信号与系统教案第6章(吴大正)(精品).ppt

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1、信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-1页电子教案电子教案第六章第六章 离散系离散系统统z z域分析域分析 6.16.1 z z 变换变换一、从拉普拉斯变换到一、从拉普拉斯变换到z变换变换二、收敛域二、收敛域6.26.2 z z 变换的性质变换的性质6.36.3 逆逆z z变换变换6.4 6.4 z z 域分析域分析一、差分方程的变换解一、差分方程的变换解二、系统的二、系统的z域框图域框图三、利用三、利用z变换求卷积和变换求卷积和四、四、s域与域与z域的域的关系关系五、离散系统的频率响应五、离散系统的频率响应点击目录点击目录 ，进入相关章节，进入相关章

2、节信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-2页电子教案电子教案第六章第六章 离散系离散系统统z z域分析域分析 在连续系统中，为了避开解微分方程的困难，可以在连续系统中，为了避开解微分方程的困难，可以通过拉氏变换把微分方程转换为代数方程。出于同样的通过拉氏变换把微分方程转换为代数方程。出于同样的动机，也可以通过一种称为动机，也可以通过一种称为z变换的数学工具，把差分方变换的数学工具，把差分方程转换为代数方程。程转换为代数方程。6.16.1 z z变换变换一、从拉氏变换到一、从拉氏变换到z变换变换对连续信号进行均匀冲激取样后，就得到离散信号对连续信号进行均

3、匀冲激取样后，就得到离散信号:取样信号取样信号两边取双边拉普拉斯变换，得两边取双边拉普拉斯变换，得 信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-3页电子教案电子教案令令z=esT，上式将成为复变量上式将成为复变量z的函数，用的函数，用F(z)表示；表示；f(kT)f(k)，得得称为序列称为序列f(k)的的双边双边z变换变换称为序列称为序列f(k)f(k)的的单单边边z z变换变换若若f(k)为为因果序列因果序列，则单边、双边，则单边、双边z 变换相等，否则不变换相等，否则不等。今后在不致混淆的情况下，统称它们为等。今后在不致混淆的情况下，统称它们为z变换变换

4、。F(z)=Z Zf(k),f(k)=Z Z-1F(z)；f(k)F(z)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-4页电子教案电子教案6.16.1 z z变换变换二、收敛域二、收敛域 z变换定义为一无穷幂级数之和，显然只有当该幂级变换定义为一无穷幂级数之和，显然只有当该幂级数收敛，即数收敛，即时，其时，其z变换才存在。上式称为变换才存在。上式称为绝对可和条件绝对可和条件，它是，它是序列序列f(k)的的z变换存在的变换存在的充分必要条件充分必要条件。收敛域的定义收敛域的定义：对于序列对于序列f(k)，满足满足 所有所有z值组成的集合称为值组成的集合称为z变

5、换变换F(z)的收敛域的收敛域。信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-5页电子教案电子教案6.16.1 z z变换变换例例1求以下有限序列的求以下有限序列的z变换变换(1)f1(k)=(k)k=0 (2)f2(k)=1,2,3,2,1 解解(1)可见，其单边、双边可见，其单边、双边z变换相等。与变换相等。与z 无关，所无关，所以其收敛域为以其收敛域为整个整个z 平面平面。(2)f2(k)的双边的双边z 变换为变换为 F2(z)=z2+2z+3+2z-1+z-2 收敛域收敛域为为0 z 0 对有限序列的对有限序列的z变换的收敛域一般为变换的收敛域一般为0

6、 z，有时它有时它在在0或或/和和也收敛。也收敛。信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-6页电子教案电子教案6.16.1 z z变换变换例例2 求求因果序列因果序列 的的z变换（式中变换（式中a为常数）。为常数）。解：解：代入定义代入定义 可见，仅当可见，仅当 az-1 a =时，其时，其z变换存在。变换存在。收敛域收敛域为为|z|z|a|信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-7页电子教案电子教案6.16.1 z z变换变换例例3 求求反因果序列反因果序列 的的z变换。变换。解解 可见，可见，b-1z 1,即即

7、 z b 时，其时，其z变换存在，变换存在，收敛域收敛域为为|z|z|b|信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-8页电子教案电子教案6.16.1 z z变换变换例例4 双边序列双边序列f(k)=fy(k)+ff(k)=解解 的的z变换。变换。可见，其收敛域为可见，其收敛域为 a z b （显然要求显然要求 a 2 f2(k)=2k(k 1)F2(z)=,z 0(k)，z 1，z 1(k 1)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-10页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质一、线性一、线性 6.

8、26.2 z z变换的性质变换的性质 本节讨论本节讨论z变换的性质，若无特殊说明，它既适变换的性质，若无特殊说明，它既适用于单边也适用于双边用于单边也适用于双边z变换。变换。若若 f1(k)F1(z)1 z 1,f2(k)F2(k)2 z 1信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-11页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质二、移位（移序）特性二、移位（移序）特性 单边、双边差别大！单边、双边差别大！双边双边z变换的移位：变换的移位：若若 f(k)F(z),z 0，则则 f(k m)z mF(z),z ，且有整数且有整数m0,则则f(k

9、-1)z-1F(z)+f(-1)f(k-2)z-2F(z)+f(-2)+f(-1)z-1 信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-12页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质f(k+1)zF(z)f(0)zf(k+2)z2F(z)f(0)z2 f(1)z 证明证明：Z Zf(k m)=上式第二项令上式第二项令k m=n特例特例：若若f(k)为因果序列，则为因果序列，则f(k m)z-mF(z)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-13页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质例例

10、1：求周期为求周期为N的有始周期性单位序列的有始周期性单位序列 的的z变换。变换。解解 z 1例例2：求求f(k)=k(k)的单边的单边z变换变换F(z).解解f(k+1)=(k+1)(k+1)=(k+1)(k)=f(k)+(k)zF(z)zf(0)=F(z)+F(z)=信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-14页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质三、序列乘三、序列乘a ak k(z z域尺度变换域尺度变换)若若 f(k)F(z),z ，且有常数且有常数a 0 则则 akf(k)F(z/a),a z a 证明证明：Z Zakf(k

11、)=例例1：ak(k)例例2：cos(k)(k)?cos(k)(k)=0.5(ej k+e-j k)(k)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-15页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质四、卷积定理四、卷积定理 若若 f1(k)F1(z)1 z 1,f2(k)F2(z)2 z 2 则则 f1(k)*f2(k)F1(z)F2(z)对单边z变换，要求f1(k)、f2(k)为因果序列其收敛域一般为其收敛域一般为F1(z)与与F2(z)收敛域的相交部分。收敛域的相交部分。例例：求求f(k)=k(k)的的z变换变换F(z).解解：f(k)=k

12、(k)=(k)*(k-1)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-16页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质五、序列乘五、序列乘k k（z z域微分）域微分）若若 f(k)F(z),z 则则 ,z 例例：求求f(k)=k(k)的的z变换变换F(z).解解：信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-17页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质六、序列除六、序列除(k+m)(zk+m)(z域积分）域积分）若若 f(k)F(z),z 0，则则,z 0，则则 例例：求序列求序列 的的z变

13、换。变换。解解信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-18页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质七、七、k k域反转域反转(仅适用双边仅适用双边z z变换变换）若若 f(k)F(z),z 则则 f(k)F(z-1),1/z a求求a k(k 1)的的z变换。变换。解解，|z|a，|z|1/a乘乘a得得，|z|1/a信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-19页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质八、部分和八、部分和 若若 f(k)F(z),z ，则则,max(,1)z max

14、(|a|,1)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-20页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质九、初值定理和终值定理九、初值定理和终值定理 初值定理适用于初值定理适用于右边序列右边序列，即适用于，即适用于kM(M为整数为整数)时时f(k)=0的序列。它用于由象函数直接求得序列的初值的序列。它用于由象函数直接求得序列的初值f(M),f(M+1),，而不必求得原序列。而不必求得原序列。初值定理初值定理：如果序列在如果序列在kM时，时，f(k)=0，它与象函数的关系为它与象函数的关系为 f(k)F(z)，z 则序列的初值则序列的初值对因果

15、序列对因果序列f(k)，信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-21页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质证明：证明：两边乘两边乘zM得得zMF(z)=f(M)+f(M+1)z-1+f(M+2)z-2+信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-22页电子教案电子教案6.26.2 z z变换的性质变换的性质终值定理终值定理：终值定理适用于右边序列，用于由象函数直接求得序终值定理适用于右边序列，用于由象函数直接求得序列的终值，而不必求得原序列。列的终值，而不必求得原序列。如果序列在如果序列在kM时，时

16、，f(k)=0，它与象函数的关系为它与象函数的关系为 f(k)F(z)，z 且且01 则序列的终值则序列的终值 含含单位圆单位圆信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-23页电子教案电子教案6.36.3 逆逆z z变换变换6.36.3 逆逆z z变换变换求逆求逆z变换的方法有：变换的方法有：幂级数展开法幂级数展开法、部分分式展开部分分式展开法法和和反演积分（留数法）反演积分（留数法）等。等。一般而言，双边序列一般而言，双边序列f(k)可分解为因果序列可分解为因果序列f1(k)和反和反因果序列因果序列f2(k)两部分，即两部分，即 f(k)=f2(k)+f

17、1(k)=f(k)(k 1)+f(k)(k)相应地，其相应地，其z变换也分为两部分变换也分为两部分 F(z)=F2(z)+F1(z)，|z|F2(z)=Zf(k)(k 1)=，|z|2 (2)|z|1 (3)1|z|2 信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-25页电子教案电子教案6.36.3 逆逆z z变换变换解解（1）由于由于F(z)的收敛域在半径为的收敛域在半径为2的圆外，故的圆外，故f(k)为因果序列。用长除法将为因果序列。用长除法将F(z)展开为展开为z-1的幂级数：的幂级数：z2/(z2-z-2)=1+z-1+3z-2+5z-3+f(k)=1

18、，1，3，5，k=0（2）由于由于F(z)的收敛域为的收敛域为 z 1，故故f(k)为反因果序为反因果序列。用长除法将列。用长除法将F(z)（按升幂排列）展开为按升幂排列）展开为z的幂级数的幂级数:z2/(2 z z2)=信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-26页电子教案电子教案6.36.3 逆逆z z变换变换(3)F(z)的收敛域为的收敛域为1 z 1，z )和和F F2 2(z)(z)(z z 2 (2)z 1 (3)1 z 2，故故f(k)为因果序列为因果序列(2)当当 z 1，故故f(k)为反因果序列为反因果序列(3)当当1 z 2，信号与系

19、统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-29页电子教案电子教案6 6.3 .3 逆逆z z变换变换例例2：已知象函数已知象函数,1 z 1，后两后两项满足项满足 z ,f(k)=2 K1kcos(k+)(k)若若 z 1)，则逆变换为则逆变换为 若若 z ,对应原序列为对应原序列为 信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-31页电子教案电子教案6 6.3 .3 逆逆z z变换变换以以 z 为例：为例：当当r=2时，为时，为 kak-1(k)当当r=3时，为时，为 可这样推导记忆可这样推导记忆：Zak(k)=两边对两边对a求

20、导得求导得 Zkak-1(k)=再对再对a求导得求导得Zk(k-1)ak-2(k)=故故Z0.5k(k-1)ak-2(k)=信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-32页电子教案电子教案6 6.3 .3 逆逆z z变换变换例例：已知象函数已知象函数，z 1的原函数。的原函数。解解f(k)=k(k-1)+3k+1(k)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-33页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析6.4 6.4 z z域分析域分析 单边单边z变换将系统的初始条件自然地包含于其代数变换将系统的初始条件自

21、然地包含于其代数方程中，可求得零输入、零状态响应和全响应。方程中，可求得零输入、零状态响应和全响应。一、差分方程的变换解一、差分方程的变换解 设设f(k)在在k=0时接入，系统初始状态为时接入，系统初始状态为y(-1),y(-2),y(-n)。取单边取单边z变换得变换得 信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-34页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析令令称为系统函数称为系统函数h(k)H(z)例例1：若某系统的差分方程为若某系统的差分方程为 y(k)y(k 1)2y(k 2)=f(k)+2f(k 2)已知已知y(1)=2，y(2)=1/2

22、，f(k)=(k)。求系统的求系统的yx(k)、yf(k)、y(k)。解解方程取单边方程取单边z变换变换 信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-35页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析Y(z)-z-1Y(z)+y(-1)-2z-2Y(z)+y(-2)+y(-1)z-1=F(z)+2z-2F(z)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-36页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析例例2：某系统，已知当输入某系统，已知当输入f(k)=(1/2)k(k)时，其零时，其零状态响应状态响应 求系

23、统的单位序列响应求系统的单位序列响应h(k)和描述系统的差分方程。和描述系统的差分方程。解解h(k)=3(1/2)k 2(1/3)k(k)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-37页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析二、系统的二、系统的z z域框图域框图 另外两个基本单元：数乘器和加法器，另外两个基本单元：数乘器和加法器，k域和域和z域框图域框图相同。相同。信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-38页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析例例3：某系统的某系统的k域框图如图，已知输入

24、域框图如图，已知输入f(k)=(k)。(1)求系统的单位序列响应求系统的单位序列响应h(k)和零状态响应和零状态响应yf(k)。(2)若若y(-1)=0，y(-2)=0.5，求零输入响应求零输入响应yx(k)解解:(1)画画z域框图域框图z-1z-1F(z)Yf(z)设设中间变量中间变量X(z)X(z)z-1X(z)z-2X(z)X(z)=3z-1X(z)2z-2X(z)+F(z)Yf(z)=X(z)3z-1X(z)=(1 3z-1)X(z)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-39页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析h(k)=2 (2

25、)k(k)当当f(k)=(k)时，时，F(z)=z/(z-1)yf(k)=2k+3 2(2)k(k)(2)由由H(z)可知，差分方程的特征根为可知，差分方程的特征根为 1=1，2=2信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-40页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析yx(k)=Cx1+Cx2(2)k由由y(-1)=0，y(-2)=0.5，有，有Cx1+Cx2(2)-1=0Cx1+Cx2(2)-2=0.5Cx1=1,Cx2=-2yx(k)=1 2(2)k三、利用三、利用z z变换求卷积和变换求卷积和 例例：求：求2k (k)*2-k (k)解解

26、：原式象函数为原式象函数为原式原式=1*2-k (k)？信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-41页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析四、四、s s域与域与z z域的关系域的关系 z=esT 式中式中T为取样周期为取样周期如果将如果将s表示为直角坐标形式表示为直角坐标形式 s=+j ，将将z表表示为极坐标形式示为极坐标形式 z=ej r=e T ，=T由上式可看出由上式可看出：s平面的左半平面（平面的左半平面（z平面的单平面的单位圆内部（位圆内部（z=0)-z平面的单位圆外部平面的单位圆外部（z=1)s平面的平面的j 轴（轴（=0)-z

27、平面中的单位圆上平面中的单位圆上（z=1)s平面上实轴（平面上实轴（=0)-z平面的正实轴（平面的正实轴（=0)s平面上的原点（平面上的原点（=0，=0）-z平面上平面上z=1的点的点（=1，=0）信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-42页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析五、离散系统的频率响应五、离散系统的频率响应 由于由于z=esT，s=+j，若离散系统若离散系统H(z)收敛域含单收敛域含单位园，则位园，则若若连续系统的连续系统的H(s)收敛域含虚轴，则连续系统频率响应收敛域含虚轴，则连续系统频率响应离散系统频率响应定义为离散系统

28、频率响应定义为存在。存在。令令 T=，称为数字角频率。称为数字角频率。式中式中 H(ej)称为幅频响应称为幅频响应,偶函数；偶函数；()称为相频响应。称为相频响应。只有只有H(z)收敛域收敛域含单位园才存在含单位园才存在频率响应频率响应信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-43页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析设设LTI离散系统的单位序列响应为离散系统的单位序列响应为h(k),系统函数为系统函数为H(z)，其收敛域含单位园，则系统的零状态响应其收敛域含单位园，则系统的零状态响应 yf(k)=h(k)*f(k)当当f(k)=ej k时时

29、若输入若输入f(k)=Acos(k+)则其正弦稳态响应为则其正弦稳态响应为ys(k)=0.5A ej ej k H(ej)+0.5A e-j e-j k H(e-j)=0.5A ej ej k|H(ej)|ej()+0.5A e-j e-j k|H(e-j)|e-j()=A|H(ej)|cos k+()=0.5Aej k ej +0.5Ae-j k e-j 信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学电路与系统教研中心第6-44页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析例例 图示为一横向数字滤波器。图示为一横向数字滤波器。（1）求滤波器的频率响应；）求滤波器的频率响应；（

30、2）若输入信号为连续信号）若输入信号为连续信号f(t)=1+2cos(0t)+3cos(2 0t)经取样得到的离散序列经取样得到的离散序列f(k)，已知信号频率已知信号频率f0=100Hz，取取样样fs=600Hz，求滤波器的稳态输出求滤波器的稳态输出yss(k)解解（1）求系统函数）求系统函数Y(z)=F(z)+2z-1F(z)+2z-2F(z)+z-3F(z)H(z)=1+2z-1+2z-2+z-3，|z|0令令=TS，z取取e j H(ej)=1+2e-j+2e-j2+e-j3 =e-j1.5 2cos(1.5)+4cos(0.5)信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统西安电子科技大学

31、电路与系统教研中心第6-45页电子教案电子教案6.4 6.4 z z域分析域分析(2)连续信号连续信号f(t)=1+2cos(0t)+3cos(2 0t)经取样后的离散信号为经取样后的离散信号为(f0=100Hz,fs=600Hz)f(k)=f(kTs)=1+2cos(k 0Ts)+3cosk(2 0Ts)令令 1=0 ,2=0Ts=/3,3=2 0Ts=2/3 所以所以 H(ej 1)=6 ，H(ej 2)=3.46e-j/2 ,H(ej 3)=0 稳态响应为稳态响应为 yss(t)=H(ej 1)+2 H(ej 2)cosk 0Ts+(2)+3 H(ej 3)cos2k 0Ts+(3)=6+6.92cos(k/3-/2)可见消除了输入序列的二次谐波。可见消除了输入序列的二次谐波。