Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.6Z: Magnitude and Phase"

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[[File:P_ID348__Sig_Z_2_6.png|right|frame|Zu analysierendes Signal  $x(t)$]]
 
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Es soll der Zusammenhang aufgezeigt werden zwischen
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The relationship between
  
:* den reellen Fourierkoeffizienten  $A_n$  und  $B_n$,
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:* the real Fourier coefficients  $A_n$  und  $B_n$,
  
:* den komplexen Koeffizienten  $D_n$, sowie
+
:* the complex coefficients  $D_n$, sowie
  
:* den Betrags– bzw. Phasenkoeffizienten  $(C_n$,  $\varphi_n)$.
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:* the magnitude or phase coefficients  $(C_n$,  $\varphi_n)$.
  
  
  
Dazu betrachten wir das periodische Signal
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For this we consider the periodic signal
 
:$$x(t)=1{\rm V+2V}\cdot\cos(\omega_0 t)  +{\rm 2V}\cdot\cos(2\omega_0 t)- \ {\rm 1V}\cdot\sin(2\omega_0 t)-{\rm 1V}\cdot\sin(3\omega_0 t).$$
 
:$$x(t)=1{\rm V+2V}\cdot\cos(\omega_0 t)  +{\rm 2V}\cdot\cos(2\omega_0 t)- \ {\rm 1V}\cdot\sin(2\omega_0 t)-{\rm 1V}\cdot\sin(3\omega_0 t).$$
  
Dieses Signal ist in der Grafik im Bereich von  $–2T_0$  bis  $+2T_0$  dargestellt.
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This signal is shown in the graph in the range from  $–2T_0$  bis  $+2T_0$  dargestellt.
  
  
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''Hinweise:''  
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''Hints:''  
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Signal_Representation/Fourier_Series|Fourierreihe]].
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*This exercise belongs the the chapter  [[Signal_Representation/Fourier_Series|Fourier Series]].
*Eine kompakte Zusammenfassung der Thematik finden Sie in den beiden Lernvideos
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*You can find a compact summary of the topic in the two learning videos
 
::[[Zur_Berechnung_der_Fourierkoeffizienten_(Lernvideo)|Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten]],
 
::[[Zur_Berechnung_der_Fourierkoeffizienten_(Lernvideo)|Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten]],
 
::[[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|Eigenschaften der Fourierreihendarstellung]].
 
::[[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|Eigenschaften der Fourierreihendarstellung]].
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===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Werte besitzen die Koeffizienten&nbsp; $A_0$,&nbsp; $D_0$,&nbsp; $C_0$ und&nbsp; $\varphi_0$?
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{What are the values of the coefficients&nbsp; $A_0$,&nbsp; $D_0$,&nbsp; $C_0$ and&nbsp; $\varphi_0$?
 
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$A_0\ = \ $  { 1 3% } &nbsp;$\text{V}$
 
$A_0\ = \ $  { 1 3% } &nbsp;$\text{V}$
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{Welche der Cosinus– und Sinuskoeffizienten sind ungleich Null?
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{Which of the cosine and sine coefficients are not equal to zero?
 
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+ $\ A_1$,
 
+ $\ A_1$,
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{Welche Werte besitzen die Koeffizienten&nbsp; $\varphi_1$,&nbsp; $C_1$&nbsp; und&nbsp; $D_1$?
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{What are the values of the coefficients&nbsp; $\varphi_1$,&nbsp; $C_1$&nbsp; und&nbsp; $D_1$?
 
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$\varphi_1\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{Grad}$
 
$\varphi_1\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{Grad}$
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{Welche Werte besitzen die Koeffizienten&nbsp; $\varphi_2$,&nbsp; $C_2$&nbsp; und&nbsp; $D_2$?
+
{What are the values of the coefficients&nbsp; $\varphi_2$,&nbsp; $C_2$&nbsp; und&nbsp; $D_2$?
 
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$\varphi_2\ = \ $  { -26.6--26.5 } &nbsp;$\text{Grad}$
 
$\varphi_2\ = \ $  { -26.6--26.5 } &nbsp;$\text{Grad}$
Line 71: Line 71:
  
  
{Welche Werte besitzen die Koeffizienten&nbsp; $\varphi_3$&nbsp; und&nbsp; $C_3$?
+
{What are the values of the coefficients&nbsp; $\varphi_3$&nbsp; und&nbsp; $C_3$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\varphi_3\ = \ $  { -91--89 } &nbsp;$\text{Grad}$
 
$\varphi_3\ = \ $  { -91--89 } &nbsp;$\text{Grad}$
Line 77: Line 77:
  
  
{Wie groß ist der komplexe Fourierkoeffizient&nbsp; $D_\text{–3}$?
+
{What is the value of the complex Fourier coefficient&nbsp; $D_\text{–3}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\text{Re}[D_{-3}]\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{V}$
 
$\text{Re}[D_{-3}]\ = \ $ { 0. } &nbsp;$\text{V}$
Line 85: Line 85:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
 
'''(1)'''&nbsp;  Der Gleichsignalkoeffizient beträgt&nbsp; $A_0 = 1\,{\rm  V}$.  
 
'''(1)'''&nbsp;  Der Gleichsignalkoeffizient beträgt&nbsp; $A_0 = 1\,{\rm  V}$.  

Revision as of 22:30, 16 January 2021

Zu analysierendes Signal  $x(t)$

The relationship between

  • the real Fourier coefficients  $A_n$  und  $B_n$,
  • the complex coefficients  $D_n$, sowie
  • the magnitude or phase coefficients  $(C_n$,  $\varphi_n)$.


For this we consider the periodic signal

$$x(t)=1{\rm V+2V}\cdot\cos(\omega_0 t) +{\rm 2V}\cdot\cos(2\omega_0 t)- \ {\rm 1V}\cdot\sin(2\omega_0 t)-{\rm 1V}\cdot\sin(3\omega_0 t).$$

This signal is shown in the graph in the range from  $–2T_0$  bis  $+2T_0$  dargestellt.




Hints:

  • This exercise belongs the the chapter  Fourier Series.
  • You can find a compact summary of the topic in the two learning videos
Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten,
Eigenschaften der Fourierreihendarstellung.


Questions

1

What are the values of the coefficients  $A_0$,  $D_0$,  $C_0$ and  $\varphi_0$?

$A_0\ = \ $

 $\text{V}$
$D_0\ = \ $

 $\text{V}$
$C_0\ = \ $

 $\text{V}$
$\varphi_0\ = \ $

 $\text{Grad}$

2

Which of the cosine and sine coefficients are not equal to zero?

$\ A_1$,
$\ B_1$,
$\ A_2$,
$\ B_2$,
$\ A_3$,
$\ B_3$.

3

What are the values of the coefficients  $\varphi_1$,  $C_1$  und  $D_1$?

$\varphi_1\ = \ $

 $\text{Grad}$
$C_1\ = \ $

 $\text{V}$
$\text{Re}[D_1]\ = \ $

 $\text{V}$
$\text{Im}[D_1] \ = \ $

 $\text{V}$

4

What are the values of the coefficients  $\varphi_2$,  $C_2$  und  $D_2$?

$\varphi_2\ = \ $

 $\text{Grad}$
$C_2\ = \ $

 $\text{V}$
$\text{Re}[D_2]\ = \ $

 $\text{V}$
$\text{Im}[D_2]\ = \ $

 $\text{V}$

5

What are the values of the coefficients  $\varphi_3$  und  $C_3$?

$\varphi_3\ = \ $

 $\text{Grad}$
$C_3\ = \ $

 $\text{V}$

6

What is the value of the complex Fourier coefficient  $D_\text{–3}$?

$\text{Re}[D_{-3}]\ = \ $

 $\text{V}$
$\text{Im}[D_{-3}]\ = \ $

 $\text{V}$


Solution

(1)  Der Gleichsignalkoeffizient beträgt  $A_0 = 1\,{\rm V}$.

  • Gleichzeitig gilt  $C_0 = D_0 = A_0 \hspace{0.1cm}\Rightarrow \hspace{0.1cm} C_0 \hspace{0.1cm}\underline{= 1\,{\rm V}}, \varphi_0 \hspace{0.1cm}\underline{= 0}$.


(2)  Richtig sind die Antworten 1, 3, 4 und 6:

  • Es gibt keine Anteile mit  $\sin(\omega_0t)$  und  $\cos(3\omega_0t)$.
  • Daraus folgt direkt  $B_1 = A_3 = 0$.
  • Alle anderen hier aufgeführten Koeffizienten sind ungleich Null.


(3)  Allgemein gilt:

$$\varphi_n=\arctan\left({B_n}/{A_n}\right),\hspace{0.5cm}C_n=\sqrt{A_n^2+B_n^2},\hspace{0.5cm}D_n={1}/{2} \cdot (A_n-{\rm j}\cdot B_n).$$
  • Wegen  $B_1 = 0$  erhält man  $\varphi_1 \hspace{0.1cm}\underline{= 0}, \ C_1 = A_1 \hspace{0.1cm}\underline{= 2 \,{\rm V}}$  und  $D_1 = A_1/2 \hspace{0.1cm}\underline{= 1 \,{\rm V}}$.


(4)  Mit  $A_2 = 2\,{\rm V}$  und  $B_2 = -1\,{\rm V}$  erhält man:

$$\varphi_2=\arctan(-0.5)\hspace{0.15cm}\underline{=-26.56^{\circ}},\hspace{0.5cm}C_2=\sqrt{A_2^2+B_2^2}\hspace{0.15cm}\underline{=2.236 \; \rm V},$$
$$D_2={1}/{2} \cdot (A_2-{\rm j}\cdot B_2)=1\;\rm V+{\rm j}\cdot 0.5\, {\rm V} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Re}[D_2]\hspace{0.15cm}\underline{ = 1 \,{\rm V}}, \hspace{0.2cm}{\rm Im}[D_2]\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.5\, {\rm V}} .$$


(5)  Es ist  $\varphi_3 \hspace{0.15cm}\underline{=\hspace{0.1cm}-90^{\circ}}$  und  $C_3 = |B_3| \hspace{0.15cm}\underline{ = 1 \,{\rm V}}$.


(6)  Es gilt  $D_3 = -{\rm j} · B_3/2 ={\rm j}· 0.5 \,{\rm V}$  und  $D_\text{–3} = D_3^{\star} ={\rm j}· B_3/2 = {- {\rm j} · 0.5 \,{\rm V}}$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{Re}[D_{-3}]\hspace{0.15cm}\underline{=0}, \hspace{0.5cm}\text{Im}[D_{-3}]\hspace{0.15cm}\underline{=\hspace{0.1cm}- 0.5 \,{\rm V}}.$$