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第2章時(shí)域離散信號(hào)和系統(tǒng)的頻域分析22.5序列的Z變換Z變換及其收斂域的定義幾種序列的Z變換及其收斂域逆Z變換Z變換的性質(zhì)和定理利用Z變換求解差分方程利用Z變換分析信號(hào)和系統(tǒng)的頻響特性32.5.1Z變換及其收斂域的定義
序列x(n)的Z變換定義雙邊Z變換單邊Z變換
因果序列的Z變換:因果序列的單邊Z變換與雙邊Z變換相同Z平面:Z變換定義式中z所在的復(fù)平面z是一個(gè)連續(xù)復(fù)變量,具有實(shí)部和虛部
變量z的極坐標(biāo)形式
|z|=1為單位圓:
4Z變換的收斂域根據(jù)級(jí)數(shù)理論,式(2.1)收斂的充分必要條件是滿足絕對(duì)可和條件,即收斂域:對(duì)于給定的任意序列x(n),使其Z變換收斂的所有z值的集合組成的區(qū)域。
根據(jù)羅朗級(jí)數(shù)性質(zhì),收斂域一般是某個(gè)環(huán)域
收斂半徑Rx-可以小到0,Rx+可以大到∞收斂域以原點(diǎn)為中心,Rx-和Rx+為半徑的環(huán)域
5
序列Z變換與序列傅里葉變換關(guān)系
單位園上的Z變換就是序列的傅里葉變換,但z的收斂域必須包含單位圓。
對(duì)比傅里葉變換定義式:
得到:6例:求序列的Z變換
例2.5.3求序列的Z變換。
解:序列x(n)是因果序列,根據(jù)Z變換的定義
分析收斂性:X(z)是無(wú)窮項(xiàng)冪級(jí)數(shù)。X(z)可用封閉形式,即解析函數(shù)形式表示為
當(dāng)|z|≤a時(shí)級(jí)數(shù)發(fā)散,當(dāng)|z|>|a|時(shí)級(jí)數(shù)收斂。7例:求序列的Z變換
例2.5.4求序列的Z變換。
解:序列x(n)是一個(gè)左序列,
X(z)存在要求82.5.2序列特性對(duì)收斂域的影響結(jié)論:Z變換相同,收斂域不同,對(duì)應(yīng)的序列也不同。序列的X(z)與其收斂域是一個(gè)不可分離的整體,求Z變換就要包含其收斂域。對(duì)比例2.5.3和例2.5.4結(jié)果:9有限長(zhǎng)序列
有限長(zhǎng)序列只在有限區(qū)間n1≤n≤n2內(nèi)具有非零的有限值,在此區(qū)間外序列值都為零:Z變換
收斂域與n1、n2取值情況有關(guān):
10例:求有限長(zhǎng)序列的Z變換例2.5.2求序列的Z變換及收斂域。
討論:X(z)有一個(gè)z=1的極點(diǎn),但也有一個(gè)z=1的零點(diǎn),所以零極點(diǎn)對(duì)消,X(z)在單位圓上收斂
。收斂域?yàn)?<|z|≤+∞。
解:根據(jù)Z變換的定義
11右邊序列
右邊序列只在有限區(qū)間n≥n1
內(nèi)具有非零的有限值,在此區(qū)間外序列值都為零Z變換
上式中第一項(xiàng)為有限長(zhǎng)序列,收斂域?yàn)椋诙?xiàng)為因果序列,收斂域?yàn)椋灿惺諗坑驗(yàn)椤?2左邊序列
左邊序列只在有限區(qū)間n≤n2內(nèi)具有非零的有限值,在此區(qū)間外序列值都為零Z變換
如果,z=0點(diǎn)收斂,但z=∞點(diǎn)不收斂,收斂域?yàn)?/p>
如果,收斂域?yàn)?3雙邊序列
雙邊序列指n從-∞到+∞都具有非零的有限值,可看成左邊序列和右邊序列之和Z變換
討論:X1(z)收斂域?yàn)閨z|<Rx+;X2(z)收斂域?yàn)镽x-<|z|。雙邊序列Z變換的收斂域是二者的公共部分。如果滿足Rx-<Rx+
,則X(z)的收斂域?yàn)榄h(huán)狀區(qū)域,即Rx-<|z|<Rx+
;如果滿足Rx-≥Rx+,則X(z)無(wú)收斂域。
14例:求雙邊序列的Z變換例2.5.5己知序列,a為實(shí)數(shù),求其Z變換及其收斂域。
解:上式第一項(xiàng)收斂域?yàn)椋?/p>
上式第一項(xiàng)收斂域?yàn)椋喝绻绻麩o(wú)公共收斂域,不存在當(dāng)時(shí),x(n)和的圖形如右圖所示152.5.3逆Z變換
逆Z變換:
由X(z)及其收斂域求序列x(n)的變換求逆Z變換的方法:圍線積分法(留數(shù)定理)部分分式展開(kāi)法冪級(jí)數(shù)法(長(zhǎng)除法)16序列的Z變換逆Z變換用留數(shù)定理求逆Z變換c是X(z)收斂域中一條包圍原點(diǎn)的逆時(shí)針的閉合曲線用F(z)表示被積函數(shù):F(z)=X(z)zn-1圖2.5.3圍線積分路徑17如果F(z)在圍線c內(nèi)的極點(diǎn)用zk表示,則根據(jù)留數(shù)定理有1、如果zk是單階極點(diǎn),則根據(jù)留數(shù)定理有2、如果zk是N階極點(diǎn),則根據(jù)留數(shù)定理有式中,Res[F(z),zk]表示被積函數(shù)F(z)在極點(diǎn)z=zk的留數(shù),逆Z變換是圍線c內(nèi)所有的極點(diǎn)留數(shù)之和。逆Z變換對(duì)于N階極點(diǎn),需要求N-1次導(dǎo)數(shù),這是比較麻煩的。如果c內(nèi)有多階極點(diǎn),而c外沒(méi)有多階極點(diǎn),則可以根據(jù)留數(shù)輔助定理改求c外的所有極點(diǎn)留數(shù)之和。18
如果F(z)在z平面上有N個(gè)極點(diǎn),在收斂域內(nèi)的封閉曲線c將z平面上的極點(diǎn)分成兩部分:一部分c是內(nèi)極點(diǎn),設(shè)有N1個(gè)極點(diǎn),用z1k表示;另一部分是c外極點(diǎn),有N2個(gè),用z2k表示。N=N1+N2。根據(jù)留數(shù)輔助定理,下式成立:成立的條件:F(z)的分母階次應(yīng)比分子階次高二階以上。設(shè)X(z)=P(z)/Q(z),P(z)和Q(z)分別是M與N階多項(xiàng)式。成立的條件是N-M-n+1≥2因此要求n<N-Mc圓內(nèi)極點(diǎn)中有多階極點(diǎn),而c圓外沒(méi)有多階極點(diǎn),則逆Z變換的計(jì)算可以按該式,改求c圓外極點(diǎn)留數(shù)之和,最后加一個(gè)負(fù)號(hào)。
19【例2.5.6】
已知X(z)=(1-az-1)-1,|z|>a,求其逆Z變換x(n)。
解
分析F(z)的極點(diǎn):
1、n≥0時(shí),F(xiàn)(z)在c內(nèi)只有1個(gè)極點(diǎn):z1=a;
2、n<0時(shí),F(xiàn)(z)在c內(nèi)只有2個(gè)極點(diǎn):z1=a,z2=0是一個(gè)n階極點(diǎn)。所以,應(yīng)當(dāng)分段計(jì)算x(n)
n≥0時(shí),20n<0時(shí),z=0是n階極點(diǎn),不易求留數(shù)。采用留數(shù)輔助定理求解,先檢查n≤N-M-1是否滿足??梢圆捎昧魯?shù)輔助定理求解,改求圓外極點(diǎn)留數(shù),但對(duì)于F(z),該例題中圓外沒(méi)有極點(diǎn)。故n<0,x(n)=0。最后得到該例題的原序列為x(n)=anu(n)
事實(shí)上,該例題由于收斂域是|z|>a,根據(jù)前面分析的序列特性對(duì)收斂域的影響知道,x(n)一定是因果序列,這樣n<0部分一定為零,無(wú)需再求。本例如此求解是為了證明留數(shù)輔助定理法的正確性。21【例2.5.7】已知,求其逆變換x(n)。解該例題沒(méi)有給定收斂域,為求出唯一的原序列x(n),必須先確定收斂域。分析X(z),有兩個(gè)極點(diǎn):z=a和z=a-1,這樣收斂域有三種選法,它們是(1)|z|>|a-1|,對(duì)應(yīng)的
x(n)是因果序列(2)|z|<|a|,對(duì)應(yīng)的
x(n)是左序列(3)|a|<|z|<|a-1|,對(duì)應(yīng)的
x(n)是雙邊序列122下面分別按照不同的收斂域求其x(n)。(1)收斂域?yàn)閨z|>|a-1|:
這種情況的原序列是因果的右序列,無(wú)須求n<0時(shí)的x(n)。當(dāng)n≥0時(shí),F(xiàn)(z)在c內(nèi)有兩個(gè)極點(diǎn):z=a和z=a-1,因此最后表示成:x(n)=(an-a-n)u(n)。23(2)收斂域?yàn)閨z|<|a|:這種情況原序列是左序列,無(wú)須計(jì)算n≥0情況。實(shí)際上,當(dāng)n≥0時(shí),圍線積分c內(nèi)沒(méi)有極點(diǎn),因此x(n)=0。n<0時(shí),c內(nèi)只有一個(gè)極點(diǎn)z=0,且是n階極點(diǎn),改求c外極點(diǎn)留數(shù)之和。
n<0時(shí),最后將x(n)表示成封閉式:
x(n)=(a-n-an)u(-n-1)24(3)收斂域?yàn)閨a|<|z|<|a-1|:這種情況對(duì)應(yīng)的x(n)是雙邊序列。根據(jù)被積函數(shù)F(z),按n≥0和n<0兩種情況分別求x(n)。
n≥0時(shí),c內(nèi)只有1個(gè)極點(diǎn):z=a,x(n)=Res[F(z),a]=an
n<0時(shí),c內(nèi)極點(diǎn)有2個(gè),其中z=0是n階極點(diǎn),改求c外極點(diǎn)留數(shù),c外極點(diǎn)只有z=a-1,因此x(n)=-Res[F(z),a-1]=a-n
最后將x(n)表示為
即x(n)=a|n|
25部分分式展開(kāi)法
對(duì)于大多數(shù)單階極點(diǎn)的X(z),常用部分分式展開(kāi)法求逆Z變換。方法:將有理分式X(z),展開(kāi)成簡(jiǎn)單常用的部分分式之和,求各簡(jiǎn)單分式的逆Z變換,再相加
得到x(n)。假設(shè)有N個(gè)一階極點(diǎn),可展成如下部分分式:26部分分式展開(kāi)法
觀察上式,/z在z=0的極點(diǎn)留數(shù)等于系數(shù),在極點(diǎn)的留數(shù)就是系數(shù)。求出系數(shù)后,查表2.5.1可求得序列x(n)2728最后得到的原序列為:292.5.4Z變換的性質(zhì)和定理
1.線性:滿足疊加原理
Z[ax(n)+by(n)]=aX(z)+bY(z),R-<|z|<R+
(2.20)
例2.12求序列x(n)=u(n)-u(n-3)的Z變換。由于出現(xiàn)零極點(diǎn)抵消,收斂域增大了。由于x(n)是n≥0的有限長(zhǎng)序列,收斂域是除|z|=0之外的全部z平面。
30Z變換性質(zhì)2.序列的移位:證明3.乘以指數(shù)序列
:證明31Z變換性質(zhì)4.序列的線性加權(quán)(乘以n的ZT)
:證明
5.復(fù)共軛序列的ZT設(shè)X(z)=ZT[x(n)]Rx-<|z|<Rx+則ZT[x*(n)]=X*(z*)
Rx-<|z|<Rx+
32Z變換性質(zhì)--初值定理
6.初值定理:若x(n)是因果序列,即x(n)=0,n<0,則證明:x(n)是因果序列,有
顯然
若x(n)是逆因果序列,即x(n)=0,n>0,有
33Z變換性質(zhì)--終值定理
7.終值定理:若x(n)是因果序列,且X(z)的全部極點(diǎn),除在z=1處可以有一階極點(diǎn)外,其余極點(diǎn)都在單位圓內(nèi),則
證明:由移位性質(zhì)可得
x(n)是因果序列,則有
34Z變換性質(zhì)8.時(shí)域卷積定理
:W(z)=Z[x(n)*y(n)]=X(z)·Y(z),R-<|z|<R+
證明交換求和次序,并代入m=n-k得35
【例2.5.9】已知網(wǎng)絡(luò)的單位脈沖響應(yīng)h(n)=anu(n),|a|<1,網(wǎng)絡(luò)輸入序列x(n)=u(n),求網(wǎng)絡(luò)的輸出序列y(n)。解
y(n)=h(n)*x(n)
(1)直接求解線性卷積
36
(2)Z變換法由收斂域判定y(n)=0
n<0n≥0時(shí),
將y(n)表示為:
37
9.復(fù)卷積定理
如果ZT[x(n)]=X(z)
Rx-<|z|<Rx+
ZT[y(n)]=Y(z)
Ry-<|z|<Ry+
w(n)=x(n)y(n)則(2.5.24)W(z)的收斂域?yàn)?/p>
Rx-Ry-<|z|<Rx+Ry+
(2.5.25)(2.5.24)式中υ平面上,被積函數(shù)的收斂域?yàn)閆變換性質(zhì)38證明
由X(z)的收斂域和Y(z)的收斂域得到:
因此
39【例2.5.10】已知x(n)=u(n),y(n)=a|n|,若w(n)=x(n)y(n),求W(z)=ZT[w(n)],0<a<1。
解
W(z)的收斂域?yàn)閨a|<|z|≤∞;被積函數(shù)υ平面上的收斂域?yàn)閙ax(|a|,0)<|υ|<min(|a-1|,|z|),υ平面上極點(diǎn):a、a-1,c內(nèi)極點(diǎn):z=a。令則:40
10.帕斯維爾(Parseval)定理
設(shè)X(z)=ZT[x(n)]Rx-<|z|<Rx+
Y(z)=ZT[x(n)]Rx-<|z|<Rx+
Rx-Ry-<1,Rx+Ry+>1那么(2.5.27)υ平面上,c所在的收斂域?yàn)槔脧?fù)卷積定理可以證明上面的重要的帕斯維爾定理Z變換性質(zhì)412.5.5利用Z變換求解差分方程
N階線性常系數(shù)差分方程
x(n)是系統(tǒng)的輸入序列y(
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