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138
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@ -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
@ -1029,7 +1034,7 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
\end{itemize}
\Rightarrow System von nicht-rekursiven Operatoren einfacher, keine Stabilitätsbetrachtung erfolrderlich
\subsubsection{Die z-Transformation}
\subsection{Die z-Transformation}
Zunächst Betrachtung der Fourer-Transformation
\begin{equation}
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.
Insbesondere: Ersetzung der Berechnung von Faltungssummen durch die Multiplikation von Spektren im z-Bereich.
\paragraph{Rücktransformation}
\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}
@ -1317,13 +1322,126 @@ Frequenzbereich}\label{beschreibung-linearer-systeme-im-frequenzbereich}
\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}} \\
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{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
\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}