und $g_5(x)$   basieren.
+
{Which of the following statements are true?&nbsp; Here,&nbsp; $K$&nbsp; denotes the distortion factor of the sine function&nbsp; $g(x)$. <br>$K_{\rm g3}$&nbsp; and&nbsp; $K_{\rm g5}$&nbsp; are based on the approximations&nbsp; $g_3(x)$&nbsp; and&nbsp; $g_5(x)$, respectively.
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ $K_{\rm g5}$ stellt im Allgemeinen eine bessere Näherung für $K$ dar als $K_{\rm g3}$.
+
+ $K_{\rm g5}$&nbsp; generally represents a better approximation for&nbsp; $K$&nbsp; than&nbsp; $K_{\rm g3}$.
- Für $A = 1.0$ ist $K_{\rm g3}$ kleiner als $K_{\rm g5}$.
+
- $K_{\rm g3} < K_{\rm g5}$ holds for&nbsp; $A = 1.0$.
+ Für $A = 0.5$ wird $K_{\rm g3} \approx K_{\rm g5}$ gelten.
+
+ $K_{\rm g3} \approx K_{\rm g5}$ will hold for&nbsp; $A = 0.5$.
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Die sehr ungenaue Näherung $g_1(x) = x$ ist linear in $x$ und führt deshalb auch nicht zu nichtlinearen Verzerrungen. Damit ergibt sich für den Klirrfaktor $\underline{K = 0}$.
+
'''(1)'''&nbsp; The very inaccurate approximation&nbsp; $g_1(x) = x$&nbsp; is linear in&nbsp; $x$&nbsp; and therefore does not result in nonlinear distortions. Hence, the distortion factor is $\underline{K = 0}$.
 +
 
 +
 
  
'''(2)'''&nbsp; Das analytische Spektrum (nur positive Frequenzen) des Eingangssignals lautet:
+
'''(2)'''&nbsp; The analytical spectrum&nbsp; (positive frequencies only)&nbsp; of the input signal is:
$$X_+(f) = A  \cdot {\rm \delta}(f- f_0) .$$
+
:$$X_+(f) = A  \cdot {\rm \delta}(f- f_0) .$$
  
Am Ausgang der nichtlinearen Kennlinie $g_3(x)$ liegt dann folgendes Signal an:
+
*Then, the following signal is applied to the output of the nonlinear characteristic curve&nbsp; $g_3(x)$&nbsp;:
$$y(t) = A \cdot {\rm cos}(\omega_0  t ) - \frac{A^3}{6} \cdot
+
:$$y(t) = A \cdot {\rm cos}(\omega_0  t ) - \frac{A^3}{6} \cdot
 
{\rm cos}^3(\omega_0  t )=
 
{\rm cos}^3(\omega_0  t )=
 
  A \cdot {\rm cos}(\omega_0  t ) - \frac{3}{4} \cdot \frac{A^3}{6} \cdot
 
  A \cdot {\rm cos}(\omega_0  t ) - \frac{3}{4} \cdot \frac{A^3}{6} \cdot
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+ A_3 \cdot {\rm cos}(3\omega_0  t ).$$
 
+ A_3 \cdot {\rm cos}(3\omega_0  t ).$$
  
Für die Koeffizienten $A_1$ und $A_3$ erhält man durch Koeffizientenvergleich:
+
*For the coefficients&nbsp; $A_1$&nbsp; and $A_3$ the following is obtained by comparison of coefficients:
$$A_1 = A  - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{8},  \hspace{0.5cm}A_3 =  - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{24}.$$
+
:$$A_1 = A  - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{8},  \hspace{0.5cm}A_3 =  - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{24}.$$
  
Mit $A = 0.5$ ergibt sich $A_1 \approx 0.484$ und $A_3 \approx 0.005$. Somit lautet der Klirrfaktor:
+
*Using&nbsp; $A = 0.5$&nbsp; the following is obtained:&nbsp; $A_1 \approx 0.484$&nbsp; and&nbsp; $A_3 \approx 0.005$.&nbsp; Thus, the distortion factor is:
$$K = K_3 ={|A_3|}/{A_1}= {0.005}/{0.484} \hspace{0.15cm}\underline{ =  1.08\%}.$$
+
:$$K = K_3 ={|A_3|}/{A_1}= {0.005}/{0.484} \hspace{0.15cm}\underline{ =  1.08\%}.$$
  
Anzumerken ist, dass bei der Näherung $g_3(x)$ nur der kubische Anteil $K_3$ des Klirrfaktors wirksam ist. Für $A = 1.0$ und $A = 1.5$ ergeben sich folgende Zahlenwerte:
+
:Note that for the approximation&nbsp; $g_3(x)$&nbsp; only the cubic part&nbsp; $K_3$&nbsp; of the distortion factor is effective.  
$$A = 1.0: A_1 \approx 0.875, \hspace{0.2cm} A_3 \approx
+
 
 +
*For&nbsp; $A = 1.0$&nbsp; and&nbsp; $A = 1.5$&nbsp; the following numerical values:
 +
:$$A = 1.0: A_1 \approx 0.875, \hspace{0.2cm} A_3 \approx
 
-0.041\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \hspace{0.15cm}\underline{K \approx 4.76\%}\; \; \Rightarrow \; \; K_{g3},$$
 
-0.041\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \hspace{0.15cm}\underline{K \approx 4.76\%}\; \; \Rightarrow \; \; K_{g3},$$
$$A = 1.5: A_1 \approx 1.078, \hspace{0.2cm} A_3 \approx
+
:$$A = 1.5: A_1 \approx 1.078, \hspace{0.2cm} A_3 \approx
 
-0.140\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \hspace{0.15cm}{K \approx 13 \%}.$$
 
-0.140\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \hspace{0.15cm}{K \approx 13 \%}.$$
  
'''(3)'''&nbsp; In ähnlicher Weise wie beim Unterpunkt (2) gilt nun
 
$$y(t) = A_1 \cdot {\rm cos}(\omega_0  t ) + A_3 \cdot {\rm
 
cos}(3\omega_0  t )+ A_5 \cdot {\rm cos}(5\omega_0  t )$$
 
  
mit folgenden Koeffizienten:
+
 
$$A_1 = A  - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{8} + {A^5}\hspace{-0.1cm}/{192},\hspace{0.3cm}
+
'''(3)'''&nbsp; Similarly as in subtask&nbsp; '''(2)''',&nbsp;
 +
:$$y(t) = A_1 \cdot {\rm cos}(\omega_0  t ) + A_3 \cdot {\rm
 +
cos}(3\omega_0  t )+ A_5 \cdot {\rm cos}(5\omega_0  t )$$
 +
 
 +
:holds with the following coefficients:
 +
:$$A_1 = A  - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{8} + {A^5}\hspace{-0.1cm}/{192},\hspace{0.3cm}
 
A_3 =  - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{24} +  {A^5}\hspace{-0.1cm}/{384},\hspace{0.3cm}
 
A_3 =  - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{24} +  {A^5}\hspace{-0.1cm}/{384},\hspace{0.3cm}
 
A_5 =  {A^5}\hspace{-0.1cm}/{1920}.$$
 
A_5 =  {A^5}\hspace{-0.1cm}/{1920}.$$
  
Daraus ergeben sich mit $A=1$ die Zahlenwerte:
+
*From this, the following numerical values arise a result with&nbsp; $A=1$&nbsp;:
$$A_1 \approx 1 -0.125 +0.005 = 0.880,\hspace{0.3cm}
+
:$$A_1 \approx 1 -0.125 +0.005 = 0.880,\hspace{0.3cm}
 
A_3 \approx  -0.042 +0.003 = -0.039,\hspace{0.3cm}
 
A_3 \approx  -0.042 +0.003 = -0.039,\hspace{0.3cm}
 
A_5 \approx 0.0005$$
 
A_5 \approx 0.0005$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}K_3 = {|A_3|}/{A_1}= 0.0443,\hspace{0.3cm}K_5 =
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}K_3 = {|A_3|}/{A_1}= 0.0443,\hspace{0.3cm}K_5 =
 
{|A_5|}/{A_1}= 0.0006 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} K = \sqrt{K_3^2 + K_5^2}  \hspace{0.15cm}\underline{\approx 4.45\%}
 
{|A_5|}/{A_1}= 0.0006 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} K = \sqrt{K_3^2 + K_5^2}  \hspace{0.15cm}\underline{\approx 4.45\%}
 
\; \; \Rightarrow \; \; K_{g5}.$$
 
\; \; \Rightarrow \; \; K_{g5}.$$
  
'''(4)'''&nbsp; Der Ansatz $g_5(x)$ ist im gesamten Bereich eine bessere Näherung für die Sinusfunktion $g(x)$ als die Näherung $g_3(x)$. Deshalb ist der in der Teilaufgabe (3) berechnete Wert $K_{g5}$ eine bessere Näherung für den tatsächlichen Klirrfaktor als $K_{g3}$ &ndash; die erste Aussage ist somit richtig.
 
 
Dagegen ist die zweite Aussage falsch, wie schon die Berechnung für $A=1$ gezeigt hat, ist  $K_{g3} \approx 4.76 \%$ ist größer als $K_{g5} \approx 4.45 \%$. Der Grund hierfür ist, dass $g_3(x)$ unterhalb von $g_5(x)$ liegt und damit auch eine größere Abweichung vom linearen Verlauf vorliegt.
 
  
Für $A=0.5$ wird $K_{g5} \approx K_{g5} = 1.08 \%$gelten. Schon die Kennlinie auf der Angabenseite zeigt, dass für $|x| \le 0.5$ die beiden Funktionen $g_3(x)$ und $g_5(x)$ innerhalb der Zeichengenauigkeit nicht zu unterscheiden sind. Damit ergeben sich auch gleiche Klirrfaktoren. Richtig sind also die <u>Lösungsvorschläge 1 und 3</u>
+
'''(4)'''&nbsp; <u>Approaches 1 and 3</u>&nbsp; are correct:
 +
*The approach&nbsp; $g_5(x)$&nbsp; is a better approximation for the sine function&nbsp; $g(x)$&nbsp; than the approximation&nbsp; $g_3(x)$ in the entire domain.
 +
*Thus, the value&nbsp; $K_{g5}$&nbsp; computed in the subtask&nbsp; '''(3)'''&nbsp; is a better approximation for the actual distortion factor than&nbsp; $K_{g3}$. <br>Therefore, the first statement is correct.
 +
*The second statement is false as already shown by the computation for&nbsp; $A=1$&nbsp;: &nbsp; $K_{g3} \approx 4.76 \%$&nbsp; is greater than&nbsp; $K_{g5} \approx 4.45 \%$.
 +
*The reason for this is that&nbsp; $g_3(x)$&nbsp; is below&nbsp; $g_5(x)$&nbsp; and thus there is also a greater deviation from the linear curve.
 +
*For&nbsp; $A=0.5$&nbsp;,&nbsp; $K_{g5} \approx K_{g3} = 1.08 \%$&nbsp; will hold.  
 +
*The characteristic curve on the information page shows that for&nbsp; $|x| \le 0.5$&nbsp; the functions&nbsp; $g_3(x)$&nbsp; and&nbsp; $g_5(x)$&nbsp; are indistinguishable within the accuracy of drawing.  
 +
*This also results in&nbsp; (nearly)&nbsp; the same distortion factors.  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Lineare zeitinvariante Systeme|^2.2 Nichtlineare Verzerrungen^]]
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[[Category:Linear and Time-Invariant Systems: Exercises|^2.2 Nonlinear Distortions^]]

Latest revision as of 14:12, 29 September 2021

Sinusoidal characteristic curve

We consider a system with input  $x(t)$  and output  $y(t)$.  For simplicity of description, the signals are considered to be dimensionless.

The relationship between the input signal  $x(t)$  and the output signal  $y(t)$  is given by the following characteristic curve in the range between  $-\pi/2$  and  $+\pi/2$:

$$g(x) = \sin(x) = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \hspace{0.05cm}\text{...}$$

The second part of this equation describes the series expansion of the sine function.

As approximations for the nonlinear characteristic curve the following is used in this task:

$$g_1(x) = x\hspace{0.05cm},$$
$$ g_3(x) = x- x^{3}\hspace{-0.1cm}/6\hspace{0.05cm},$$
$$g_5(x) = x- x^3\hspace{-0.1cm}/{6}+x^5\hspace{-0.1cm}/{120}\hspace{0.05cm}.$$
  • The input signal  $x(t) = A \cdot \cos(\omega_0 \cdot t)$  is always assumed. 
  • The values  $A = 0.5$,  $A = 1.0$  and  $A = 1.5$  are to be considered for the (dimensionless) signal amplitude.





Please note:

  • The task belongs to the chapter  Nonlinear Distortions.
  • The resulting signal curves for  $x(t)$  and  $y(t)$  are shown graphically on the page  Description of nonlinear systems .
  • All powers required here refer to the resistance  $R = 1 \ \rm \Omega$  and thus have the unit  ${\rm V}^2$.
  • The following trigonometric relations are assumed to be known:
$$\cos^3(\alpha) = {3}/{4} \cdot \cos(\alpha) + {1}/{4} \cdot \cos(3\alpha) \hspace{0.05cm}, $$
$$ \cos^5(\alpha) = {10}/{16} \cdot \cos(\alpha) + {5}/{16} \cdot \cos(3\alpha) + {1}/{16} \cdot \cos(5\alpha)\hspace{0.05cm}.$$


Questions

1

What distortion factor  $K$  is obtained with the approximation  $\underline{g_1(x)}$  of the characteristic curve independent of the amplitude  $A$  of the input signal?

$K \ = \ $

$\ \%$

2

Compute the distortion factor  $K$  for the input signal  $x(t) = A \cdot \cos(\omega_0 \cdot t)$  and the approximation  $\underline{g_3(x)}$.
What values arise as a result for  $A = 0.5$  and  $A = 1.0$?

$A = 0.5\hspace{-0.08cm}:\ \ K \ = \ $

$\ \%$
$A = 1.0\hspace{-0.08cm}:\ \ K \ = \ $

$\ \%$

3

What is the distortion factor for  $\underline{A = 1.0}$  considering the approximation  $\underline{g_5(x)}$?

$K \ = \ $

$\ \%$

4

Which of the following statements are true?  Here,  $K$  denotes the distortion factor of the sine function  $g(x)$.
$K_{\rm g3}$  and  $K_{\rm g5}$  are based on the approximations  $g_3(x)$  and  $g_5(x)$, respectively.

$K_{\rm g5}$  generally represents a better approximation for  $K$  than  $K_{\rm g3}$.
$K_{\rm g3} < K_{\rm g5}$ holds for  $A = 1.0$.
$K_{\rm g3} \approx K_{\rm g5}$ will hold for  $A = 0.5$.


Solution

(1)  The very inaccurate approximation  $g_1(x) = x$  is linear in  $x$  and therefore does not result in nonlinear distortions. Hence, the distortion factor is $\underline{K = 0}$.


(2)  The analytical spectrum  (positive frequencies only)  of the input signal is:

$$X_+(f) = A \cdot {\rm \delta}(f- f_0) .$$
  • Then, the following signal is applied to the output of the nonlinear characteristic curve  $g_3(x)$ :
$$y(t) = A \cdot {\rm cos}(\omega_0 t ) - \frac{A^3}{6} \cdot {\rm cos}^3(\omega_0 t )= A \cdot {\rm cos}(\omega_0 t ) - \frac{3}{4} \cdot \frac{A^3}{6} \cdot {\rm cos}(\omega_0 t )- \frac{1}{4} \cdot \frac{A^3}{6} \cdot {\rm cos}(3\omega_0 t ) = A_1 \cdot {\rm cos}(\omega_0 t ) + A_3 \cdot {\rm cos}(3\omega_0 t ).$$
  • For the coefficients  $A_1$  and $A_3$ the following is obtained by comparison of coefficients:
$$A_1 = A - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{8}, \hspace{0.5cm}A_3 = - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{24}.$$
  • Using  $A = 0.5$  the following is obtained:  $A_1 \approx 0.484$  and  $A_3 \approx 0.005$.  Thus, the distortion factor is:
$$K = K_3 ={|A_3|}/{A_1}= {0.005}/{0.484} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.08\%}.$$
Note that for the approximation  $g_3(x)$  only the cubic part  $K_3$  of the distortion factor is effective.
  • For  $A = 1.0$  and  $A = 1.5$  the following numerical values:
$$A = 1.0: A_1 \approx 0.875, \hspace{0.2cm} A_3 \approx -0.041\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \hspace{0.15cm}\underline{K \approx 4.76\%}\; \; \Rightarrow \; \; K_{g3},$$
$$A = 1.5: A_1 \approx 1.078, \hspace{0.2cm} A_3 \approx -0.140\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \hspace{0.15cm}{K \approx 13 \%}.$$


(3)  Similarly as in subtask  (2)

$$y(t) = A_1 \cdot {\rm cos}(\omega_0 t ) + A_3 \cdot {\rm cos}(3\omega_0 t )+ A_5 \cdot {\rm cos}(5\omega_0 t )$$
holds with the following coefficients:
$$A_1 = A - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{8} + {A^5}\hspace{-0.1cm}/{192},\hspace{0.3cm} A_3 = - {A^3}\hspace{-0.1cm}/{24} + {A^5}\hspace{-0.1cm}/{384},\hspace{0.3cm} A_5 = {A^5}\hspace{-0.1cm}/{1920}.$$
  • From this, the following numerical values arise a result with  $A=1$ :
$$A_1 \approx 1 -0.125 +0.005 = 0.880,\hspace{0.3cm} A_3 \approx -0.042 +0.003 = -0.039,\hspace{0.3cm} A_5 \approx 0.0005$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}K_3 = {|A_3|}/{A_1}= 0.0443,\hspace{0.3cm}K_5 = {|A_5|}/{A_1}= 0.0006 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} K = \sqrt{K_3^2 + K_5^2} \hspace{0.15cm}\underline{\approx 4.45\%} \; \; \Rightarrow \; \; K_{g5}.$$


(4)  Approaches 1 and 3  are correct:

  • The approach  $g_5(x)$  is a better approximation for the sine function  $g(x)$  than the approximation  $g_3(x)$ in the entire domain.
  • Thus, the value  $K_{g5}$  computed in the subtask  (3)  is a better approximation for the actual distortion factor than  $K_{g3}$.
    Therefore, the first statement is correct.
  • The second statement is false as already shown by the computation for  $A=1$ :   $K_{g3} \approx 4.76 \%$  is greater than  $K_{g5} \approx 4.45 \%$.
  • The reason for this is that  $g_3(x)$  is below  $g_5(x)$  and thus there is also a greater deviation from the linear curve.
  • For  $A=0.5$ ,  $K_{g5} \approx K_{g3} = 1.08 \%$  will hold.
  • The characteristic curve on the information page shows that for  $|x| \le 0.5$  the functions  $g_3(x)$  and  $g_5(x)$  are indistinguishable within the accuracy of drawing.
  • This also results in  (nearly)  the same distortion factors.