Difference between revisions of "Linear and Time Invariant Systems/Nonlinear Distortions"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Signalverzerrungen und Entzerrung
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|Untermenü=Signal Distortion and Equalization
|Vorherige Seite=Klassifizierung der Verzerrungen
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|Vorherige Seite=Classification_of_the_Distortions
|Nächste Seite=Lineare Verzerrungen
+
|Nächste Seite=Linear_Distortions
 
}}
 
}}
==Eigenschaften nichtlinearer Systeme==
 
Wir gehen in diesem Abschnitt von folgender Konstellation aus:
 
  
[[File:P_ID887__LZI_T_2_2_S1_neu.png  | Beschreibung eines nichtlinearen Systems|right|class=fit]]
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==Properties of nonlinear systems==
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<br>
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The system description by means of the frequency response&nbsp; $H(f)$&nbsp; and/or the impulse response&nbsp; $h(t)$&nbsp; is only possible for an&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/System_Description_in_Frequency_Domain|&raquo;'''LTI system'''&laquo;]].&nbsp; &nbsp; However,&nbsp; if the system contains nonlinear components,&nbsp; as it is assumed for this chapter,&nbsp; no frequency response and no impulse response can be stated.&nbsp; The model must be designed in a more general way.
  
Die Systembeschreibung mittels des Frequenzgangs $H(f)$ und/oder der Impulsantwort $h(t)$ ist nur bei einem LZI–System  möglich. Beinhaltet aber das System auch nichtlineare Komponenten, so sind kein Frequenzgang und auch keine Impulsantwort angebbar und ein Beobachter wird Folgendes feststellen:  
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[[File:EN_LZI_T_2_2_S1.png|frame| Description of a nonlinear system|class=fit]]
*Die Übertragungseigenschaften sind nun auch von der Größe des Eingangssignals abhängig. Führt $x(t)$ zum Ausgangssignal $y(t)$, so kann daraus nun nicht mehr geschlossen werden, dass sich beim Eingangssignal $K · x(t)$ stets das Signal $K · y(t)$ ergeben wird.
 
*Das bedeutet gleichzeitig, dass das Superpositionsprinzip nicht mehr anwendbar ist. Das bedeutet, dass aus den beiden Korrespondenzen $x_1(t) ⇒ y_1(t)$ und $x_2(t) ⇒ y_2(t)$ nicht auf das Übertragungsverhalten $x_1(t) + x_2(t) ⇒ y_1(t) + y_2(t)$ geschlossen werden kann.
 
*Durch Nichtlinearitäten entstehen neue Frequenzen. Ist $x(t)$ eine harmonische Schwingung mit der Frequenz $f_0$, so beinhaltet das Ausgangssignal $y(t)$ auch Anteile bei Vielfachen von $f_0$. Diese bezeichnet man in der Nachrichtentechnik als Oberwellen.
 
*Ein Nachrichtensignal beinhaltet in der Praxis meist sehr viele Frequenzanteile. Die Oberwellen der niederfrequenten Signalanteile fallen nun in den Bereich höherfrequenter Nutzanteile. Dadurch ergeben sich nichtreversible Signalverfälschungen.  
 
  
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Also in this nonlinear system,&nbsp; we denote the signals at the input and the output by&nbsp; $x(t)$&nbsp; resp. &nbsp; $y(t)$&nbsp;  and the corresponding spectral functions by&nbsp; $X(f)$&nbsp; and&nbsp; $Y(f)$.
  
Bevor am Ende der Seite dieses Abschnitts Beispiele für das Auftreten nichtlinearer Verzerrungen in der Praxis genannt werden, soll das Problem der nichtlinearen Verzerrungen mathematisch erfasst werden. Wir setzen dabei voraus, dass das System kein Gedächtnis besitzt, so dass der Ausgangswert $y = y(t_0)$ nur vom momentanen Eingangswert $x = x(t_0)$ abhängt, nicht aber vom Signalverlauf $x(t)$ für $t$ < $t_0$.
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An observer will note the following here:
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*The transmission characteristics are now also&nbsp; '''dependent on the amplitude of the input signal'''.&nbsp; <br>If&nbsp; $x(t)$&nbsp; results in the output signal&nbsp; $y(t)$,&nbsp; it can now no longer be concluded that the input signal&nbsp; $K · x(t)$&nbsp; will always result in the signal&nbsp; $K · y(t)$.
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*This also implies that the&nbsp; '''superposition principle is no longer applicable'''.&nbsp; <br>Consequently,&nbsp; the result&nbsp; $x_1(t) + x_2(t)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; $y_1(t) + y_2(t)$&nbsp; cannot be reasoned from the two correspondences &nbsp; $x_1(t) ⇒ y_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t) ⇒ y_2(t)$.
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*Due to nonlinearities&nbsp; '''new frequencies occur'''.&nbsp; <br>If&nbsp; $x(t)$&nbsp; is a harmonic oscillation with frequency&nbsp; $f_0$,&nbsp; the output signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; also contains components at multiples of&nbsp; $f_0$.&nbsp; In communications engineering, these are referred to as&nbsp; &raquo;harmonics&laquo;.
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*In practice,&nbsp; an information signal&nbsp; $x(t)$&nbsp;  usually contains many frequency components.&nbsp; <br>The harmonics of the low-frequency signal components now fall into the range of higher-frequency components.&nbsp; This results in&nbsp; &raquo;'''nonreversible signal falsifications'''&laquo;.  
  
==Beschreibung nichtlinearer Systeme (1)==
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{{Definition}}
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Before mentioning&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortions#Constellations_which_result_in_nonlinear_distortions|&raquo;constellations which result in nonlinear distortions&laquo;]]&nbsp; at the end of this section,&nbsp; the problem of nonlinear distortions is captured mathematically.
Ein System bezeichnet man als nichtlinear, wenn zu allen Zeiten zwischen dem Signalwert $x = x(t)$ am Eingang und dem Ausgangssignalwert $y = y(t)$ der folgende Zusammenhang besteht:
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{{BlaueBox|TEXT=
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$\text{Definition:}$&nbsp;
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We assume here that&nbsp; '''the system has no memory'''&nbsp; so that
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* the output value&nbsp; $y = y(t_0)$&nbsp; depends only on the instantaneous input value&nbsp; $x = x(t_0)$,&nbsp;
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*but not on the signal curve&nbsp; $x(t)$&nbsp; for&nbsp; $t < t_0$.}}
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==Description of nonlinear systems==
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<br>
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{{BlaueBox|TEXT= 
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$\text{Definition:}$&nbsp;
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A system is said to be&nbsp; &raquo;'''nonlinear'''&laquo;&nbsp; if the following relationship exists between the signal value &nbsp;$x = x(t)$&nbsp; at the input and the output value &nbsp;$y = y(t)$&nbsp;:
 
$$y = g(x) \ne {\rm const.}  \cdot x.$$
 
$$y = g(x) \ne {\rm const.}  \cdot x.$$
Man bezeichnet den Verlauf $y = g(x)$ als die nichtlineare Kennlinie des Systems.
+
The curve shape &nbsp;$y = g(x)$&nbsp; is called the&nbsp; &raquo;'''nonlinear characteristic curve'''&laquo;&nbsp; of the system.}}
{{end}}
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[[File:P_ID888__LZI_T_2_2_S2_neu.png |right|frame| Nonlinear characteristic curve|class=fit]]
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*As an example,&nbsp; in the diagram  the green curve is the nonlinear characteristic curve&nbsp; $y = g(x)$&nbsp; which is shaped according to the first quarter of a sine function.
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*In this diagram the special case of a linear system with the characteristic curve&nbsp; $y = x$&nbsp; can be seen dashed in red.
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Since every characteristic curve can be developed into a Taylor series around the operating point the output signal can also be represented as follows:
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$$y(t) = \sum_{i=0}^{\infty}\hspace{0.1cm} c_i \cdot x^{i}(t)  = c_0 + c_1 \cdot x(t) + c_2 \cdot x^{2}(t) + c_3 \cdot x^{3}(t) + \hspace{0.05cm}\text{...}$$
 +
If&nbsp; $x(t)$&nbsp; has a unit,&nbsp; e.g. "Volt”,&nbsp; then the coefficients of the Taylor series also have appropriate and different units:
 +
#$c_0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; "Volt”,
 +
#$c_1$&nbsp; without unit,
 +
#$c_2$ &nbsp; &rArr; &nbsp; "1/Volt”, etc.
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In the above diagram, the operating point is identical to the zero point and &nbsp;$c_0 = 0$&nbsp; holds.
  
In der Grafik ist beispielhaft in grün die nichtlineare Kennlinie $y = g(x)$ zu erkennen, die entsprechend dem ersten Viertel einer Sinusfunktion geformt ist. In roter Farbe gestrichelt erkennt man den Sonderfall eines linearen Systems mit der Kennlinie $y = x$.
+
{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 1:}$&nbsp;
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The properties of nonlinear systems listed in the&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortions#Properties_of_nonlinear_systems|&raquo;first section of this page&laquo;]]&nbsp; are illustrated here using the characteristic curve &nbsp;$y = g(x) = \sin(x)$&nbsp; shown in the center of the diagram.
 +
#Here, the direct (DC) signal &nbsp;$x(t) = 0.5$&nbsp; results in the constant output signal &nbsp;$y(t) = 0.479$.
 +
# For &nbsp;$x(t) = 1$&nbsp; the input signal results in the output signal &nbsp;$y(t) = 0.841 ≠ 2 · 0.479$.
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#Thus,&nbsp; doubling &nbsp; $x(t)$&nbsp; does not cause the doubling of&nbsp; $y(t)$&nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp; the superposition principle is violated.
  
[[File:P_ID888__LZI_T_2_2_S2_neu.png | Nichtlineare Kennlinie|class=fit]]
+
[[File:P_ID889__LZI_T_2_2_S2b_neu.png|right|frame|Effects of a nonlinear characteristic curve|class=fit]]
  
Da eine jede solche Kennlinie um den Arbeitspunkt in eine Taylorreihe entwickelt werden kann, lässt sich das Ausgangssignal auch wie folgt darstellen:
 
$$y(t) = \sum_{i=0}^{\infty}\hspace{0.1cm} c_i \cdot x^{i}(t)  = c_0 + c_1 \cdot x(t) + c_2 \cdot x^{2}(t) + c_3 \cdot x^{3}(t) + \hspace{0.05cm}...$$
 
Besitzt $x(t)$ eine Einheit – beispielsweise „Volt”, so sind auch die Koeffizienten der Taylorreihe mit Einheiten anzusetzen und zwar mit unterschiedlichen: $c_0$ mit „V”, $c_1$ ohne Einheit, $c_2$ mit „1/V”, usw..
 
  
In obiger Grafik ist der Arbeitspunkt identisch mit dem Nullpunkt und es gilt $c_0 = 0$.  
+
The outer diagrams show – each in blue – cosine-shaped input signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; with different amplitudes&nbsp; $A$&nbsp; and the corresponding distorted output signals&nbsp; $y(t)$ in red.&nbsp;
  
==Beschreibung nichtlinearer Systeme (2)==
+
It can be seen that the nonlinear distortions increase with increasing amplitude,&nbsp; which are quantified by the distortion factor&nbsp; $K$&nbsp; defined in the next section.  
{{Beispiel}}
 
Die auf der ersten Seite  dieses Abschnitts aufgelisteten Eigenschaften nichtlinearer Systeme werden hier anhand der Kennlinie $y = g(x) =$ sin(x) verdeutlicht, die in der Mitte der Grafik dargestellt ist. Ein Gleichsignal $x(t) =$ 0.5 hat hier das konstante Ausgangssignal $y(t) =$ 0.479 zur Folge, während sich mit $x(t) =$ 1 das Ausgangssignal zu $y(t) =$ 0.841 $≠$ 2 · 0.479 ergibt. Durch eine Verdopplung von $x(t)$ wird hier also nicht auch gleichzeitig $y(t)$ verdoppelt, und somit das Superpositionsprinzip verletzt.
 
  
[[File:P_ID889__LZI_T_2_2_S2b_neu.png| Auswirkungen einer nichtlinearen Kennlinie|class=fit]]
+
*The diagram on the upper right-hand corner for&nbsp; $A = 1.5$&nbsp; clearly shows that&nbsp; $y(t)$&nbsp; is no longer cosine-shaped;&nbsp; the half-waves run rounder than the blue ones of the cosine function.
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 +
*But also for&nbsp; $A = 0.5$&nbsp; and&nbsp; $A = 1.0$&nbsp; the signals&nbsp; $y(t)$&nbsp; deviate - although less strongly - from the cosine form due to the harmonics.&nbsp; That is, new frequency components at multiples of the cosine frequency&nbsp; $f_0$&nbsp; arise.
  
Die äußeren Bilder zeigen – jeweils in blau – cosinusförmige Eingangssignale $x(t)$ mit unterschiedlichen Amplituden $A$ und in rot die dazugehörigen verzerrten Ausgangssignale $y(t)$. Man erkennt die Zunahme der nichtlinearen Verzerrungen mit größer werdender Amplitude, die durch den auf der nächsten Seite definierten Klirrfaktor $K$ quantifiziert werden.  
+
*In the figure on the bottom right-hand corner the characteristic curve is operated unilaterally due to an additional direct component.&nbsp; Now an unbalance in the signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; can be seen, too.&nbsp; The lower half-wave is more peaked than the upper one.&nbsp; The distortion factor here is&nbsp; $K \approx 22\%$.}}
  
Das rechte obere Diagramm für $A =$ 1.5 zeigt eindeutig, dass nun $y(t)$ nicht mehr cosinusförmig ist; die Halbwellen verlaufen runder als bei der Cosinusfunktion. Aber auch für $A =$ 0.5 und $A =$ 1.0 weichen – wenn auch weniger stark – die Signale $y(t)$ aufgrund von Oberwellen von der Cosinusform ab. Das heißt, es entstehen neue Frequenzanteile bei Vielfachen der Cosinusfrequenz $f_0$.  
+
==The distortion factor==
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<br>
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[[File:EN_LZI_T_2_2_S3.png|right||class=fit]]
 +
To quantitatively capture the nonlinear distortions we assume:
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*The input signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is cosine-shaped with amplitude&nbsp; $A_x$.&nbsp;
 +
 +
*The output signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; contains harmonics due to the nonlinear distortions and the following is generally true: &nbsp; &nbsp; &nbsp;  
 +
:$$y(t)\hspace{-0.03cm} =\hspace{-0.03cm}  A_0 \hspace{-0.03cm}+\hspace{-0.03cm} A_1 \cdot \cos(\omega_0 t) \hspace{-0.03cm}+\hspace{-0.03cm} A_2 \cdot \cos(2\omega_0 t) \hspace{-0.03cm}+\hspace{-0.03cm}
 +
A_3 \cdot \cos(3\omega_0 t) \hspace{-0.03cm}+\hspace{-0.03cm} \hspace{0.05cm}\text{...}$$
 +
<br clear=all>
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
With these amplitude values&nbsp; $A_i$&nbsp; the equation for the&nbsp; &raquo;'''distortion factor'''&laquo; is:
 +
:$$K =  \frac {\sqrt{A_2^2+ A_3^2+ A_4^2+ \hspace{0.05cm}\text{...} } }{A_1} = \sqrt{K_2^2+
 +
K_3^2+K_4^2+  \hspace{0.05cm}\text{...} }.$$
 +
In the second equation: 
 +
*$K_2 = A_2/A_1$&nbsp; denotes the distortion factor of second order,  
 +
*$K_3 = A_3/A_1$&nbsp; denotes the distortion factor of third order, etc.}}
  
Im rechten unteren Bild wird durch einen zusätzlichen Gleichanteil die Kennlinie nur einseitig betrieben. Man erkennt nun auch eine Unsymmetrie im Signal $y(t)$. Die untere Halbwelle verläuft spitzförmiger als die obere. Der Klirrfaktor beträgt hier etwa 22%.
 
{{end}}
 
  
==Der Klirrfaktor (1)==
+
It is expressly pointed out that the amplitude&nbsp; $A_x$&nbsp; of the input signal is not taken into account when computing the distortion factor.&nbsp; Also a resulting direct (DC) component&nbsp; $A_0$&nbsp; remains unconsidered.  
Zur quantitativen Erfassung der nichtlinearen Verzerrungen gehen wir hier von einem cosinusförmigen Eingangssignal $x(t)$ mit der Amplitude $A_x$ aus.
 
  
[[File:P_ID890__LZI_T_2_2_S3_neu.png | Zur Definition des Klirrfaktors|class=fit]]
+
In [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortion#Description_of_nonlinear_systems|$\text{Example 1}$]]&nbsp; the distortion factors were specified with values between about&nbsp; $1\%$&nbsp; and&nbsp; $20\%$&nbsp;.
 +
*These values are already significantly above the distortion factors of low-cost audio equipment,&nbsp; for which&nbsp; $K < 0.1\%$ applies.
 +
 +
*In HiFi equipment,&nbsp; particular emphasis is placed on linearity and a very low distortion factor is also reflected in the price.
  
Das Ausgangssignal beinhaltet aufgrund der nichtlinearen Verzerrungen Oberwellen und es gilt allgemein:
 
$$y(t) =  A_0 + A_1 \cdot \cos(\omega_0 t) + A_2 \cdot \cos(2\omega_0 t) +
 
A_3 \cdot \cos(3\omega_0 t) + \hspace{0.05cm}...$$
 
  
{{Definition}}
+
A comparison with the section&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Classification_of_the_Distortions#Elimination_of_damping_factor_and_transit_time|&raquo;Consideration of attenuation and runtime&laquo;]]&nbsp;  reveals that for the special case of a cosine-shaped input signal the signal–to–distortion–power ratio is equal to the reciprocal of the distortion factor squared:
Mit diesen Amplitudenwerten $A_i$ lautet die Gleichung für den Klirrfaktor:
+
:$$\rho_{\rm V} = \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V}} = \left(\frac{  A_{1}}{A_x} \right)^2 \cdot
$$K = \frac {\sqrt{A_2^2+ A_3^2+ A_4^2+ \hspace{0.05cm}...}}{A_1} = \sqrt{K_2^2+
+
\frac{ {1}/{2} \cdot A_{x}^2}{{1}/{2} \cdot (A_{2}^2 + A_{3}^2 + A_{4}^2 + \hspace{0.05cm}...) } = \frac{1}{K^2}\hspace{0.05cm}.$$
K_3^2+K_4^2+ \hspace{0.05cm}...}.$$
 
In der zweiten Gleichung bezeichnet $K_2 = A_2/A_1$ den Klirrfaktor zweiter Ordnung, $K_3 = A_3/A_1$ den Klirrfaktor dritter Ordnung usw..
 
{{end}}
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID1090__LZI_T_2_2_S3b_neu.png  |frame|Influence of a nonlinearity on a cosine signal | right|class=fit]] 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;
 +
We now consider an averaged cosine signal:
 +
:$$x(t) = {1}/{2}  +  {1}/{2}\cdot \cos (\omega_0 \cdot t).$$
  
Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass bei der Berechnung des Klirrfaktors die Amplitude $A_x$ des Eingangssignals nicht berücksichtigt wird. Auch ein entstehender Gleichanteil $A_0$ bleibt unberücksichtigt.
+
$x(t)$&nbsp; takes values between&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $1$,&nbsp; and is drawn as the blue curve.&nbsp; The signal power is
 +
:$$P_x = 1/4 + 1/8 = 0.375.$$  
  
Im Beispiel im letzten Abschnitt sind die Klirrfaktoren mit Werten zwischen 1% und ca. 20% angegeben. Diese Werte liegen deutlich über den Klirrfaktoren preisgünstiger Audioanlagen (< 0.1%). Bei HiFi–Geräten wird auf die Linearität besonderer Wert gelegt und ein sehr kleiner Klirrfaktor schlägt sich auch im Preis nieder.  
+
If we apply this signal to a nonlinearity with the characteristic curve
 +
:$$y=g(x) = \sin(x) \approx x -  {x^3}/{6} \hspace{0.05cm},$$
 +
then the output signal is:
 +
:$$y(t) = A_0  +  A_1 \cdot \cos (\omega_0 \cdot t)+  A_2 \cdot \cos (2\omega_0 \cdot t)+  A_3 \cdot \cos (3\omega_0 \cdot t)\hspace{0.05cm},$$
 +
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} A_0 =  {86}/{192},\hspace{0.3cm}A_1 =  {81}/{192},\hspace{0.3cm}A_2 = - {6}/{192},\hspace{0.3cm}A_3 = -
 +
{1}/{192}\hspace{0.05cm}.$$
  
Ein Vergleich mit der Seite Berücksichtigung von Dämpfung und Laufzeit  in Kapitel 2.1 lässt erkennen, dass für den wichtigen Sonderfall eines cosinusförmigem Eingangssignals das dort definierte Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis gleich dem Kehrwert des Klirrfaktors zum Quadrat ist:
+
The trigonometric transformations for&nbsp; $\cos^2(α)$&nbsp; and&nbsp; $\cos^3(α)$&nbsp; were used to calculate the Fourier coefficients.&nbsp; The distortion factor is thus given by
$$\rho_{\rm V} = \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V}} = \left(\frac{  A_{1}}{A_x} \right)^2 \cdot
+
:$$K = \frac {\sqrt{A_2^{\hspace{0.05cm}2} + A_3^{\hspace{0.05cm}2} } }{A_1}\approx 7.5\%\hspace{0.05cm}.$$
\frac{ \frac{1}{2} \cdot A_{x}^2}{\frac{1}{2} \cdot (A_{2}^2 + A_{3}^2 + A_{4}^2 + \hspace{0.05cm}...) } = \frac{1}{K^2}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
==Der Klirrfaktor (2)==
+
It can be further seen that the signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; sketched in red is almost equal to the signal&nbsp; $α · x(t)$&nbsp; sketched in green with&nbsp; $α = \sin(1) ≈ 5/6$&nbsp;.
{{Beispiel}}
 
  
[[File:P_ID1090__LZI_T_2_2_S3b_neu.png | Einfluss einer Nichtlinearität auf ein Cosinussignal | links|class=fit]]
+
*Defining the error signal as&nbsp; $ε_1(t) = y(t) - α · x(t)$,&nbsp; with its power
 +
:$$P_{\varepsilon 1} = \frac {(80-86)^2}{192^2} + \frac {6^2 + (-1)^2}{2 \cdot 192^2}\approx 1.48 \cdot 10^{-3}$$
 +
:the following is obtained for the signal–to–noise–power ratio:
 +
:$$\rho_{{\rm V} 1} = \frac {\alpha^2 \cdot P_x}{P_{\varepsilon 1} } = \frac {(5/6)^2 \cdot 0.375}{1.48 \cdot 10^{-3} }\approx
 +
  176 = {1}/{K^2}\hspace{0.05cm}.$$
  
Wir betrachten nun ein mittelwertbehaftetes Cosinussignal:
+
*In contrast, the SNR is significantly lower if we do not consider the attenuation factor,&nbsp; that is,&nbsp; if we assume the error signal&nbsp; $ε_2 = y(t) - x(t)$&nbsp;:
$$x(t) = \frac{1}{2} + \frac{1}{2}\cdot \cos (\omega_0 \cdot t).$$
+
:$$P_{\varepsilon 2} = \frac {(86-96)^2}{192^2} + \frac {(81-96)^2 + 6^2 + (-1)^2}{2 \cdot 192^2}\approx 6.3 \cdot 10^{-3} \hspace{0.3cm}
 +
\Rightarrow
 +
\hspace{0.3cm}\rho_{{\rm V} 2} = \frac { P_x}{P_{\varepsilon 2}}= \frac {0.375}{6.3 \cdot 10^{-3}}
 +
\approx 60 \hspace{0.05cm}.$$}}
  
Dieses nimmt Werte zwischen 0 und 1 an und ist als blaue Kurve gezeichnet. Die Leistung dieses Signals ergibt sich zu $P_x =$ 1/4 + 1/8 = 0.375.  
+
==Clirr measurement==
 +
<br>
 +
A major disadvantage of the distortion factor definition is the thereby specification to cosine-shaped test signals, i.e. to conditions remote from reality.
 +
[[File:EN_LZI_T_2_2_S4.png|right|frame|Principle of clirr measurement|class=fit]]
 +
 +
*In the so-called&nbsp; &raquo;clirr measurement&laquo;&nbsp; the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; to be transmitted is modelled by white noise with noise power density&nbsp; ${\it \Phi}_x(f)$.
 +
 +
*In addition,&nbsp; a narrow band-stop filter&nbsp; $\rm (BS)$&nbsp; with center frequency&nbsp; $f_{\rm M}$&nbsp; and&nbsp;  (very small)&nbsp; bandwidth&nbsp; $B_{\rm BS}$&nbsp; is introduced into the system.  
  
Gibt man dieses Signal auf eine Nichtlinearität mit der Kennlinie
 
$$y=g(x) = \sin(x) \approx x -  \frac{x^3}{6} \hspace{0.05cm},$$
 
so lautet das Ausgangssignal:
 
$$y(t) = A_0  +  A_1 \cdot \cos (\omega_0 \cdot t)+  A_2 \cdot \cos (2\omega_0 \cdot t)+  A_3 \cdot \cos (3\omega_0 \cdot t)\hspace{0.05cm},$$
 
$$A_0 = \frac {86}{192},\hspace{0.3cm}A_1 = \frac {81}{192},\hspace{0.3cm}A_2 = -\frac {6}{192},\hspace{0.3cm}A_3 = -\frac
 
{1}{192}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
Zur Berechnung dieser Fourierkoeffizienten wurden die trigonometrischen Umformungen für $\cos²(α)$ und $\cos³(α)$ verwendet. Der Klirrfaktor ergibt sich für dieses Signal zu
 
$$K = \frac {\sqrt{A_2^{\hspace{0.05cm}2} + A_3^{\hspace{0.05cm}2}}}{A_1}\approx 7.5\%\hspace{0.05cm}.$$
 
  
Aus der Grafik erkennt man weiter, dass das rot skizzierte Signal $y(t)$ näherungsweise gleich dem grün gezeichneten Signal $α · x(t)$ mit $α = \sin(1) ≈$ 5/6 ist.  
+
In a linear system,&nbsp; the output spectrum&nbsp; ${\it \Phi}_y(f)$&nbsp; would not be wider than&nbsp; $B_x$&nbsp; and also in the region around&nbsp; $f_{\rm M}$&nbsp; there would be no components.&nbsp;
  
 +
These result solely from frequency conversion products&nbsp; (&raquo;intermodulation components&laquo;)&nbsp; of different spectral components, i.e. from nonlinear distortions.
  
Definiert man das Fehlersignal $ε_1(t) = y(t) – α · x(t)$, so ergibt sich mit dessen Leistung
+
By varying the center frequency&nbsp; $f_{\rm M}$&nbsp; and integrating over all these small interfering components the distortion power can thus be determined.&nbsp; More details on this method can be found,&nbsp; for example,&nbsp; in&nbsp; [Kam04]<ref>Kammeyer, K.D.:&nbsp; Nachrichtenübertragung. Stuttgart: B.G. Teubner, 4. Auflage, 2004.</ref>.
$$P_{\varepsilon 1} = \frac {(80-86)^2}{192^2} + \frac {6^2 + (-1)^2}{2 \cdot 192^2}\approx 1.48 \cdot 10^{-3}$$
+
<br clear=all>
für das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis:
 
$$\rho_{v 1} = \frac {\alpha^2 \cdot P_x}{P_{\varepsilon 1}} = \frac {(5/6)^2 \cdot 0.375}{1.48 \cdot 10^{-3}}\approx
 
176 = \frac{1}{K^2}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
==Constellations which result in nonlinear distortions==
 +
<br>
 +
As an example of the occurrence of&nbsp; '''nonlinear distortions in analog transmission systems'''&nbsp; some constellations which result in such distortions shall be mentioned here.&nbsp; In terms of content,&nbsp; this anticipates the book&nbsp; [[Modulation_Methods|&raquo;Modulation Methods&laquo;]].
  
Dagegen ist das SNR deutlich geringer, wenn man den Dämpfungsfaktor $α$ nicht berücksichtigt, das heißt, wenn man vom Fehlersignal $ε_2 = y(t) – x(t)$ ausgeht:
+
[[File:EN_LZI_T_2_2_S5.png |center|frame|General block diagram of a transmission system|class=fit]]
$$P_{\varepsilon 2} = \frac {(86-96)^2}{192^2} + \frac {(81-96)^2 + 6^2 + (-1)^2}{2 \cdot 192^2}\approx 6.3 \cdot 10^{-3}$$
 
$$\Rightarrow
 
\hspace{0.3cm}\rho_{v 2} = \frac { P_x}{P_{\varepsilon 2}}= \frac {0.375}{6.3 \cdot 10^{-3}}
 
\approx 60 \hspace{0.05cm}.$$
 
{{end}}
 
  
==Rauschklirrmessung==
+
Nonlinear distortions of the sink signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; with respect to the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; occur when
Ein großer Nachteil der Klirrfaktordefinition ist die damit einhergehende Festlegung auf cosinusförmige Testsignale, also auf realitätsferne Bedingungen. Bei der so genannten Rauschklirrmessung modelliert man das zu übertragende Signal $x(t)$ durch weißes Rauschen mit der Rauschleistungsdichte $Φ_x(f)$. Zusätzlich bringt man eine schmale Bandsperre (BS) mit Mittelfrequenz $f_{\rm M}$ und Bandbreite $B$ in das System ein.  
+
#nonlinear distortions already occur on the channel – i.e. with respect to the transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; and the received signal&nbsp; $r(t)$,
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#an envelope demodulator is used for&nbsp; [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation#Double-Sideband_Amplitude_Modulation_with_carrier|&raquo;double-sideband amplitude modulation&laquo;]]&nbsp; $\rm (DSB–AM)$&nbsp; with modulation factor&nbsp; $m > 1$,
 +
#for DSB–AM and envelope demodulation there is a linearly distorting channel,&nbsp; even with a modulation factor&nbsp; $m < 1$,
 +
#the combination of&nbsp; [[Modulation_Methods/Single-Sideband_Modulation|&raquo;single-sideband modulation&laquo;]]&nbsp; and&nbsp; [[Modulation_Methods/Hüllkurvendemodulation|&raquo;envelope demodulation&laquo;]]&nbsp; is used&nbsp; $($regardless of the sideband–to–carrier ratio$)$,
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#an&nbsp; [[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)#Similarities_between_phase_and_frequency_modulation|&raquo;angle modulation&laquo;]]&nbsp; $($generic term for frequency and phase modulation$)$&nbsp; is applied and the available bandwidth is finite.  
  
[[File:P_ID892__LZI_T_2_2_S4_neu.png | Prinzip der Rauschklirrmessung|class=fit]]
+
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.3:_Sinusoidal_Characteristic|Exercise 2.3: Sinusoidal Characteristic]]
  
Bei einem linearen System wäre das Ausgangsspektrum $Φ_y(f)$ nicht breiter als $B_x$ und auch im Bereich um $f_{\rm M}$ gäbe es keine Anteile. Diese ergeben sich allein durch Mischprodukte (Intermodulationsanteile) verschiedener Spektralanteile, also durch nichtlineare Verzerrungen.  
+
[[Aufgaben:Exercise_2.3Z:_Asymmetrical_Characteristic_Operation|Exercise 2.3Z: Asymmetrical Characteristic Operation]]
  
Durch Variation der Mittenfrequenz $f_{\rm M}$ und Integration über alle diese kleinen Störanteile kann somit die Verzerrungsleistung ermittelt werden. Nähere Angaben zu dieser Methode findet man z.B. in $\href{http://en.lntwww.de/Lineare_zeitinvariante_Systeme/Klassifizierung_der_Verzerrungen#cite_note-1}{[Kam04]}$.
+
[[Aufgaben:Exercise_2.4:_Distortion_Factor_and_Distortion_Power|Exercise 2.4: Distortion Factor and Distortion Power]]
  
==Konstellationen, die zu nichtlinearen Verzerrungen führen==
+
[[Exercise_2.4Z:_Characteristics_Measurement|Exercise 2.4Z: Characteristics Measurement]]
Als Beispiel für das Auftreten nichtlinearer Verzerrungen bei analogen Nachrichtenübertragungssystemen sollen hier einige Konstellationen genannt werden, die zu solchen führen. Inhaltlich bedeutet dies einen Vorgriff auf das Buch „Modulationsverfahren”.
 
  
[[File:P_ID893__LZI_T_2_2_S5_neu.png | Allgemeines Blockschaltbild eines Nachrichtenübertragungssystems|class=fit]]
+
==References==
 +
<references/>
  
Nichtlineare Verzerrungen des Sinkensignals $υ(t)$ in Bezug zum Quellensignal $q(t)$ treten auf, wenn
 
*es bereits auf dem Kanal – also bezüglich des Sendesignals $s(t)$ und des Empfangssignals $r(t)$ – zu nichtlinearen Verzerrungen kommt,
 
*bei der Zweiseitenband–Amplitudenmodulation (ZSB–AM) mit dem Modulationsgrad $m$ > 1 ein Hüllkurvendemodulator verwendet wird,
 
*bei ZSB–AM und Hüllkurvendemodulation ein linear verzerrender Kanal vorliegt und zwar auch dann, wenn der Modulationsgrad $m$ kleiner als 1 ist,
 
*die Kombination aus einer Einseitenband–Amplitudenmodulation und der Hüllkurvendemodulation zur Anwendung kommt (unabhängig vom Seitenband–zu–Träger–Verhältnis),
 
*eine Winkelmodulation – dies ist der für Frequenz– und Phasenmodulation übliche Oberbegriff – angewandt wird und die zur Verfügung stehende Bandbreite nur endlich groß ist.
 
  
  
 
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Latest revision as of 19:45, 9 November 2023

Properties of nonlinear systems


The system description by means of the frequency response  $H(f)$  and/or the impulse response  $h(t)$  is only possible for an  »LTI system«.    However,  if the system contains nonlinear components,  as it is assumed for this chapter,  no frequency response and no impulse response can be stated.  The model must be designed in a more general way.

Description of a nonlinear system

Also in this nonlinear system,  we denote the signals at the input and the output by  $x(t)$  resp.   $y(t)$  and the corresponding spectral functions by  $X(f)$  and  $Y(f)$.

An observer will note the following here:

  • The transmission characteristics are now also  dependent on the amplitude of the input signal
    If  $x(t)$  results in the output signal  $y(t)$,  it can now no longer be concluded that the input signal  $K · x(t)$  will always result in the signal  $K · y(t)$.
  • This also implies that the  superposition principle is no longer applicable
    Consequently,  the result  $x_1(t) + x_2(t)$   ⇒   $y_1(t) + y_2(t)$  cannot be reasoned from the two correspondences   $x_1(t) ⇒ y_1(t)$  and  $x_2(t) ⇒ y_2(t)$.
  • Due to nonlinearities  new frequencies occur
    If  $x(t)$  is a harmonic oscillation with frequency  $f_0$,  the output signal  $y(t)$  also contains components at multiples of  $f_0$.  In communications engineering, these are referred to as  »harmonics«.
  • In practice,  an information signal  $x(t)$  usually contains many frequency components. 
    The harmonics of the low-frequency signal components now fall into the range of higher-frequency components.  This results in  »nonreversible signal falsifications«.


Before mentioning  »constellations which result in nonlinear distortions«  at the end of this section,  the problem of nonlinear distortions is captured mathematically.

$\text{Definition:}$  We assume here that  the system has no memory  so that

  • the output value  $y = y(t_0)$  depends only on the instantaneous input value  $x = x(t_0)$, 
  • but not on the signal curve  $x(t)$  for  $t < t_0$.

Description of nonlinear systems


$\text{Definition:}$  A system is said to be  »nonlinear«  if the following relationship exists between the signal value  $x = x(t)$  at the input and the output value  $y = y(t)$ : $$y = g(x) \ne {\rm const.} \cdot x.$$ The curve shape  $y = g(x)$  is called the  »nonlinear characteristic curve«  of the system.


Nonlinear characteristic curve
  • As an example,  in the diagram the green curve is the nonlinear characteristic curve  $y = g(x)$  which is shaped according to the first quarter of a sine function.
  • In this diagram the special case of a linear system with the characteristic curve  $y = x$  can be seen dashed in red.


Since every characteristic curve can be developed into a Taylor series around the operating point the output signal can also be represented as follows: $$y(t) = \sum_{i=0}^{\infty}\hspace{0.1cm} c_i \cdot x^{i}(t) = c_0 + c_1 \cdot x(t) + c_2 \cdot x^{2}(t) + c_3 \cdot x^{3}(t) + \hspace{0.05cm}\text{...}$$ If  $x(t)$  has a unit,  e.g. "Volt”,  then the coefficients of the Taylor series also have appropriate and different units:

  1. $c_0$   ⇒   "Volt”,
  2. $c_1$  without unit,
  3. $c_2$   ⇒   "1/Volt”, etc.


In the above diagram, the operating point is identical to the zero point and  $c_0 = 0$  holds.

$\text{Example 1:}$  The properties of nonlinear systems listed in the  »first section of this page«  are illustrated here using the characteristic curve  $y = g(x) = \sin(x)$  shown in the center of the diagram.

  1. Here, the direct (DC) signal  $x(t) = 0.5$  results in the constant output signal  $y(t) = 0.479$.
  2. For  $x(t) = 1$  the input signal results in the output signal  $y(t) = 0.841 ≠ 2 · 0.479$.
  3. Thus,  doubling   $x(t)$  does not cause the doubling of  $y(t)$    ⇒   the superposition principle is violated.
Effects of a nonlinear characteristic curve


The outer diagrams show – each in blue – cosine-shaped input signals  $x(t)$  with different amplitudes  $A$  and the corresponding distorted output signals  $y(t)$ in red. 

It can be seen that the nonlinear distortions increase with increasing amplitude,  which are quantified by the distortion factor  $K$  defined in the next section.

  • The diagram on the upper right-hand corner for  $A = 1.5$  clearly shows that  $y(t)$  is no longer cosine-shaped;  the half-waves run rounder than the blue ones of the cosine function.
  • But also for  $A = 0.5$  and  $A = 1.0$  the signals  $y(t)$  deviate - although less strongly - from the cosine form due to the harmonics.  That is, new frequency components at multiples of the cosine frequency  $f_0$  arise.
  • In the figure on the bottom right-hand corner the characteristic curve is operated unilaterally due to an additional direct component.  Now an unbalance in the signal  $y(t)$  can be seen, too.  The lower half-wave is more peaked than the upper one.  The distortion factor here is  $K \approx 22\%$.

The distortion factor


EN LZI T 2 2 S3.png

To quantitatively capture the nonlinear distortions we assume:

  • The input signal  $x(t)$  is cosine-shaped with amplitude  $A_x$. 
  • The output signal  $y(t)$  contains harmonics due to the nonlinear distortions and the following is generally true:      
$$y(t)\hspace{-0.03cm} =\hspace{-0.03cm} A_0 \hspace{-0.03cm}+\hspace{-0.03cm} A_1 \cdot \cos(\omega_0 t) \hspace{-0.03cm}+\hspace{-0.03cm} A_2 \cdot \cos(2\omega_0 t) \hspace{-0.03cm}+\hspace{-0.03cm} A_3 \cdot \cos(3\omega_0 t) \hspace{-0.03cm}+\hspace{-0.03cm} \hspace{0.05cm}\text{...}$$


$\text{Definition:}$  With these amplitude values  $A_i$  the equation for the  »distortion factor« is:

$$K = \frac {\sqrt{A_2^2+ A_3^2+ A_4^2+ \hspace{0.05cm}\text{...} } }{A_1} = \sqrt{K_2^2+ K_3^2+K_4^2+ \hspace{0.05cm}\text{...} }.$$

In the second equation:

  • $K_2 = A_2/A_1$  denotes the distortion factor of second order,
  • $K_3 = A_3/A_1$  denotes the distortion factor of third order, etc.


It is expressly pointed out that the amplitude  $A_x$  of the input signal is not taken into account when computing the distortion factor.  Also a resulting direct (DC) component  $A_0$  remains unconsidered.

In $\text{Example 1}$  the distortion factors were specified with values between about  $1\%$  and  $20\%$ .

  • These values are already significantly above the distortion factors of low-cost audio equipment,  for which  $K < 0.1\%$ applies.
  • In HiFi equipment,  particular emphasis is placed on linearity and a very low distortion factor is also reflected in the price.


A comparison with the section  »Consideration of attenuation and runtime«  reveals that for the special case of a cosine-shaped input signal the signal–to–distortion–power ratio is equal to the reciprocal of the distortion factor squared:

$$\rho_{\rm V} = \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V}} = \left(\frac{ A_{1}}{A_x} \right)^2 \cdot \frac{ {1}/{2} \cdot A_{x}^2}{{1}/{2} \cdot (A_{2}^2 + A_{3}^2 + A_{4}^2 + \hspace{0.05cm}...) } = \frac{1}{K^2}\hspace{0.05cm}.$$
Influence of a nonlinearity on a cosine signal

$\text{Example 2:}$  We now consider an averaged cosine signal:

$$x(t) = {1}/{2} + {1}/{2}\cdot \cos (\omega_0 \cdot t).$$

$x(t)$  takes values between  $0$  and  $1$,  and is drawn as the blue curve.  The signal power is

$$P_x = 1/4 + 1/8 = 0.375.$$

If we apply this signal to a nonlinearity with the characteristic curve

$$y=g(x) = \sin(x) \approx x - {x^3}/{6} \hspace{0.05cm},$$

then the output signal is:

$$y(t) = A_0 + A_1 \cdot \cos (\omega_0 \cdot t)+ A_2 \cdot \cos (2\omega_0 \cdot t)+ A_3 \cdot \cos (3\omega_0 \cdot t)\hspace{0.05cm},$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} A_0 = {86}/{192},\hspace{0.3cm}A_1 = {81}/{192},\hspace{0.3cm}A_2 = - {6}/{192},\hspace{0.3cm}A_3 = - {1}/{192}\hspace{0.05cm}.$$

The trigonometric transformations for  $\cos^2(α)$  and  $\cos^3(α)$  were used to calculate the Fourier coefficients.  The distortion factor is thus given by

$$K = \frac {\sqrt{A_2^{\hspace{0.05cm}2} + A_3^{\hspace{0.05cm}2} } }{A_1}\approx 7.5\%\hspace{0.05cm}.$$

It can be further seen that the signal  $y(t)$  sketched in red is almost equal to the signal  $α · x(t)$  sketched in green with  $α = \sin(1) ≈ 5/6$ .

  • Defining the error signal as  $ε_1(t) = y(t) - α · x(t)$,  with its power
$$P_{\varepsilon 1} = \frac {(80-86)^2}{192^2} + \frac {6^2 + (-1)^2}{2 \cdot 192^2}\approx 1.48 \cdot 10^{-3}$$
the following is obtained for the signal–to–noise–power ratio:
$$\rho_{{\rm V} 1} = \frac {\alpha^2 \cdot P_x}{P_{\varepsilon 1} } = \frac {(5/6)^2 \cdot 0.375}{1.48 \cdot 10^{-3} }\approx 176 = {1}/{K^2}\hspace{0.05cm}.$$
  • In contrast, the SNR is significantly lower if we do not consider the attenuation factor,  that is,  if we assume the error signal  $ε_2 = y(t) - x(t)$ :
$$P_{\varepsilon 2} = \frac {(86-96)^2}{192^2} + \frac {(81-96)^2 + 6^2 + (-1)^2}{2 \cdot 192^2}\approx 6.3 \cdot 10^{-3} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}\rho_{{\rm V} 2} = \frac { P_x}{P_{\varepsilon 2}}= \frac {0.375}{6.3 \cdot 10^{-3}} \approx 60 \hspace{0.05cm}.$$

Clirr measurement


A major disadvantage of the distortion factor definition is the thereby specification to cosine-shaped test signals, i.e. to conditions remote from reality.

Principle of clirr measurement
  • In the so-called  »clirr measurement«  the signal  $x(t)$  to be transmitted is modelled by white noise with noise power density  ${\it \Phi}_x(f)$.
  • In addition,  a narrow band-stop filter  $\rm (BS)$  with center frequency  $f_{\rm M}$  and  (very small)  bandwidth  $B_{\rm BS}$  is introduced into the system.


In a linear system,  the output spectrum  ${\it \Phi}_y(f)$  would not be wider than  $B_x$  and also in the region around  $f_{\rm M}$  there would be no components. 

These result solely from frequency conversion products  (»intermodulation components«)  of different spectral components, i.e. from nonlinear distortions.

By varying the center frequency  $f_{\rm M}$  and integrating over all these small interfering components the distortion power can thus be determined.  More details on this method can be found,  for example,  in  [Kam04][1].

Constellations which result in nonlinear distortions


As an example of the occurrence of  nonlinear distortions in analog transmission systems  some constellations which result in such distortions shall be mentioned here.  In terms of content,  this anticipates the book  »Modulation Methods«.

General block diagram of a transmission system

Nonlinear distortions of the sink signal  $v(t)$  with respect to the source signal  $q(t)$  occur when

  1. nonlinear distortions already occur on the channel – i.e. with respect to the transmitted signal  $s(t)$  and the received signal  $r(t)$,
  2. an envelope demodulator is used for  »double-sideband amplitude modulation«  $\rm (DSB–AM)$  with modulation factor  $m > 1$,
  3. for DSB–AM and envelope demodulation there is a linearly distorting channel,  even with a modulation factor  $m < 1$,
  4. the combination of  »single-sideband modulation«  and  »envelope demodulation«  is used  $($regardless of the sideband–to–carrier ratio$)$,
  5. an  »angle modulation«  $($generic term for frequency and phase modulation$)$  is applied and the available bandwidth is finite.

Exercises for the chapter


Exercise 2.3: Sinusoidal Characteristic

Exercise 2.3Z: Asymmetrical Characteristic Operation

Exercise 2.4: Distortion Factor and Distortion Power

Exercise 2.4Z: Characteristics Measurement

References

  1. Kammeyer, K.D.:  Nachrichtenübertragung. Stuttgart: B.G. Teubner, 4. Auflage, 2004.