2022年数字信号处理实验离散系统的Z域分析定义 .pdf

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1、数字信号处理实验报告实验名称：离散系统的Z 域分析学号：姓名：评语：成绩：一、实验目的1、掌握离散序列z变换的计算方法。2、掌握离散系统系统函数零极点的计算方法和零极点图的绘制方法，并能根据零极点图分析系统的因果性和稳定性。3、掌握利用MATLAB 进行 z反变换的计算方法。二、实验原理与计算方法1、z 变换离散序列 x(n)的 z 变换定义为：nnznxZX)()(。在 MATLAB 中可以利用符号表达式计算一个因果序列的z 变换。其命令格式为：syms n; f=(1/2)n+(1/3)n; ztrans(f) 2、离散系统的系统函数及因果稳定的系统应满足的条件一个线性移不变离散系统可以用

2、它的单位抽样响应h(n)来表示其输入与输出关系，即 y(n)= x(n)*h(n) 对该式两边取z 变换，得：Y(z)= X(z) H(z) 则：)()()(zXzYzH将 H(z)定义为系统函数，它是单位抽样响应h(n)的 z 变换，即nnznhnhZzH)()()(对于线性移不变系统，若 n0 时，h(n)=0，则系统为因果系统；若nnh|)(|，则系统稳定。由于 h(n)为因果序列，所以H(z)的收敛域为收敛圆外部区域，因此H(z)的收敛域为收敛圆外部区域时，系统为因果系统。 因为nnznhzH)()(， 若 z=1 时 H(z)收敛，即nznhzH|)(|)(1，则系统稳定，即H(z)

3、的收敛域包括单位圆时，系统稳定。因此因果稳定系统应满足的条件为：1,| z，即系统函数H(z)的所有极点全部落在z平面的单位圆之内。3、MATLAB 中系统函数零极点的求法及零极点图的绘制方法MATLAB 中系统函数的零点和极点可以用多项式求根函数roots () 来实现，调用该函数的命令格式为： p=roots(A) 。其中 A 为待求根多项式的系数构成的行向量，返回向量 p 是包含该多项式所有根位置的列向量。如：求多项式8143)(2zzzA的根的 MATLAB 命令为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精

4、心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - A=1 3/4 1/8; p=roots(A) 运行结果为：p= -0.5000 -0.2500 也可以用 z,p,k=tf2zp(B,A) 函数求得。其中z 为由系统的零点构成的向量，p 为由系统的极点构成的向量， k 表示系统的增益；B、A 分别为系统函数中分子分母多项式的系数向量。离散系统的系统函数可能有两种形式，一种是分子和分母多项式均按z 的正次幂降幂排列，如12232)(23431zzzzzzzH， 另 一 种 是分 子 分 母多 项 式均 按z 的 负 次幂 升 幂排 列 ， 如211

5、2412111)(zzzzH，在构造多项式系数向量时，分子和分母多项式系数向量的维数一定要相同，缺项用0 补齐。对于H1(z)其分子多项式的系数向量应为：B=0 1 0 2 0；分母多项式的系数向量应为： A=1 3 2 2 1。对于 H2(z)其分子多项式的系数向量应为：B=1 1 0 ；分母多项式的系数向量应为： A=1 1/2 1/4 。绘制系统函数的零极点图可由MATLAB 中的 zplane函数实现。该函数的调用方法为： zplane(B,A)或者 zplane(z,p,k)，其中 B，A，z，p，k 的含义与 tf2zp 函数相同。若调用zplane(B,A)绘图，则首先将系统函数

6、中分子分母多项式变换成按z 的正次幂降幂排列的系数向量，再求零极点。4、z 反变换的计算方法z反变换可由部分分式展开法求得。由于指数序列anu(n)的 z 变换为azz，因此求反变换时，通常对zzX)(进行展开：kkzzAzzAzzAzzX2211)(其中),2,1()()(kizzXzzAizzii称为有理函数zzX)(的留数。分两种情况进行讨论：（1）X(z)的所有极点均为单实极点此时kkzzzAzzzAzzzAzX2211)(，则 X(z)的 z 反变换为：kiniizAAnx10)()(（2）X(z)有共轭极点设 X(z)有一对共轭极点jep2,1， 则kkzzzAzzzApzzrpz

7、zrzX112211)(，其中留数的计算方法与单极点相同，即jpzerzzXpzr|)()(1111，r2=r1 * 因此，只要求出zzX)(部分分式展开的系数（留数），就可以直接求出X(z)的 z 反变换 x(n)。在MATLAB 中可利用函数residue()求解。令 B和 A 分别是zzX)(的分子和分母多项式构成的系数向量，则函数 r,p,k=residue (B,A) 将产生三个向量r、 p、 k， 其中 r 为包含zzX)(部分分式展开系数ri(i=1,2,N)的列向量，p 为包含zzX)(所有极点的行向量，k 为包含zzX)(部分分式展开的多项式项的系数cj(j=1,2,M-N)

8、的列向量，若M N，则 k 为空阵。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 用 residue()函数求出zzX)(部分分式展开的系数后，便可根据其极点位置分布情况直接求出X(z)的反变换 x(n)。如：已知23)(22zzzzX，求其 z 反变换 x(n)。首 先 利用residue()函 数求 出23)(2zzzzzX的 部 分分 式展 开 的系 数和 极 点， 相应 的MATLAB 命令为：B=0 1 0; A=1

9、 3 2; r,p,k=residue (B,A) 运行结果为：r = 2 -1 p = -2 -1 k = 由 以 上 结 果 可 得 ：1122)(zzzX； 即X(z) 只 有 两 个 单 极 点 ， 其z 反 变 换 为 ：)()1()2(2)(nunxnn。已知122)(232zzzzzzX，求其 z 反变换 x(n)。利用 residue()函数求出1221)(23zzzzzzX的部分分式展开的系数和极点，可得：B=0 0 1 1; A=1 -2 2 -1; r,p,k=residue (B,A) r = 2.0000 -1.0000 + 0.0000i -1.0000 - 0.0

10、000i p = 1.0000 0.5000 + 0.8660i 0.5000 - 0.8660i k = 可见，zzX)(包含一对共轭极点，用 abs()和 angle()函数即可求出共轭极点的模和相位，相应命令为：p1=abs(p) p1 = 1.0000 1.0000 1.0000 a1=angle(p)/pi a1 = 0 -0.3333 0.3333 即 共 轭 极 点 为 ：32,1jep， 则12)(33zzezzezzzXjj， 其z反 变 换 为 ：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理

11、- - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - )(23cos2)(nunnx三、实验内容（1）求下列序列的z变换：2-nu(n)；-(1/2)n u(n)；(1/2)n+(1/3)n u(n) 实验代码：syms n; f1=(2)(-n);f2=-(1./2)(n);f3=(1./2)(n)+(1./3)(n);ztrans(f1)ztrans(f2)ztrans(f3)实验截图：（2）已知两个离散因果系统的系统函数分别为：142)(2321zzzzzzH；2132122112)(zzzzzzH分别求出各系统的零极点，绘制零极点图，分析系统的稳定性；

12、求出各系统单位抽样响应。实验代码：A1=1 2 -4 1;B1=0 1 1 0;Z1 P1 K1=tf2zp(B1,A1)r1,p1,k1=residue(B1,A1)pl=abs(p1)al=angle(p1)/pizplane(B1,A1)title(H1(z)系统零极点图 )实验截图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 实验代码：A2=1 1 1/2 0;B2=0 2 -1 1;z,p,k=tf2zp(B2,A

13、2);r,p,k=residue(B2,A2);p1=abs(p);a1=angle(p)/pi;zplane(B2,A2);title(H2(z)系统零极点图 )实验截图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -