Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Koch_Mathematik fur das Ingenieurstudium.pdf
Скачиваний:
107
Добавлен:
21.02.2016
Размер:
17.74 Mб
Скачать

627

17 z-Transformation

Die z-Transformation ist das diskrete Analogon der Laplace-Transformation. Einer Folge von diskreten Zahlenwerten wird bei der z-Transformation eine Funktion im Bildbereich zugeordnet. Durch die Digitaltechnik hat die z-Transformation immens an Bedeutung gewonnen. Zum Verständnis der wesentlichen Begri e und Eigenschaften der z-Trans- formation ist ein Grundverständnis der Laplace-Transformation aus Kapitel 16 hilfreich, aber nicht unbedingt erforderlich. Querbezüge zwischen der z-Transformation und der Laplace-Transformation stellen wir in Abschnitt 17.1.2 her.

17.1 Transformation diskreter Signale

Ausgangsbasis für die z-Transformation sind Zahlenfolgen, siehe Definition 5.29. Wir betrachten Folgen

(fk) = f0, f1, f2, f3, . . . , fk, . . .

mit unendlich vielen Folgengliedern, die mit dem Index null starten. In der Regel sind die Folgenglieder reelle Zahlen. Die meisten Begri e und Eigenschaften lassen sich jedoch unmittelbar auf Folgen mit komplexen Zahlen übertragen.

Der Fall mit endlich vielen Folgegliedern ist bei unseren Betrachtungen als Spezialfall enthalten. Eine Folge, die nur endlich viele Folgenglieder hat, können wir zu einer unendlichen Folge erweitern, indem wir den restlichen Folgengliedern den Wert null zuordnen.

An der einen oder anderen Stelle kann die Vorstellung hilfreich sein, dass sich die Werte der Folgenglieder durch Abtasten eines kontinuierlichen Signals ergeben. Die z-Transfor- mation stellt jedoch ein mathematisches Werkzeug dar, mit der sich jegliche Art von Zahlenfolgen analysieren lassen.

17.1.1 Definition

Bei der z-Transformation einer Zahlenfolge (fk) wird jedes Folgenglied fk mit dem Faktor zk multipliziert. Anschließend werden alle Produkte aufsummiert. Da es sich bei der Summe um eine unendliche Reihe handelt, muss sichergestellt sein, dass diese Reihe konvergiert. Sofern z eine komplexe Zahl mit SzS > 1 ist, besteht Ho nung, dass die Reihe konvergiert. Die Folgenglieder werden mit dem Faktor zk multipliziert. Mit wachsendem k geht dieser Faktor für SzS > 1 gegen null. Wenn die Folgenglieder nicht zu stark anwachsen, geht das Produkt fk zk entsprechend schnell gegen null und die Summe konvergiert. Die mathematischen Feinheiten der Konvergenzfrage werden wir nicht genauer untersuchen.

628

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 z-Transformation

Definition 17.1 (z-Transformation)

 

 

 

 

 

 

Die z-Transformation ordnet einer Folge

fk

 

f0, f1, f2, f3, . . . , fk, . . . im Zeitbe-

reich

eine Funktion

F

 

im

Bildbereich

zu.(

Die z-Transformation der Folge f

 

ist

 

 

 

 

 

 

 

) =

(

k

)

definiert durch

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fk

 

c

F

 

z

 

k 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fk z

k.

 

 

 

 

 

 

 

(

 

)

 

 

(

 

) = Q

 

 

 

 

 

 

 

=

Diec Variables z im Bildbereich ist komplex. Man verwendet das Korrespondenzsymbol für die z-Transformation.

Analog zur Laplace-Transformation verwendet man bei der z-Transformation ebenfalls die Begri e Zeitbereich und Bildbereich.

Die z-Transformation kann man auch als eine Art Potenzreihe, siehe Definition 8.5, interpretieren. Im Gegensatz zu einer Potenzreihe ist die Variable komplex und die Potenzen haben negative Hochzahlen. In der Mathematik bezeichnet man Potenzreihen mit positiven und negativen Hochzahlen als Laurent-Reihen, benannt nach Pierre Alphonse Laurent. Die z-Transformierte ist also eine spezielle Laurent-Reihe.

Beispiel 17.1 (z-Transformation)

a) Bei der Dirac-Folge

 

 

δk = œ

1

für k

=

0

0

sonst

 

hat das erste Folgenglied den Wert 1. Alle ande-

ren Folgenglieder sind null. Entsprechend lautet

die z-Transformation

(δk)

c s

F (z) = 1 z0 = 1.

b)Die Folgenglieder der Folge (σk) haben alle den Wert 1. Die z-Transformation dieser Folge ergibt

 

 

 

c s

 

 

 

k 0

 

 

 

 

(

σk

)

 

 

 

F

(

z

1

 

z

 

k.

 

 

 

 

 

 

) = Q=

 

 

 

 

fk

1

 

k)

 

1

2

3

4

5

6

k

fk

k)

1

1

2

3

4

5

6

k

Bei dieser Summe handelt es sich um eine geometrische Reihe, siehe Beispiel 8.4. Jedoch ist

q = 1 hier nicht reell, sondern komplex. Auch für komplexe Zahlen gilt z

1 + q + q2 + q3 + . . . + qk + . . . =

1

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

allerdings nur für

q

1

. Dadurch

ergibt sich

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S S <

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

k

 

1

1 2

1 3

 

1

k

 

 

1

 

 

z

 

 

 

 

F z

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . .

 

 

 

. . .

 

 

 

 

 

,

z

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

z

 

z

z

 

1

 

1

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

z

=

z 1

S S >

 

Ì

( ) = Q0

 

= + + ‹ • + ‹ • + + ‹ • + =

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Treppenfunktion fT besteht aus einer unendlichen Summe von Rechteckfunktionen:
s
s

17.1 Transformation diskreter Signale

629

17.1.2 z-Transformation und Laplace-Transformation

Die z-Transformation wirkt auf einer Folge diskreter Werte, die Laplace-Transformation ist für kontinuierliche Funktionen definiert. Aus einer kontinuierlichen Funktion kann man durch Abtasten eine Folge diskreter Werte erzeugen. Dabei betrachten wir einen Abtastvorgang mit konstanter Abtastzeit T . Umgekehrt kann man aus jeder Folge diskreter Werte eine Treppenfunktion erzeugen. Auch dabei betrachten wir Treppen mit konstanter Breite T .

Definition 17.2 (Abtastwerte und Treppenfunktion)

Durch Abtasten einer Funktion f mit konstanter Abtastzeit T entsteht eine Folge diskreter Werte

(fk) = (f(k T )) .

Zu jeder Folge diskreter Werte kann man durch

fT (t) = fk, k T t < (k + 1)T, k N0

fT (t)

 

f(t)

 

 

 

 

T 2T · · ·

· · ·

kT · · ·

t

eine Treppenfunktion erzeugen.

Die Laplace-Transformierte der Treppenfunktion erhalten wir aus den Transformierten der einzelnen Rechteckfunktionen. Die Rechteckfunktion r0 mit der Länge T , die bei t = 0 startet, hat die Laplace-Transformierte

r0(t) c s 1 − eT s ,

siehe Beispiel 16.7. Die Laplace-Transformation einer um k T nach rechts verschobenen Rechteckfunktion rk ermitteln wir daraus durch Zeitverschiebung, siehe Satz 16.3

rk(t) = r0(t k T ) c s ek T s 1 − eT s .

fT (t) = kQ0 fk rk(t) = f0 r0(t) + f1 r1(t) + f2 r2(t) + . . . + fk rk(t) + . . .

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aufgrund der Linearität der Laplace-Transformation ergibt sich daraus

 

 

 

fT t

fk rk

t

 

 

 

fk e

 

k T s

1

eT s

1

eT s

fk e

 

k T s.

c

s

 

 

 

( ) =

k 0

( )

k 0

 

 

s

 

s

k 0

 

Q

 

 

 

Q

 

 

 

=

 

 

Q

 

 

 

=

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

Die Laplace-Transformation einer Tre enfunktion lässt sich also mithilfe der z-Transfor- mation der diskreten Werte darstellen.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]