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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.7Z: Partial Fraction Decomposition"

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Two of the four configurations given are so-called ''all-pass filters''.  
 
Two of the four configurations given are so-called ''all-pass filters''.  
 
*This refers to two-port networks for which the Fourier spectral function satisfies the condition  |H(f)|=1   ⇒   a(f)=0 .  
 
*This refers to two-port networks for which the Fourier spectral function satisfies the condition  |H(f)|=1   ⇒   a(f)=0 .  
*In [[Aufgaben:Exercise_3.4Z:_Various_All-Pass_Filters|Exercise 3.4Z]] ist angegeben, wie die Pole und Nullstelle eines solchen Allpasses liegen müssen.
+
*In [[Aufgaben:Exercise_3.4Z:_Various_All-Pass_Filters|Exercise 3.4Z]] it is given how the poles and zeros of such an all-pass filter must be positioned.
  
  
Weiterhin soll in dieser Aufgabe die  p–Übertragungsfunktion
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Furthermore, in this exercise the  p–transfer function
 
:$$H_{\rm L}^{(5)}(p) =\frac{p/A}{\left (\sqrt{p/A}+\sqrt{A/p} \right )^2}
 
:$$H_{\rm L}^{(5)}(p) =\frac{p/A}{\left (\sqrt{p/A}+\sqrt{A/p} \right )^2}
 
  \hspace{0.05cm}$$
 
  \hspace{0.05cm}$$
⇒   "Konfiguration (5)" näher untersucht werden, die bei richtiger Wahl des Parameters  A  durch eines der vier in der Grafik vorgegebenen Pol–Nullstellen–Diagramme dargestellt werden kann.
+
⇒   "configuration (5)" will be examined in more detail, which can be represented by one of the four pole–zero diagrams given in the graph if the parameter  A  is chosen correctly.
  
  
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''Hinweise:''  
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''Please note:''  
 
*The exercise belongs to the chapter   [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Inverse_Laplace_Transform|Inverse Laplace Transform]].
 
*The exercise belongs to the chapter   [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Inverse_Laplace_Transform|Inverse Laplace Transform]].
 
*In particular, reference is made to the page  [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Inverse_Laplace_Transform#Partial_fraction_decomposition|Partial fraction decomposition]].
 
*In particular, reference is made to the page  [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Inverse_Laplace_Transform#Partial_fraction_decomposition|Partial fraction decomposition]].
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<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Bei welchen der skizzierten Vierpole handelt es sich um Allpässe?
+
{Which of the sketched two-port networks are all-pass filters?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Konfiguration &nbsp;(1),
+
+ Configuration &nbsp;(1),
+ Konfiguration &nbsp;(2),
+
+ configuration &nbsp;(2),
- Konfiguration &nbsp;(3),
+
- configuration &nbsp;(3),
- Konfiguration &nbsp;(4).
+
- configuration &nbsp;(4).
  
  
{Welcher Vierpol hat die Übertragungsfunktion &nbsp;H(5)L(p)?
+
{Which quadripole has the transfer function &nbsp;H(5)L(p)?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Konfiguration &nbsp;(1),
+
- Configuration &nbsp;(1),
- Konfiguration &nbsp;(2),
+
- configuration &nbsp;(2),
- Konfiguration &nbsp;(3),
+
- configuration &nbsp;(3),
+ Konfiguration &nbsp;(4).
+
+ configuration &nbsp;(4).
  
  
{Berechnen Sie die Funktion &nbsp;HL(p)&nbsp; nach einer Partialbruchzerlegung für die Konfiguration&nbsp; '''(1)'''. <br>Geben Sie den Funktionswert für &nbsp;p=0&nbsp; ein.
+
{Compute the function &nbsp;HL(p)&nbsp; after a partial fraction decomposition for configuration&nbsp; '''(1)'''. <br>Enter the function value for &nbsp;p=0&nbsp;.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
HL(p=0) =   { 2 3% }
 
HL(p=0) =   { 2 3% }
  
  
{Berechnen Sie  &nbsp;HL(p)&nbsp; für die Konfiguration &nbsp;(2).&nbsp; Welche Aussagen treffen hier zu?
+
{Compute &nbsp;HL(p)&nbsp; for the configuration &nbsp;(2).&nbsp; Which statements are true here?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- HL(p)&nbsp; besitzt die gleichen Nullstellen wie &nbsp;HL(p).
+
- HL(p)&nbsp; has the same zeros as &nbsp;HL(p).
+ HL(p)&nbsp; besitzt die gleichen Polstellen wie &nbsp;HL(p).
+
+ HL(p)&nbsp; has the same poles as &nbsp;HL(p).
+ Der konstante Faktor von &nbsp;HL(p)&nbsp; ist &nbsp;K=8.
+
+ The constant factor of &nbsp;HL(p)&nbsp; is &nbsp;K=8.
  
  
{Berechnen Sie &nbsp;HL(p)&nbsp; für die Konfiguration &nbsp;(3).&nbsp; Welche Aussagen treffen hier zu?
+
{Compute &nbsp;HL(p)&nbsp; for the configuration &nbsp;(3).&nbsp; Which statements are true here?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- HL(p)&nbsp; besitzt die gleichen Nullstellen wie &nbsp;HL(p).
+
- HL(p)&nbsp; has the same zeros as &nbsp;HL(p).
+ HL(p)&nbsp; besitzt die gleichen Polstellen wie &nbsp;HL(p).
+
+ HL(p)&nbsp; has the same poles as &nbsp;HL(p).
- Der konstante Faktor von &nbsp;HL(p)&nbsp; ist &nbsp;K=8.
+
- The constant factor of &nbsp;HL(p)&nbsp; is &nbsp;K=8.
  
  
{Berechnen Sie &nbsp;HL(p)&nbsp; für die Konfiguration &nbsp;(4).&nbsp; Welche Aussagen treffen hier zu?
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{Compute &nbsp;HL(p)&nbsp; for the configuration &nbsp;(4).&nbsp; Which statements are true here?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- HL(p)&nbsp; besitzt die gleichen Nullstellen wie &nbsp;HL(p).
+
- HL(p)&nbsp; has the same zeros as &nbsp;HL(p).
+ HL(p)&nbsp; besitzt die gleichen Polstellen wie &nbsp;HL(p).
+
+ HL(p)&nbsp; has the same poles as &nbsp;HL(p).
- Der konstante Faktor von &nbsp;HL(p)&nbsp; ist &nbsp;K=8.
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- The constant factor of &nbsp;HL(p)&nbsp; is &nbsp;K=8.
  
  
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===Solution===
 
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind die <u> Lösungsvorschläge 1 und 2</u>:
+
'''(1)'''&nbsp; The <u> suggested solutions 1 and 2</u> are correct:
*Nach den in der Aufgabe 3.4Z angegebenen Kriterien liegt immer dann ein Allpass vor, wenn es zu jeder Polstelle &nbsp;$p_{\rm x} = - A + {\rm j} \cdot B$&nbsp; in der linken p&ndash;Halbebene eine entsprechende Nullstelle &nbsp;$p_{\rm o} = + A + {\rm j} \cdot B$&nbsp; in der rechten Halbebene gibt.  
+
*According to the criteria given in exercise 3.4Z, there is always an all-pass filter at hand if there is a zero &nbsp;$p_{\rm o} = + A + {\rm j} \cdot B$&nbsp; in the right half-plane for each pole &nbsp;$p_{\rm x} = - A + {\rm j} \cdot B$&nbsp; in the left p&ndash;half-plane.  
 
*Mit&nbsp; K=1&nbsp; ist dann die Dämpfungsfunktion &nbsp;a(f)=0 Np &nbsp; &#8658; &nbsp; |H(f)|=1.  
 
*Mit&nbsp; K=1&nbsp; ist dann die Dämpfungsfunktion &nbsp;a(f)=0 Np &nbsp; &#8658; &nbsp; |H(f)|=1.  
 
*Aus der Grafik auf der Angabenseite erkennt man: &nbsp; Die Konfigurationen &nbsp;(1) und &nbsp;(2) erfüllen genau diese Symmetrieeigenschaften.
 
*Aus der Grafik auf der Angabenseite erkennt man: &nbsp; Die Konfigurationen &nbsp;(1) und &nbsp;(2) erfüllen genau diese Symmetrieeigenschaften.
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'''(2)'''&nbsp; Richtig ist der <u> Lösungsvorschlag 4</u>:
+
'''(2)'''&nbsp; The <u> suggested solution 4</u> is correct:
*Die Übertragungsfunktion &nbsp;H(5)L(p)&nbsp; wird ebenso durch die Konfiguration &nbsp;(4)&nbsp; beschrieben, wie die nachfolgende Rechnung zeigt:
+
*The transfer function &nbsp;H(5)L(p)&nbsp; is also described by configuration &nbsp;(4)&nbsp; as the following calculation shows:
 
:$$H_{\rm L}^{(5)}(p) \hspace{0.25cm} =  \hspace{0.2cm} \frac{p/A}{(\sqrt{p/A}+\sqrt{A/p})^2}
 
:$$H_{\rm L}^{(5)}(p) \hspace{0.25cm} =  \hspace{0.2cm} \frac{p/A}{(\sqrt{p/A}+\sqrt{A/p})^2}
 
  =\frac{p/A}{{p/A}+2+ {A/p}}
 
  =\frac{p/A}{{p/A}+2+ {A/p}}

Revision as of 09:22, 26 October 2021

Pole-zero diagrams

In the graph, four two-port networks are given by their pole–zero diagrams  HL(p) .

  • They all have in common that the number  Z  of zeros is equal to the number  N  of poles.
  • The constant factor in each case is  K=1.


In the special case  Z=N  the residue theorem cannot be applied directly to compute the impulse response  h(t) .

Rather, a partial fraction decomposition corresponding to

HL(p)=1HL(p)

must be made beforehand. Then,

h(t)=δ(t)h(t) holds for the impulse response.

 h(t)  is the inverse Laplace transform of  HL(p) , where the condition  Z<N  is satisfied.

Two of the four configurations given are so-called all-pass filters.

  • This refers to two-port networks for which the Fourier spectral function satisfies the condition  |H(f)|=1   ⇒   a(f)=0 .
  • In Exercise 3.4Z it is given how the poles and zeros of such an all-pass filter must be positioned.


Furthermore, in this exercise the  p–transfer function

H(5)L(p)=p/A(p/A+A/p)2

⇒   "configuration (5)" will be examined in more detail, which can be represented by one of the four pole–zero diagrams given in the graph if the parameter  A  is chosen correctly.



Please note:



Questions

1

Which of the sketched two-port networks are all-pass filters?

Configuration  (1),
configuration  (2),
configuration  (3),
configuration  (4).

2

Which quadripole has the transfer function  H(5)L(p)?

Configuration  (1),
configuration  (2),
configuration  (3),
configuration  (4).

3

Compute the function  HL(p)  after a partial fraction decomposition for configuration  (1).
Enter the function value for  p=0 .

HL(p=0) = 

4

Compute  HL(p)  for the configuration  (2).  Which statements are true here?

HL(p)  has the same zeros as  HL(p).
HL(p)  has the same poles as  HL(p).
The constant factor of  HL(p)  is  K=8.

5

Compute  HL(p)  for the configuration  (3).  Which statements are true here?

HL(p)  has the same zeros as  HL(p).
HL(p)  has the same poles as  HL(p).
The constant factor of  HL(p)  is  K=8.

6

Compute  HL(p)  for the configuration  (4).  Which statements are true here?

HL(p)  has the same zeros as  HL(p).
HL(p)  has the same poles as  HL(p).
The constant factor of  HL(p)  is  K=8.


Solution

(1)  The suggested solutions 1 and 2 are correct:

  • According to the criteria given in exercise 3.4Z, there is always an all-pass filter at hand if there is a zero  po=+A+jB  in the right half-plane for each pole  px=A+jB  in the left p–half-plane.
  • Mit  K=1  ist dann die Dämpfungsfunktion  a(f)=0 Np   ⇒   |H(f)|=1.
  • Aus der Grafik auf der Angabenseite erkennt man:   Die Konfigurationen  (1) und  (2) erfüllen genau diese Symmetrieeigenschaften.


(2)  The suggested solution 4 is correct:

  • The transfer function  H(5)L(p)  is also described by configuration  (4)  as the following calculation shows:
H(5)L(p)=p/A(p/A+A/p)2=p/Ap/A+2+A/p=p2p2+2Ap+A2=p2(p+A)2=H(4)L(p).
  • Die doppelte Nullstelle liegt bei  po=0, der doppelte Pol bei  px=A=2.


(3)  Für die Konfiguration  (1)  gilt:

HL(p)=p2p+2=p+24p+2=14p+2=1HL(p)HL(p)=4p+2HL(p=0)=2_.


(4)  In gleicher Weise ergibt sich für die Konfiguration  (2):

HL(p)=(p2j2)(p2+j2)(p+2j2)(p+2+j2)=p24p+8p2+4p+8=p2+4p+88pp2+4p+8=18pp2+4p+8=1HL(p)
HL(p)=8p(p+2j2)(p+2+j2).

Richtig sind also die Lösungsvorschläge 2 und 3 im Gegensatz zur Aussage 1:

  • Während  HL(p)  zwei konjugiert–komplexe Nullstellen aufweist,
  • besitzt  HL(p)  nur eine einzige Nullstelle bei  po=0.



(5)  Für die Konfiguration  (3)  gilt:

HL(p)=p2p2+4p+8=p2+4p+84p8p2+4p+8=1HL(p)
HL(p)=4p+2(p+2j2)(p+2+j2).
  • Die Nullstelle von  HL(p)  liegt nun bei  po=2.
  • Die Konstante ist  K=4   ⇒   richtig ist hier nur der Lösungsvorschlag 2.


(6)  Schließlich gilt für die Konfiguration  (4):

HL(p)=p2(p+2)2=p2+4p+44p4p2+4p+4=14p+4p2+4p+4HL(p)=4p+1(p+2)2.

Richtig ist auch hier der Lösungsvorschlag 2. Allgemein lässt sich sagen:

  • Durch die Partialbruchzerlegung wird die Anzahl und die Lage der Nullstellen verändert.
  • Die Pole von HL(p) sind dagegen stets identisch mit denen von HL(p).