finish vl11
BIN
img/vl11-block-addierer.png
Normal file
After Width: | Height: | Size: 83 KiB |
BIN
img/vl11-block-multiplizierer.png
Normal file
After Width: | Height: | Size: 46 KiB |
BIN
img/vl11-block-verzögerung.png
Normal file
After Width: | Height: | Size: 84 KiB |
BIN
img/vl11-bsp-nichtrekursiv-H.png
Normal file
After Width: | Height: | Size: 29 KiB |
BIN
img/vl11-bsp-nichtrekursiv.png
Normal file
After Width: | Height: | Size: 161 KiB |
BIN
img/vl11-bsp-rekursiv-kaskadiert.png
Normal file
After Width: | Height: | Size: 138 KiB |
BIN
img/vl11-bsp-rekursiv.png
Normal file
After Width: | Height: | Size: 140 KiB |
BIN
img/vl11-z-beispiel.png
Normal file
After Width: | Height: | Size: 121 KiB |
662
main.tex
@ -527,11 +527,16 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
||||
\end{equation}
|
||||
Zeitsignalunktion nach Amplitudendichtespektrum:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F(\omega) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty} g(t)\e^{-j\omega t} d\omega
|
||||
F(\omega) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty} f(t)\e^{-j\omega t} d t
|
||||
\end{equation}
|
||||
Schreibweisen: - Fourier-Trafo: $\mathcal{F}\{f(t)\}=F(\omega)$ -
|
||||
Rück-Trafo: $\mathcal{F}^{-1}\{F(\omega)\}=f(t)$ -
|
||||
$f(t) \text{ist korrespondierende}\,\, o- F(\omega)$
|
||||
|
||||
\def\rmapsto{\reflectbox{\multimap}}
|
||||
Schreibweisen:
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item Fourier-Trafo: $\mathcal{F}\{f(t)\}=F(\omega)$
|
||||
\item Rück-Trafo: $\mathcal{F}^{-1}\{F(\omega)\}=f(t)$
|
||||
\item $f(t) \rmapsto F(\omega)$ (\textit{$\rmapsto$ bedeutet "ist korrespondierende"})
|
||||
\end{itemize}
|
||||
|
||||
\begin{enumerate}
|
||||
\def\labelenumi{\alph{enumi}.}
|
||||
@ -552,9 +557,9 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
||||
Sonderfall: undendlich lang andauernde Schwingung, d.h. $T\to\infty$
|
||||
Grenzübergang:
|
||||
\begin{align}
|
||||
\lim_{T\to\infty} F(\omega)= \lim_{T\to\infty}\Big[ 2\pi\frac{sin[(\omega_0-\omega)T]}{\pi(\omega_0-\omega)}\Big] = 2\pi\delta(\omega_0 - \omega) = 2\pi\delta(\omega-\omega_0) \\
|
||||
\lim_{T\to\infty} F(\omega)= \lim_{T\to\infty}\Big[ 2\pi\frac{sin[(\omega_0-\omega)T]}{\pi(\omega_0-\omega)}\Big] &= 2\pi\delta(\omega_0 - \omega) = 2\pi\delta(\omega-\omega_0) &\\
|
||||
\intertext{d.h. es ist:}
|
||||
\mathcal{F}\{\e^{\pm j \omega_0 t}\} = 2\pi \delta(\omega \mp \omega_0)
|
||||
\mathcal{F}\{\e^{\pm j \omega_0 t}\} &= 2\pi \delta(\omega \mp \omega_0)
|
||||
\end{align}
|
||||
Damit Analyse für verschiedene andere Funktionen möglich:
|
||||
\begin{enumerate}
|
||||
@ -766,7 +771,7 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
||||
\item
|
||||
kausale Zeitreihe: $x \equiv 0$ für $n < 0$
|
||||
\item
|
||||
akausale Zeitreihe: $x \ge 0$ für $n \ge 0$
|
||||
akausale Zeitreihe: $x \equiv 0$ für $n < 0$
|
||||
\item
|
||||
zweiseitige Zeitreihe: Ist immer über die Kombination von kausaler und akausaler Zeitreihe möglich
|
||||
\item
|
||||
@ -1029,301 +1034,414 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
||||
\end{itemize}
|
||||
\Rightarrow System von nicht-rekursiven Operatoren einfacher, keine Stabilitätsbetrachtung erfolrderlich
|
||||
|
||||
\subsubsection{Die z-Transformation}
|
||||
Zunächst Betrachtung der Fourer-Transformation
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F(\omega) = \int_{-\infty}^\infty f(t) \e^{-j\omega t} \d t
|
||||
\end{equation}
|
||||
Frage: Was ändert sich hier, wenn $f(t)$ ein zeitdiskretes (abgetastetes) Signal ist, das nur zu den Zeitpunkten $t=nT$ definiert ist?
|
||||
\\DTFT (\neq DFT!) \textit{discrete-time Fourier transform}:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\boxed{
|
||||
X(\e^{j\omega}) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x(n) \e^{-jn\omega}
|
||||
}
|
||||
\end{equation}
|
||||
wobei $w$ die digitale Frequenz $-\pi \le \omega \le +\pi$ darstellt, mit $\omega \in \R$.
|
||||
\\
|
||||
IDTFT (inverse):
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\boxed{
|
||||
x(n) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^{+\pi}X(\e^{j\omega}) \e^{-jn\omega} \d \omega
|
||||
}
|
||||
\end{equation}
|
||||
\subsection{Die z-Transformation}
|
||||
Zunächst Betrachtung der Fourer-Transformation
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F(\omega) = \int_{-\infty}^\infty f(t) \e^{-j\omega t} \d t
|
||||
\end{equation}
|
||||
Frage: Was ändert sich hier, wenn $f(t)$ ein zeitdiskretes (abgetastetes) Signal ist, das nur zu den Zeitpunkten $t=nT$ definiert ist?
|
||||
\\DTFT (\neq DFT!) \textit{discrete-time Fourier transform}:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\boxed{
|
||||
X(\e^{j\omega}) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x(n) \e^{-jn\omega}
|
||||
}
|
||||
\end{equation}
|
||||
wobei $w$ die digitale Frequenz $-\pi \le \omega \le +\pi$ darstellt, mit $\omega \in \R$.
|
||||
\\
|
||||
IDTFT (inverse):
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\boxed{
|
||||
x(n) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^{+\pi}X(\e^{j\omega}) \e^{-jn\omega} \d \omega
|
||||
}
|
||||
\end{equation}
|
||||
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item
|
||||
Integration wird Summation, da nur Beiträge zu den Abtastzeitpunkten (dazwischen nicht definiert)
|
||||
\item
|
||||
Statt kontinuierlicher Frequenz $\omega$ nun digitale Frequenz, da Spektrum periodisch, d-h- für $\omega \lessgtr \pi$ Wiederholung
|
||||
\\Um die Periodizität anzudeuten wird im Argument von $X$ $\omega$ durch $\e^{j\omega}$ ersetzt, $\e^{j\omega}$ ist ja mit $2\pi$ periodisch
|
||||
\end{itemize}
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item
|
||||
Integration wird Summation, da nur Beiträge zu den Abtastzeitpunkten (dazwischen nicht definiert)
|
||||
\item
|
||||
Statt kontinuierlicher Frequenz $\omega$ nun digitale Frequenz, da Spektrum periodisch, d-h- für $\omega \lessgtr \pi$ Wiederholung
|
||||
\\Um die Periodizität anzudeuten wird im Argument von $X$ $\omega$ durch $\e^{j\omega}$ ersetzt, $\e^{j\omega}$ ist ja mit $2\pi$ periodisch
|
||||
\end{itemize}
|
||||
|
||||
\textbf{Problem}: Für viele nichtperiodische Funktionen konvergiert das Integral $\int_{-\infty}^{\infty} f(t) e^{-j\omega t} \d t$ nicht
|
||||
\\ Deshalb (im kausalen Fall) Dämpfung der Zeitfunktion mit $\e^{-\sigma t}$. Dann ist in Abhängigkeit von $f(t)$ für bestimmte Werte von $\sigma \ge 0$ Konvergenz herstellbar.
|
||||
D.h. neues Integral:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F_\sigma(\omega) = \int_0^\infty f(t) \e^-{j\omega t} \d t
|
||||
\end{equation}
|
||||
Nun Einführung der Komplexen Variablen $s=\sigma + j \omega$.
|
||||
$F_\sigma(\omega)$ stellt eine ganze Schar von Spektraldichten dar, von denen einige nicht existieren können.
|
||||
Betrachtung in der $s$-Ebene:
|
||||
\begin{figure}[H]
|
||||
\centering
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl09-s-ebene.png}
|
||||
\caption{$s$-Ebene}
|
||||
\end{figure}
|
||||
\textbf{Problem}: Für viele nichtperiodische Funktionen konvergiert das Integral $\int_{-\infty}^{\infty} f(t) e^{-j\omega t} \d t$ nicht
|
||||
\\ Deshalb (im kausalen Fall) Dämpfung der Zeitfunktion mit $\e^{-\sigma t}$. Dann ist in Abhängigkeit von $f(t)$ für bestimmte Werte von $\sigma \ge 0$ Konvergenz herstellbar.
|
||||
D.h. neues Integral:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F_\sigma(\omega) = \int_0^\infty f(t) \e^-{j\omega t} \d t
|
||||
\end{equation}
|
||||
Nun Einführung der Komplexen Variablen $s=\sigma + j \omega$.
|
||||
$F_\sigma(\omega)$ stellt eine ganze Schar von Spektraldichten dar, von denen einige nicht existieren können.
|
||||
Betrachtung in der $s$-Ebene:
|
||||
\begin{figure}[H]
|
||||
\centering
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl09-s-ebene.png}
|
||||
\caption{$s$-Ebene}
|
||||
\end{figure}
|
||||
|
||||
Schreibt man
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F(s) = \sigma_0^\infty f(t) \e^{(-\sigma + j\omega)t} \d t
|
||||
\end{equation}
|
||||
dann stellt $F(s)$ bei festem $\sigma$ die Spketraldichte der mit $\e^{-\sigma t}$ gedämpften Zeitfunktion $f(t)$ dar. Man bezeichnet $F(s)$ als einseitige \textbf{Laplace-Transformation} der Zeitfunktion $f(t)$.
|
||||
\\
|
||||
Die L-Transformation verfügt im wesenetlichen über die gleichen Eigenschaften wie die F-Transformation, deckt aber die meisten in der Praxis vorkommenden Fälle nichtperiodischer Funktionen ab.
|
||||
Schreibt man
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F(s) = \sigma_0^\infty f(t) \e^{(-\sigma + j\omega)t} \d t
|
||||
\end{equation}
|
||||
dann stellt $F(s)$ bei festem $\sigma$ die Spketraldichte der mit $\e^{-\sigma t}$ gedämpften Zeitfunktion $f(t)$ dar. Man bezeichnet $F(s)$ als einseitige \textbf{Laplace-Transformation} der Zeitfunktion $f(t)$.
|
||||
\\
|
||||
Die L-Transformation verfügt im wesenetlichen über die gleichen Eigenschaften wie die F-Transformation, deckt aber die meisten in der Praxis vorkommenden Fälle nichtperiodischer Funktionen ab.
|
||||
|
||||
Schreibt man die L-Transformierte
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F(s) = \int_{0/-\infty}^{+\infty} f(t) \e^{-s t}
|
||||
\end{equation}
|
||||
(wobei die die Integrationsgrenze $0$ die einseitige und $-\infty$ die zweiseitige bezeichnet) für zeitdiskrete Signale auf, so hat man (im zweiseitigen Fall):
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F(s) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} f(n) \e^{-s n T}
|
||||
\end{equation}
|
||||
und mit der Abkürzung $z=\e^{sT}$ wird daraus die \textbf{z-Transformation}:
|
||||
\def\Z{\mathcal{Z}}
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\boxed{
|
||||
X(z) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x(n) z^{-n} = \Z\left\{x(n)\right\}
|
||||
}
|
||||
\end{equation}
|
||||
Schreibt man die L-Transformierte
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F(s) = \int_{0/-\infty}^{+\infty} f(t) \e^{-s t}
|
||||
\end{equation}
|
||||
(wobei die die Integrationsgrenze $0$ die einseitige und $-\infty$ die zweiseitige bezeichnet) für zeitdiskrete Signale auf, so hat man (im zweiseitigen Fall):
|
||||
\begin{equation}
|
||||
F(s) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} f(n) \e^{-s n T}
|
||||
\end{equation}
|
||||
und mit der Abkürzung $z=\e^{sT}$ wird daraus die \textbf{z-Transformation}:
|
||||
\def\Z{\mathcal{Z}}
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\boxed{
|
||||
X(z) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x(n) z^{-n} = \Z\left\{x(n)\right\}
|
||||
}
|
||||
\end{equation}
|
||||
|
||||
\lecture{10}
|
||||
\begin{figure}[H]
|
||||
\centering
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl10-z.png}
|
||||
\end{figure}
|
||||
Die z-Transformation bildet eine diskrete Zahlenfolge in den z-Bereich ab.
|
||||
Die Vorteile der Laplace-Transformation im kontinuierlichen Fall bleiben erhalten.
|
||||
Insbesondere: Ersetzung der Berechnung von Faltungssummen durch die Multiplikation von Spektren im z-Bereich.
|
||||
\begin{figure}[H]
|
||||
\centering
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl10-z.png}
|
||||
\end{figure}
|
||||
Die z-Transformation bildet eine diskrete Zahlenfolge in den z-Bereich ab.
|
||||
Die Vorteile der Laplace-Transformation im kontinuierlichen Fall bleiben erhalten.
|
||||
Insbesondere: Ersetzung der Berechnung von Faltungssummen durch die Multiplikation von Spektren im z-Bereich.
|
||||
|
||||
\paragraph{Rücktransformation}
|
||||
\begin{equation}
|
||||
x(n) = \Z^{-1}\left\{X(z)\right\} = \frac{1}{2\pi j} \oint_c X(z) z^{n-1} \d z
|
||||
\end{equation}
|
||||
Komplexes Integral: Integration über geschlossenen Weg in der Komplexen Ebene (\rightarrow Funktionentheorie, Residuensatz).
|
||||
\subsubsection{Rücktransformation}
|
||||
\begin{equation}
|
||||
x(n) = \Z^{-1}\left\{X(z)\right\} = \frac{1}{2\pi j} \oint_c X(z) z^{n-1} \d z
|
||||
\end{equation}
|
||||
Komplexes Integral: Integration über geschlossenen Weg in der Komplexen Ebene (\rightarrow Funktionentheorie, Residuensatz).
|
||||
|
||||
|
||||
z-Transformation ist die Entwicklung von $x(n)$ in eine \textbf{Laurent-Reihe} zum $z=0$ (keine Potenzreihe, nur negative Exponenten für $z$).
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\Z\left\{x(n)\right\} = x(0) + \frac{x(1)}{z} + \frac{x(2)}{z^2} + \dots
|
||||
\end{equation}
|
||||
\paragraph{Beispiel}: z-Transformation der Zeitreihen
|
||||
\begin{align}
|
||||
&\left\begin{array}{l}
|
||||
h(n) = \{1,2,2,0,0,0,\dots\}\\
|
||||
x(n) = \{1,1,0,1,0,0,\dots\}
|
||||
\end{array}\right\} \text{siehe obiges zur Faltung} \\
|
||||
&H(z) = 1 + 2z^{-1} + 2z^{-2} \\
|
||||
&X(z) = 1+ z^{-1} + z^{-3}
|
||||
\end{align}
|
||||
z-Transformation ist die Entwicklung von $x(n)$ in eine \textbf{Laurent-Reihe} zum $z=0$ (keine Potenzreihe, nur negative Exponenten für $z$).
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\Z\left\{x(n)\right\} = x(0) + \frac{x(1)}{z} + \frac{x(2)}{z^2} + \dots
|
||||
\end{equation}
|
||||
\paragraph{Beispiel}: z-Transformation der Zeitreihen
|
||||
\begin{align}
|
||||
&\left\begin{array}{l}
|
||||
h(n) = \{1,2,2,0,0,0,\dots\}\\
|
||||
x(n) = \{1,1,0,1,0,0,\dots\}
|
||||
\end{array}\right\} \text{siehe obiges zur Faltung} \\
|
||||
&H(z) = 1 + 2z^{-1} + 2z^{-2} \\
|
||||
&X(z) = 1+ z^{-1} + z^{-3}
|
||||
\end{align}
|
||||
|
||||
Jetzt Multiplikation der Spektren: Polynommultiplikation
|
||||
\begin{equation}
|
||||
H(z)\cdot X(z) = 1 + 3z^{-1} + 4z^{-2} + 3z^{-3} + 2z^{-4} + 2z^{-5} = Y(z)
|
||||
\end{equation}
|
||||
Das entspricht Offensichtlich: der z-Transformation der Zeitreihe $y(n) = \{1,3,4,3,2,2,0,0,\dots\}$ \Rightarrow siehe Bsp. zur Faltung
|
||||
Jetzt Multiplikation der Spektren: Polynommultiplikation
|
||||
\begin{equation}
|
||||
H(z)\cdot X(z) = 1 + 3z^{-1} + 4z^{-2} + 3z^{-3} + 2z^{-4} + 2z^{-5} = Y(z)
|
||||
\end{equation}
|
||||
Das entspricht Offensichtlich: der z-Transformation der Zeitreihe $y(n) = \{1,3,4,3,2,2,0,0,\dots\}$ \Rightarrow siehe Bsp. zur Faltung
|
||||
|
||||
Beobachtung:
|
||||
\begin{enumerate}[a)]
|
||||
\item Der Wert vor dem Ausdruck $z^{-n}$ ist offensichtlich der Wert der Reihe zum Zeitpunkt $n$
|
||||
\item Die Spektren $H(z)$ und $X(z)$ sind $<\infty$ für alle Werte von $\neq0$ \Rightarrow Konvergenz der z-Transformation
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
Beobachtung:
|
||||
\begin{enumerate}[a)]
|
||||
\item Der Wert vor dem Ausdruck $z^{-n}$ ist offensichtlich der Wert der Reihe zum Zeitpunkt $n$
|
||||
\item Die Spektren $H(z)$ und $X(z)$ sind $<\infty$ für alle Werte von $\neq0$ \Rightarrow Konvergenz der z-Transformation
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
|
||||
\subsubsection{Konvergenz der z-Transformation}
|
||||
Die z-Transformation ist nur sinnvoll, wenn sie beschränkt ist.
|
||||
Daher ist die Konvergenzuntersuchung der Reihe notwendig.
|
||||
\subsubsection{Konvergenz der z-Transformation}
|
||||
Die z-Transformation ist nur sinnvoll, wenn sie beschränkt ist.
|
||||
Daher ist die Konvergenzuntersuchung der Reihe notwendig.
|
||||
|
||||
Definition eines Konvergenzgebietes:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
R = \left\{z: \left\lvert \sum_{n=-\infty}^{\infty} x(n) z^{-n}\right\rvert < \infty\right\}
|
||||
\end{equation}
|
||||
Konvergenzregion $R$ umfasst alle Werte von $z$, für die der Betragswert der Summe endlich ist.
|
||||
Um die Analyse zu strukturieren, kann man die Reihe in eine kausale Reihe und eine akausale Reihe aufteilen:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
X(z) = \sum_{n=0}^{\infty} x(n) z^{-n} + \sum_{n=-\infty}^{-1} x(n)z^{-n} = X_\text{c}(z) + X_\text{a}(z)
|
||||
\end{equation}
|
||||
Es gilt:
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item $\abs*{X_\text{c}(z)} < \infty$ für $\abs*{z} > r_\text{c}$, d.h für alle $z$ außerhalb eines Konvergenzradius $r_\text{c}$
|
||||
\item $\abs*{X_\text{a}(z)} < \infty$ für $\abs*{z} < r_\text{<}$, d.h für alle $z$ innerhalb eines Konvergenzradius $r_\text{a}$
|
||||
\end{itemize}
|
||||
Wobei $r_\text{c},\,r_\text{a}\in \R^+$.
|
||||
Definition eines Konvergenzgebietes:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
R = \left\{z: \left\lvert \sum_{n=-\infty}^{\infty} x(n) z^{-n}\right\rvert < \infty\right\}
|
||||
\end{equation}
|
||||
Konvergenzregion $R$ umfasst alle Werte von $z$, für die der Betragswert der Summe endlich ist.
|
||||
Um die Analyse zu strukturieren, kann man die Reihe in eine kausale Reihe und eine akausale Reihe aufteilen:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
X(z) = \sum_{n=0}^{\infty} x(n) z^{-n} + \sum_{n=-\infty}^{-1} x(n)z^{-n} = X_\text{c}(z) + X_\text{a}(z)
|
||||
\end{equation}
|
||||
Es gilt:
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item $\abs*{X_\text{c}(z)} < \infty$ für $\abs*{z} > r_\text{c}$, d.h für alle $z$ außerhalb eines Konvergenzradius $r_\text{c}$
|
||||
\item $\abs*{X_\text{a}(z)} < \infty$ für $\abs*{z} < r_\text{<}$, d.h für alle $z$ innerhalb eines Konvergenzradius $r_\text{a}$
|
||||
\end{itemize}
|
||||
Wobei $r_\text{c},\,r_\text{a}\in \R^+$.
|
||||
|
||||
In der z-Ebene:
|
||||
\begin{figure}[H]
|
||||
\centering
|
||||
\includegraphics[width=0.48\textwidth]{img/vl10-z-konvergenz-kausal.png}
|
||||
\includegraphics[width=0.48\textwidth]{img/vl10-z-konvergenz-akausal.png}\\
|
||||
\includegraphics[width=0.96\textwidth]{img/vl10-z-konvergenz-beide.png}\\
|
||||
\end{figure}
|
||||
In der z-Ebene:
|
||||
\begin{figure}[H]
|
||||
\centering
|
||||
\includegraphics[width=0.48\textwidth]{img/vl10-z-konvergenz-kausal.png}
|
||||
\includegraphics[width=0.48\textwidth]{img/vl10-z-konvergenz-akausal.png}\\
|
||||
\includegraphics[width=0.96\textwidth]{img/vl10-z-konvergenz-beide.png}\\
|
||||
\end{figure}
|
||||
|
||||
\paragraph{Beispiel für Konvergenzregion}
|
||||
\begin{enumerate}[a)]
|
||||
\item $x(n) = a^n$ wo $n\gt0$ sei (kausaler Fall) \\
|
||||
\begin{align}
|
||||
X(z) &= \sum_{n=0}^{\infty} a^nz^{-n} = \sum_{n=0}^{\infty} (az^{-1})^n = \\
|
||||
\shortintertext{geometrische Reihe für $\abs*{\frac{a}{z}} <1$ \Rightarrow $\abs*{a} < \abs*{z}$}
|
||||
&= \frac{1}{1-\frac{a}{z}}
|
||||
\end{align}
|
||||
\begin{center}
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl10-beispiel-kausal.png}
|
||||
\end{center}
|
||||
\paragraph{Beispiel für Konvergenzregion}
|
||||
\begin{enumerate}[a)]
|
||||
\item $x(n) = a^n$ wo $n\gt0$ sei (kausaler Fall) \\
|
||||
\begin{align}
|
||||
X(z) &= \sum_{n=0}^{\infty} a^nz^{-n} = \sum_{n=0}^{\infty} (az^{-1})^n = \\
|
||||
\shortintertext{geometrische Reihe für $\abs*{\frac{a}{z}} <1$ \Rightarrow $\abs*{a} < \abs*{z}$}
|
||||
&= \frac{1}{1-\frac{a}{z}}
|
||||
\end{align}
|
||||
\begin{center}
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl10-beispiel-kausal.png}
|
||||
\end{center}
|
||||
|
||||
\item $x(n) = b^n$ für $n<0$
|
||||
\begin{align}
|
||||
X(z) &= \sum_{n=-\infty}^{-1} b^nz^{-n} = -1 + \sum_{n=0}^{\infty} \left( \frac{z}{b}\right)^n =
|
||||
\shortintertext{geometrische Reihe für $\abs*{\frac{z}{b}} <1$ \Rightarrow $\abs*{z} < \abs*{b}$}
|
||||
&= -1 + \frac{1}{1-\frac{z}{b}}
|
||||
\end{align}
|
||||
\begin{center}
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl10-beispiel-akausal.png}
|
||||
\end{center}
|
||||
\item $x(n) = b^n$ für $n<0$
|
||||
\begin{align}
|
||||
X(z) &= \sum_{n=-\infty}^{-1} b^nz^{-n} = -1 + \sum_{n=0}^{\infty} \left( \frac{z}{b}\right)^n =
|
||||
\shortintertext{geometrische Reihe für $\abs*{\frac{z}{b}} <1$ \Rightarrow $\abs*{z} < \abs*{b}$}
|
||||
&= -1 + \frac{1}{1-\frac{z}{b}}
|
||||
\end{align}
|
||||
\begin{center}
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl10-beispiel-akausal.png}
|
||||
\end{center}
|
||||
|
||||
\item $x(n) = \cos(n\omega) ) \frac{1}{2}(\e^{jn\omega}+\e^{-jn\omega})$
|
||||
\begin{align}
|
||||
X(z) &= \frac{1}{2} \sum_{n=0}^{\infty} (\e^{jn\omega}+\e^{-jn\omega})z^{-n}
|
||||
= \frac{1}{2}\left[\sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{\e^{j\omega}}{z}\right)^n + \sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{\e^{-j\omega}}{z}\right)^{-n}\right] =\\
|
||||
\shortintertext{$\abs*{z}>1$}
|
||||
&= \frac{1}{2}\left[\frac{1}{1-\frac{\e^{j\omega}}{z}} + \frac{1}{1-\frac{\e^{-j\omega}}{z}}\right] = \frac{z(z-\cos\omega)}{z^2-2z\cos\omega + 1}
|
||||
\end{align}
|
||||
\begin{center}
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl10-beispiel-cos.png}
|
||||
\end{center}
|
||||
Sonderfall $\omega=0$ \Rightarrow $x(n)=1$ für $n\gt1,\,x(n)=u(n)$
|
||||
\begin{equation}
|
||||
X(Z) = \frac{z(z-1)}{z^2-2z+1}=\frac{z}{z-1}
|
||||
\end{equation}
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
\item $x(n) = \cos(n\omega) ) \frac{1}{2}(\e^{jn\omega}+\e^{-jn\omega})$
|
||||
\begin{align}
|
||||
X(z) &= \frac{1}{2} \sum_{n=0}^{\infty} (\e^{jn\omega}+\e^{-jn\omega})z^{-n}
|
||||
= \frac{1}{2}\left[\sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{\e^{j\omega}}{z}\right)^n + \sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{\e^{-j\omega}}{z}\right)^{-n}\right] =\\
|
||||
\shortintertext{$\abs*{z}>1$}
|
||||
&= \frac{1}{2}\left[\frac{1}{1-\frac{\e^{j\omega}}{z}} + \frac{1}{1-\frac{\e^{-j\omega}}{z}}\right] = \frac{z(z-\cos\omega)}{z^2-2z\cos\omega + 1}
|
||||
\end{align}
|
||||
\begin{center}
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl10-beispiel-cos.png}
|
||||
\end{center}
|
||||
Sonderfall $\omega=0$ \Rightarrow $x(n)=1$ für $n\gt1,\,x(n)=u(n)$
|
||||
\begin{equation}
|
||||
X(Z) = \frac{z(z-1)}{z^2-2z+1}=\frac{z}{z-1}
|
||||
\end{equation}
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
|
||||
\noindent\Rightarrow Lage von Polen und Nullstellen in der z-Ebene charakterisisert die Eigenschaften von Systemen
|
||||
hinsichtlich Stabilität!
|
||||
\noindent\Rightarrow Lage von Polen und Nullstellen in der z-Ebene charakterisisert die Eigenschaften von Systemen
|
||||
hinsichtlich Stabilität!
|
||||
|
||||
\subsubsection{Stabilitätskriterium im Frequenzbereich}
|
||||
Bei einem stabilen System war im Zeitbereich ein Kriterium:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\sum_{n=-\infty}^{\infty} \abs*{h(n)} < \infty
|
||||
\end{equation}
|
||||
Für die Übertragungsfunktion eines Kausalen Systems gilt:
|
||||
\begin{align}
|
||||
\abs*{H(z)} &= \abs*{\sum_{n=0}^{\infty} h(n)z^{-n}} \,\explUnder[\le]{Dreicksungleichung}\,\sum_{n=0}^{\infty} \abs*{h(n)}\cdot\abs*{z^{-n}} \\
|
||||
\shortintertext{also ist für $\abs*{z} \gt 1$}
|
||||
\abs*{H(z)} &\le \abs*{\sum_{n=0}^{\infty} h(n)}
|
||||
\end{align}
|
||||
\Rightarrow bei stabilem System ist $H(z)$ sicher beschränkt für $\abs{z}\gt1$. Ein Kausales System, das stabil ist, hat keine Pole auf oder außerhalb des Einheitskreises.
|
||||
\subsubsection{Stabilitätskriterium im Frequenzbereich}
|
||||
Bei einem stabilen System war im Zeitbereich ein Kriterium:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\sum_{n=-\infty}^{\infty} \abs*{h(n)} < \infty
|
||||
\end{equation}
|
||||
Für die Übertragungsfunktion eines Kausalen Systems gilt:
|
||||
\begin{align}
|
||||
\abs*{H(z)} &= \abs*{\sum_{n=0}^{\infty} h(n)z^{-n}} \,\explUnder[\le]{Dreicksungleichung}\,\sum_{n=0}^{\infty} \abs*{h(n)}\cdot\abs*{z^{-n}} \\
|
||||
\shortintertext{also ist für $\abs*{z} \gt 1$}
|
||||
\abs*{H(z)} &\le \abs*{\sum_{n=0}^{\infty} h(n)}
|
||||
\end{align}
|
||||
\Rightarrow bei stabilem System ist $H(z)$ sicher beschränkt für $\abs{z}\gt1$. Ein Kausales System, das stabil ist, hat keine Pole auf oder außerhalb des Einheitskreises.
|
||||
|
||||
Für unsere Beispiele gilt entsprechend:
|
||||
\begin{enumerate}[a)]
|
||||
\item stabil für $a<1$, offensichtlich klar auch im Zeitbereich
|
||||
\item stabil für $b>1$
|
||||
\item Pole für $z^2-2z \cos\omega+1=0$ \Rightarrow $z_{1/2} = \cos\omega\pm j\sin\omega$
|
||||
\begin{center}
|
||||
\includegraphics[width=0.4\textwidth]{img/vl10-beispiel-pole.png}
|
||||
\end{center}
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
Wenn man bei c) die Transformierte als Systemantwort interpretiert, dass ist dies die Reaktion des Systems auf einen Einheitsimpuls. Reaktion ist eine $\cos$-Schwingung undendlicher Dauer (ungedämpft).\\
|
||||
Für eine gedämpften $\cos$:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\Z \left\{a^n\cos n\omega\right\} = \frac{z(z-a\cos\omega)}{z^-2az\cos\omega + a^2}
|
||||
\end{equation}
|
||||
\Rightarrow Pol bei $z_{1/2} = a\cos\omega \pm j a\sin\omega$ \Rightarrow stabil für $a<1$
|
||||
Für unsere Beispiele gilt entsprechend:
|
||||
\begin{enumerate}[a)]
|
||||
\item stabil für $a<1$, offensichtlich klar auch im Zeitbereich
|
||||
\item stabil für $b>1$
|
||||
\item Pole für $z^2-2z \cos\omega+1=0$ \Rightarrow $z_{1/2} = \cos\omega\pm j\sin\omega$
|
||||
\begin{center}
|
||||
\includegraphics[width=0.4\textwidth]{img/vl10-beispiel-pole.png}
|
||||
\end{center}
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
Wenn man bei c) die Transformierte als Systemantwort interpretiert, dass ist dies die Reaktion des Systems auf einen Einheitsimpuls. Reaktion ist eine $\cos$-Schwingung undendlicher Dauer (ungedämpft).\\
|
||||
Für eine gedämpften $\cos$:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\Z \left\{a^n\cos n\omega\right\} = \frac{z(z-a\cos\omega)}{z^-2az\cos\omega + a^2}
|
||||
\end{equation}
|
||||
\Rightarrow Pol bei $z_{1/2} = a\cos\omega \pm j a\sin\omega$ \Rightarrow stabil für $a<1$
|
||||
|
||||
\subsubsection{Einige Korrespondenzen der z-Transformation}
|
||||
\newcolumntype{C}{>{$\displaystyle}c<{$}}
|
||||
\begin{center}
|
||||
\begingroup
|
||||
\renewcommand{\arraystretch}{3}
|
||||
\begin{tabular}{C|C}
|
||||
f(n) & F(z) \\\hline\hline
|
||||
\delta(n) & 1 \\\hline
|
||||
u(n) & \frac{z}{z-1} \\\hline
|
||||
u(n)\,a^n & \frac{z}{z-a} \\\hline
|
||||
u(n)\,\cos n\omega & \frac{z(z-\cos\omega)}{z^2-2z-\cos\omega+1} \\\hline
|
||||
u(n)\,\sin n\omega & \frac{z\sin\omega}{z^2-2z\cos\omega + 1} \\\hline
|
||||
u(n)\,n & \frac{z}{(z-1)^2} \\\hline
|
||||
u(n)\,\cosh n\beta & \frac{z(z-\cosh\beta)}{z^2-2z\cosh\beta+1} \\\hline
|
||||
u(n)\, \frac{1}{n!} & \e^\frac{1}{z}
|
||||
\end{tabular}
|
||||
\endgroup
|
||||
\end{center}
|
||||
\subsubsection{Einige Korrespondenzen der z-Transformation}
|
||||
\newcolumntype{C}{>{$\displaystyle}c<{$}}
|
||||
\begin{center}
|
||||
\begingroup
|
||||
\renewcommand{\arraystretch}{3}
|
||||
\begin{tabular}{C|C}
|
||||
f(n) & F(z) \\\hline\hline
|
||||
\delta(n) & 1 \\\hline
|
||||
u(n) & \frac{z}{z-1} \\\hline
|
||||
u(n)\,a^n & \frac{z}{z-a} \\\hline
|
||||
u(n)\,\cos n\omega & \frac{z(z-\cos\omega)}{z^2-2z-\cos\omega+1} \\\hline
|
||||
u(n)\,\sin n\omega & \frac{z\sin\omega}{z^2-2z\cos\omega + 1} \\\hline
|
||||
u(n)\,n & \frac{z}{(z-1)^2} \\\hline
|
||||
u(n)\,\cosh n\beta & \frac{z(z-\cosh\beta)}{z^2-2z\cosh\beta+1} \\\hline
|
||||
u(n)\, \frac{1}{n!} & \e^\frac{1}{z}
|
||||
\end{tabular}
|
||||
\endgroup
|
||||
\end{center}
|
||||
|
||||
\lecture{11}
|
||||
|
||||
\subsubsection{Eigenschaften der einseitigen z-Tranformation}
|
||||
\begin{enumerate}[a)]
|
||||
\item \textbf{Linearität}: Linearkombination von k Zeitreihen
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\Zvon{\sum_{k=-1}^{i} c_k x_k(n)} = \sum_{k=1}^{i}c_k \Zvon{x_k(n)}
|
||||
\end{equation}
|
||||
\item \textbf{Verschiebung im Zeitbereich}
|
||||
Sei y(n) die um $m$ Zeitpunkte nach rechts (später) verschobene kausale Zeitreihe $x(n)$, also $y(n) = x(n-m)$.
|
||||
Dann ist
|
||||
\begin{align}
|
||||
Y(z) &= \sum_{n=0}^{\infty}[x(n-m)]z^{-n} \explUnder[=]{subst $k=n-m$} \sum_{k=-m}^{\infty}x(k) z^{-m+k} \\
|
||||
&= z^{-m} \explUnder[\sum_{k=0}^{\infty}]{da Kausalität vorausgesetzt kein Beitrag für $k=-m\dots-1$} x(k) z^{-k} = z^{-m} X(z)
|
||||
\end{align}
|
||||
Bei Linksverschiebung (früher) $y(n) = x(n+m)$:
|
||||
\begin{align}
|
||||
Y(z) &= \sum_{n=0}^{\infty} x(n+m) z^{-n} \explUnder{k=n+m} \sum_{k=m}^{\infty}x(k) z^{+(m-k)} \\
|
||||
&= z^{+m} \Big[\underbrace{\sum_{k=0}^{\infty} x(k)z^{-k}}_{X(z)} - \sum_{k=0}^{m-1} x(k) z^{-k} \Big] \\
|
||||
\Rightarrow Y(z) &= z^{+m} \left(X(z)-\sum_{n=0}^{m-1}x(n)z^{-n}\right)
|
||||
\end{align}
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl11-z-verschoben.png}
|
||||
\subsubsection{Eigenschaften der einseitigen z-Tranformation}
|
||||
\begin{enumerate}[a)]
|
||||
\item \textbf{Linearität}: Linearkombination von k Zeitreihen
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\Zvon{\sum_{k=-1}^{i} c_k x_k(n)} = \sum_{k=1}^{i}c_k \Zvon{x_k(n)}
|
||||
\end{equation}
|
||||
\item \textbf{Verschiebung im Zeitbereich}
|
||||
Sei y(n) die um $m$ Zeitpunkte nach rechts (später) verschobene kausale Zeitreihe $x(n)$, also $y(n) = x(n-m)$.
|
||||
Dann ist
|
||||
\begin{align}
|
||||
Y(z) &= \sum_{n=0}^{\infty}[x(n-m)]z^{-n} \explUnder[=]{subst $k=n-m$} \sum_{k=-m}^{\infty}x(k) z^{-m+k} \\
|
||||
&= z^{-m} \explUnder[\sum_{k=0}^{\infty}]{da Kausalität vorausgesetzt kein Beitrag für $k=-m\dots-1$} x(k) z^{-k} = z^{-m} X(z)
|
||||
\end{align}
|
||||
Bei Linksverschiebung (früher) $y(n) = x(n+m)$:
|
||||
\begin{align}
|
||||
Y(z) &= \sum_{n=0}^{\infty} x(n+m) z^{-n} \explUnder{k=n+m} \sum_{k=m}^{\infty}x(k) z^{+(m-k)} \\
|
||||
&= z^{+m} \Big[\underbrace{\sum_{k=0}^{\infty} x(k)z^{-k}}_{X(z)} - \sum_{k=0}^{m-1} x(k) z^{-k} \Big] \\
|
||||
\Rightarrow Y(z) &= z^{+m} \left(X(z)-\sum_{n=0}^{m-1}x(n)z^{-n}\right)
|
||||
\end{align}
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl11-z-verschoben.png}
|
||||
|
||||
\item Ähnlichkeit:
|
||||
\begin{align}
|
||||
\Zvon{a^n x(n)} &= \sum_{n=0}^{\infty}a^n x(n) z^{-n} = \sum_{n=0}^{\infty}x(n)z(z\,a^{-1})^{-n} \\
|
||||
&= X(z\, a^{-1})
|
||||
\end{align}
|
||||
\item \textbf{Faltungssatz}:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\Zvon{f(n) * g(n)} = F(z) \cdot G(z)
|
||||
\end{equation}
|
||||
Bei linearen Systemen ist
|
||||
\begin{align}
|
||||
y(n) &= h(n) * x(n) \\
|
||||
Y(z) &= H(z) \cdot X(z)
|
||||
\end{align}
|
||||
wobei $H(z)$ die Überlappungsfunktion des Systems ist
|
||||
\item Differentation der Bildfunktion:
|
||||
\begin{align}
|
||||
-z \odv{F(z)}{z} = \Zvon{n\cdot f(n)} \\
|
||||
\shortintertext{allgemein}
|
||||
\left(-z \odv{}{z} \right)^k F(z) = \Zvon{n^k f(n)}
|
||||
\end{align}
|
||||
\item Ähnlichkeit:
|
||||
\begin{align}
|
||||
\Zvon{a^n x(n)} &= \sum_{n=0}^{\infty}a^n x(n) z^{-n} = \sum_{n=0}^{\infty}x(n)z(z\,a^{-1})^{-n} \\
|
||||
&= X(z\, a^{-1})
|
||||
\end{align}
|
||||
\item \textbf{Faltungssatz}:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\Zvon{f(n) * g(n)} = F(z) \cdot G(z)
|
||||
\end{equation}
|
||||
Bei linearen Systemen ist
|
||||
\begin{align}
|
||||
y(n) &= h(n) * x(n) \\
|
||||
Y(z) &= H(z) \cdot X(z)
|
||||
\end{align}
|
||||
wobei $H(z)$ die Überlappungsfunktion des Systems ist
|
||||
\item Differentation der Bildfunktion:
|
||||
\begin{align}
|
||||
-z \odv{F(z)}{z} = \Zvon{n\cdot f(n)} \\
|
||||
\shortintertext{allgemein}
|
||||
\left(-z \odv{}{z} \right)^k F(z) = \Zvon{n^k f(n)}
|
||||
\end{align}
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
|
||||
\subsubsection{Die z-Transformation bei linearen rekursiven Systemen}
|
||||
Die Klasse der kausalen linearen rekusriven Systeme ist beschreibbar durch:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\sum_{k=0}^{p}a_k y(n-k) = \sum_{k=0}^{q} b_k x(n-k)
|
||||
\end{equation}
|
||||
Nunmehr z-Transformation auf beiden Seiten:
|
||||
\begin{align}
|
||||
\Zvon{\sum_{k=0}^{p}a_k y(n-k)} &= \Zvon{\sum_{k=0}^{q} b_k x(n-k)} \\
|
||||
\shortintertext{mit Linearitätssatz}
|
||||
\sum_{k=0}^{p}a_k \Zvon{y(n-k)} &= \sum_{k=0}^{q} b_k \Zvon{x(n-k)} \\
|
||||
\shortintertext{mit Vertauschungssatz}
|
||||
\sum_{k=0}^{p}Y(z) z^{-k} &= \sum_{k=0}^{q} b_k X(z) z^{-k}
|
||||
\end{align}
|
||||
Daraus:
|
||||
\begin{align}
|
||||
H(z) &= \frac{Y(z)}{X(z)} = \frac{\sum_{k=0}^{q}b_k z^{-k}}{\sum_{k=0}^{p} a_k z^{-k}} \\
|
||||
\Aboxed{
|
||||
H(z) &= \frac{b_0 + b_1z^{-1} b_2z^{-2} + \dots + b_qz^{-q}}{a_0 + a_1z^{-1} a_2z^{-2} + \dots + a_pz^{-p}}
|
||||
}
|
||||
\end{align}
|
||||
\Rightarrow Ein lineares, rekursives System hat immer eine in $z$ rationale Übertragungsfunktion.
|
||||
Mit dem Hauptsatz der linearen Algebra lässt dies umschreiben zu
|
||||
|
||||
\begin{align}
|
||||
H(z) &= c \frac{\prod_{k=1}^{q} \left(1-z_kz^{-1}\right)}{\prod_{k=1}^{p} \left(1-p_kz^{-1}\right)} \\
|
||||
&= c \frac{\left(1-z_1 z^{-1}\right) \left(1-z_2 z^{-1}\right) \dots \left(1-z_q z^{-1}\right)}
|
||||
{\left(1-p_1z^{-1}\right) \left(1-p_2z^{-1}\right) \dots \left(1-p_pz^{-1}\right)}
|
||||
\end{align}
|
||||
|
||||
Für
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item $z=z_k$: $H(z) = 0$ \Rightarrow Übertragungsfunktion hat eine Nullstelle, Systemausgang $=0$
|
||||
\item $z\to p_k$: $H(z) \to \infty$ \Rightarrow Übertragungsfunktion hat einen Pol, Systemausgang ist unendlich hoch
|
||||
\end{itemize}
|
||||
|
||||
\paragraph{Beispiel}
|
||||
\begin{align}
|
||||
H_1(z) &= \frac{b_0 + b_1 z^{-1} + b_2 z^{-2}}{a_0 + a_1 z^{-1} + a_2 z^{-2}} \\
|
||||
&= \frac{b_0 z^2 + b_1 z + b_2}{a_0 z^2 + a_1 z + a_2} \\
|
||||
&= \frac{(z-z_1)(z-z_2)}{(z-p_1) + (z-p_2)} = \frac{(1-z_1 z^{-1})(1-z_2z^{-1})}{(1-p_1z^{-1})(1-p_2z^{-1})}
|
||||
\shortintertext{wo:}
|
||||
z_{1,2} &= \frac{-b_1\pm \sqrt{b_1^2-4b_0b_2}}{2b_0} \\
|
||||
p_{1,2} &= \frac{-a_1\pm \sqrt{a_1^2-4a_0a_2}}{2a_0}
|
||||
\end{align}
|
||||
|
||||
\begin{enumerate}
|
||||
\item $b_1 = b_2 = 0$\\\Rightarrow $H(z)$ hat zwei Pole bei $z=p_1$ und $z=p_2$ \Rightarrow ``Allpol-System''
|
||||
\item $b_2 = 0$\\\Rightarrow $H(z)$ hat zwei Pole (wie bei Fall 1), eine Nullstelle bei $z=0$ und eine Nullstelle bei $z=\frac{-b_1}{b_0}$
|
||||
\item keine Einschränkungen, d.h. Pole wie Fall 1, Nullstellen für $z=z_1$ und $z=z_2$
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
|
||||
\subsubsection{Die z-Transformation bei linearen rekursiven Systemen}
|
||||
Die Klasse der kausalen linearen rekusriven Systeme ist beschreibbar durch:
|
||||
\begin{equation}
|
||||
\sum_{k=0}^{p}a_k y(n-k) = \sum_{k=0}^{q} b_k x(n-k)
|
||||
\end{equation}
|
||||
Nunmehr z-Transformation auf beiden Seiten:
|
||||
\subsubsection{Realisierungen}
|
||||
\begin{center}
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl11-z-beispiel.png}
|
||||
\end{center}
|
||||
Für das allgemeine, rekursive, lineare System ist die Beschreibungsgleichung
|
||||
\begin{align}
|
||||
\Zvon{\sum_{k=0}^{p}a_k y(n-k)} &= \Zvon{\sum_{k=0}^{q} b_k x(n-k)} \\
|
||||
\shortintertext{mit Linearitätssatz}
|
||||
\sum_{k=0}^{p}a_k \Zvon{y(n-k)} &= \sum_{k=0}^{q} b_k \Zvon{x(n-k)} \\
|
||||
\shortintertext{mit Vertauschungssatz}
|
||||
\sum_{k=0}^{p}Y(z) z^{-k} &= \sum_{k=0}^{q} b_k X(z) z^{-k}
|
||||
\end{align}
|
||||
Daraus:
|
||||
\begin{align}
|
||||
H(z) &= \frac{Y(z)}{X(z)} = \frac{\sum_{k=0}^{q}b_k z^{k})}{\sum_{k=0}^{p} a_k z^{-k}} \\
|
||||
\Aboxed{
|
||||
H(z) &= \frac{b_0 + b_1z^{-1} b_2z^{-2} + \dots + b_qz^{-q}}{a_0 + a_1z^{-1} a_2z^{-2} + \dots + a_pz^{-p}}
|
||||
}
|
||||
\sum_{k=0}^{p} a_k y(n-k) = \sum_{k=0}^{q} b_k x(n-k)
|
||||
\shortintertext{bzw:}
|
||||
Y(z) \sum_{k=0}^{p} a_k z^{-k} = X(z) \sum_{k=0}^{q} b_k z^{-k}
|
||||
\end{align}
|
||||
Aus der Gleichung ist sofort ersichtlich, dass 3 Grundoperationen ausreichen:
|
||||
\begin{enumerate}
|
||||
\item Multiplikation mit einer Konstanten
|
||||
\item Summation (Subtraktion)
|
||||
\item Verzögerung um \textbf{einen} Abtasttakt
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
Realisierung eines gewünschten Umformalgorithmus durch ein Rechenprogramm oder direkt durch Hardwarebausteine Multiplizierer, Summierer und Schieberegister, die in bestimmter Weise verknüpft werden.\\
|
||||
Prinzipiell können unterschiedliche Strukturen den gleichen Algorithmus realisieren.
|
||||
Bei endlicher Rechengenauigkeit bleiben jedoch Unterschiede bestehen.
|
||||
|
||||
|
||||
\paragraph{Blockdiagramme} geben die Struktur einer Realisierung an. 3 Bauelemente decken alle Anwendungen ab:
|
||||
\begin{enumerate}
|
||||
\item Multiplizierer mit einer Konstanten $a$ \\
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl11-block-Multiplizierer.png}
|
||||
\item Addierer (Subtrahierer) \\
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl11-block-addierer.png}
|
||||
\item Verzögerung, Zeitverschiebung um einen Abtasttakt\\
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl11-block-verzögerung.png}
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
|
||||
\paragraph{Beispiele}
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item Nichtrekursives System \\
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl11-bsp-nichtrekursiv.png} \\
|
||||
\begin{align}
|
||||
y(n) &= x(n) + x(n-1) - a\,x(n-2) \\
|
||||
Y(z) &= X(z) (1 + z^{-1} - a\,z^{-2}) \\
|
||||
H(z) &= \frac{Y(z)}{X(z)} = 1 + z^{-1} - a\,z^{-2} \\
|
||||
\mathcal{Z}^{-1}\{H(z)\} &= \delta(n) + \delta(n-1) - a\,\delta(n-2)
|
||||
\end{align}
|
||||
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl11-bsp-nichtrekursiv-H.png}
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item System mit endlicher Impulsantwort, FIR
|
||||
\item System hat zwei Verzögerungselemente, entspricht Grad des Polynoms
|
||||
\end{itemize}
|
||||
|
||||
\item Rekursives System 1. Ordnung \\
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl11-bsp-rekursiv.png} \\
|
||||
\begin{align}
|
||||
y(n) &= x(n) + a\, y(n-1) \\
|
||||
\end{align}
|
||||
Impulsantwort: \\
|
||||
\newcolumntype{C}{>{$}c<{$}} % math-mode version of "c" column type
|
||||
\begin{tabular}{C|C|C}
|
||||
n & x(n) & y(n) \\
|
||||
0 & 1 & 1 \\
|
||||
1 & 0 & a \\
|
||||
2 & 0 & a^2 \\
|
||||
3 & 0 & a^3 \\
|
||||
4 & 0 & a^4 \\
|
||||
5 & 0 & a^5 \\
|
||||
\end{tabular}\\
|
||||
|
||||
\Rightarrow System mit Impulsantwort von unendlich langer Dauer:
|
||||
\begin{align}
|
||||
Y(z) &= X(z) + a\,z^{-1} Y(z) \\
|
||||
H(z) &= \frac{1}{1-a\,z^{-1}} = \frac{z}{z-a} \\
|
||||
\mathcal{Z}^{-1}\{H(z)\} &= a^n u(n)
|
||||
\end{align}
|
||||
Beachte: der Addierer darf nur Werte erhalten, die bereits berechnet wurden.
|
||||
Deshalb, in jedem Zyklus mindestens ein Verzögerer erforderlich!
|
||||
|
||||
Kaskadierung dieses Systems ergibt rekursives System 2. Ordnung:\\
|
||||
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{img/vl11-bsp-rekursiv-kaskadiert.png} \\
|
||||
Zwei Gleichungen
|
||||
\begin{align}
|
||||
w(n) &= x(n) + a\,w(n-1) \\
|
||||
y(n) &= w(n) + a\,y(n-1) \\
|
||||
\Rightarrow y(n) &= x(n) + 2a\,y(n-1) - a^2 y(n-2) \\
|
||||
Y(z) &= X(z) + 2a\,z^{-1} Y(z) - a^2z^{-2} Y(z) \\
|
||||
\Rightarrow H(z) &= \frac{1}{1 - 2a\,z^{-1} + a^2z^{-2}} = \frac{1}{(1-a\,z^{-1})^2}
|
||||
\end{align}
|
||||
\Rightarrow Kaskadierung bedeutet Multiplikation der Übertragungsfunktion
|
||||
\end{itemize}
|
||||
\end{document}
|
||||
|
||||
|
||||
|