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Difference between revisions of "Exercise 2.4Z: Characteristics Measurement"

From LNTwww
 
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Line 1: Line 1:
  
{{quiz-Header|Buchseite=Lineare zeitinvariante Systeme/Nichtlineare Verzerrungen
+
{{quiz-Header|Buchseite=Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortion
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID898__LZI_Z_2_4.png|right|frame|Vorgegebene Kennlinie y(x)]]
+
[[File:P_ID898__LZI_Z_2_4.png|right|frame|Given characteristic  $y = g(x)$]]
Von einem nichtlinearen System ist bekannt, dass die Kennlinie wie folgt dargestellt werden kann:
+
It is known that the characteristic curve can be represented as follows for a nonlinear system:
 
:y(t)=c1x(t)+c2x2(t).
 
:y(t)=c1x(t)+c2x2(t).
  
Da die Verzerrungen nichtlinear sind, ist kein Frequenzgang H(f) angebbar.
+
Since the distortions are nonlinear no frequency response  H(f)  can be given.
  
Zur Bestimmung des dimensionslosen Koeffizienten c1 sowie des quadratischen Koeffizienten c2 werden nun verschiedene Rechteckimpulse x(t) – jeweils gekennzeichnet durch ihre Amplituden Ax und Breiten Tx – an den Eingang gelegt und jeweils die Impulsamplitude Ay am Ausgang gemessen.  
+
To determine the dimensionless coefficient  c1  as well as the quadratic coefficient  c2  different rectangular pulses  x(t)  – characterized by the amplitude  Ax  and the width  Tx  – are now applied to the input and the pulse amplitude  Ay  at the output is measured in each case.  
  
Die ersten drei Versuchen ergeben folgende Werte:
+
The first three trials generate the following values:
* Ax=1 V,Tx=8 ms :   Ay=0.55 V,
+
* Ax=1 V,Tx=8 ms :     Ay=0.55 V,
* Ax=2 V,Tx=4 ms :   Ay=1.20 V,
+
* Ax=2 V,Tx=4 ms :     Ay=1.20 V,
* Ax=3 V,Tx=2 ms :   Ay=1.95 V.
+
* Ax=3 V,Tx=2 ms :     Ay=1.95 V.
  
Bei den Teilaufgaben (3) und (4) sei das Eingangssignal x(t) eine harmonische Schwingung, da nur für eine solche ein Klirrfaktor angebbar ist.
 
  
Dagegen wird für die Teilaufgabe (5) ein Dreieckimpuls mit Amplitude Ax=3 V und der einseitigen Impulsdauer Tx=2 ms betrachtet:
+
For the subtasks  '''(3)'''  and  '''(4)'''  let the input signal  x(t)  be a harmonic oscillation because only for such an oscillation a distortion factor can be specified.
:$$x(t) =  A_x \cdot \left[ 1 - {|t|}/{T_x}\right]  $$
 
  
 +
In contrast, a triangular pulse with amplitude  Ax=3 V  and the one-sided pulse duration  Tx=2 ms  is considered for the subtask  '''(5)''' :
 +
:x(t)=Ax(1|t|/Tx)
  
  
Line 26: Line 26:
  
  
''Hinweise:''  
+
''Please note:''  
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Nichtlineare_Verzerrungen|Nichtlineare Verzerrungen]].
+
*The exercise belongs to the chapter  [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortion|Nonlinear Distortions]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
+
*Im Fragenkatalog werden folgende Abkürzungen benutzt:
+
*The following abbreviations are used in the formulation of the questions:
 
:$$y_1(t) =  c_1  \cdot x(t), \hspace{0.5cm} y_2(t) = c_2  \cdot
 
:$$y_1(t) =  c_1  \cdot x(t), \hspace{0.5cm} y_2(t) = c_2  \cdot
 
x^2(t).$$
 
x^2(t).$$
Line 35: Line 35:
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen treffen für den Ausgangsimpuls y(t) zu, wenn am Eingang ein Rechteckimpuls x(t) mit Amplitude Ax und Dauer Tx anliegt?
+
{A rectangular pulse&nbsp; x(t)&nbsp; with amplitude&nbsp; Ax&nbsp; and duration&nbsp; Tx&nbsp; is applied to the input.&nbsp; <br>Which statements hold for the output pulse&nbsp; y(t)?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Der Ausgangsimpuls y(t) ist dreieckförmig.
+
- The output pulse&nbsp; y(t)&nbsp; is triangular in shape.
- Die Amplituden am Eingang und Ausgang sind gleich &nbsp; &rArr; &nbsp; Ay=Ax.
+
- The amplitudes at the input and output are the same&nbsp; &rArr; &nbsp; Ay=Ax.
+ Die Impulsdauer wird durch das System nicht verändert &nbsp; &rArr; &nbsp; Ty=Tx.
+
+ The pulse duration is not changed by the system&nbsp; &rArr; &nbsp; Ty=Tx.
  
  
{Berechnen Sie die beiden ersten (dimensionslosen) Koeffizienten der Taylorreihe.
+
{Compute the first two coefficients of the Taylor series.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
c1 =  { 0.5 3% }
 
c1 =  { 0.5 3% }
Line 51: Line 51:
  
  
{Welcher Klirrfaktor K wird mit dem Testsignal x(t)=1 Vcos(ω0t) gemessen? &nbsp; &rArr; &nbsp; Ax=1 V.
+
{Which distortion factor&nbsp; K&nbsp; is measured with the test signal&nbsp; $x(t) = 1 \hspace{0.08cm} {\rm V} \cdot \cos(\omega_0 \cdot t)$&nbsp;?&nbsp; That is: &nbsp; $\underline{A_x = 1\hspace{0.08cm} \rm  V}$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
K =   { 5 3% }  %
 
K =   { 5 3% }  %
  
  
{Welcher Klirrfaktor wird mit dem Testsignal x(t)=3 Vcos(ω0t) gemessen? &nbsp; &rArr; &nbsp; Ax=3 V.
+
{Which distortion factor&nbsp; K&nbsp; is measured with the test signal&nbsp; $x(t) = 3 \hspace{0.08cm} {\rm V} \cdot \cos(\omega_0 \cdot t)$&nbsp;?&nbsp; That is: &nbsp; $\underline{A_x = 3\hspace{0.08cm} \rm  V}$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
K =  { 15 3% }  %
 
K =  { 15 3% }  %
  
  
{Welcher Ausgangsimpuls y(t) ergibt sich bei dreieckförmigem Eingangsimpuls? Wie lauten die Signalwerte bei t=0 und t=Tx/2?
+
{Which output pulse&nbsp; y(t)&nbsp; arises as a result when the input pulse is triangular?&nbsp; What are the signal values at&nbsp; t=0&nbsp; and&nbsp; t=Tx/2?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
y(t=0) =  { 1.95 3% }  V
 
y(t=0) =  { 1.95 3% }  V
Line 70: Line 70:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist nur der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Proposed solution 3</u> is the only correct one:
*Ist der Eingangsimpuls x(t) rechteckförmig, so ist auch  x2(t) ein Rechteck mit Höhe A2x im Bereich von 0 bis Tx und außerhalb 0.  
+
*If the input pulse&nbsp;x(t)&nbsp; is rectangular, then&nbsp;x2(t)&nbsp; is also a rectangle with height&nbsp;A2x&nbsp; between&nbsp; 0&nbsp; and&nbsp; Tx,&nbsp; outside zero.  
*Auch das gesamte Ausgangssignal y(t) ist somit rechteckförmig mit der Amplitude
+
*The overall output signal&nbsp;y(t)&nbsp; is thus also rectangular with the amplitude
 
:Ay=c1Ax+c2A2x.
 
:Ay=c1Ax+c2A2x.
*Für die Impulsdauer gilt Ty=Tx.  
+
*The following holds for the pulse duration: &nbsp; Ty=Tx.  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Mit den beiden ersten Parametersätzen kann folgendes lineares Gleichungssystem angegeben werden:
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; The following system of linear equations can be specified with the first two sets of parameters:
 
:$$c_1  \cdot 1\,{\rm V} + c_2 \cdot (1\,{\rm V})^2  = 0.55\,{\rm
 
:$$c_1  \cdot 1\,{\rm V} + c_2 \cdot (1\,{\rm V})^2  = 0.55\,{\rm
 
  V},$$
 
  V},$$
Line 85: Line 86:
 
  V}.\hspace{0.05cm}$$
 
  V}.\hspace{0.05cm}$$
  
Durch Multiplikation der ersten Gleichung mit 2 und Addition der beiden Gleichungen erhält man:
+
*The following is obtained by multiplying the first equation by&nbsp; 2&nbsp; and adding the two equations:
 
:$$c_2 \cdot 2\,{\rm V}^2  = 0.1\,{\rm
 
:$$c_2 \cdot 2\,{\rm V}^2  = 0.1\,{\rm
  V} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} c_2  \hspace{0.15cm}\underline{= 0.05\,{1/\rm
+
  V} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} c_2  \hspace{0.15cm}\underline{= 0.05\cdot{1/\rm
 
  V}}.$$
 
  V}}.$$
Der Linearkoeffizient ist somit c1=0.5_.
+
*The linear coefficient is thus&nbsp; c1=0.5_.
  
Der dritte Parametersatz kann genutzt werden, um das Ergebnis zu kontrollieren:
+
*The third set of parameters can be used to verify the result:
 
:$$c_1  \cdot 3\,{\rm V} + c_2 \cdot (3\,{\rm V})^2  = 0.5 \cdot 3\,{\rm
 
:$$c_1  \cdot 3\,{\rm V} + c_2 \cdot (3\,{\rm V})^2  = 0.5 \cdot 3\,{\rm
 
  V}+ 0.05 \  {1}/{\rm V}\cdot 9\,{\rm V}^2  = 1.95\,{\rm
 
  V}+ 0.05 \  {1}/{\rm V}\cdot 9\,{\rm V}^2  = 1.95\,{\rm
Line 97: Line 98:
  
  
'''(3)'''&nbsp; Die Angabe eines Klirrfaktors bedingt die Verwendung einer harmonischen Schwingung am Eingang.  
+
'''(3)'''&nbsp; The specification of a distortion factor requires the use of a harmonic oscillation at the input.  
  
Ist X+(f)=1 Vδ(ff0), so lautet das Spektrum des analytischen Signals am Ausgang:
+
*If&nbsp; X+(f)=1 Vδ(ff0)&nbsp; holds,&nbsp; then the spectrum of the analytic signal at the output is:
 
:Y+(f)=c2/2A2xδ(f)+c1Axδ(ff0)+c2/2A2xδ(f2f0).
 
:Y+(f)=c2/2A2xδ(f)+c1Axδ(ff0)+c2/2A2xδ(f2f0).
  
Die Diracfunktion bei f=0 folgt aus der trigonometrischen Umformung cos2(α)=1/2+1/2cos(α).
+
*The Dirac function at&nbsp; f=0&nbsp; follows from the trigonometric transformation&nbsp; cos2(α)=1/2+1/2cos(α).
 
   
 
   
Mit A1=c1Ax=0.5 V und A2=(c2/2)A2x=0.025 V2
+
*With&nbsp; A1=c1Ax=0.5 V&nbsp; and&nbsp; A2=(c2/2)A2x=0.025 V2&nbsp; the following is thus obtained for the distortion factor:
ergibt sich somit für den Klirrfaktor:
 
 
:K=A2A1=c2/2Axc1=0.0250.5=5%_.
 
:K=A2A1=c2/2Axc1=0.0250.5=5%_.
  
  
'''(4)'''&nbsp; Entsprechend der Musterlösung zur letzten Teilaufgabe ist K proportional zu Ax. Deshalb erhält man nun K=15%_.
+
'''(4)'''&nbsp; According to the solution of the last subtask&nbsp; K&nbsp; is proportional to&nbsp; Ax. Therefore, one now obtains&nbsp; K=15%_.
 +
 
  
  
'''(5)'''&nbsp; Nun lautet das Ausgangssignal:
+
'''(5)'''&nbsp; Now the output signal is:
 
:$$y(t)=  c_1\cdot A_x \cdot \left( 1 - {|\hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm}|}/{T_x}\right) +\hspace{0.1cm}
 
:$$y(t)=  c_1\cdot A_x \cdot \left( 1 - {|\hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm}|}/{T_x}\right) +\hspace{0.1cm}
 
  {c_2}\cdot A_x^2 \cdot \left( 1 - {|\hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm}|}/{T_x}\right)^2.$$
 
  {c_2}\cdot A_x^2 \cdot \left( 1 - {|\hspace{0.05cm}t\hspace{0.05cm}|}/{T_x}\right)^2.$$
  
Zum Zeitpunkt t=0 bzw. t=Tx/2 treten folgende Werte auf:
+
*The following values occur at times&nbsp;t=0&nbsp; and &nbsp;t=Tx/2:
 
:$$y(t=0) = c_1\cdot A_x  + {c_2}\cdot A_x^2  \hspace{0.15cm}\underline{= 1.95\,{\rm
 
:$$y(t=0) = c_1\cdot A_x  + {c_2}\cdot A_x^2  \hspace{0.15cm}\underline{= 1.95\,{\rm
 
  V}},$$
 
  V}},$$
Line 126: Line 127:
  
  
[[Category:Aufgaben zu Lineare zeitinvariante Systeme|^2.2 Nichtlineare Verzerrungen^]]
+
[[Category:Linear and Time-Invariant Systems: Exercises|^2.2 Nonlinear Distortions^]]

Latest revision as of 15:29, 1 October 2021

Given characteristic  y=g(x)

It is known that the characteristic curve can be represented as follows for a nonlinear system:

y(t)=c1x(t)+c2x2(t).

Since the distortions are nonlinear no frequency response  H(f)  can be given.

To determine the dimensionless coefficient  c1  as well as the quadratic coefficient  c2  different rectangular pulses  x(t)  – characterized by the amplitude  Ax  and the width  Tx  – are now applied to the input and the pulse amplitude  Ay  at the output is measured in each case.

The first three trials generate the following values:

  • Ax=1 V,Tx=8 ms :     Ay=0.55 V,
  • Ax=2 V,Tx=4 ms :     Ay=1.20 V,
  • Ax=3 V,Tx=2 ms :     Ay=1.95 V.


For the subtasks  (3)  and  (4)  let the input signal  x(t)  be a harmonic oscillation because only for such an oscillation a distortion factor can be specified.

In contrast, a triangular pulse with amplitude  Ax=3 V  and the one-sided pulse duration  Tx=2 ms  is considered for the subtask  (5) :

x(t)=Ax(1|t|/Tx)



Please note:

  • The following abbreviations are used in the formulation of the questions:
y1(t)=c1x(t),y2(t)=c2x2(t).


Questions

1

A rectangular pulse  x(t)  with amplitude  Ax  and duration  Tx  is applied to the input. 
Which statements hold for the output pulse  y(t)?

The output pulse  y(t)  is triangular in shape.
The amplitudes at the input and output are the same  ⇒   Ay=Ax.
The pulse duration is not changed by the system  ⇒   Ty=Tx.

2

Compute the first two coefficients of the Taylor series.

c1 = 

c2 = 

 1/V

3

Which distortion factor  K  is measured with the test signal  x(t)=1Vcos(ω0t) ?  That is:   Ax=1V_.

K = 

 %

4

Which distortion factor  K  is measured with the test signal  x(t)=3Vcos(ω0t) ?  That is:   Ax=3V_.

K = 

 %

5

Which output pulse  y(t)  arises as a result when the input pulse is triangular?  What are the signal values at  t=0  and  t=Tx/2?

y(t=0) = 

 V
y(t=Tx/2) = 

 V


Solution

(1)  Proposed solution 3 is the only correct one:

  • If the input pulse x(t)  is rectangular, then x2(t)  is also a rectangle with height A2x  between  0  and  Tx,  outside zero.
  • The overall output signal y(t)  is thus also rectangular with the amplitude
Ay=c1Ax+c2A2x.
  • The following holds for the pulse duration:   Ty=Tx.


(2)  The following system of linear equations can be specified with the first two sets of parameters:

c11V+c2(1V)2=0.55V,
c12V+c2(2V)2=1.20V.
  • The following is obtained by multiplying the first equation by  2  and adding the two equations:
c22V2=0.1Vc2=0.051/V_.
  • The linear coefficient is thus  c1=0.5_.
  • The third set of parameters can be used to verify the result:
c13V+c2(3V)2=0.53V+0.05 1/V9V2=1.95V.


(3)  The specification of a distortion factor requires the use of a harmonic oscillation at the input.

  • If  X+(f)=1 Vδ(ff0)  holds,  then the spectrum of the analytic signal at the output is:
Y+(f)=c2/2A2xδ(f)+c1Axδ(ff0)+c2/2A2xδ(f2f0).
  • The Dirac function at  f=0  follows from the trigonometric transformation  cos2(α)=1/2+1/2cos(α).
  • With  A1=c1Ax=0.5 V  and  A2=(c2/2)A2x=0.025 V2  the following is thus obtained for the distortion factor:
K=A2A1=c2/2Axc1=0.0250.5=5%_.


(4)  According to the solution of the last subtask  K  is proportional to  Ax. Therefore, one now obtains  K=15%_.


(5)  Now the output signal is:

y(t)=c1Ax(1|t|/Tx)+c2A2x(1|t|/Tx)2.
  • The following values occur at times t=0  and  t=Tx/2:
y(t=0)=c1Ax+c2A2x=1.95V_,
y(t=Tx/2)=c1Ax1/2+c2A2x1/4=0.75V+0.1125V=0.8625V_.