变换的定义与收敛域PPT讲稿.ppt

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1、变换的定义与收敛域第1页，共98页，编辑于2022年，星期六2-1 Z变换的定义及收敛域返回2一.Z变换定义二.收敛域三.常用序列的收敛域四：求收敛域举例第2页，共98页，编辑于2022年，星期六一.Z变换定义：序列的Z变换定义如下：*实际上，将x(n)展为z-1的幂级数。引言：离散时间信号与系统变换域分析法：A）Z变换，DFT(FFT)。Z变换可将差分方程转化为代数方程 B)Z变换的应用范围更广返回2.11PK1棋牌公社官网 编辑整理第3页，共98页，编辑于2022年，星期六二.收敛域 1.定义:使序列x(n)的z变换X(z)收敛的所有z值的 集合称作X(z)的收敛域.2.收敛条件：X(z)

2、收敛的充要条件是绝对可和。绝对可和。返回2.1第4页，共98页，编辑于2022年，星期六三.常用序列的收敛域(1).预备知识 阿贝尔定理:如果级数 ，在 收敛,那么,满足0|z|z+|的z,级数必绝对收 敛。|z+|为最大收敛半径。返回2.1第5页，共98页，编辑于2022年，星期六 同样,对于级数 ，满足 的z，级数必绝对收敛。|z_|为最小收敛半径。返回2.1第6页，共98页，编辑于2022年，星期六0n2n1n (n).(2).有限长序列返回2.1第7页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.1第8页，共98页，编辑于2022年，星期六x(n)n0n1.1.3.右边序列*第一项为有限

3、长序列，第二项为z的负幂级数,返回2.1第9页，共98页，编辑于2022年，星期六收敛域第一项为有限长序列,其收敛域为0|z|;第二项为z的负幂次级数，由阿贝尔定理可知,其收敛域为 Rx-|z|;两者都收敛的域亦为Rx-|z|;Rx-为最小收敛半径。返回2.1第10页，共98页，编辑于2022年，星期六(4)因果序列 它是一种最重要的右边序列,由阿贝尔 定理可知收敛域为：返回2.1第11页，共98页，编辑于2022年，星期六(5)左边序列x(n)0n n2返回2.1第12页，共98页，编辑于2022年，星期六第二项为有限长序列,其收敛域 ;第一项为z的正幂次级数，根据阿贝尔定理,其收敛域为 ;

4、为最大收敛半径.返回2.1第13页，共98页，编辑于2022年，星期六 双边序列指n为任意值时,x(n)皆有值的序列，即左边序列和右边序列之和。(6)双边序列0nx返回2.1第14页，共98页，编辑于2022年，星期六第二项为左边序列，其收敛域为：第一项为右边序列(因果)其收敛域为：当Rx-|z|时，这是无穷递缩等比级数，收敛。收敛域：*收敛域一定在模最小的极点所在的圆内。返回2.1第19页，共98页，编辑于2022年，星期六2-2 Z反变换一.定义二.求Z反变换的方法1.留数法2.部分分式法部分分式法3.幂级数展开法幂级数展开法(长除法长除法)返回2第20页，共98页，编辑于2022年，星期

5、六一.定义：已知X(z)及其收敛域,反过来求序列x(n)的变换称作Z反变换。返回2.2第21页，共98页，编辑于2022年，星期六C为环形解析域内环绕原点的一条逆时针闭合单围线.0c返回2.2二.求Z反变换的方法 -1.留数法教材P50页有对Z反变换的推导第22页，共98页，编辑于2022年，星期六.留数定理：为c内的第k个极点，为c外的第m个极点，Res 表示极点处的留数。返回2.2第23页，共98页，编辑于2022年，星期六 2、当Zr为l阶(多重)极点时的留数：留数的求法：1、当Zr为一阶极点时的留数：返回2.2第24页，共98页，编辑于2022年，星期六例2-4 已知解:1）当n-1时

6、,不会构成极点，所以这时C内只有一个一阶极点因此，求z反变换。返回2.2第25页，共98页，编辑于2022年，星期六2）当n-2时，X(z)zn-1中的zn+1构成n+1阶极点。因此C内有极点：z=1/4(一阶),z=0为(n+1)阶极点；而在C外仅有 z=4(一阶)这个极点，且分母比分子的Z的阶数至少高2:返回2.2第26页，共98页，编辑于2022年，星期六2.2.部分分式法部分分式法 有理式：数字和字符经有限次加、减、乘、除运算有理式：数字和字符经有限次加、减、乘、除运算 所得的式子。所得的式子。有理分式：含字符的式子做分母的有理式，或两个多项有理分式：含字符的式子做分母的有理式，或两个

7、多项 式的商。分子的次数低于分母时称为真分式。式的商。分子的次数低于分母时称为真分式。部分分式：把部分分式：把x的一个实系数的真分式分解成几个分式的一个实系数的真分式分解成几个分式 的和，使各分式具有的和，使各分式具有 或或 的形式的形式 ，其中，其中x2+Ax+B是实数范围内的不可约是实数范围内的不可约 多项式，而且多项式，而且k k是正整数。这时称各分式为原分是正整数。这时称各分式为原分 式的式的“部分分式部分分式”。返回2.2第27页，共98页，编辑于2022年，星期六 通常，通常，X(z)X(z)可可表成有理分式形式：表成有理分式形式：因此，X(z)可以展成以下部分分式形式其中，MN时

8、，才存在Bn；Zk为X(z)的各单极点，Zi为X(z)的一个r阶极点。而系数Ak，Ck分别为：返回2.2第28页，共98页，编辑于2022年，星期六的z反变换。例2-5利用部分分式法，求解：分别求出各部分分式的z反变换（可查 P54表2-1），然后相加即得X(z)的z反变换。返回2.2第29页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.2第30页，共98页，编辑于2022年，星期六3.幂级数展开法幂级数展开法(长除法长除法)因为 x(n)的Z变换为Z-1 的幂级数，即 所以在给定的收敛域内，把X(z)展为幂级数，其系数就是序列x(n)。如收敛域为|z|Rx+，x(n)为因果序列，则X(z)展成

9、Z的负幂级数。若 收敛域|Z|Rx-,x(n)必为左边序列，主要展成 Z的正幂级数。返回2.2第31页，共98页，编辑于2022年，星期六 例例2-6 2-6 试用长除法求试用长除法求的的z z反变换。反变换。解:收敛域为环状，极点z=1/4对应因果序 列，极点z=4对应左边序列(双边序列)*双边序列可分解为因果序列和左边序列。*应先展成部分分式再做除法。返回2.2第32页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.2第33页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.2第34页，共98页，编辑于2022年，星期六 4-Z)4Z+Z +Z +Z +Z +241311645164.16 Z16

10、Z-4 Z 24 Z 4 Z -Z Z Z -Z Z Z -Z Z 2233314141444411655116.返回2.2第35页，共98页，编辑于2022年，星期六 Z-)Z141+Z +Z +Z 14-1116-2164-3.Z-141414-Z116-1 Z116-1 Z116-1-Z164-2 Z164-2 Z164-2-Z1256-3 Z1256-3.返回2.2第36页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.2第37页，共98页，编辑于2022年，星期六2-3 Z变换的基本性质和定理变换的基本性质和定理共有线性、移位、共有线性、移位、Z域尺度、域尺度、Z域求导等域求导等12条性

11、质条性质返回2第38页，共98页，编辑于2022年，星期六如果则有：*即满足均匀性与叠加性；*收敛域为两者重叠部分。1.1.线性线性返回2.3第39页，共98页，编辑于2022年，星期六例2-7已知 ,求其z变换。解：返回2.3第40页，共98页，编辑于2022年，星期六2.2.序列的移位序列的移位如果则有：例2-8 求序列x(n)=u(n)-u(n-3)的z变换。返回2.3第41页，共98页，编辑于2022年，星期六3.3.Z Z域尺度变换域尺度变换(乘以指数序列乘以指数序列)如果，则证明：返回2.3第42页，共98页，编辑于2022年，星期六4.4.序列的序列的线性加权线性加权(Z Z域求

12、导数域求导数)如果，则证明：返回2.3第43页，共98页，编辑于2022年，星期六5.5.共轭序列共轭序列如果，则证明：返回2.3第44页，共98页，编辑于2022年，星期六6.翻褶序列如果，则证明：返回2.3第45页，共98页，编辑于2022年，星期六7.7.初值初值定理定理证明：返回2.3第46页，共98页，编辑于2022年，星期六8.终值定理证明：返回2.3第47页，共98页，编辑于2022年，星期六 又由于只允许X(z)在z=1处可能有一阶极点，故因子（z-1)将抵消这一极点，因此(z-1)X(z)在上收敛。所以可取z 1的极限。返回2.3第48页，共98页，编辑于2022年，星期六9

13、.9.有限项累加特性有限项累加特性证明：返回2.3第49页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.3第50页，共98页，编辑于2022年，星期六10.10.序列的卷积和序列的卷积和(时域卷积定理时域卷积定理)返回2.3第51页，共98页，编辑于2022年，星期六证明：返回2.3第52页，共98页，编辑于2022年，星期六例2-9解：返回2.3第53页，共98页，编辑于2022年，星期六11.11.序列相乘序列相乘(Z Z域卷积定理域卷积定理)其中,C是在变量V平面上，X(z/v),H(v)公共收敛域内环原点的一条逆时针单封闭围线。（证明从略）返回2.3第54页，共98页，编辑于2022年，

14、星期六例2-10解：返回2.3第55页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.3第56页，共98页，编辑于2022年，星期六 12.12.帕塞瓦定理帕塞瓦定理(parseval)(parseval)其中“*”表示复共轭，闭合积分围线C在公共收敛域内。（证明从略）如果则有:返回2.3第57页，共98页，编辑于2022年，星期六*几点说明：返回2.3第58页，共98页，编辑于2022年，星期六2-4 2-4 序列的序列的Z Z变换与拉氏变换、变换与拉氏变换、傅氏变换的关系傅氏变换的关系 一一.Z.Z变换与拉氏变换的关系变换与拉氏变换的关系二二.Z Z变换和傅氏变换的关系变换和傅氏变换的关系三三

15、.序列的傅氏变换序列的傅氏变换返回2第59页，共98页，编辑于2022年，星期六1.理想抽样信号的拉氏变换设 为连续信号，为其理想抽样信号，则一.Z变换与拉氏变换的关系返回2.4！复习回顾：连续信号的FT与LT关系Go！第60页，共98页，编辑于2022年，星期六 序列 的z变换为 ，考虑到 ,显然，当 时，序列 的 z 变换就等于理想抽样信号的拉氏变换。返回2.4又因 与原连续信号 的拉氏有如下关系则 与 的关系为：解释第61页，共98页，编辑于2022年，星期六2.Z2.Z变换与拉氏变换的关系变换与拉氏变换的关系(S(S、Z Z平面映射关系）平面映射关系）S平面用直角坐标表示为：Z平面用极

16、坐标表示为：又由于 所以有：因此，;这就是说，Z的模只与S的实部相对应,Z的相角只与S虚部相对应。返回2.4第62页，共98页，编辑于2022年，星期六 =0,即S平面的虚轴 r=1,即Z平面单位圆；0,即S的左半平面 r0,即S的右半平面 r1,即Z的单位圆外。j00(1).r与的关系返回2.4第63页，共98页，编辑于2022年，星期六=0，S平面的实轴，=0，Z平面正实轴；=0(常数)，S:平行实轴的直线，=0T,Z:始于 原点的射线；S:宽 的水平条带，整个z平面.(2).与的关系（=T）返回2.40jImZReZ第64页，共98页，编辑于2022年，星期六二二.Z.Z变换和傅氏变换的

17、关系变换和傅氏变换的关系 连续信号经理想抽样后,其频谱产生周期延拓，即 我们知道,傅氏变换是拉氏变换在虚轴S=j 的特例,因而映射到Z平面上为单位圆。因此,这就是说,（抽样）序列在单位圆 上的Z变换,就等于理想抽样信号傅氏变换。用数字频率作为Z平面的单位圆的参数，表示Z平面的辐角，且 。返回2.4第65页，共98页，编辑于2022年，星期六所以，序列在单位圆上的Z变换为序列的傅氏变换。返回2.4第66页，共98页，编辑于2022年，星期六三三.序列的傅氏变换序列的傅氏变换1.正变换:2.反变换:返回2.4第67页，共98页，编辑于2022年，星期六2-2-5 5 傅氏变换的一些对称性质傅氏变换

18、的一些对称性质一、共轭对称序列与共轭反对称序列 1.共轭对称序列 设一复序列，如果满足xe(n)=xe*(-n)则称序列为共轭对称序列。下面分析它们的对称关系。设序列 其中 分别表示的实部和虚部。对其两边取共轭，则再将-n代入，则根据定义，则 这说明共轭对称序列的实部是偶对称序列（偶函数），而虚部是奇对称序列（奇函数）。*特殊地，如是实序列，共轭对称序列就是偶对称序列。返回2第68页，共98页，编辑于2022年，星期六2.共轭反对称序列 设一复序列，如果满足xo(n)=-xo*(-n)则称序列为共轭反对称序列。同样有：根据定义，则 这说明共轭反对称序列的实部是奇对称序列（奇函数），而虚部是偶对

19、称序列（偶函数）。*特殊地，如是实序列，共轭反对称序列就是奇对称序列。返回2.5第69页，共98页，编辑于2022年，星期六 二、任一序列可表为共轭对称序列与共轭反对称序列之和返回2.5第70页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.5第71页，共98页，编辑于2022年，星期六三、序列的傅氏变换可表为共轭对称分量 与共轭反对称分量之和其中，返回2.5第72页，共98页，编辑于2022年，星期六四、两个基本性质证明：返回2.5第73页，共98页，编辑于2022年，星期六证明：返回2.5第74页，共98页，编辑于2022年，星期六五、序列的实、虚部与其傅氏变换偶、奇部的关系1.序列的实部的傅

20、氏变换等于其傅氏变换的偶部证明：返回2.5第75页，共98页，编辑于2022年，星期六2.序列的j倍虚部的傅氏变换等于其傅氏变换的奇部证明：返回2.5第76页，共98页，编辑于2022年，星期六六、序列的偶、奇部与其傅氏变换的实、虚部的关系1.序列的偶部的傅氏变换等于其傅氏变换的实部证明：返回2.5第77页，共98页，编辑于2022年，星期六2.序列的奇部的傅氏变换等于其傅氏变换的虚部 再乘以j。证明：返回2.5第78页，共98页，编辑于2022年，星期六七、序列为实序列的情况返回2.5第79页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.5第80页，共98页，编辑于2022年，星期六返回2.5

21、第81页，共98页，编辑于2022年，星期六8.实序列也有如下性质：返回2.5第82页，共98页，编辑于2022年，星期六2-6 离散系统的系统函数离散系统的系统函数及频率响应及频率响应一.系统函数二.因果稳定系统三三.系统函数和差分方程的关系系统函数和差分方程的关系四四.系统的频率响应的意义系统的频率响应的意义 五五.频率响应的几何确定频率响应的几何确定六六.IIR系统和系统和FIR系统系统返回2第83页，共98页，编辑于2022年，星期六线性移不变系统 h(n)为单位抽样响应h(n)x(n)(n)H(z)称作线性移不变系统的系统函数，而且在单位圆 上的系统函数就是系统的频率响应。一.系统函

22、数:返回2.6第84页，共98页，编辑于2022年，星期六 我们知道,一线性移不变系统稳定的充要条件是h(n)必须满足绝对可和：|h(n)|。z变换H(z)的收敛域由满足|h(n)z-n|的那些z值确定。如单位圆上收敛，此时则有|h(n)|，即系统稳定；也就是说，收敛域包括单位圆的系统是稳定的。因果系统的单位抽样响应为因果序列，其收敛域为R+|z|；而因果稳定系统的系统函数收敛域为 1|z|，也就是说,其全部极点必须在单位圆内。与充要条件|h(n)|是等价的二.因果稳定系统返回2.6第85页，共98页，编辑于2022年，星期六三三.系统函数和差分方程的关系系统函数和差分方程的关系线性移不变系统

23、常用差分方程表示：取z变换得：对上式因式分解,令得：返回2.6第86页，共98页，编辑于2022年，星期六四四.系统的频率响应系统的频率响应 的意义的意义 考察系统对不同频谱成分的传输能力：均匀传送或衰减 系统的单位抽样响应h(n)的傅氏变换也即单位上的变换称作系统频率响应。也就是说，其输出序列的傅氏变换等于输入序列的傅氏变换与频率响应的乘积。对于线性移不变系统：返回2.6第87页，共98页，编辑于2022年，星期六 五五.频率响应的几何确定频率响应的几何确定1.频率响应的零极点表达式返回2.6第88页，共98页，编辑于2022年，星期六模：相角：返回2.6第89页，共98页，编辑于2022年

24、，星期六2.2.几点说明几点说明 (1).表示原点处零极点，它到单位圆 的距离恒为1，故对幅度响应不起作用只 是给出线性相移分量(N-M)。(2).单位圆附近的零点对幅度响应的谷点的 位置与深度有明显影响，当零点位于单 位圆上时，谷点为零。零点可在单位圆外。(3).单位圆附近的极点对幅度响应的峰点位 置和高度有明显影响。极点在圆外，系统 不稳定。返回2.6第90页，共98页，编辑于2022年，星期六零点在单位圆上0,处；极点在 ,处。0。返回2.6第91页，共98页，编辑于2022年，星期六 例例2-14 2-14 设一阶系统的差分方程为设一阶系统的差分方程为:解:对差分方程两边取Z变换:，a

25、为实数为实数,求系统的频率响应。求系统的频率响应。返回2.6第92页，共98页，编辑于2022年，星期六这是一因果系统，其单位抽样响应为而频率响应为:幅度响应为:相位响应为:返回2.6第93页，共98页，编辑于2022年，星期六011 2 3 4 5 6 7 8n零极点分布情况00-10a1返回2.6第94页，共98页，编辑于2022年，星期六六六.IIR.IIR系统和系统和FIRFIR系统系统1.无限长单位冲激响应(IIR)系统 如果一个离散时间系统的单位抽样响应h(n)延伸到无穷长,即n时,h(n)仍有值,这样的系统称作IIR系统。返回2.6第95页，共98页，编辑于2022年，星期六2.

26、2.有限长单位冲激响应有限长单位冲激响应(FIR)(FIR)系统系统 h(n)为有限长序列的系统。返回2.6第96页，共98页，编辑于2022年，星期六取样序列的拉氏变换和连续信号的拉氏变换的关系返回第97页，共98页，编辑于2022年，星期六傅里叶变换与拉普拉斯变换的关系傅里叶变换与拉普拉斯变换的关系由傅里叶变换的定义式，当f(t)满足狄义赫利条件时，可得到如下傅里叶变换式：用一个衰减因子e-t(为任意实数)去乘f(t)，使其收敛以满足绝对可积条件,这样代入傅里叶变换式中，就变成了e-（+j）t。我们定义一个符号s,使s=（+j）t，最终得到一个更广义的傅里叶变换，这就是“拉普拉斯变换”！傅里叶变换与拉普拉斯变换的自变量取值范围对比如图：因而傅里叶变换是拉普拉斯变换的子集！返回返回第98页，共98页，编辑于2022年，星期六