Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.1: Linear? Or Non-Linear?"

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'''(2)'''&nbsp; Möglich sind die <u>Alternativen 2 und 3</u>:
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'''(2)'''&nbsp; <u>Alternatives 2 snd 3</u> are possible:
*Ein ideales System kommt wegen&nbsp; $z(t) &ne; x(t)$&nbsp; nicht in Frage.  
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*An ideal system is out of the question because of&nbsp; $z(t) &ne; x(t)$&nbsp;.  
*Bei nur einer Eingangsfrequenz&nbsp; $(f_0 = 5 \ \rm kHz)$&nbsp; im Testsignal ist keine Aussage möglich, ob eine zweite Frequenzkomponente mit&nbsp; $f \ne f_0$&nbsp; ebenfalls um &nbsp;$\alpha = 0.5$&nbsp; gedämpft und um &nbsp;$\tau = T_0/4  = 50 \ &micro;\rm  s$&nbsp; verzögert würde.  
+
*With only one input frequency&nbsp; $(f_0 = 5 \ \rm kHz)$&nbsp; in the test signal it is not possible to make a statement whether a second frequency component with&nbsp; $f \ne f_0$&nbsp; would also be attenuated by&nbsp;$\alpha = 0.5$&nbsp; and delayed by&nbsp;$\tau = T_0/4  = 50 \ &micro;\rm  s$&nbsp;.  
*Ergäbe sich für die zweite Frequenz &nbsp;$\alpha = 0.5$&nbsp; und &nbsp;$\tau = T_0/4  = 50 \ &micro; \rm s$, so könnte ein ''verzerrungsfreies System'' vorliegen.
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*If for the second frequency component&nbsp;$\alpha = 0.5$&nbsp; and &nbsp;$\tau = T_0/4  = 50 \ &micro; \rm s$ arose as a result, a ''distortion-free system'' could exist.
*Ergäbe sich für die zweite Frequenzkomponente &nbsp;$\alpha \ne 0.5$&nbsp; und/oder &nbsp;$\tau \ne T_0/4$, so wäre das System ''linear verzerrend''.
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*If for the second frequency component&nbsp;$\alpha \ne 0.5$&nbsp; and/or &nbsp;$\tau \ne T_0/4$ arose as a result, then the system would be ''linearly distorting''.
*Die letzte Alternative müsste der Beobachter &ndash; obwohl teilweise zutreffend &ndash; logischerweise verneinen.
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*The last alternative would have to be logically denied &ndash; although partially &ndash; by the observer.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:  
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'''(3)'''&nbsp; <u>Approach 2</u> is correct:  
 
*Der Beobachter würde erkennen, dass&nbsp; $S_2$&nbsp; ein linear verzerrendes System ist.  
 
*Der Beobachter würde erkennen, dass&nbsp; $S_2$&nbsp; ein linear verzerrendes System ist.  
 
*Bei einem verzerrungsfreien System müsste&nbsp; $z(t)$&nbsp; zusätzlich noch eine Gleichkomponente und eine&nbsp; &nbsp;$10 \ \rm kHz$&ndash;Komponente beinhalten,  
 
*Bei einem verzerrungsfreien System müsste&nbsp; $z(t)$&nbsp; zusätzlich noch eine Gleichkomponente und eine&nbsp; &nbsp;$10 \ \rm kHz$&ndash;Komponente beinhalten,  
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cos}(2\pi \cdot {20 \, \rm kHz} \cdot t ) .$$
 
cos}(2\pi \cdot {20 \, \rm kHz} \cdot t ) .$$
  
*Möglich sind also die <u>Lösungsvorschläge 1 und 3</u>, je nachdem, ob das System&nbsp; $S_2$&nbsp; die Frequenz&nbsp; $20 \ {\rm kHz}$&nbsp; unterdrückt oder durchlässt.
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*Möglich sind also die <u>Lösungsvorschläge 1 and 3</u>, je nachdem, ob das System&nbsp; $S_2$&nbsp; die Frequenz&nbsp; $20 \ {\rm kHz}$&nbsp; unterdrückt oder durchlässt.
  
  

Revision as of 22:05, 9 September 2021

Interconnected system

We consider the sketched arrangement with input  $x(t)$  and output $z(t)$:

  • The system $S_1$  is describable by the following equation:
$$y(t) = x(t) + {1 \, \rm V}^{\rm -1} \cdot x^2(t) .$$
  • Nothing else is known about the system  $S_2$  with input  $y(t)$  and output  $z(t)$ .
  • The system $S_3$  is the interconnection of  $S_1$  and  $S_2$.


An oscillation with frequency  $f_0 = 5 \ \rm kHz$  is applied to the input:

$$x(t) = {2 \, \rm V} \cdot {\rm cos}(2\pi f_0 t ) .$$

Hence, at the output of the overall system  $S_3$ the following is obtained:

$$z(t) = {1 \, \rm V} \cdot {\rm sin}(2\pi f_0 t ) .$$





Please note:

  • The following trigonometric relation is given:
$$\cos^2(\alpha) = {1}/{2} \cdot \big[ 1 + \cos(2\alpha)\big].$$


Questions

1

What is the signal $y(t)$? What is the signal value at time zero?

$y(t = 0) \ = \ $

$\ \rm V$

2

What correct conclusions could be drawn by an observer who only knows the signals $x(t)$  and  $z(t)$  but not the structure of  $S_3$?

$S_3$  is an ideal system.
$S_3$  is a distortion-free system.
$S_3$  is a linearly distorting system.
$S_3$  is a non-linearly distorting system.

3

What conclusions would the observer have to draw if all the information from the information page is known to them?

$S_2$  is a distortion-free system.
$S_2$  is a linearly distorting system.
$S_2$  is a non-linearly distorting system.

4

What signal $z(t)$  could arise as a result with the input frequency $f_0 = 10 \ \rm kHz$ ?

The signal  $z(t)$  is zero for all times.
A signal of the form $z(t) = A \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot 10 \ {\rm kHz} \cdot t ) ,$ with $A \ne 0.$
A signal of the form $z(t) = A \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot 20 \ {\rm kHz} \cdot t ) ,$ with $A \ne 0.$


Solution

(1)  The following holds due to the characteristic curve with linear and quadratic components:

$$y(t) = {2 \, \rm V} \cdot {\rm cos}(2\pi f_0 t ) + {1 \, \rm V}^{\rm -1} \cdot ({2 \, \rm V})^2 \cdot {\rm cos}^2(2\pi f_0 t ) = {2 \, \rm V} \cdot \big[ 1 + {\rm cos}(2\pi \cdot f_0 \cdot t ) +{\rm cos}(2\pi \cdot 2f_0 \cdot t ) \big].$$
  • Therefore, the signal value 6 V occurs at time  $t= 0$ .


(2)  Alternatives 2 snd 3 are possible:

  • An ideal system is out of the question because of  $z(t) ≠ x(t)$ .
  • With only one input frequency  $(f_0 = 5 \ \rm kHz)$  in the test signal it is not possible to make a statement whether a second frequency component with  $f \ne f_0$  would also be attenuated by $\alpha = 0.5$  and delayed by $\tau = T_0/4 = 50 \ µ\rm s$ .
  • If for the second frequency component $\alpha = 0.5$  and  $\tau = T_0/4 = 50 \ µ \rm s$ arose as a result, a distortion-free system could exist.
  • If for the second frequency component $\alpha \ne 0.5$  and/or  $\tau \ne T_0/4$ arose as a result, then the system would be linearly distorting.
  • The last alternative would have to be logically denied – although partially – by the observer.


(3)  Approach 2 is correct:

  • Der Beobachter würde erkennen, dass  $S_2$  ein linear verzerrendes System ist.
  • Bei einem verzerrungsfreien System müsste  $z(t)$  zusätzlich noch eine Gleichkomponente und eine   $10 \ \rm kHz$–Komponente beinhalten,
  • bei einem nichtlinear verzerrenden System noch größere Frequenzanteile  $($bei Vielfachen von  $10 \ \rm kHz)$.


(4)  In diesem Fall würde gelten:

$$y(t) = {2 \, \rm V} \cdot \big[ 1 + {\rm cos}(2\pi \cdot 10 \ {\rm kHz} \cdot t ) +{\rm cos}(2\pi \cdot 20 \ {\rm kHz} \cdot t ) \big].$$
  • Das heißt:   $Y(f)$  würde Spektrallinien bei  $f = 0$,  $10 \ \rm kHz$  und  $20 \ \rm kHz$  aufweisen.
  • Die auf der Angabenseite beschriebene Messung mit  $f_0 = 5 \ \rm kHz$  hat aber gezeigt, dass  $H_2(f = 0) = H_2(f = 10 \ {\rm kHz}) = 0$  gelten muss.
  • Die einzig mögliche Signalform ist somit
$$z(t) = {2 \, \rm V} \cdot H_2 (f = {20 \, \rm kHz})\cdot {\rm cos}(2\pi \cdot {20 \, \rm kHz} \cdot t ) .$$
  • Möglich sind also die Lösungsvorschläge 1 and 3, je nachdem, ob das System  $S_2$  die Frequenz  $20 \ {\rm kHz}$  unterdrückt oder durchlässt.