Aufgaben:Exercise 2.3: Cosine and Sine Components

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Spektrum von Cosinus- und Sinusanteilen

Gegeben ist das Amplitudenspektrum $X(f)$ eines Signals $x(t)$ entsprechend der Grafik.

• Die Normierungsfrequenz sei $f_1 = 4\,\text{kHz}$.
• Damit liegen die tatsächlichen Frequenzen der Signalanteile bei $0\,\text{kHz}$, $4\,\text{kHz}$ und $10\,\text{kHz}$ .

Dieses Signal $x(t)$ liegt am Eingang eines linearen Differenzierers, dessen Ausgang mit $\omega_1 = 2\pi f_1$ wie folgt dargestellt werden kann:

$$y(t)=\frac{1}{\omega_1}\cdot\frac{ {\rm d} x(t)}{{\rm d} t}.$$

Hinweis:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel Harmonische Schwingung.

Fragebogen

1

Geben Sie $x(t)$ analytisch an. Wie groß ist der Signalwert bei $t = 0$?

$x(t=0)\ = \ $   ${\rm V}$

2

Wie groß ist die Periodendauer des Signals $x(t)$?

$T_0\ = \ $   ${\rm ms}$

3

Berechnen Sie das Ausgangssignal $y(t)$ des Differenzierers. Wie groß ist der Signalwert zum Zeitpunkt $t = 0$?

$y(t=0)\ = \ $   ${\rm V}$

4

Welche der folgenden Aussagen sind bezüglich des Signals $y(t)$ bzw. seines Spektrums $Y(f)$ zutreffend?

	$y(t)$ hat die gleiche Periodendauer wie das Signal $x(t)$.
	$Y(f)$ beinhaltet eine Diracfunktion bei der Frequenz $f = 0$.
	$Y(f)$ beinhaltet eine Diracfunktion bei $+f_1$ mit dem Gewicht $\rm{j} · 1\,{\rm V}$.
	$Y(f)$ beinhaltet eine Diracfunktion bei $–\hspace{-0.1cm}2.5 \cdot f_1$ mit dem Gewicht $5\,{\rm V}$.

Musterlösung

Solution

Summensignal aus Cosinus- und Sinusanteilen

(1)  Das Zeitsignal hat die folgende Form:

$$x(t)={\rm 3V}-{\rm 2V}\cdot \cos(\omega_{\rm 1} \cdot t)+{\rm 4V} \cdot \sin(2.5 \cdot \omega_{\rm 1} \cdot t).$$

Hierbei bezeichnet $\omega_1 = 2\pi f_1$ die Kreisfrequenz des Cosinusanteils. Zum Zeitpunkt $t = 0$ hat das Signal den Wert $x(t=0)\hspace{0.15 cm}\underline{=1\,\rm V}$.

(2)  Die Grundfrequenz $f_0$ ist der kleinste gemeinsame Teiler

• von $f_1 = 4{\,\rm kHz}$
• und $2.5 · f_1 = 10{\,\rm kHz}$.

Daraus folgt $f_0 = 2{\,\rm kHz}$   ⇒   Periodendauer $T_0 = 1/f_0 \hspace{0.1cm}\underline{= 0.5 {\,\rm ms}}$.

Spektrum mit diskreten Anteilen

(3)  Für das Ausgangssignal $y(t)$ des Differenzierers gilt:

$$y(t)=\frac{1}{\omega_1}\cdot\frac{ {\rm d}x(t)}{{\rm d}t}=\frac{ {\rm -2V}}{\omega_1}\cdot\omega_1 \cdot (-\sin(\omega_1 t))+\frac{\rm 4V}{\omega_1}\cdot 2.5\omega_1\cdot {\rm cos}(2.5\omega_1t).$$

Dies führt zum Ergebnis:

$$y(t)={\rm 2V}\cdot\sin(\omega_1 t)+{\rm 10V}\cdot\cos(2.5\omega_1 t).$$

Für $t = 0$ ergibt sich der Wert $y(t=0)\hspace{0.15cm}\underline{=10\,\rm V}$. Rechts ist das Spektrum $Y(f)$ dargestellt.

(4)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 4:

• Die Periodendauer $T_0$ wird durch die Amplitude und die Phase der beiden Anteile nicht verändert.
• Das bedeutet, dass weiterhin $T_0 = 0.5 {\,\rm ms}$ gilt.
• Der Gleichanteil verschwindet aufgrund der Differentiation.
• Der Anteil bei $f_1$ ist sinusförmig. Somit hat $X(f)$ einen (imaginären) Dirac bei $f = f_1$, jedoch mit negativem Vorzeichen.
• Der Cosinusanteil mit der Amplitude ${10\,\rm V}$ hat die beiden Diracfunktionen bei $\pm 2.5 \cdot f_1$ zur Folge, jeweils mit dem Gewicht ${5\,\rm V}$ .