finish vl11

This commit is contained in:
matthias@quintern.xyz 2024-08-04 10:10:17 +02:00
parent 2e78fa9e29
commit a9f6febfc4
9 changed files with 390 additions and 272 deletions

BIN
img/vl11-block-addierer.png Normal file

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 83 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 46 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 84 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 29 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 161 KiB

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 138 KiB

BIN
img/vl11-bsp-rekursiv.png Normal file

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 140 KiB

BIN
img/vl11-z-beispiel.png Normal file

Binary file not shown.

After

Width:  |  Height:  |  Size: 121 KiB

660
main.tex
View File

@ -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}