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SIGNALSAND信號(hào)與系第六章離散信號(hào)與系統(tǒng)的變換域分析第六章離散信號(hào)與系統(tǒng)的變換域分析郵電大信號(hào)分析與信息處理教學(xué)中《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 離散信號(hào)與系統(tǒng)的變換域分析概6.1Z6.2Z6.6散系統(tǒng)函數(shù)與系統(tǒng)特6.7離散信號(hào)與系統(tǒng)的頻域分本章要作返回《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 時(shí)域分析:跟連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng) 離散時(shí)間傅里葉變換分析、Z返回《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND Z變 返Z變換可以從 ZZ定義:離散信號(hào)(序列)ZF(z)?f(1)z1f(0)z0f(1)z1?f(k)zkf(k)zkk F(z)Zf(k)相應(yīng) f(k)Z1F(z)記 f(k)F(z
ZZ《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND Z fs(t)f(t)T(t)f(t)(tkT)f(kT)(t f(t0tf(t0tfS(t?? t
FS(s)則fs(t的拉氏1
f(kTzesTsT
lnz,F(xiàn)s(s
sT
ln
f(kT)zkF(zk當(dāng)f(k)為因果序列k0的部當(dāng)f(k)為因果序列k0的部分時(shí),F(xiàn)(z)k0f(kkZ k k
(a為正實(shí)數(shù)的Z變換 F(z)f(kz-kakzk(azk kaz-11zaa0SANDjIma0SANDZ變換的收斂域?yàn)閳A心在原點(diǎn),半徑為a
雙邊Z變
k
jImzf(k) k(a,b為正實(shí)數(shù)
F(z)akzk
bkzkk
az-
z-
azbab,則無(wú)收斂域,Z有限序列ZZ《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 常見(jiàn)序列的單邊Z單位函數(shù)Z[(k)] (kz-kz- kk單位階躍序列1z 1z- - Z[(k)](k)zk k單邊指數(shù)序列ak
1z- z Z[a(k)]ak
1az- z-當(dāng)aeT時(shí)
SIGNALSAND aej0T
sin0kTε(k)cos0kTε(k
z(zcos0T)jzsinz-e
z-cos
z22zcosT P276P2766-Z0ZcoskTε(k)0
z(z-cos0T z2-2zcosTZsinkTε(k)
zsin0T z2-2zcosT《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAD Z 返例F(z
kF(z)21.5z-11.25z-21.125z-3f(k)2,1.5,1.25,1.125 f(k)的解析式(閉式解) 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND N(z) bzm
zm1?bzF(z)
10D(z) azn 10
zn1?az ,通常將F(z)展開(kāi)z 然后兩邊同時(shí)乘以z,得到典型序列的Z變換式,再進(jìn)行《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例用部分分式展開(kāi)法求的原函數(shù)f(k)。
F(z)
2z2-1.5z解F(z)
(z1)(z F(z)
z0 z- zz f(k(0.5)k《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例62 已知F(z)
4z(z1)(z
解F(z) 4z z(z1)(z1 z z (zz101
C 11 1 (1F(Z)18z7z z z (zf(k)(k)8(k)7(2)k(k)3k(2)k(k《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND ?例62 求F(z) ?
Zex1x
x 2!得Fz)
z=1
a
azz
?
azz a z a a z
a
zk k! k k!
與Z變換的定義式比較,得f k《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSANDSTM 例試求Fz)
z4z6(z-
Z解F(z
z7z4
Z7(z
zz4z5Z6z F(z)z3z4z5zf(k)(k3)(k4)(k5)(k(k3)(k《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例Z)F(z)解法一
z32z2z31.5z2F(z)13.5z14.75z26.375z3f(k)解法二部分分式展開(kāi)法F(z) z32z2
26 z2(z1)(z
z z1 zF(z)26 z1 zf(k)2(k1)6(k)[813(0.5)k](k)《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND (2)F(z)
z3(z解F(z)zz 2 (z (z
(z
z1F(z)
(z (z z(k) k(k)
k2(k)
z2z1 zz(z
(z2
(z (z (z
k)(k) F(z)(k2k3k1)(k)(k1)2(k)《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND
z2(z1)(z2解F(z) z
Bz
(z1)(z2
z z2z0
111
C等式兩邊同乘z令z, 01 B故F(z)
變換 z
z2
F
z2
2
(k)z2zf(k)(1
z2k)(k)
sin2
(k)
z21《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSANDSYSTEMS 返 若Zf1(k)1z),Zf2(k)F2(z則Za1f1(ka2f2(k)a1F1(za2F2(z移序(移位)性若Zf(k)F(z則Zf(k1)zF(zzfZf(k1)z1F(z)f(- 證明f(k1)z-k
zf(k1)z-(k1)zf(i)z-k - z
f
f
m
-k推廣Zf(km)zF(zf
f(k1)z-kz-1f(k1)z-
z-1fiz-iz-1[F(z)f(1)z推 -m kZf(km)zF(z)f(k)z k f(1f(2f(m0Zf(km)z-mF(z Zf(km)(km)z-mF(z于F(zL統(tǒng)TM大為B例631 試求離散信號(hào)f(k)(k1)(k1)的Z變換式解Zf(k)Z(k1)(k1)
,分別求ak1,ak1和ak1(k1的Z變換式f(kak,則f(k1ak1,根據(jù)右移序性質(zhì), z1 z a(z由于是單邊Z變換,有Zak1
a(z z 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSANDZB 已知F(z)f(k
,試求對(duì)應(yīng)于F(z解這類(lèi)題目用一般求Z反變換的方法求解是 F(z)1
z
f(k)(1)k10(k10)(1)k(k《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 已知單邊周期序列f(k)f1(kmNm,n為整數(shù),NZf1(k)(k)F1(z)f(kZF(z解:f(kf1(k)(kf1(kN)(kN -
-mN1z
1z1z1z 若z-F
z
(z)F1(z)1z- 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 若Zf(k)F(z
則Zakf(k)za z
z證明
f(k)akf(k)zkf
k k
a a也稱(chēng)為序列的指 11 2
k(kZZ k
z21
Z2sin2k(k)(2z)2
z2號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSADYSTEMSZ若Zf(k)F(z
則Zkf(k)
dF(z)d
f(k)zk
f(k)
zk
k k z1kf(k)zkz1Zkfk即Zkf(k)z 于Z域中對(duì)Z變換取導(dǎo)數(shù)并乘以-z。推廣
f(k)z
d
《信號(hào)與系》dz SIGNALSAND例已知Z(k
k(kZz1Zk(k)-zdZ(k)-zd
dzz1
(z1)Zk2(k)-zdZk(k)-zd
zd
d
dz z(z
dz
1dz
(z1)2
(zZkak(k
dZak(k
d
dzza《信號(hào)與系z(mì)2GASAND 若Zf1(k)F1(z),Zf2(k)F2(z則Zf1(k)*f2(k)1z)F2(z) x(k)ak(k),h(k)bk X(z)
z
,H(z)
z
bzY(z)X(z)H(z) (za)(z abz zby(k)x(k)*h(k)Z a《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 若Zf(k)F(z則Z
f(n)
z
F(z) 證明利用時(shí)域卷積定理,可以得到序列求和的Z因?yàn)閒(k)(k)*(k)
fZ
f(n)
Zf(k)(k)*
z
F(z)《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 1 已知f(k)1f(k的單邊Zk
22,f(k)kf1解f2(k
2mf(k)11
根據(jù)序列求和性質(zhì),得F2(z
z1zz 根據(jù)序列指 性質(zhì),得
根據(jù)序列線 z2(3zF(z)=z F (z1)2(z
(z《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 若Zf(k)F(z)limF(zf(kf(0)=limF(z證明根據(jù)ZF(z)f(k)zkf(0)f(1)z1fk
?f(n)znf(kZ當(dāng)z,一其余各均趨于所以 ff(kZ f m (z)m1f(k)zk
若Zf(k)F(z)f(kf(則f(z1)F(z證明根據(jù)ZZf(k1)f(k)zF(z)zf(0)F(z)(z1)F(z)zf li(z1)F(z)f(0)limf(k1)f(k)zkf(k1)f(k z1k
klimf(1)f(0)f(2)f(1)?f(n1)flimf(n1)f故f(z1)F(z
條件:f(kF(zz=1處《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSANDSYSTEMS sjz
eTe(縱軸)0(原點(diǎn))s0(左半平面)0
z單位圓z(單位圓上的一點(diǎn)z單位圓內(nèi)jImz
《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例某序列的ZFz)f(k的終值f()。解F(zza
zaa1時(shí),f()lim(z1)F(z)limz
za1z1f()lim(z1)F(z)lim(z f(k)ak(k
za1時(shí),f(k1k(ka1f()《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND *9Z若Zf(k)F(z 則Z
f(k)
F(v)v1dv
1
f(k)vk
k
vk
f(k)v(k1)dvf(k) f(k) k
k
k
k 同理可證Z
f(k)
zaz
aP2886-2Z《信號(hào)與系統(tǒng)》P2886-2Z*
k
(k)的z變解:Z(k
zZZ
(k)z
dvz
(v1)v
(v
v v z 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例已知f(k)f(kf(k)1k(k1)k 且f1(k)(k),試求f2(k的表達(dá)式 Zf(k)Zf(k)Zf zZf z 2(z1(z1)z1 2(z Zf2 z
(z故f2(kk《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例求序列f(k)(1)n(kn的單邊Z變換解f(k(k1)(k1(k21)(k3?Zf(k)
z-
z- z-z- z z(1z-1z-2-z-3?)z
z
(z 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例試求序列f(k1)k(k1)(k1Z解(1)k(k)
(1)kk(k)
d z Z (1)kk(k)
zz1z
f(k)(1)k1(k1)(k1)
《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND R(k)
0kNRN(k21N3?01RN(k21N3?012Nk0解GN(k(k(kN則RN(k)kGN(k) zNGN(z)z1zR(z)zdG
Z域微分 N1
RN(k)m(k zN1NzN NzN(z (z
NzzN1NzN1NzN
ZRN(k)mz(
》SIGNALSAND (1)(k1)2(k解設(shè)f1(k)k1)(k1)F(z)z (z1)2 (z而f(k)k1f1(k)F(z)zdF(z)F(z)
z
(zf(k)(k22k1)(k1)F(z)zd[zd )]2[zd )] z1 z z1z(z1)
z(z)3與系(kk
(3)(k1)[(k)(k3)][(k)(k (2)設(shè)f(k)1)k(k),則F(z
zk而f(k)f1(n)kF(z) F(z) zz1 z21
3z
z22z
z z2(z
z2(z F2(z)
zzz1
z41z3(z
(z21)(zz3F(z)
(z)
(z21)(z1)(z22z 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例試求序列f(k)0 k為奇數(shù)的Z變換。解f(k)1[(1)k1](k)2F(z)1 ] z2z z z2 k?4m0例f(k)0
Z解f(k)(k(k4(k8(k4mF(z)1z4z8 zz z 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例已知F(z)
z32z2zz3z2
f(0),f(1f(2),f()解用長(zhǎng)除法,得F(z)1z12.5z22z2 f(0)1,f(1)1,f(2)2z3 z2
z32z2zF(z)
z3z2
z(z2z
1j2f()lim(z1)F(z)z z
(z1)(z32z2zz3z2 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 返與拉氏變換類(lèi)似,Z變換分析法可以分別求解零輸 y(k2)5y(k1)6y(k)x(k2)應(yīng)?!缎盘?hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND ZB返解x(k)0y(k2)5y(k1)6y(k)Z變換,并應(yīng)用移序性質(zhì),可得z2Y(z)z2y(0)zy(1)5[zY(z)zy(0)]6Y(z)Y(z)
y(0)z2[y(1)5z25zi 2z2 3z iz)
5z
(k)3(2)k《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND y(k)5y(k1)6y(k2)x(k)3x(kyzi(0)2,yzi(13,試求其零輸入響應(yīng)。Z變換,并應(yīng)用移序性質(zhì),可得Y(z5[z1Y(zy(16[z2Y(zz1y(1y(20
(z)
5yzi(1)6yzi(2)6yzi(1)z115z16z2所需初始條件yzi(1)yzi(2),k1 ziIGNALSSYSTEi 將初始條件yzi(1)和yzi(2)代入27z 2z2 kYzi(z)15z16z z25z6z-2z-k
yzi(k)3(2)k《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 時(shí)域分析法:yzs(k)x(kh(k)根據(jù)時(shí)域卷積定理:Yzs(zX(z)H(z)H(zZh(k)與連續(xù)系統(tǒng)類(lèi)似,a2y(k2)a1y(k1)a0y(k)b2x(k2)b1x(k1)a[z2Y(z)z2y(0)zy(1)]a[zY(z)zy(0)]aY(z) b[z2X(z)z2x(0)zx(1)]b[zX(z)zx(0)]b0X(z)《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSA1DSYSTEMS
(a2z2a1za0(bz2bzb)X(z)bz2x(0)b y(-1)=0y(-2)=0,以此代入原差分方程,有a2y(0)a2y(0)a2y(1)a2y(1)a1y(0)b2x(1)因此,差分方程的Z(az2aza)Y(z)(bz2bzb)X(z)
AND y(k2)5y(k1)6y(k)x(k2)3x(k)H(z)和單位函數(shù)響應(yīng)h(kz2H(z)H
z25z2
(z)
2
2 z(z25z h(k)1(k)[2(3)k1(2)k](k (k[2(3)k(2)k1](k 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND y(k)y(k2)x(k)x(kH(z)和單位函數(shù)響應(yīng)h(k);x(k)(k)yzs(k。1 z2解H(z)1 z2h(k)cosk(k)sink(k) z2Yzs(z)X(z)H(z)z1z2
1X(z)H(z)
z2
(z1)(z2 z z2y(k)1sink)(k) 信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 應(yīng)),相減得零輸入響ALSANDSYSEM。 例已知離散系統(tǒng)的差分方程為y(k2y(k1x(k),x(kek(k)y(00,試求全響應(yīng)y(k。解對(duì)差分方程取Z變換,得Y(z)2[z1Y(z)y(1)]X(z) Y(z)
X(z)2y(1)
X(z)12z 12z z
z y(0)2y(1)x(0)
y(1)2以X(z) ,y(1)代入,z Y(z)
(ze1)(z
z
Yzs(z)Yzi(z)《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND Y(z) (ze1)(z2)z 12ez 12ez2z y(k)
(2)k k 1 其中yzi(k)(2y(k)
(2)k 1 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND yzi(02,yzi(1x(k(k)y(k12
52解y(k)14(2)k5(3)k 自然(固有)響應(yīng)分量為4(2)k5(3)k2yzi(k)A(2)k
kyzi(0AB2,yzi(12A3BA5,B《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND yzi(k5(2
ky(ky(ky(k)k
1(2)
1(3)k(k)Y(z)
z 2z1 z
2z
(z1)(z2)(zZX(z)
zH(z)Yzs(z) X(z) (z2)(z
z25zy(k2)5y(k1)6y(k)《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 離散系統(tǒng)函數(shù)與系統(tǒng)特 返H(zmbzm?bz
(zzrnH(z)n
a
?az
H0r
(zpizr,極點(diǎn)i特征方程的根),標(biāo)量系 關(guān)系:z
eTe特征根p自然響應(yīng)的模式
特征根p自然響應(yīng)的模式《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND jIjIm000010000000《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例DD
DDD23D2解(1)y(kx(k1y(k10.5y(ky(k)y(k1)0.5y(k2)x(k 2 (2)H(z) z 2 1z1 z零點(diǎn)為z10,極點(diǎn)為p1,20.5
0
jImH(z)
z2z z0.5 z0.52 2h(k)j[(0.5j0.5)k(0.5j0.5)k](k) 《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND
k(k yzs(k)h(n)z h(n)z zh(n)z zH(z)k 了H(z)。條件:z應(yīng)位于H(z)的收斂域內(nèi)。例如:H(z) z
,如激勵(lì)為ejk ze
y(k)ejke
《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND 例求圖示離散系統(tǒng)的單位函數(shù)響應(yīng)和單位階躍響應(yīng)。XX Yzz14解設(shè)輔助函數(shù)Q(z)Q(z)X(z)2z2Q(z)Y(z)Q(z)消去Q(z)H(z)
Y(z) z2
X(z) z2
3z z z《信號(hào)與系統(tǒng)》SIGNALSAND x(k)(k)X(z)Y(z)H(z)X(z)
zz(z
(
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