Aufgabe 2.3: ZSB–AM–Realisierung

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Nichtlineare Kennlinie
zur AM–Realisierung

Zur Realisierung der so genannten  „ZSB–AM mit Träger”  soll ein Verstärker mit der Kennlinie

$$y = g(x) = U \cdot \left( 1 -{\rm e} ^{-x/U}\right)$$

verwendet werden. Hierbei sind  $x = x(t)$  und  $y = y(t)$  als zeitabhängige Spannungen am Eingang bzw. Ausgang des Verstärkers zu verstehen.  Der Parameter  $U = 3 \ \rm V$  gibt die Sättigungsspannung des Verstärkers an.

Diese Kennlinie wird im Arbeitspunkt  $A_0 = 2\ \rm V$  betrieben.  Dies erreicht man beispielsweise durch das Eingangssignal

$$x(t) = A_0 + z(t) + q(t)\hspace{0.05cm}.$$

Setzen Sie für das Trägersignal und das Quellensignal jeweils Cosinusschwingungen voraus:

$$ z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (2 \pi f_{\rm T} t),\hspace{0.2cm} A_{\rm T} = 1\,{\rm V},\hspace{0.2cm} f_{\rm T} = 30\,{\rm kHz},$$
$$ q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (2 \pi f_{\rm N} t),\hspace{0.2cm} A_{\rm N} = 1\,{\rm V},\hspace{0.2cm} f_{\rm N} = 3\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$

Verwenden Sie bei der Lösung dieser Aufgabe die Hilfsgröße

$$w(t) = x(t) - A_0 = z(t) + q(t)\hspace{0.05cm}.$$

Die nichtlineare Kennlinie kann entsprechend einer  Taylorreihe  um den Arbeitspunkt entwickelt werden:

$$y(x) = y(A_0) + \frac{1}{1!} \cdot y\hspace{0.08cm}{\rm '}(A_0) \cdot (x - A_0)+ \frac{1}{2!} \cdot y\hspace{0.08cm}''(A_0) \cdot (x - A_0)^2+ \frac{1}{3!} \cdot y\hspace{0.08cm}'''(A_0) \cdot (x - A_0)^3 + \text{ ...}$$

In Abhängigkeit der Hilfsgröße  $w(t)$  kann das Ausgangssignal dann auch wie folgt dargestellt werden:

$$y(t) = c_0 + c_1 \cdot w(t) + c_2 \cdot w^2(t)+ c_3 \cdot w^3(t) +\text{ ...}$$

Das ZSB–AM–Signal  $s(t)$  erhält man durch die Bandbegrenzung von  $y(t)$  auf den Frequenzbereich von  $\text{23 kHz}$  bis  $\text{37 kHz}$.  Das heißt:  Alle anderen Frequenzen als  $f_{\rm T}$,  $f_{\rm T}±f_{\rm N}$  sowie  $f_{\rm T}±2f_{\rm N}$  werden durch den Bandpass entfernt.

Die Grafik zeigt die Kennlinie  $g(x)$  sowie die Näherungen  $g_1(x)$,  $g_2(x)$  und  $g_3(x)$, wenn man die Taylorreihe nach dem ersten, zweiten oder dritten Term abbricht.  Man erkennt, dass die Näherung  $g_3(x)$  im dargestellten Bereich innerhalb der Zeichengenauigkeit von  $g(x)$  nicht mehr zu unterscheiden ist.





Hinweise:


Fragebogen

1

In welchem Bereich kann das Eingangssignal  $x(t)$  variieren?  Geben Sie den Minimal– und Maximalwert der Hilfsgröße  $w(t) = x(t) - A_0$  an.

$w_{\rm min} \ = \ $

$\ \text{V}$
$w_{\rm max} \ = \ $

$\ \text{V}$

2

Berechnen Sie die Koeffizienten  $c_0$  und  $c_1$  der Taylorreihe.

$c_0 \ = \ $

$\ \text{V}$
$c_1 \ = \ $

3

Wie lauten die Koeffizienten  $c_2$  und  $c_3$  der nichtlinearen Kennlinie?

$c_2\ = \ $

$\ \rm V^{ -1 }$
$c_3\ = \ $

$\ \rm V^{ -2 }$

4

Zeigen Sie, dass sich eine  „ZSB–AM mit Träger”–Konstellation ergibt, wenn man  $c_3$  als vernachlässigbar klein betrachtet.  Wie groß ist der Modulationsgrad  $m$?

$m \ = \ $

5

Welche der Aussagen treffen unter der Voraussetzung zu, dass man  $c_3$  nicht als vernachlässigbar klein betrachten kann?

Das Gewicht der Spektrallinie bei  $f_{\rm T}$  wird nicht verändert.
$s(t)$  beinhaltet nun auch Diraclinien bei  $f_{\rm T} ± 2f_{\rm N}$.
Der kubische Term führt zu nichtlinearen Verzerrungen.
Der kubische Term führt zu linearen Verzerrungen.


Musterlösung

(1)  Aus  $x(t) = A_0 + z(t) + q(t)$  erhält man mit  $A_0 = 2\ \rm V$  und  $A_{\rm T} = A_{\rm N} = 1 \ \rm V$  den möglichen Bereich  $0 \ {\rm V} ≤ x(t) ≤ 4\ \rm V$.

  • Die Hilfsgröße  $w(t)$  kann somit Werte zwischen  $w_{\rm min}\hspace{0.15cm}\underline{ = -2 \ \rm V}$  und  $w_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline{ = +2 \ \rm V}$  annehmen.


(2)  Der Koeffizient  $c_0$  ist gleich dem Kennlinienwert im Arbeitspunkt.  Mit  $A_0 = 2 \ \rm V$  und  $U = 3 \ \rm V$  erhält man:

$$c_0 = y(A_0) = U \cdot \left( 1 -{\rm e} ^{-A_0/U}\right) \hspace{0.15cm}\underline {= 1.460\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Entsprechend gilt für den Taylorkoeffizienten  $c_1$:
$$c_1 = y\hspace{0.06cm}'(A_0)= {\rm e} ^{-A_0/U}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.513}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  Die weiteren Ableitungen  $(n ≥ 2)$  lauten:

$$y^{(n)}(A_0)= \frac{(-1)^{n-1}}{U^{n-1}} \cdot {\rm e} ^{-A_0/U} \hspace{0.05cm}.$$
  • Daraus ergeben sich folgende Koeffizienten:
$$ c_2 = \frac{1}{2!} \cdot y^{(2)}(A_0)= \frac{1}{2U} \cdot {\rm e}^{-A_0/U} \hspace{0.15cm}\underline {= -0.086\,{\rm V^{-1}}}\hspace{0.05cm},$$
$$c_3 = \frac{1}{3!} \cdot y^{(3)}(A_0)= \frac{1}{6U^2} \cdot {\rm e}^{-A_0/U}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.0095\,{\rm V^{-2}}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Setzt man  $c_3 = 0$, so lautet das Ausgangssignal des Verstärkers:

$$y(t) = c_0 + c_1 \cdot (z(t) + q(t)) + c_2 \cdot (z^2(t) + q^2(t) + 2 \cdot z(t) \cdot q(t))\hspace{0.05cm}.$$
  • Nach dem Bandpass verbleiben somit noch folgende Signalanteile:
$$s(t) = c_1 \cdot z(t) + 2 \cdot c_2 \cdot z(t) \cdot q(t) = \left[c_1 \cdot A_{\rm T} + 2 \cdot c_2 \cdot A_{\rm T} \cdot A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} t)\right] \cdot \cos(\omega_{\rm T} t)\hspace{0.05cm}.$$
  • Der Modulationsgrad ist dann als Quotient der „Amplitude” der Nachrichtenschwingung zur „Amplitude” des Trägers zu bestimmen:
$$m = \frac{2 \cdot |c_2| \cdot A_{\rm T} \cdot A_{\rm N}}{|c_1| \cdot A_{\rm T}} = \frac{2 \cdot |c_2| \cdot A_{\rm N}}{|c_1| }= \frac{2 \cdot 0.086 \cdot 1\,{\rm V}}{0.513 }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.335}\hspace{0.05cm}.$$


(5)  Richtig sind die Aussagen 2 und 3:

  • Unter Berücksichtigung des kubischen Anteils beinhaltet  $y(t)$  noch folgende weitere Anteile:
$$y_3(t) = c_3 \cdot (z(t) + q(t))^3 = c_3 \cdot z^3(t) + 3 \cdot c_3 \cdot z^2(t) \cdot q(t)+ 3 \cdot c_3 \cdot z(t) \cdot q^2(t) + c_3 \cdot q^3(t) \hspace{0.05cm}.$$
  • Der erste Term führt zu Anteilen bei  $f_{\rm T}$  und  $3f_{\rm T}$, der letzte bei  $f_{\rm N}$  und  $3f_{\rm N}$.  Der zweite Term ergibt einen Anteil bei  $f_{\rm N}$  und weitere bei  $2f_{\rm T} ± f_{\rm N}$:
$$3 \cdot c_3 \cdot z^2(t) \cdot q(t)= {3}/{2 } \cdot A_{\rm T}^2 \cdot A_{\rm N} \cdot \left[ \cos(\omega_{\rm N} t) + \cos(2\omega_{\rm T} t) \cdot \cos(\omega_{\rm N} t)\right] \hspace{0.05cm}.$$
  • Entsprechend führt der dritte Summand in obiger Gleichung zu
$$3 \cdot c_3 \cdot z(t) \cdot q^2(t)= {3}/{2 } \cdot A_{\rm T} \cdot A_{\rm N}^2 \cdot \left[ \cos(\omega_{\rm T} t) + \cos(\omega_{\rm T} t)\cdot \cos(2 \omega_{\rm N} t)\right] \hspace{0.05cm}.$$
  • Innerhalb des Frequenzbereichs von  $\text{23 kHz}$  bis  $\text{37 kHz}$  kommt es also tatsächlich zu einer Veränderung der Spektrallinie bei  $f_{\rm T}$  und es entstehen neue Diraclinien bei  $f_{\rm T} ± 2f_{\rm N}$, also bei  $\text{24 kHz}$  und  $\text{36 kHz}$.
  • Die dadurch verbundenen Verzerrungen sind somit nichtlinear   ⇒   Antwort 3 ist richtig und Antwort 4 ist falsch.