Aufgaben:Aufgabe 3.7: Hochpass-Impulsantwort

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Hochpass zweiter Ordnung

Wir gehen von der nebenstehend skizzierten Anordnung aus. Die Übertragungsfunktionen der beiden identischen Hochpässe lauten:

$$H_{\rm L}^{(1)}(p) = H_{\rm L}^{(2)}(p) =\frac{p}{p+A}

\hspace{0.05cm} .$$

Da die Vierpole durch einen Trennverstärker widerstandsmäßig entkoppelt sind, lässt sich für die Gesamtübertragungsfunktion schreiben:

$$H_{\rm L}(p) = H_{\rm L}^{(1)}(p) \cdot H_{\rm L}^{(2)}(p)

\hspace{0.05cm} .$$

Gleichzeitig ist bekannt, dass folgende Gleichung gültig ist:

$$H_{\rm L}(p) =\frac{4}{1/p^2 + 4/p +4}

\hspace{0.05cm} .$$

Stellt man diese Funktion in Pol–Nullstellen–Form dar, so wird sich herausstellen, dass hier die Anzahl der Nullstellen  $(Z)$  gleich der Anzahl der Pole  $(N)$  ist. Eine direkte Anwendung des Residuensatzes ist hier deshalb nicht möglich.

Um die Zeitfunktion  $h(t)$  berechnen zu können, muss vielmehr eine Partialbruchzerlegung entsprechend $H_{\rm L}(p) =1- H_{\rm L}\hspace{-0.05cm}'(p)

\hspace{0.05cm}$

vorgenommen werden. Damit gilt für die Impulsantwort:

$$h(t) = \delta(t)- h\hspace{0.03cm}'(t)

\hspace{0.05cm}.$$

Bezüglich  $H_{\rm L}'(p)$  gilt  $Z' < N'$. Somit kann der kontinuierliche Anteil  $h'(t)$  der Impulsantwort mit dem Residuensatz ermittelt werden.

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Laplace–Rücktransformation.

• Das Residium eines  $l$–fachen Pols  $p_{\rm x}$  innerhalb der Funktion  $H_{\rm L}(p)$  lautet:

$${\rm Res} \bigg |_{p \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}p_{\rm x}}

\hspace{0.03cm}\{H_{\rm L}(p)\cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}p t}\}=
\frac{1}{(l-1)!}\cdot \frac{{\rm d}^{\hspace{0.05cm}l-1}}{{\rm d}p^{\hspace{0.05cm}l-1}}\hspace{0.15cm}
\left \{H_{\rm L}(p)\cdot (p - p_{\rm x})^{\hspace{0.05cm}l} \cdot  {\rm e}^{\hspace{0.05cm}p
\hspace{0.05cm}t}\right\}
\bigg |_{p \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}p_{\rm x}}
\hspace{0.05cm} .$$

• Die Ableitung des Produkts  $y(x) = f(x) \cdot g(x)$  ist wie folgt gegeben:

$$\frac{{\rm d}{\hspace{0.05cm}y(x)}}{{\rm d}\hspace{0.05cm}x}= \frac{{\rm d}{\hspace{0.05cm}f(x)}}{{\rm

d}\hspace{0.05cm}x}\cdot g(x) + \frac{{\rm d}{\hspace{0.05cm}g(x)}}{{\rm
d}\hspace{0.05cm}x}\cdot f(x)
\hspace{0.05cm} .$$

Fragebogen

1 Stellen Sie  $H_{\rm L}(p)$  in Pol–Nullstellen–Form dar.  Wieviele Nullstellen  $(Z)$  und Pole  $(N)$  gibt es?  Wie groß ist der konstante Faktor  $K$?

$Z \hspace{0.28cm} = \ $

$N \hspace{0.2cm} = \ $

$K \hspace{0.2cm} = \ $

2 Wie groß ist der Parameter $A$  der beiden Teilvierpolen?

$A \ = \ $

3 Wandeln Sie  $H_{\rm L}(p) = 1 - H_{\rm L}'(p)$  um.  Welches Ergebnis erhält man für  $H_{\rm L}'(p)$?

	$H_{\rm L}'(p) = p^2/(p+0.5)^2$,
	$H_{\rm L}'(p) = p/(p+0.5)^2$,
	$H_{\rm L}'(p) = (p+0.25)/(p+0.5)^2$.

4 Berechnen Sie die Zeitfunktion  $h'(t)$.  Welche Zahlenwerte ergeben sich für die angegebenen Zeitpunkte?

$h'(t = 0) \ = \ $

$h'(t = 1) \ = \ $

$h'(t → ∞)\ = \ $

Musterlösung

Musterlösung

(1)  Ausgehend von der vorgegebenen Gleichung kann $H_{\rm L}(p)$ wie folgt umgeformt werden:

$$H_{\rm L}(p) =\frac{4}{1/p^2 + 4/p +4}=\frac{p^2}{p^2 + p +1/4}=\frac{p^2}{(p +1/2)^2}

\hspace{0.3cm}

\Rightarrow \hspace{0.3cm} \hspace{0.15cm}\underline{ Z = 2\hspace{0.05cm} , \hspace{0.2cm}N = 2\hspace{0.05cm} ,

\hspace{0.2cm}K = 1}
\hspace{0.05cm} .$$

(2)  Die Gesamtübertragungsfunktion lautet entsprechend der Angabe:

$$H_{\rm L}(p) = H_{\rm L}^{(1)}(p) \cdot H_{\rm L}^{(2)}(p) =\frac{p^2}{(p+A)^2}

\hspace{0.05cm} .$$

Ein Vergleich mit dem Ergebnis der Teilaufgabe (1) zeigt, dass $\underline{A = 0.5}$ sein muss.

(3)  Richtig ist der letzte Lösungsvorschlag:

• Ausgehend von der in der Teilaufgabe (1) berechneten Gleichung erhält man

$$H_{\rm L}(p) =\frac{p^2}{p^2 + p +0.25}= \frac{p^2 + p +0.25}{p^2 + p

+0.25}- \frac{p +0.25}{p^2 + p
+0.25}\hspace{0.3cm}

\Rightarrow \hspace{0.3cm}H_{\rm L}\hspace{-0.05cm}'(p) = \frac{p +0.25}{p^2 + p

+0.25}= \frac{p +0.25}{(p
+0.5)^2}
\hspace{0.05cm} .$$

(4)  Bezüglich der Funktion $H_{\rm L}'(p)$ gilt $Z' = 1$, $N' = 2$ und $K' = 1$. Die beiden Pole bei $p_{\rm x} = -0.5$ fallen zusammen, so dass nur ein Residium ermittelt werden muss:

$$h\hspace{0.03cm}'(t) \hspace{0.25cm} = \hspace{0.2cm} {\rm Res} \bigg |_{p \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}p_{\rm x}}

\hspace{0.7cm}\{H_{\rm L}\hspace{-0.05cm}'(p)\cdot {\rm e}^{p t}\}=
 \frac{\rm d}{{\rm d}p}\hspace{0.15cm}
\left \{ \frac{p +0.25}{(p
+0.5)^2} \cdot (p
+0.5)^2 \cdot  {\rm e}^{p
\hspace{0.05cm}t}\right\}
\bigg |_{p \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}-0.5}
 =  \hspace{0.2cm}\frac{\rm d}{{\rm d}p}\hspace{0.15cm}
\left \{  (p
+0.25) \cdot  {\rm e}^{p
\hspace{0.05cm}t}\right\}
\bigg |_{p \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}-0.5}
\hspace{0.05cm} .$$

Impulsantwort des Hochpasses (rot)

Mit der Produktregel der Differentialrechnung erhält man: $$h\hspace{0.03cm}'(t) \hspace{0.15cm} = \hspace{0.15cm}

  {\rm e}^{p  \hspace{0.05cm}t} + ( p + 0.25) \cdot t \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}p  \hspace{0.05cm}t}
\bigg |_{p \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}-0.5} 
 =  \hspace{0.15cm} (1- {t}/{4})
\cdot{\rm e}^{-t/2}
\hspace{0.05cm} $$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}h\hspace{0.03cm}'(t = 0) \hspace{0.15cm} = \underline{1}\hspace{0.05cm} ,\hspace{0.3cm} h\hspace{0.03cm}'(t = 1) \hspace{0.15cm} = \underline {0.455}\hspace{0.05cm} \hspace{0.05cm} ,\hspace{0.3cm}

h\hspace{0.03cm}'(t \rightarrow \infty) \hspace{0.15cm}  =   \underline {= 0}\hspace{0.05cm} .$$

Die Grafik zeigt jeweils für nicht–negative Zeiten

• als blaue Kurve die Impulsantwort $h'(t)$ des äquivalenten Tiefpasses,
• als rote Kurve die gesamte Impulsantwort des betrachterten Hochpasses:

$$h(t) =

  \delta (t) - (1- {t}/{4})
\cdot{\rm e}^{-t/2}
\hspace{0.05cm}.$$