实验八离散系统的Z域分析
MATLAB 离散系统z域分析
实验八 离散系统的Z 域分析一、目的（1）掌握利用MATLAB 绘制系统零极点图的方法 （2）掌握离散时间系统的零极点分析方法（3）掌握用MATALB 实现离散系统频率特性分析的方法 （4）掌握逆Z 变换概念及MATLAB 实现方法二、离散系统零极点线性时不变离散系统可用线性常系数差分方程描述，即()()N Miji j a y n i b x n j ==-=-∑∑ （8-1）其中()y k 为系统的输出序列，()x k 为输入序列。
将式（8-1）两边进行Z 变换的00()()()()()Mjjj Nii i b zY z B z H z X z A z a z-=-====∑∑ （8-2） 将式（8-2）因式分解后有：11()()()Mjj Nii z q H z Cz p ==-=-∏∏ （8-3）其中C 为常数，(1,2,,)j q j M =为()H z 的M 个零点，(1,2,,)i p i N =为()H z 的N 个极点。
系统函数()H z 的零极点分布完全决定了系统的特性，若某系统函数的零极点已知，则系统函数便可确定下来。
因此，系统函数的零极点分布对离散系统特性的分析具有非常重要意义。
通过对系统函数零极点的分析，可以分析离散系统以下几个方面的特性：● 系统单位样值响应()h n 的时域特性； ● 离散系统的稳定性； ● 离散系统的频率特性；三、离散系统零极点图及零极点分析 1．零极点图的绘制设离散系统的系统函数为则系统的零极点可用MATLAB 的多项式求根函数roots()来实现，调用格式为：p=roots(A)其中A 为待根求多项式的系数构成的行矩阵，返回向量p 则是包含多项式所有根的列向量。
如多项式为231()48B z z z =++，则求该多项式根的MATLAB 命令为为：A=[1 3/4 1/8]; P=roots(A) 运行结果为： P =-0.5000-0.2500需注意的是，在求系统函数零极点时，系统函数可能有两种形式：一种是分子、分母多项式均按z 的降幂次序排列；另一种是分子、分母多项式均按1z -的升幂次序排列。
实验八-离散系统的Z域分析
实验八-离散系统的Z域分析一、验证性实验1.Z变换确定信号f1(n)=3^nU(n),f1(n)=co(2n)U(n)的Z变换。
2.Z反变换已知离散LTI系统的激励函数为f(k)=(-1)^k某U(k),h(k)=[1/3某(-1)^k+2/3某3^k]U(k),采用变换域分析法确定系统的零状态响应Yf(t).3.绘制离散系统极点图采用MATLAB语言编程，绘制离散LTI系统函数的零极点图，并从零极点图判断系统的稳定性。
已知离散系统的H（z），求零极点图，并求解h(k)与H(e^jw)。
（1）实验代码（2）实验结果4.离散频率响应函数一个离散LTI系统，差分方程y(k)-0.81y(k-2)=f(k)-f(k-2),试确定：（1）系统函数H(z);（2）单位序列响应h(k)的数学表达式，并画出波形；（3）单位阶跃响应的波形g(k);（4）绘出频率响应函数H(e^jθ)的幅频和相频特性曲线。
1）实验代码2）实验结果二、程序设计实验1.试分别绘制下列洗头的零极点图，并判断系统的稳定性；如果系统稳定，绘制幅频特性和相频特性。
（a）H(z)=(3某z^3-5某z^2+10某z)/(z^3-3某z^2+7某z-5)1)实验代码2)实验结果（b）H(z)=(4某z^3)/(z^3+0.2某z^2+0.3某z+0.4)1）实验代码2）实验结果（c）H(z)=(z^2-2某z-1)/(2某z^3-1)1）实验代码2）实验结果（d）H(z)=(2某z^2+2)/(z^3+2某z^2-4某z+1)1）实验代码2）实验结果2.分别确定下列信号的Z变换。
(a)f(k)=(2/5)^k某U(k)(b)f(k)=co(2某k)U(k)(c)f(k)=(k-1)U(k)(d)f(k)=(-1)^k某k某U(k)3.已知某LTI离散系统在输入激励f(k)=(1/2)^k某k某U(k)时的零状态响应为Yf(k)=[3某(1/2)^k+2某(1/3)^k]U(k),通过程序确定该系统的系统函数H(z)以及系统的单位序列响应h(k).4.分别确定下列因果信号的逆Z变换。
数字信号处理 实验 离散系统的Z域分析
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：∑∞-∞=-=n nzn x Z X )()(。
在MA TLAB 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： )()()(z X z Y z H =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∑∞-∞=-==n nzn h n h Z z H )()]([)(对于线性移不变系统，若n <0时，h (n )=0，则系统为因果系统；若∞<∑∞-∞=n n h |)(|，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∑∞-∞=-=n nzn h z H )()(，若z =1时H (z )收敛，即∞<=∑∞-∞==n z n h z H |)(||)(1，则系统稳定，即H(z)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,||<∞≤<ααz ，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、MA TLAB 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)。
第八章 离散系统的 域分析
y(k) = zk *h(k) = h(k)* zk
∞
∞
∑ ∑ = h( j)zk− j = zk h( j)z− j = zk H (z) − ∞ < k < +∞
j=−∞
j=−∞
∞
∑ 其中， H (z) = h( j)z − j = Z[h(k)] j = −∞
东南大学移动通信国家重点实验室
1． 定义
∑−1
bkε(−k −1) ↔ F (z) = bk z−k = −
z
k=−∞
z−b
而
| z |<| b |
∑ ∑ m
i=1
bikε (−k
− 1)
↔
F(z)
=
m
−
i=1
z
z − bi
| z |< m in{|bi |}
东南大学移动通信国家重点实验室
Im[z] x
x
x Re[z]
x x
⇒
左边序列极点均在收敛域外。
↔
(z
z − 1) 2
ROC：|z|>1
∞
∑ F (z) = kz −k = z −1 + 2z −2 + 3z −3 + " k =0 = (z −1 + z −2 + ")(1 + z −1 + z −2 + ")
=
z −1 1 − z−1
1 ⋅ 1 − z−1
=
z (1 − z)2
z >1
东南大学移动通信国家重点实验室
注：
（1） 若 f (k) 本身单边，即 f (k) = f (k)ε(k) ，
第八章 离散时间系统的z域分析
收敛域为 z > a
(2) x(n) = ebnu(n) 当上面(1)中 当上面(1)中 a = e b 时
z Z[e u(n)] = b z e
bn
收敛域为 z > e
b
(3) x(n) = na u(n) ∞ n 1 n 已知 Z[a u(n)] = ∑(az ) =
n
n=0
1 1 (az1 )
1. x(n) 为因果序列（右边序列） 为因果序列（右边序列） X(z) 为z -1的幂级数，收敛域为 z > Rx1 的幂级数，
X(z) = ∑x(n)z
n=0 =0 ∞ n
= x(0) + x(1)z + x(2)z +L+
1 2
用降幂次序作长除法。 用降幂次序作长除法。
例 8-3 已知
z X(z) = , z >1 2 (z 1)
8 .3
z 变换的收敛域
一、收敛域定义 二、收敛域的重要性 三、级数收敛的判定条件 四、序列收敛域讨论
8.3
z 变换的收敛域
一、收敛域定义 对于任何给定的有界序列x 对于任何给定的有界序列x(n)，使 z变换定义式级数收敛之所有 z值的集 收敛域。 合，称为 z变换 X(z)的收敛域。 简写为 ROC (Region of convergence)
8.5 z变换的基本性质 一、线性 若 Z [x(n)] = X(z), (Rx1 < z < Rx2 ) Z [ y(n)] = Y(z), (Ry1 < z < Ry2 )
则 Z [ax(n) + by(n)] = aX ( z ) + bY ( z ), ( R1 < z < R2 )
第八章 离散时间信号与系统的z域分析
| z |< a
（3）余弦序列的Z变换
z ]= Z [e jω 0 z−e z − jω 0 n ]= Z [e − jω 0 z−e Z [cos ω 0 n ] = Z [( e jω 0 n + e − jω 0 n ) / 2 ]
jω 0 n
z z =( + )/2 jω 0 − jω 0 z−e z−e z ( z − cos ω 0 ) = 2 z − 2 z cos ω 0 + 1
n =−∞
g[n] = f [n]r − n 代入上式得 将
G (Ω) =
n =−∞
∑
∞
f [n]r − n e − jΩn =
n =−∞
∑
∞
f [n](re jΩ ) − n
z = re jΩ ,则上式既可看成实数 Ω 的函 令复变量 数，也可看成复数 z 的函数，用 F ( z ) 代替 G (Ω) ， ∞ 则有： −n F ( z ) = ∑ f [ n ] z = G (Ω )
复数 z = re 是沿圆心在原点，半径为 r 的圆， 按逆时针方向绕行一周，即关于 z 的积分是闭合 曲线积分。
Im
jΩ
z 平面
re jΩ
r
Ω
Re
Z变换：F ( z ) =
n =−∞
∑
∞
f [ n] z − n
1 F ( z ) z n −1dz 逆Z变换： f [n] = 2πj ∫C
Z 记为： f [n] ←⎯→ F ( z )
n =−∞
根据离散时间傅氏逆变换，信号 g[n] 可表示为
1 g[ n] = 2π
∫
2π 0
G ( Ω ) e j Ωn d Ω
离散时间系统的Z域分析
第八章 Z 变换、离散时间系统的Z 域分析Z 变换的定义和收敛典型信号的z 变换Z 变换的性质求Z 逆变换系统函数H (z )幂级数展开部分分式法围线积分法定义由零极点决定系统的时域特由零极点决定系统的频域特由零极点决定系统的稳定性例题 •例题1：求z 变换•例题2：求逆变换•例题3：求系统的响应•例题4：求系统函数及频率响应等•例题5：零极点，初值定理例8-1利用性质求序列的z 变换方法一：利用典型序列的z 变换及线性性质求解方法二：利用z 变换时移性质直接求解若 则 ()()()n u n n x 2-=()()[]()()[]()()1z 12312122222>--=---=-=-z z z z z z z n u n nu Z n u n Z ()[]()z X n x Z =()()[]()()km k n n z k x z z X z n u m n x Z ---=--∑+=-1方法三把原序列如下表示 所以例8-2，求其逆变换。
方法一：因为X (z )不是真分式，首先把X (z )写成多项式与真分式两相之和的形式，即 其中 ()()[]()z X z m n u m n x Z n -=--()()[]()()km k n n z k x z z X z n u m n x Z --=∑-=+10()()[]()z X z m n u m n x Z n =++()()()()()()()()()()()()()()()时，二者才相同。
，为有始序列只有当，而不是的左移序列是相同；为因果序列时，二者才，只有当而不是的右移序列是由上式可见，0=<+++---n x m n n x n u m n x m n u m n x n u n x n x n u m n x m n u m n x n u n x ()()[]()()1 123 )2()1(122222222>--=-+-+-=-∴---z z z z z z z z z z z n u n Z ()()()()()()12222-----=-n n n u n n u n δδ()()[]()()1 12321222121>--=--+-=---z z z z z z z n u n Z ()21z 616511211>+-+=---z z z z X ()()() 616561611121+--+=+=z z z z F z Q z X () 31-z A 21-z A 6165616112121+=+--=z z z z F则 所以方法二观察X (z )的分子多项式的根，其中含有一个零点为z=0 ，式中则 所以原序列为两种方法求逆z 变换，其结果完全一致。
信号与系统第8章 离散时间系统的z域分析
零状态响应为
Yf
(z)
(1 z 1 z 2 ) 2 3z 1 z 2
1 1 z 1
1/ 6 0.5 5 / 6 1 z1 1 z1 1 0.5z1
yf [k] Z 1{Yf (z)}{1/ 6 0.5(1)k (5/ 6)(0.5)k}u[k]
y[k] yx[k] yf [k] {1/ 6 3.5(1)k (4 / 3)(0.5)k}u[k]
离散时间信号与系统的Z域分析
• 离散时间信号的Z域分析 • 离散时间系统的Z域分析 • 离散时间系统函数与系统特
性
离散时间信号的Z域分析
• 理想取样信号的拉普拉斯变换 • 单边Z变换定义 • 单边Z变换的收敛域 • 常用序列的Z变换 • 单边Z变换的性质 • Z反变换
理想取样信号的拉普拉斯变换
fs (t) f (t) (t kT) f (kT) (t kT)
Re(z)
三、常用序列的Z变换
1) Z{ (k)} 1, z 0
2) 3)
Z{u(k)} 1 1 z
Z{aku(k)}
1 , 1
1 a
z
z
1
1 z
a
4)
Z{e
j0k
u(k
)}
1
e
1
j0
z
1
z z e j0
5)
Z{e-
j0k u (k
)}
1
1 e- j0
z
1
z z e- j0
z e j0 z e j0
解代数方程
二阶系统响应的z域求解
y[k] a1 y[k 1] a2 y[k 2] b0 f [k] b1 f [k 1] k 0
初始状态为y[1], y[2] 对差分方程两边做Z变换，利用
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实验八 离散系统的Z 域分析一、目的（1）掌握利用MATLAB 绘制系统零极点图的方法 （2）掌握离散时间系统的零极点分析方法（3）掌握用MATALB 实现离散系统频率特性分析的方法 （4）掌握逆Z 变换概念及MATLAB 实现方法二、离散系统零极点线性时不变离散系统可用线性常系数差分方程描述，即()()N Miji j a y n i b x n j ==-=-∑∑ （8-1）其中()y k 为系统的输出序列，()x k 为输入序列。
将式（8-1）两边进行Z 变换的00()()()()()Mjjj Nii i b zY z B z H z X z A z a z-=-====∑∑ （8-2） 将式（8-2）因式分解后有：11()()()Mjj Nii z q H z Cz p ==-=-∏∏ （8-3）其中C 为常数，(1,2,,)j q j M =为()H z 的M 个零点，(1,2,,)i p i N =为()H z 的N 个极点。
系统函数()H z 的零极点分布完全决定了系统的特性，若某系统函数的零极点已知，则系统函数便可确定下来。
因此，系统函数的零极点分布对离散系统特性的分析具有非常重要意义。
通过对系统函数零极点的分析，可以分析离散系统以下几个方面的特性：● 系统单位样值响应()h n 的时域特性； ● 离散系统的稳定性； ● 离散系统的频率特性；三、离散系统零极点图及零极点分析 1．零极点图的绘制设离散系统的系统函数为()()()B z H z A z =则系统的零极点可用MATLAB 的多项式求根函数roots()来实现，调用格式为：p=roots(A)其中A 为待根求多项式的系数构成的行矩阵，返回向量p 则是包含多项式所有根的列向量。
如多项式为231()48B z z z =++，则求该多项式根的MATLAB 命令为为：A=[1 3/4 1/8];P=roots(A) 运行结果为： P =-0.5000 -0.2500需注意的是，在求系统函数零极点时，系统函数可能有两种形式：一种是分子、分母多项式均按z 的降幂次序排列；另一种是分子、分母多项式均按1z -的升幂次序排列。
这两种方式在构造多项式系数向量时稍有不同。
（1）()H z 按z 的降幂次序排列：系数向量一定要由多项式最高次幂开始，一直到常数项，缺项要用0补齐；如34322()3221z zH z z z z z +=++++其分子、分母多项式系数向量分别为A=[1 0 2 0]、B=[1 3 2 2 1]。
（2）()H z 按1z -的升幂次序排列：分子和分母多项式系数向量的维数一定要相同，不足的要用0补齐，否则0z =的零点或极点就可能被漏掉。
如11212()11124z H z z z ---+=++其分子、分母多项式系数向量分别为A=[1 2 0]、B=[1 1/2 1/4]。
用roots()求得()H z 的零极点后，就可以用plot()函数绘制出系统的零极点图。
下面是求系统零极点，并绘制其零极点图的MATLAB 实用函数ljdt()，同时还绘制出了单位圆。
function ljdt(A,B)% The function to draw the pole-zero diagram for discrete system p=roots(A); %求系统极点 q=roots(B); %求系统零点 p=p'; %将极点列向量转置为行向量 q=q'; %将零点列向量转置为行向量 x=max(abs([p q 1])); %确定纵坐标范围 x=x+0.1; y=x; %确定横坐标范围 clf hold onaxis([-x x -y y]) %确定坐标轴显示范围 w=0:pi/300:2*pi; t=exp(i*w); plot(t) %画单位园 axis('square') plot([-x x],[0 0]) %画横坐标轴 plot([0 0],[-y y]) %画纵坐标轴 text(0.1,x,'jIm[z]') text(y,1/10,'Re[z]')plot(real(p),imag(p),'x') %画极点 plot(real(q),imag(q),'o') %画零点 title('pole-zero diagram for discrete system') %标注标题hold off例1：绘制如下系统函数的零极点（1）32323510 ()375z z zH zz z z-+=-+-（2）11210.5()31148zH zz z----=++解：MATLAB命令如下（1）A=[1 -3 7 -5];B=[3 -5 10 0];ljdt(A,B)绘制的零极点图如图8-1（a）所示。
（2）A=[1 3/4 1/8];B=[1 -0.5 0];ljdt(A,B)绘制的零极点图如图8-1（b）所示。
2．离散系统零极点分析（1）离散系统零极点分布与系统稳定性《信号与系统》课程已讲到离散系统稳定的条件为：●时域条件：离散系统稳定的充要条件为()nh n∞=-∞<∞∑，即系统单位样值响应绝对可和；●Z域条件：离散系统稳定的充要条件为系统函数()H z的所有极点均位于Z平面的单位圆内。
对于三阶以下的低阶系统，可以利用求根公式求出系统函数的极点，从而判断系统的稳定性，但对于高阶系统，手工求解则显得十分困难，这时可以利用MATLAB来实现。
实现方法是调用前述的函数ljdt()绘出系统的零极点图，然后根据极点的位置判断系统的稳定性。
例2：系统函数如例1所示，判断两个系统的稳定性。
（a）（b）图8-1 离散系统的零极点图解：由例1绘出的零极点图可以看出两个系统的稳定性分别为：第（1）个系统不稳定；第（2）个系统稳定。
（2）零极点分布与系统单位样值时域特性的关系 从《信号与系统》课程中已经得知，离散系统的系统函数()H z 与单位样值响应()h n 是一对Z 变换对；因而，()H z 必然包含了()h n 的固有特性。
离散系统的系统函数可以写成11()()()Mjj Nii z q H z Cz p ==-=-∏∏ （8-4）若系统的N 个极点均为单极点，可将()H z 进行部分分式展开为：1()Ni i i k zH z z p ==-∑ （8-5）由Z 逆变换得：1()()()Nn i i i h n k p u n ==∑ （8-6）从式（8-5）和（8-6）可以看出离散系统单位样值响应()h n 的时域特性完全由系统函数()H z 的极点位置决定。
从《信号与系统》的学习中已经得出如下规律： ● ()H z 位于Z 平面单位圆内的极点决定了()h n 随时间衰减的信号分量； ● ()H z 位于Z 平面单位圆上的一阶极点决定了()h n 的稳定信号分量；● ()H z 位于Z 平面单位圆外的极点或单位圆上高于一阶的极点决定了()h n 的随时间增长的信号分量；下面以例子证明上述规律的正确性：例3：已知如下系统的系统函数()H z ，试用MATLAB 分析系统单位样值响应()h n 的时域特性。
（1）1()1H z z =-，单位圆上的一阶实极点；（2）21()2cos()18H z z z π=-+，单位圆上的一阶共轭极点；（3）2()(1)zH z z =-，单位圆上的二阶实极点； （4）1()0.8H z z =-，单位圆内的一阶实极点；（5）21()(0.5)H z z =-，单位圆内的二阶实极点； （6）1() 1.2H z z =-，单位圆外的一阶实极点；解：利用MATLAB 提供的函数impz()绘制离散系统单位样值响应波形，impz()基本调用方式为（其他方式，请读者参看MATLAB 帮助）：impz(b,a,N)，其中，b 为系统函数分子多项式的系数向量，a 为系统函数分母多项式的系数向量，N 为产生序列的长度；需要注意的是，b 和a 的维数应相同，不足用0补齐，例如2211()(1)21H z z z z ==--+的b=[0 0 1]，a=[1 –2 1]。
下面是求解个系统单位样值响应的MATLAB 命令： （1）a=[1 -1];b=[0 1]; impz(b,a,10)运行结果如图8-2（a ）所示。
（2）a=[1 –2*cos(pi/8) 1];b=[0 0 1]; impz(b,a,50)运行结果如图8-2（b ）所示。
（3）a=[1 -2 1];b=[0 1 0]; impz(b,a,10)运行结果如图8-2（c ）所示。
（4）a=[1 -0.8];b=[0 1]; impz(b,a,10)运行结果如图8-2（d ）所示。
（5）a=[1 -1 0.25];b=[0 0 1]; impz(b,a,10)运行结果如图8-2（e ）所示。
（6）a=[1 -1.2];b=[0 1]; impz(b,a,10)运行结果如图8-2（f ）所示。
（a ）（b ）图8-2 系统的单位样值响应四、离散系统频率特性分析1．离散系统的频率响应()j H e ω对于某因果稳定离散系统，如果激励序列为正弦序列：0()sin()()x n A n u n ω= 则，根据《信号与系统》课程给出的结果有，系统的稳态响应为：()()sin[()]()j ss y n A H e n u n ωωϕω=+定义离散系统的频率响应为()()()()j j j j z e H e H z H e e ωωωϕω=== 其中，()j H e ω——称为离散系统的幅频特性；()ϕω——称为离散系统的相频特性；()j H e ω是以2π为周期的周期函数，只要分析()j H e ω在ωπ≤范围内的情况，便可分析出系统的整个频率特性。
2．用MATLAB 实现离散系统的频率特性分析方法 （1）直接法（c ）（d ）（e ）（f ）图8-2 系统的单位样值响应（续）设某因果稳定系统的系统函数()H z ，则系统的频响特性为：()()()()j j j j z e H e H z H e e ωωωϕω===MATLAB 提供了专门用于求离散系统频响特性的函数freqz()，调用freqz()的格式有以下两种：● [H,w]=freqz(B,A,N)B 和A 分别为离散系统的系统函数分子、分母多项式的系数向量，N 为正整数，返回量H 则包含了离散系统频响()j H e ω在0~π范围内N 个频率等分点的值，向量w 则包含0~π范围内N 个频率等分点。
调用中若N 默认，默认值为512。