Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.7Z: Overall Systems Analysis"

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{{quiz-Header|Buchseite=Lineare zeitinvariante Systeme/Einige systemtheoretische Tiefpassfunktionen}}
+
{{quiz-Header|Buchseite=Linear_and_Time_Invariant_Systems/Some_Low-Pass_Functions_in_Systems_Theory}}
  
[[File:P_ID865__LZI_Z_1_7.png|right|System mit Gaußtiefpässen und nichtlinearer Kennlinie (Aufgabe Z1.7)]] Ein Gesamtsystem $G$ mit Eingang $w(t)$ und Ausgang $z(t)$ besteht aus drei Komponenten:
+
[[File:EN_LZI_Z_1_7.png|right|frame|System with Gaussian low-passe filters and non-linear characteristic curve]]  
*Die erste Komponente ist ein Gaußtiefpass mit Impulsantwort
+
An overall system  $G$  with input $w(t)$  and output  $z(t)$  consists of three components:
$$h_1(t) = \frac{1}{\Delta t_1} \cdot {\rm e}^{-\pi(t/\Delta t_1)^2}, \hspace{0.5cm} \Delta
+
*The first component is a Gaussian low-pass filter with impulse response
 +
:$$h_1(t) = \frac{1}{\Delta t_1} \cdot {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (t/\Delta t_1)^2}, \hspace{0.5cm} \Delta
 
  t_1= {0.3\,\rm ms}.$$
 
  t_1= {0.3\,\rm ms}.$$
*Danach folgt eine Nichtlinearität mit Kennlinie
+
*This is then followed by a non-linearity with the characteristic curve
$$y(t) = \left\{ \begin{array}{c} {8\,\rm V} \\ 2 \cdot x(t)  \\  {-8\,\rm V} \\  \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{10}c}  {\rm{f\ddot{u}r}}  \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\  \end{array}\begin{array}{*{20}c} {x(t) \ge {4\,\rm V}},  \\
+
:$$y(t) = \left\{ \begin{array}{c} +{8\,\rm V} \\ 2 \cdot x(t)  \\  {-8\,\rm V} \\  \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{10}c}  {\rm{f\ddot{u}r}}  \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\  \end{array}\begin{array}{*{20}c} {x(t) \ge +{4\,\rm V}},  \\
{{-4\,\rm V} < x(t) < {4\,\rm V}},  \\ {x(t)\le {-4\,\rm V}}.  \\ \end{array}$$
+
{{-4\,\rm V} < x(t) < +{4\,\rm V}},  \\ {x(t)\le {-4\,\rm V}}.  \\ \end{array}$$
:Deren Eingangssignal $x(t)$ wird um den Faktor 2 verstärkt und falls nötig auf den Amplitudenbereich ±8V begrenzt.
+
:&rArr; &nbsp; The input signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; of the non-linearity is amplified by the factor&nbsp; $2$&nbsp; and if necessary limited to the range&nbsp; $±8 \ \rm V$&nbsp;.
*Am Ende der Kette folgt wieder ein Gaußtiefpass, der durch seinen Frequenzgang gegeben ist:
+
*At the end of the chain there is again a Gaussian low-pass filter given by its frequency response:
$$H_3(f) = {\rm e}^{-\pi(f/\Delta f_3)^2}, \hspace{0.5cm} \Delta f_3= {2.5\,\rm kHz}.$$
+
:$$H_3(f) = {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(f/\Delta f_3)^2}, \hspace{0.5cm} \Delta f_3= {2.5\,\rm kHz}.$$
  
 +
Let the input signal&nbsp;$w(t)$&nbsp; of the overall system be a Gaussian pulse with amplitude&nbsp; $5 \ \rm V$&nbsp; and variable (equivalent) duration&nbsp; $T$:
 +
:$$w(t) = {5\,\rm V}\cdot {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(t/T)^2}.$$
 +
What needs to be investigated is the range in which the equivalent impulse duration&nbsp; $T$&nbsp; of this Gaussian pulse can vary such that the overall system can be entirely described by the frequency response
 +
:$$H_{\rm G}(f) = K \cdot {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(f/\Delta f_{\rm G})^2}.$$
 +
Here, the subscript "G" in frequency response and bandwidth stands for "Gesamtsystem" (German for "overall system").
  
Das Eingangssignal $w(t)$ sei ein Gaußimpuls mit konstanter Amplitude 5 V, aber variabler Breite $T$:
 
$$w(t) = {5\,\rm V}\cdot {\rm e}^{-\pi(t/T)^2}.$$
 
Zu untersuchen ist, in welchem Bereich die äquivalente Impulsdauer $T$ dieses Gaußimpulses variieren kann, damit das Gesamtsystem durch den Frequenzband
 
$$H_{\rm G}(f) = K \cdot {\rm e}^{-\pi(f/\Delta f_{\rm G})^2}$$
 
vollständig beschrieben wird. Der Index „G” bei Frequenzgang und Bandbreite bezieht sich jeweils auf „Gesamtsystem”.
 
  
  
'''Hinweis:''' Die Aufgabe bezieht sich auf den Abschnitt [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Einige_systemtheoretische_Tiefpassfunktionen#Gau.C3.9F.E2.80.93Tiefpass|Gaußtiefpass]] im Kapitel 1.3.
 
  
  
===Fragebogen===
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''Please note:''
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*The exercise belongs to the chapter &nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Some_Low-Pass_Functions_in_Systems_Theory|Some Low-Pass Functions in Systems Theory]]. 
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*In particular, reference is made to the page&nbsp;  [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Some_Low-Pass_Functions_in_Systems_Theory#Gaussian_low-pass_filter|Gaussian low-pass filter]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, damit das Gesamtsystem durch einen einzigen Frequenzgang beschreibbar ist?
+
{What conditions must be satisfied for the overall system to be describable by a single frequency response?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen $w(t)$ und $z(t)$.
+
+ There is a linear relationship between&nbsp; $w(t)$&nbsp; and&nbsp; $z(t)$.
- $H_3(f)$ muss schmalbandiger sein als $H_1(f)$.
+
- $H_3(f)$&nbsp; must be more narrow-band than&nbsp; $H_1(f)$.
+ Das Signal $x(t)$ darf betragsmäßig nicht größer sein als 4 V.
+
+ The signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; must not be greater in magnitude than&nbsp; $4 \ \rm V$.
  
  
{Berechnen Sie den Maximalwert für die äquivalente Impulsdauer $T$, damit die unter a) genannten Bedingungen erfüllbar sind.
+
{Compute the maximum value for the equivalent impulse duration&nbsp; $T$ so that the conditions given in&nbsp; '''(1)'''&nbsp; are satisfiable.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$T_{\rm max} =$ { 0.4 } ms
+
$T_{\rm max} \ = \ $ { 0.4 3% } $\ \rm  ms$
  
  
{Geben Sie die Parameter des Gesamtfrequenzgangs $H_{\rm G}(f)$ an.
+
{Specify the parameters of the overall frequency response&nbsp; $H_{\rm G}(f)$&nbsp;.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$K =$ { 2 }
+
$K \ = \ $ { 2 3% }
$\Delta f_{\rm G} =$ { 2 } kHz
+
$\Delta f_{\rm G} = \ $ { 2 3% } $\ \rm  kHz$
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:'''a)''' Die erste Aussage ist zutreffend: Nur für ein lineares System kann ein Frequenzgang angegeben werden. Damit dies hier möglich ist, darf die Nichtlinearität keine Rolle spielen. Das heißt, es muss sicher gestellt sein, dass $|x(t)|$ nicht größer als 4 V ist.
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Answers 1 and 3</u> are correct:
 +
*The first statement is correct: &nbsp; A frequency response can only be specified for a linear system.  
 +
*For this to be possible here, nonlinearity must not play a role.  
 +
*That is, it must be ensured that&nbsp; $|x(t)|$&nbsp; is not greater than&nbsp; $4 \ \rm V$&nbsp;.
 +
*In contrast to this, the second statement is not true: &nbsp;The bandwidth of&nbsp; $H_3(f)$&nbsp; does not affect whether the non-linearity can be eliminated or not.  
  
:Dagegen ist die zweite Aussage nicht zutreffend. Die Bandbreite von $H_3(f)$ hat keinen Einfluss darauf, ob die Nichtlinearität elimimiert werden kann oder nicht. Richtig sind also die $\ \rm \underline{Antworten \ 1 \ und \ 3}$.
 
  
  
:'''b)''' Der erste Gaußtiefpass wird im Frequenzbereich wie folgt beschrieben:
+
'''(2)'''&nbsp;  The first Gaussian low-pass filter is described in the frequency domain as follows:
$$\begin{align*}X(f) & =  W(f) \cdot H_1(f) = {5\,\rm V}\cdot T \cdot {\rm e}^{-\pi(f \cdot T)^2} \cdot {\rm e}^{-\pi(f/\Delta f_1)^2}\\ & =  {5\,\rm V}\cdot T \cdot {\rm e}^{-\pi f^2 (T^2 + \Delta t_1^2)}= {5\,\rm V}\cdot T \cdot {\rm e}^{-\pi(f/\Delta f_x)^2}.\end{align*}$$
+
:$$X(f) =  W(f) \cdot H_1(f) = {5\,\rm V}\cdot T \cdot {\rm e}^{-\pi(f \cdot T)^2} \cdot {\rm e}^{-\pi(f/\Delta f_1)^2} =  {5\,\rm V}\cdot T \cdot {\rm e}^{-\pi f^2 (T^2 + \Delta t_1^2)}= {5\,\rm V}\cdot T \cdot {\rm e}^{-\pi(f/\Delta f_x)^2}.$$
:Hierbei bezeichnet $Δf_x$ die äquivalente Bandbreite von $X(f)$. Der Signalwert bei $t =$ 0 – gleichzeitig der Maximalwert des Signals – ist gleich der Spektralfläche; dieser soll nicht größer werden als 4 V:
+
*Here, &nbsp; $Δf_x$&nbsp; denotes the equivalent bandwidth of&nbsp; $X(f)$.  
$$x_{\rm max} = x(t =0) = {5\,\rm V}\cdot T \cdot \Delta f_x \le {4\,\rm V}.$$
+
*The signal value at&nbsp; $t = 0$&nbsp; is equal to the spectral area and at the same time to the maximum value of the signal:
:Daraus folgt durch Koeffizientenvergleich:
+
*This should not exceed $4 \ \rm V$:
$$\begin{align*}\frac{1}{T \cdot \Delta f_x} > \frac{5}{4}\hspace{0.1cm} & \Rightarrow  \hspace{0.1cm} \frac{1}{T^2 \cdot \Delta f_x^2} > \frac{25}{16}\hspace{0.3cm}
+
:$$x_{\rm max} = x(t =0) = {5\,\rm V}\cdot T \cdot \Delta f_x \le {4\,\rm V}.$$
\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{T^2 + \Delta t_1^2}{T^2} > \frac{25}{16}\\
+
*From this it follows by comparison of coefficients:
& \Rightarrow  \hspace{0.1cm}\frac{ \Delta t_1^2}{T^2} >
+
:$$\frac{1}{T \cdot \Delta f_x} > \frac{5}{4}\hspace{0.1cm} \Rightarrow  \hspace{0.1cm} \frac{1}{T^2 \cdot \Delta f_x^2} > \frac{25}{16}
 +
\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{T^2 + \Delta t_1^2}{T^2} > \frac{25}{16}$$
 +
:$$ \Rightarrow  \hspace{0.1cm}\frac{ \Delta t_1^2}{T^2} >
 
\frac{9}{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\frac{T^2}{
 
\frac{9}{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\frac{T^2}{
 
\Delta t_1^2} \le \frac{16}{9}\hspace{0.3cm}\Rightarrow
 
\Delta t_1^2} \le \frac{16}{9}\hspace{0.3cm}\Rightarrow
\hspace{0.3cm} T \le \frac{4}{3} \cdot \Delta t_1 \hspace{0.15cm}\underline{= {0.4\,\rm ms}}.\end{align*}$$
+
\hspace{0.3cm} T \le \frac{4}{3} \cdot \Delta t_1 \hspace{0.15cm}\underline{= {0.4\,\rm ms}}.$$
:Die Kontrollrechnung ergibt:
+
*The control calculation yields:
$$\Delta t_x = \sqrt{T^2 + \Delta t_1^2} = \sqrt{({0.4\,\rm ms})^2 + ({0.3\,\rm ms})^2} = {0.5\,\rm ms} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_x = \frac{1}{\Delta t_x}= {2\,\rm kHz}\\$$
+
:$$\Delta t_x = \sqrt{T^2 + \Delta t_1^2} = \sqrt{({0.4\,\rm ms})^2 + ({0.3\,\rm ms})^2} = {0.5\,\rm ms} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_x = {1}/{\Delta t_x}= {2\,\rm kHz}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t=0) = {5\,\rm V}\cdot T \cdot \Delta f_x = {5\,\rm V}\cdot {0.4\,\rm ms} \cdot  {2\,\rm kHz} = {4\,\rm V}.$$
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t=0) = {5\,\rm V}\cdot T \cdot \Delta f_x = {5\,\rm V}\cdot {0.4\,\rm ms} \cdot  {2\,\rm kHz} = {4\,\rm V}.$$
 +
 
  
 +
'''(3)'''&nbsp; The Gaussian low-pass filters satisfy the condition&nbsp; $H_1(f = 0) = H_3(f = 0) = 1$.
 +
*Taking into account the gain of the second block in the linear domain the following is thus obtained for the total gain:
 +
:$$\underline{K \ = \ 2}.$$
  
:'''c)''' Die Gaußtiefpässe erfüllen die Bedingung $H_1(f = 0) = H_3(f = 0) = 1$. Unter Berücksichtigung der Verstärkung des zweiten Blocks im linearen Bereich erhält man somit für die Gesamtverstärkung:
+
*For the equivalent impulse duration of the overall system it holds that:
$$\underline{K \ = \ 2}$$
+
:$$\Delta t_{\rm G} = \sqrt{\Delta t_1^2 + \frac{1}{\Delta f_3^2}} = \sqrt{({0.3\,\rm ms})^2 + \left( \frac{1}{{2.5\,\rm
:Für die äquivalente Impulsdauer des Gesamtsystems gilt:
+
  kHz}}\right)^2}={0.5\,\rm ms} \; \; \Rightarrow \; \;  \Delta f_{\rm G} = {1}/{\Delta t_{\rm G}} \hspace{0.15cm}\underline{= {2\,\rm kHz}}.$$
$$\Delta t_{\rm G} = \sqrt{\Delta t_1^2 + \frac{1}{\Delta f_3^2}} = \sqrt{({0.3\,\rm ms})^2 + \left( \frac{1}{{2.5\,\rm
 
  kHz}}\right)^2}={0.5\,\rm ms}$$
 
$$\Rightarrow \Delta f_{\rm G} = \frac{1}{\Delta t_{\rm G}} \hspace{0.15cm}\underline{= {2\,\rm kHz}}.$$
 
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Lineare zeitinvariante Systeme|^1.3 Einige systemtheoretische Tiefpassfunktionen^]]
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[[Category:Linear and Time-Invariant Systems: Exercises|^1.3 Some Low-Pass Functions in Systems Theory^]]

Latest revision as of 14:48, 8 September 2021

System with Gaussian low-passe filters and non-linear characteristic curve

An overall system  $G$  with input $w(t)$  and output  $z(t)$  consists of three components:

  • The first component is a Gaussian low-pass filter with impulse response
$$h_1(t) = \frac{1}{\Delta t_1} \cdot {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} (t/\Delta t_1)^2}, \hspace{0.5cm} \Delta t_1= {0.3\,\rm ms}.$$
  • This is then followed by a non-linearity with the characteristic curve
$$y(t) = \left\{ \begin{array}{c} +{8\,\rm V} \\ 2 \cdot x(t) \\ {-8\,\rm V} \\ \end{array} \right.\quad \quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {x(t) \ge +{4\,\rm V}}, \\ {{-4\,\rm V} < x(t) < +{4\,\rm V}}, \\ {x(t)\le {-4\,\rm V}}. \\ \end{array}$$
⇒   The input signal  $x(t)$  of the non-linearity is amplified by the factor  $2$  and – if necessary – limited to the range  $±8 \ \rm V$ .
  • At the end of the chain there is again a Gaussian low-pass filter given by its frequency response:
$$H_3(f) = {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(f/\Delta f_3)^2}, \hspace{0.5cm} \Delta f_3= {2.5\,\rm kHz}.$$

Let the input signal $w(t)$  of the overall system be a Gaussian pulse with amplitude  $5 \ \rm V$  and variable (equivalent) duration  $T$:

$$w(t) = {5\,\rm V}\cdot {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(t/T)^2}.$$

What needs to be investigated is the range in which the equivalent impulse duration  $T$  of this Gaussian pulse can vary such that the overall system can be entirely described by the frequency response

$$H_{\rm G}(f) = K \cdot {\rm e}^{-\pi\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(f/\Delta f_{\rm G})^2}.$$

Here, the subscript "G" in frequency response and bandwidth stands for "Gesamtsystem" (German for "overall system").





Please note:



Questions

1

What conditions must be satisfied for the overall system to be describable by a single frequency response?

There is a linear relationship between  $w(t)$  and  $z(t)$.
$H_3(f)$  must be more narrow-band than  $H_1(f)$.
The signal  $x(t)$  must not be greater in magnitude than  $4 \ \rm V$.

2

Compute the maximum value for the equivalent impulse duration  $T$ so that the conditions given in  (1)  are satisfiable.

$T_{\rm max} \ = \ $

$\ \rm ms$

3

Specify the parameters of the overall frequency response  $H_{\rm G}(f)$ .

$K \ = \ $

$\Delta f_{\rm G} = \ $

$\ \rm kHz$


Solution

(1)  Answers 1 and 3 are correct:

  • The first statement is correct:   A frequency response can only be specified for a linear system.
  • For this to be possible here, nonlinearity must not play a role.
  • That is, it must be ensured that  $|x(t)|$  is not greater than  $4 \ \rm V$ .
  • In contrast to this, the second statement is not true:  The bandwidth of  $H_3(f)$  does not affect whether the non-linearity can be eliminated or not.


(2)  The first Gaussian low-pass filter is described in the frequency domain as follows:

$$X(f) = W(f) \cdot H_1(f) = {5\,\rm V}\cdot T \cdot {\rm e}^{-\pi(f \cdot T)^2} \cdot {\rm e}^{-\pi(f/\Delta f_1)^2} = {5\,\rm V}\cdot T \cdot {\rm e}^{-\pi f^2 (T^2 + \Delta t_1^2)}= {5\,\rm V}\cdot T \cdot {\rm e}^{-\pi(f/\Delta f_x)^2}.$$
  • Here,   $Δf_x$  denotes the equivalent bandwidth of  $X(f)$.
  • The signal value at  $t = 0$  is equal to the spectral area and at the same time to the maximum value of the signal:
  • This should not exceed $4 \ \rm V$:
$$x_{\rm max} = x(t =0) = {5\,\rm V}\cdot T \cdot \Delta f_x \le {4\,\rm V}.$$
  • From this it follows by comparison of coefficients:
$$\frac{1}{T \cdot \Delta f_x} > \frac{5}{4}\hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} \frac{1}{T^2 \cdot \Delta f_x^2} > \frac{25}{16} \Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{T^2 + \Delta t_1^2}{T^2} > \frac{25}{16}$$
$$ \Rightarrow \hspace{0.1cm}\frac{ \Delta t_1^2}{T^2} > \frac{9}{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\frac{T^2}{ \Delta t_1^2} \le \frac{16}{9}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T \le \frac{4}{3} \cdot \Delta t_1 \hspace{0.15cm}\underline{= {0.4\,\rm ms}}.$$
  • The control calculation yields:
$$\Delta t_x = \sqrt{T^2 + \Delta t_1^2} = \sqrt{({0.4\,\rm ms})^2 + ({0.3\,\rm ms})^2} = {0.5\,\rm ms} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_x = {1}/{\Delta t_x}= {2\,\rm kHz}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} x(t=0) = {5\,\rm V}\cdot T \cdot \Delta f_x = {5\,\rm V}\cdot {0.4\,\rm ms} \cdot {2\,\rm kHz} = {4\,\rm V}.$$


(3)  The Gaussian low-pass filters satisfy the condition  $H_1(f = 0) = H_3(f = 0) = 1$.

  • Taking into account the gain of the second block in the linear domain the following is thus obtained for the total gain:
$$\underline{K \ = \ 2}.$$
  • For the equivalent impulse duration of the overall system it holds that:
$$\Delta t_{\rm G} = \sqrt{\Delta t_1^2 + \frac{1}{\Delta f_3^2}} = \sqrt{({0.3\,\rm ms})^2 + \left( \frac{1}{{2.5\,\rm kHz}}\right)^2}={0.5\,\rm ms} \; \; \Rightarrow \; \; \Delta f_{\rm G} = {1}/{\Delta t_{\rm G}} \hspace{0.15cm}\underline{= {2\,\rm kHz}}.$$