Aufgaben:Exercise 2.6: Complex Fourier Series

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Komplexe Fourierreihe (Aufgabe A2.6)

Wir betrachten das Signal $x(t)$, das durch die beiden Parameter $T_0$ und $T_1$ festgelegt ist, wobei stets $T_1 \leq T_0$ gelten soll. Für die komplexen Fourierkoeffizienten

$$D_n=\frac{1}{T_0}\int_0^{T_0}x(t)\cdot\rm e^{-\rm j\it n\omega_0t}\,{\rm d} \it t$$

dieses Signals erhält man nach mathematischen Umformungen:

$$D_n=\frac{T_0/T_1}{(2\pi n)^2}\bigg(1-{\rm e}^{-{\rm j} 2\pi nT_1/T_0}\bigg)-\frac{\rm j}{2\pi n}.$$

Der in der Teilaufgabe 3) behandelte Parametersatz (mit $T_1 = T_0/2$) ist als das Signal $x(t)$ dargestellt. Für $T_1 = T_0$ (Teilaufgabe 2) ergibt sich die Funktion $y(t)$. Im letzten Punkt wird das Signal $z(t)$ betrachtet. Die Fourierkoeffizienten von $z(t)$ lauten:

$$A_0=1/4,$$

$$A_n=\left\{ \begin{array}{cl} {\frac{\displaystyle-2}{\displaystyle(\pi n)^2}} & {\rm f\ddot{u}r\; geradzahliges\; \it n \rm ,} \\ 0 & {\rm f\ddot{u}r\; ungeradzahliges\; \it n,} \end{array}\right. $$

$$B_n=0\; \;\; \rm{ f\ddot{u}r\; alle\; \it n.}$$

Fragebogen

1 Berechnen Sie den Koeffizienten $D_0$ und zeigen Sie, dass dieser stets reell ist. Welcher Wert ergibt sich für $T_1 = T_0/2$, also für das Signal $x(t)$?

Signal $x(t)$: $D_0$ =

2 Berechnen Sie für den Sonderfall $T_1 = T_0$ entsprechend dem Signal $y(t)$ die komplexen Fourierkoeffizienten $D_n$ für $n \neq 0$. Wie lauten die Koeffizienten $A_n$ und $B_n$, insbesondere für $n = 1$?

Signal $y(t)$: $A_1$ =

Signal $y(t)$: $B_1$ =

3 Berechnen Sie nun für das Signal $x(t)$ mit $T_1 = T_0/2$ die Koeffizienten $A_n$ und $B_n$ für $n \neq 0$. Welche Werte ergeben sich hier für $A_1$ und $B_1$?

Signal $x(t)$: $A_1$ =

Signal $x(t)$: $B_1$ =

4 Welche der folgenden Aussagen treffen bezüglich x(t), y(t) und z(t) zu?

	Es gilt $x(t) = y(t) + z(t)$.
	Es gilt $x(t) = y(t) – z(t)$.
	Die Cosinuskoeffizienten $A_n$ von $x(t)$ und $z(t)$ sind identisch.
	Die Koeffizienten $A_n$ von $x(t)$ und $z(t)$ sind betragsgleich.
	Die Sinuskoeffizienten $B_n$ von $y(t)$ und $z(t)$ sind identisch.

Musterlösung

Solution

1. Mit dem Eulerschen Satz ist der komplexe Fourierkoeffizient $D_n$ wie folgt darstellbar:

Mit der für kleine $\alpha$ -Werte gültigen Näherung $\text{sin}(\alpha ) \approx \alpha$ erhält man für den Imaginärteil:

Für den Realteil erhält man mit $\text{cos}(\alpha) \approx 1 – \alpha_2/2$:

Für $T_1 = T_0/2$ folgt daraus der Gleichsignalkoeffizient $D_0 = 0.25$. Mit $T_1 = T_0$ ergibt sich $D_0 = 0.5$. Ein Vergleich mit den Signalen $x(t)$ und $y(t)$ auf der Angabenseite zeigen die Richtigkeit dieser Ergebnisse.

2. Es wird nun $n \neq 0$ vorausgesetzt. Mit $T_1 = T_0$ erhält man für den Realteil wegen $\text{cos}(2\pi n) = 1$:

Der Imagnärteil lautet:

Wegen $\text{sin}(2\pi n) = 0$ folgt daraus:

Somit ist

Der Koeffizientenvergleich liefert $A_n = 0$ und $B_n = 1/(\pi n)$, Insbesondere sind $A_1 = 0$ und $B1 \approx 0.318$. Wie zu erwarten war, gilt stets $B_{–n} = –B_n$.

3. Aus der in der Teilaufgabe 1) berechneten allgemeinen Gleichung folgt mit $T_1/T_0 = 1/2$:

Daraus erhält man die Cosinuskoeffizienten

Die Sinuskoeffizienten lauten:

Hierbei ist berücksichtigt, dass für alle ganzzahligen Werte von n die Funktion $\text{sin}(n\pi ) = 0$ ist. Die jeweils ersten reellen Koeffizienten lauten $A_1 = 2/\pi_2 \approx 0.203$ und $B_1 = 1/\pi \approx 0.318$.

4. Das Signal $x(t)$ ist gleich der Differenz zwischen $y(t)$ und $z(t)$. Da $z(t)$ eine gerade und $y(t)$ eine ungerade Funktion ist, werden die Cosinuskoeffizienten $A_n$ allein durch die Koeffizienten des Signals $z(t)$ bestimmt, allerdings mit negativen Vorzeichen. Die Sinuskoeffizienten $B_n$ stimmen vollständig mit denen von $y(t)$ überein. Der Gleichsignalanteil von $x(t)$ ergibt sich aus der Differenz der beiden Gleichanteile von $y(t)$ und $z(t): A_0 = 0.5 – 0.25 = 0.25$. Richtig sind somit die Lösungsvorschläge 2, 4 und 5.