finish vl11
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138
main.tex
@ -527,11 +527,16 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
|||||||
\end{equation}
|
\end{equation}
|
||||||
Zeitsignalunktion nach Amplitudendichtespektrum:
|
Zeitsignalunktion nach Amplitudendichtespektrum:
|
||||||
\begin{equation}
|
\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}
|
\end{equation}
|
||||||
Schreibweisen: - Fourier-Trafo: $\mathcal{F}\{f(t)\}=F(\omega)$ -
|
|
||||||
Rück-Trafo: $\mathcal{F}^{-1}\{F(\omega)\}=f(t)$ -
|
\def\rmapsto{\reflectbox{\multimap}}
|
||||||
$f(t) \text{ist korrespondierende}\,\, o- F(\omega)$
|
Schreibweisen:
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||||||
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\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}
|
\begin{enumerate}
|
||||||
\def\labelenumi{\alph{enumi}.}
|
\def\labelenumi{\alph{enumi}.}
|
||||||
@ -552,9 +557,9 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
|||||||
Sonderfall: undendlich lang andauernde Schwingung, d.h. $T\to\infty$
|
Sonderfall: undendlich lang andauernde Schwingung, d.h. $T\to\infty$
|
||||||
Grenzübergang:
|
Grenzübergang:
|
||||||
\begin{align}
|
\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:}
|
\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}
|
\end{align}
|
||||||
Damit Analyse für verschiedene andere Funktionen möglich:
|
Damit Analyse für verschiedene andere Funktionen möglich:
|
||||||
\begin{enumerate}
|
\begin{enumerate}
|
||||||
@ -766,7 +771,7 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
|||||||
\item
|
\item
|
||||||
kausale Zeitreihe: $x \equiv 0$ für $n < 0$
|
kausale Zeitreihe: $x \equiv 0$ für $n < 0$
|
||||||
\item
|
\item
|
||||||
akausale Zeitreihe: $x \ge 0$ für $n \ge 0$
|
akausale Zeitreihe: $x \equiv 0$ für $n < 0$
|
||||||
\item
|
\item
|
||||||
zweiseitige Zeitreihe: Ist immer über die Kombination von kausaler und akausaler Zeitreihe möglich
|
zweiseitige Zeitreihe: Ist immer über die Kombination von kausaler und akausaler Zeitreihe möglich
|
||||||
\item
|
\item
|
||||||
@ -1029,7 +1034,7 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
|||||||
\end{itemize}
|
\end{itemize}
|
||||||
\Rightarrow System von nicht-rekursiven Operatoren einfacher, keine Stabilitätsbetrachtung erfolrderlich
|
\Rightarrow System von nicht-rekursiven Operatoren einfacher, keine Stabilitätsbetrachtung erfolrderlich
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Die z-Transformation}
|
\subsection{Die z-Transformation}
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||||||
Zunächst Betrachtung der Fourer-Transformation
|
Zunächst Betrachtung der Fourer-Transformation
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||||||
\begin{equation}
|
\begin{equation}
|
||||||
F(\omega) = \int_{-\infty}^\infty f(t) \e^{-j\omega t} \d t
|
F(\omega) = \int_{-\infty}^\infty f(t) \e^{-j\omega t} \d t
|
||||||
@ -1106,7 +1111,7 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
|||||||
Die Vorteile der Laplace-Transformation im kontinuierlichen Fall bleiben erhalten.
|
Die Vorteile der Laplace-Transformation im kontinuierlichen Fall bleiben erhalten.
|
||||||
Insbesondere: Ersetzung der Berechnung von Faltungssummen durch die Multiplikation von Spektren im z-Bereich.
|
Insbesondere: Ersetzung der Berechnung von Faltungssummen durch die Multiplikation von Spektren im z-Bereich.
|
||||||
|
|
||||||
\paragraph{Rücktransformation}
|
\subsubsection{Rücktransformation}
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||||||
\begin{equation}
|
\begin{equation}
|
||||||
x(n) = \Z^{-1}\left\{X(z)\right\} = \frac{1}{2\pi j} \oint_c X(z) z^{n-1} \d z
|
x(n) = \Z^{-1}\left\{X(z)\right\} = \frac{1}{2\pi j} \oint_c X(z) z^{n-1} \d z
|
||||||
\end{equation}
|
\end{equation}
|
||||||
@ -1317,13 +1322,126 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
|
|||||||
\end{align}
|
\end{align}
|
||||||
Daraus:
|
Daraus:
|
||||||
\begin{align}
|
\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}} \\
|
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{
|
\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}}
|
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}
|
\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
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||||||
|
\begin{itemize}
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||||||
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\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}
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|
\begin{align}
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||||||
|
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{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}
|
||||||
|
\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
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||||||
|
\item Summation (Subtraktion)
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|
\item Verzögerung um \textbf{einen} Abtasttakt
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||||||
|
\end{enumerate}
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||||||
|
Realisierung eines gewünschten Umformalgorithmus durch ein Rechenprogramm oder direkt durch Hardwarebausteine Multiplizierer, Summierer und Schieberegister, die in bestimmter Weise verknüpft werden.\\
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||||||
|
Prinzipiell können unterschiedliche Strukturen den gleichen Algorithmus realisieren.
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||||||
|
Bei endlicher Rechengenauigkeit bleiben jedoch Unterschiede bestehen.
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|
\paragraph{Blockdiagramme} geben die Struktur einer Realisierung an. 3 Bauelemente decken alle Anwendungen ab:
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||||||
|
\begin{enumerate}
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||||||
|
\item Multiplizierer mit einer Konstanten $a$ \\
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||||||
|
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/vl11-block-Multiplizierer.png}
|
||||||
|
\item Addierer (Subtrahierer) \\
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||||||
|
\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 \\
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||||||
|
\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) \\
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||||||
|
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}
|
\end{document}
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|