第十章讲义——Z变换
第10章Z变换整理ppt-PPT精品文档

n 例1. x(n) a u(n)
1 Xz ( ) az 1 1 a z n 0
n n
z a 时收敛
单位圆
当 a 1 时,
x ( n ) 的DTFT存在
此时,ROC包括了单位圆。
1 X (ej) j 1 a e
Z平面
Im
a1
R e
z a
例2. x(n) u(n)
第10章
Z-变换
The Z-Transform
本章主要内容
1. 双边Z变换及其收敛域ROC。 2. ROC的特征,各类信号的ROC,零极点图。 3. Z反变换,利用部分分式展开进行反变换。 4. 由零极点图分析系统的特性。
5. 常用信号的Z变换,Z变换的性质。
6. 用Z变换表征LTI系统,系统函数,LTI系统 的Z变换分析法,系统的级联与并联型结构。 7. 单边Z变换,增量线性系统的分析。
10.0 引言 (Introduction)
Z 变换与拉氏变换相对应,是离散时间傅立 叶变换的推广。 Z 变换的基本思想、许多性 质及其分析方法都与拉氏变换有相似之处。 当然,Z 变换与拉氏变换也存在着一些重要
的差异。
10.1 双边 Z 变换
The z-Transform 一.双边Z变换的定义:
零极点图可以唯一地确定一个信号。
零极点图对描述LTI系统和分析LTI系统的特 性,具有重要的用途。
10.2 Z 变换的ROC
The Region of Convergence for the z-Transform ROC的特征: 1. X ( z ) 的ROC是Z平面上以原点为中心的环形 区域。 2. 在ROC内 X ( z ) 无极点。 3. 有限长序列的ROC是整个有限Z平面(可 能不包括 z 0 ,或 z )。
【优】z变换的定义最全PPT

n是离散变量,所以对n没有微积分运算; z是连续变量,所以对z有微积分运算。 两边同时乘以z-1 ,可得 z是连续变量,所以对z有微积分运算。
u(n)10 nn00 两边同时乘以z-1 ,可得
(n)
1 n
O
u(n)
1 O 123
n
X (z) 1 z 1 z 2 z 3 1 1 z 1 z z1 z 1
Xz z
za
za
注意:z 变换相同时,左边序列的定义。 a n n 1
五.正弦与余弦序列
单边余弦序列 co s0nun
因c为 oω s0nejω 0n2ejω 0n
Zejω0nun
z zej0n
z 1
所 Z c ω 以 0 o n u n s 1 2 z z e j ω 0 n z e z j ω 0 n z 2 z z 2 z c c ω ω 0 0 o o 1 s s
1
n(z ) (11z ) n0
1 1 n1
1 2
两边同时乘以z-1 ,可得
Znu nn 0nzn(zz1)2
z 1
同理可得
n2u(n) n 0n2zn(zz(z 1)13)
n3u(n) n 0n3znz(z(2z 4 1)z41)
n m x(n ) Zn m x(n ) z 1dd z 1 m X (z)
§8.2 z变换的定义、典型序 列的z变换
z变换的定义
单边 z变换X(z) x(n)zn n0
双边 z变换X(z) x(n)zn n-
•复变量 z1的幂级数(亦称数 罗) 朗; 级
•某些文献中X也 z为 称x(n)的生成函数。
Z变换

0
n2 n
n
x ( n) z
n
n2
n
x ( n) z
x ( n) z
n 1
第二项为有限长序列,其收敛域 0 z ; 第一项为z的正幂次级数,根据阿贝尔定理, 其收敛域为 0 z Rx ; R 为最大收敛半径 .
x
故收敛域为0 z Rx
2.部分分式法
有理式:数字和字符经有限次加、减、乘、除运算 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 项式的商。分子的次数低于分母时称为真分 式。 部分分式:把x的一个实系数的真分式分解成几个分式 a ax b 的和,使各分式具有 ( x A) k 或 2 ( x Ax B) k 的形式 ,其中x2+Ax+B是实数范围内的不可约 多项式,而且k是正整数。这时称各分式为原 分式的“部分分式”。
n
x ( n) z
n
*实际上,将x(n)展为z-1的幂级数。
, S j
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)收敛的充要条件是绝对可和。
即: x(n) z
n
n
M
3.一些序列的收敛域 (1).预备知识 阿贝尔定理: x ( n) z n 如果级数 ,在 z z ( 0) n 0 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。
b
*收敛域一定在模最小的极点所在的圆内。
§2-3 Z反变换
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。
Z变换

n2
−n
−∞ ≤ n ≤ n
m n =m
2
X ( z) =
m= − n
m=− n2
∑ x(−m)z
∞
=
n=− n2
∑ x(−n) z
16
∞
n
若:
lim n x ( −n ) z < 1
n n →∞
则:
lim
n →∞
n
x( −n ) < z
1
n
−1
收敛半径
z<
lim
n →∞
x( −n )
= Rx2
1. 有限序列:在有限区间内x(n)
X (z) = ∑x(n)z
n=n1
收敛域为
n2
−n
n1 ≤ n ≤ n2
0< z <∞
12
例如: n1 = −2, 则:
n2 = 3
收敛域
X ( z ) = ∑ x(n)z = ∑ x(n) z
−n n = n1 n = −2
1 2 z <∞ −1 −2 常数
n
逆变换
= ⎡ 2 ( 2 ) − 1⎤ u ( n ) ⎣ ⎦
40
6.5 Z变换的基本性质
•线性 •位移性 •序列线性加权( Z 域微分) •序列指数加权( Z 域尺度变 换) •初值定理和终值定理 •时域卷积和 Z 域卷积定理
41
基本性质
线性:表现为叠加性和均匀性
若:
Z [x ( n ) ] = X ( z )
1、 Z变换式的一般形式
b0 + b1 z + " br −1 z + br z X ( z) = k −1 k a0 + a1 z + " + ak −1 z + ak z
Z变换PPT课件

-
19
10.2.3 部分分式展开法
将z变换函数X(z)展开成部分分式之和,然后查z变换
表,求相应的x*(t)。
两端取Z变换得
(a o a 1 z 1 a 2 z 2 a n 1 z n 1 a n z n )X o (z) (b o b 1 z 1 b 2 z 2 b m 1 z m 1 b m z m )X i(z)
故离散控制系统的传递函数为
G (z ) X o (z ) b o b 1 z 1 b 2 z 2 b m 1 z m 1 b m z m X i(z ) a o a 1 z 1 a 2 z 2 a n 1 z n 1 a n z n
x(t)
x * (t)
x(t)
T x* (t)
0 1T 2T 3T 4T t
0 1T 2T 3T 4T t
采样器的功能是将连续信号转换成发生在采样瞬时刻 0,T,2T,3T,…的一连串脉冲信号,
-
2
保持器:能够将采样信号转换成连续信号,这个连续信 号近似地重现采样器上的信号.
最简单的零阶保持器,它能将采样信号转变成在两个连 续采样瞬时之间保持常量的信号。
Cn(n=0,1,2…..)即为x(t)在采- 样时刻 t=nT 时的值 x(nT). 18
例10-18 求 X(z) 0.5z 的逆变换。
(z1)(z0.5)
解 X(z) 0.5z 0.5z
(z1)z(0.5) z21.5z0.5
利用综合除法得 X ( z ) 0 .5 z 1 0 .7 z 2 5 0 .8z 7 3 0 .5 9z 3 4 75
Z变换ppt课件

F (s)
C0
C1 s s1
C2 (s D2 ) s2 A2s B2
L
线性常系数微分方程,可以写成传递函数f(s):
特征值为实数(一阶系统)或者一对共轭复根(二阶系统) f(s)可以分解为一阶和二阶环节之和(部分分式展开),
分别查表,得到z变换式,再求和。
注意:一般不能用 F *(s) s 1 ln z F (z) T 5
f *(t) 11 (t T ) 29 (t 2T ) 67 (t 3T ) 145 (t 4T ) L
得到的是数值解,很难得到解析解,不便于分析
7
2. 查表法(部分分式展开法)
F (z) A1z A2z L An z
z z1 z z2
z zn
例:求
F
(
z
)
11z3 15z (z 2)(z
nm,可实现条件
例: G(z) Y (z) z z , Y (z) zR(z)
R(z)
1
y(t) r(t)=(t)
t -T 0
若r(t)=(t), R(z)=1, 则Y(z)=z, y(t)= (t+T)
输出信号出现在输入信号之前,非因果的,物理上 不存在
17
2 差分方程与脉冲传递函数
c(k) a1c(k 1) a2c(k 2) L anc(k n)
即
e*(t) r *(t) c*(t)
25
反馈通道有采样开关
G(z)
R(s)
_
E(s) T E(z)
G(s)
Y(s) T
Y(z)
F(s)
T
Y(z)
Y(z) G(z)E(z)
E(z) R(z) F(z)Y (z) R(z) F(z)G(z)E(z)
Z变换
0< z ≤∞
n1 ≥ 0 n2 ≤ 0
嘉兴学院
0≤ z <∞
数字信号处理
16
2. z变换的收敛域
有限长序列收敛域 除外) , 除外 (n1<0,n2>0;z=0,z=∞除外)
嘉兴学院
数字信号处理
2. z变换的收敛域
(2)右边序列 ) 在
17
n ≥ n1 时 x ( n ) 有值,在 n < n1 时 x ( n ) = 0 有值,
嘉兴学院
数字信号处理
z = re
jω
jω
|r =1 = e
∞
jω
7
ω = ΩTs = 2π f f s
X (e ) =
n =−∞
∑ x ( n )e
− jω n
离散时间序列的 傅里叶变换, 傅里叶变换, DTFT
z 平面
Im[z]
z 平面
Re[z]
Im[z]
r =1
0
Re[z]
0
嘉兴学院
数字信号处理
数字信号处理
23
2. z变换的收敛域
(4)双边序列 ) 在n为任意值 时 ,x(n)皆有值的序列 ,可以看成 为任意值 皆有值的序列 可以看成: 双边序列=右边序列+ 双边序列=右边序列+左边序列
X (z) =
n = −∞
∑
∞
x(n) z
−n
=
∑
∞
x(n) z
收 敛 域
−n
+
n=0
n = −∞
∑
收 敛 域
8
连续时间信号
X (s) =
∆
∫
∞
jΩ
第十章Z变换
1
n
m
j Im[z ]
圆内为收敛域,若 n2 0 则不包 括z=0点,这里包括0点。
Rx2
Re[z]
1 3
16
例10.7:求有限长序列
8
1 x ( n) [u ( n) u ( n 8)] 3
n
n
的z变换。
1 8 z 8 ( 1 )8 1 1 1 ( 1 z ) 3 3 解:X ( z ) z 7 1 1 z 1 z (z 1) 3 n 0 3 3
n 0
z 1 1 z b z b
Im
Z平面
Re
b 1/b
1 ROC : b z b
18
§10.3 Z变换的逆变换
The Inverse Z-Transform
由 所以
X z X re j F xnr n
xnr n F 1 X re j
11
例10.5 求x n n , x n n n 1, x n n n 1 的Z变换。看ROC是否包含0和 ? 性质4:如果 x[n] 是一右边序列,|z|=r0的圆位于ROC内, 那么|z|>r0的全部有限值都一定在这个ROC内,但可能不包 括
1 X re (re ) d X z z n1dz 2j 2
j j n
Z反变换公式
积分域为:收敛域内任一圆周。为什么?
与拉普拉斯反变换类似,还有另外的较为简单
的方法可以求得与X(z)相对应的序列。常用有两种: (1)部分分式法
(2)幂级数展开法
20
(1)部分分式法 当 X ( z ) 是有理函数时,可将其展开为部分分式:
信号与系统课件ch10 z变换-lec[10-3]
上讲回顾由零极点图对傅里叶变换进行几何求值分析一阶、二阶系统Z变换的性质(表10.1)常用Z变换对(表10.2)信号与系统课程组© 20142大纲310.1 Z 变换定义10.2 Z 变换的收敛域10.3 Z 逆变换10.4 由零极点图对傅里叶变换进行几何求值10.5 Z 变换的性质10.6 常用Z 变换对10.7 用Z 变换分析与表征LTI 系统10.8 系统函数的代数属性与方框图表示10.9 单边z 变换信号与系统课程组10.7 利用z 变换分析和表征LTI 系统•系统函数)()(z X n x )(n h [])()(n h ZT z H =)()()()()()(z H z X z X n h n x n y =∗= : 称为系统函数/ 传递函数410.7 利用z 变换分析和表征LTI 系统5这就是LTI 系统的傅里叶分析。
即是系统的频率响应。
如果 的ROC 包括单位圆,则 和 的ROC 必定包括单位圆,以 代入,即有()()()ωωωj j j e H e X e Y ⋅= LTI 系统的性质直接与 在z 平面的特性(零极点及收敛域)相联系!信号与系统课程组•10.7.1 因果性(Causality )–一个具有有理系统函数 的DT LTI 系统是因果的,当且仅当:•(a) 收敛域必须位于最外层极点的外边,且无限远点必须在收敛域内;且•(b) 若 表示成z 的多项式之比,其分子多项式的阶次不大于分母的阶次。
)(216)(317)(n u n u n x nn ⎪⎭⎫⎝⎛−⎪⎭⎫⎝⎛=NN N N MM M M z a z a z a z a a z b z b z b z b b z D z N z X ++++++++++==−−−−112210112210)()()( NM ≤710.7 利用z 变换分析和表征LTI 系统信号与系统课程组•10.7.2 稳定性(Stability )–一个DT LTI 系统,当且仅当它的系统函数 的收敛域包括单位圆 1时,该系统稳定。
Z变换详细讲解
极点为: z 1 z 1 . 5 z 2i
圆z 2
例:
1 (2) x(n) u (n 1) 3
1 n n m
n
左边序列
m
1 1 z m 1 3 1 z m j Im[ z ] 1 (3z ) 1 1 1 1 3 z m 0 z Rx2 3 n Re[ z ] n lim (3z ) 1
1 z ZT[a u (n)] a z 1 1 az za n 0
n n n
( z a)
z 由此可以看出Z 变换的基本形式: z-zm
正弦序列的 Z 变换:
z ZT [e ] j 0 z e z j 0 n ZT [e ] j0 z e j 0 n j 0 n ZT [sin 0 n] ZT [(e e ) / 2 j]
n
an1 an
1, 级数收敛。 1, 级数发散。 1, 不能肯定。
如果序列x(n)在每个有限的间隔内是有限的 且当n 时是指数阶的,则它的Z变换存在 于 z R之范围,这里R是收敛半径。
指数阶函数和指数阶序列之间存在着对应关系,
定义:如有一序列x(n)当n 时存在正数A, a和N 使所有的n N时都有 x(n) Aa 称x(n)为指数阶函 1 8 ( z ) 1 z ( 1 1 3 3) X ( z) z 1 7 1 1 3 1 z z ( z n 0 3 3)
z ( ) e
8 1 8 3
j 2 k
收敛域为除了 0 和
的整个
x ( n) z
n 0
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1 anu[n]←z→ 1 − az−1
z >a
Example 10.2
x[n] = −anu[−n − 1], determine z-transform
X ( z) = − ∑ anu[−n − 1]z−n
n=−∞ −1 +∞
= − ∑ az
n=−∞
(
−1
)
n
= −∑ a z
−1 n=1
+∞
(
)
n
if the X (z) is convergence so then
n
a-1z < 1 ⇒ z < a 1 z −a-1z X ( z) = = = 1- a-1z 1- az-1 z - a z <a
1 −a u[−n − 1]← → 1 − az−1
z
z <a
Example 10.3
Property 7 —— if the Z-transform X(z) of x[n] is rational, then its ROC is bounded by poles or extends to infinity Property 8 —— if the Z-transform X(z) of x[n] is rational, and if x[n] is right sided, the ROC is the region in the z-plane outside the outermost pole ——i.e., outside the circle of radius equal to the largest magnitude of the poles of X(z). Furthermore,if x[n] is causal (i.e., if it is right sided and equal to 0 for n<0), then the ROC also includes z= ∞
Property 9 —— if the Z-transform X(z) of x[n] is rational, and if x[n] is left sided, the ROC is the region in the z-plane inside the innermost nonzero pole —— i.e., inside the circle of radius equal to the smallest magnitude of the poles of X(z) other than any at z=0 and extending inward to and possibly including z=0. In particular,if x[n] is anticausal (i.e., if it is left sided and equal to 0 for n>0), then the ROC also includes z=0
Example 10.8
1 −1 (1 − z )(1 − 2z−1 ) 3 analysis the ROC of X (z) X ( z) = 1
Poles : Zeros :
z=
1 and z = 2 3 z1 = z2 = 0
Possible ROC: z >2 1 z< 3 1 < z <2 3
1 1 x[n] = 7 u[n] − 6 u[n], determine z-transform 3 2
n n
1 anu[n]←z→ 1 − az−1
1 1 z 3 u[n]← → 1 1 − z−1 3 n 1 1 z 2 u[n]← → 1 1 − z−1 2 7 6 X ( z) = − 1 −1 1 −1 1− z 1− z 3 2
Property 1 —— the ROC of X(z) consists of a ring in the z-plane centered about the origin
Property 2 —— the ROC does not contain any poles
Property 3 —— if x[n] is of finite duration, then the ROC is the entire z-plane, except possible z=0 and/or z= ∞
Fourier transform: h[ n] ←FT H(z) →
H(e ) =
jw +∞ n=−∞
z =e jw
h[n]e− jwn ∑
Z-transform:
X ( z) =
n=−∞
∑
+∞
x[n]z−n
x[n]←Z→ X (z)
The relationship between the Fourier transform and the Z-transform
F { x[n]} = X (z)
z =e jw
Fourier transform is a particular form of Z-transform If z = re jw
X (z) = X (re ) =
jw
n=−∞
∑
+∞
x[n](re jw )−n
=
n=−∞
{ x[n]r −n }e− jwn ∑
X ( z) = X ( re jw ) = F { x[n]r −n} =
n=−∞
∑
+∞
x[n]r −ne− jwn
⇒ x[n]r −n =
1 X (re jw )e jwndw 2π ∫2π n 1 jw jw x[n]= ⇒ ∫2π X ( re ) ( re ) dw 2π because dz = jre jwdw 1 so x[n] = X ( z)zn−1dz 2π j ∫
10.1 The Z-transform
The content of this section
Conception —— Z-transform
The relationship between Z-transform and Fourier transform
The representation of the Z-transform
n z
z >a
1 1 1 6 X ( z) = − 2 j 1 − 1 e jπ / 4 z−1 2 j 1 − 1 e− jπ / 4 z−1 3 3
1 z> 3
10.2 The region of convergence for the Z-transform
The characteristic of ROC The relationship between the ROC and the signals
10.3 The inverse Z-transform
The representation of the inverse Z-transform The two usual methods of determine the inverse Z-transform
The representation of the inverse Z-transform
Example 10.5
δ [n]← → ∑ δ [n]z−n = 1 ROC is entire z-plane
z n=−∞ +∞
z → δ [n − 1]← ∑ δ [n − 1]z−n = z−1 ROC is entire Z-plane exluding Z=0 n=−∞
+∞
δ [n + 1]← ∑ δ [n + 1]z−n = z ROC is entire Z-plane exluding Z=∞ →
2. Frequency-domain
Y (e jw ) = X e jw H e jw
( ) ( )
3. Z-domain
?
The contents of the chapter
The Z-transform and Inverse Z-transform √ The ROC for Z-transform √ Geometric evaluation of the Fourier transform from the Pole-Zero plot Properties of the Z-transform √ Analysis and characterization of LTI system √ using the Z-transform System function algebra and block diagram representations √ The unilateral Z-transform
z n=−∞
+∞
Property 4 —— if x[n] is right sided, and if the circle z = r0 is in the ROC, then all the finite values of z for which z > r0 will also be in the ROC Property 5 —— if x[n] is left sided, and if the circle z = r0 is in the ROC, then all the values of z for which 0 < z < r0 will also be in the ROC Property 6 —— if x[n] is two sided, and if the circle z = r0 is in the ROC, then the ROC will consist of a ring in the z-plane that includes the circle z = r0