第10章Z变换教学讲义

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1、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。,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。,4. 由零极点图分析系统的特性。,7. 单边Z变换，增量线性系统的分析。,10.0 引言 (Introduction),10.1 双边 Z 变换,当 时， 即为离散时间傅立叶变换。 这表明：DTFT就是在单位圆上进行的Z变换。,其中 是一个复数。,一.双边Z变换的定义

2、:,The z-Transform,例1.,时收敛,当 时，,此时，ROC包括了单位圆。,的DTFT存在,例2.,例3.,例4.,一般情况下， 的ROC是 Z 平面上一个以原点为中心的圆环。,结 论：,1）Z变换存在着收敛的问题，不是任何信号都存在Z变换，也不是任何复数Z都能使 收敛。,2）仅仅由 的表达式不能唯一地确定一个信号，只有 连同相应的ROC一道，才能与信号 建立一一对应的关系。,3）Z变换的ROC，一般是Z平面上以原点为中心的环形区域。,4）如果 ，则其ROC是各个 的ROC的公共区域。若没有公共区域则表明 的Z变换不存在。,5）当 是有理函数时，其ROC的边界总是由 的极点所在的

3、圆周界定的。,6）若 的ROC包括单位圆，则有,三. 的几何表示零极点图：,如果 是有理函数，将其分子多项式与分母多项式分别因式分解可以得到：,由其全部的零、极点即可确定出 ，最多相差一个常数因子 。,如果在零极点图上同时标出ROC，则由该零极点图可以唯一地确定一个信号。,因此，若在 Z 平面上表示出 全部的零极点，即构成 的几何表示零极点图。,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。,1. 的ROC是Z平面上以原点为中心的环形区域。,10.2 Z 变换的ROC,The Region of Convergence for the z-Transform,ROC的特征：,

4、3. 有限长序列的ROC是整个有限Z平面（可能不包括 ，或 ）。,2. 在ROC内 无极点。,由,当 时，在 的展开式中，只有z的负幂项，故z不能为0，但可以取 。,当 时，在 的展开式中，只有z的正幂项，故z不能为 ，但可以取0。,当 时，在 的展开式中，既有z的正幂项，也有负幂项，故z既不能为 也不能取0。,4. 右边序列的ROC是某个圆的外部，但可能不包括 。,设 是右边序列，,由 ， 有,若 则，,当 时,由于 展开式中有若干个Z的正幂项，此时 不能为 。,5. 左边序列的ROC是某个圆的内部，但可能不包括 。,若 ， ，则,当 时，由于 的展开式中包括有Z的负幂项，所以Z不能为零。,

5、6. 双边序列的Z变换如果存在，则ROC必是一个环形区域。,零点：,在 处，零极点抵消，使有限 z平面内无极点。,例2.,在 时，两个子收敛域无公共部分，表明此时 不存在。,时，ROC为,例3.,若其ROC为：,ROC是否包括 ，是 是否反因果的标志。,ROC是否包括 ，是 是否因果的标志。,信号与系统,注意,对于双边z变换，不同的收敛域对应的原函数不同，所以求解反变换时要注明收敛域； 收敛域中不包括任何极点; 收敛域以极点为界； 对于多个极点的情况，右边序列的收敛域是从最大的极点向外至无穷远（可能包括无穷远）；反之，左边序列的收敛域由最小的极点向内至原点（可能包括原点）；双边序列的收敛域若存

6、在则为圆环；有限序列的收敛域为整个平面（0与无穷远位置是否包括在内要视信号的形式）；,10.3 Z-反变换,令,一.Z-反变换：,The Inverse Z-Transform,当 从 时，z沿着ROC内半径为 r 的圆变化一周。,1. 部分分式展开法：,二. 反变换的求取：,当 是有理函数时，可将其展开为部分分式,步骤 ：1. 求出 的所有极点 ； 2. 将 展开为部分分式；,3. 根据总的ROC，确定每一项的ROC； 4. 利用常用变换对和Z变换性质求出每一项的反变换。,例：,将 展开为部分分式有：,信号与系统,例题,例 计算 的z反变换。,信号与系统,Z逆变换,重极点情况： 设 在 处有

7、m重极点，如拉氏反变换那样， 的部分分式展开式中关于重极点 的分项，然后计算相应的z反变换。,信号与系统,例题,例 计算 的z反变换。,2. 幂级数展开法:（长除法）,由 的定义，将其展开为幂级数，有,展开式中 项的系数即为 。当 是有理函数时，可以通过长除的方法将其展开为幂级数。,由于右边序列的展开式中应包含无数多个Z的负幂项，所以要按降幂长除。,由于左边序列的展开式中应包含无数多个Z的正幂项，所以要按升幂长除。,双边序列要先将其分成分别对应信号的右边和左边的两部分，再分别按上述原则长除。,例：,幂级数展开法的缺点是当 较复杂（含多个极点时）难以得出 的闭式。,所以前式按降幂长除，后式按升幂

8、长除。,幂级数展开法适合用来求解非有理函数形式 的反变换。,3. 留数法：,是C内的极点。,对有理函数的 由留数定理有：,当ROC包括 时，Z 变换在单位圆上的情况就是 ，因此也可以利用零极点图对其进行几何求值。,10.4. 由零极点图对离散时间傅立叶变换几何求值,Geometric Evaluation of the Fourier Transform from the Pole-Zero Plot,其方法与拉氏变换时完全类似：,考查动点在单位圆上移动一周时，各极点矢量和零点矢量的长度与幅角变化的情况，即可反映系统的频率特性。,例1. 一阶系统,当 时，ROC包括单位圆。,显然， 取决于 的

9、变化。,当 时，,当 时， 有最小值。,随 呈单调变化。,在 处， 有最大值。,一阶系统的频率特性：,当 时，,越小，极点靠原点越近，系统的频率响应越平缓，系统的带宽越宽；此时 衰减越快， 上升越快。,越大，极点靠单位圆越近，系统频响越尖锐，频响的极大值越大，系统带宽越窄，相位的非线性程度越厉害。,可以看出：,例2. 二阶系统：,（系统欠阻尼）,考查动点在单位圆上移动一周时，各极点矢量和零点矢量的长度与幅角的变化情况，即可得到二阶系统的频率特性。,当 从 时，在靠近 处频率响应会出现极大值。,若r越接近于1， 的峰值越尖锐。由于极点远离原点， 和 的变化速率越慢。,随着r减小，极点逐步靠近原点

10、，频率响应趋 于平坦，而 和 的变化速率会加快。,二阶系统的频率特性：,当极点很靠近单位圆时，也可以从零极点图粗略确定系统的带宽。,更一般的情况，二阶系统也可能 有两个实数极点，此时系统处于过阻尼状态。其特性相当于两个一阶系统级联的结果。,（二阶系统具有重阶实数极点的情况）,Z变换的许多性质与DTFT的性质相似，其推 论方法也相同。这里主要讨论其ROC的变化。,则,：包括,10.5 Z变换的性质,1. 线性：,Properties of the Z-transform,如果在线性组合过程中出现零极点相抵消，则ROC可能会扩大。,2. 时移：,但在 和 可能会有增删。,由于信号时移可能会改变其因

11、果性，故会使ROC 在 ， 有可能改变。,若,则,信号与系统,z变换时移性质,单边z变换： 位移只会使得z变换在原点和无穷远的零、极点情况发生变化。,信号与系统,z变换时移性质,因果序列右移： 双边z变换： 位移性质可用于求解系统的各个响应。,信号与系统,z变换时移性质,例 求输入为 的一阶LTI离散系统 在初始条件 下的系统响应。,信号与系统,z变换时移性质,例 求输入为 的一阶LTI离散系统 在初始条件 下的系统响应。,3. Z域尺度变换：,若,则,时 收敛，故 时， 收敛。,当 时，即为移频特性。,若 是一般复数 ，则 的零极点不仅要将 的零极点逆时针旋转一个角度 ，而且在径向有 倍的尺

12、度变化。,4. 时域反转：,若,信号在时域反转，会引起 的零、极点分布按倒量对称发生改变。,即： 与 的零极点呈共轭倒量对称。,则 的ROC为,5. 时域内插:,若,则,证明：,6. 共轭对称性：,当 是实信号时， 于是有,表明如果 有复数零极点，必共轭成对出现。,若,则,7. 卷积性质：,若,包括,如果在相乘时出现零极点抵消的情况则ROC 可能会扩大。,该性质是LTI系统Z变换分析法的理论基础。,则,信号与系统,例题,例 计算卷和,信号与系统,例题,例 计算 的z变换,8. Z域微分：,例1.,利用该性质可以方便地求出某些非有理函数 的反变换，或具有高阶极点的 的反变换。,若,则,例2：,9

13、. 初值定理：,则,若 是因果信号，且,证明：将 按定义式展开有：,10. 终值定理 ：,若 是因果信号，且 ， 除了在 可以有一阶极点外，其它极点均在单位圆内，则,证明：,在单位圆上无极点.,这其实表明：如果 有终值存在，则其终 值等于 在 处的留数。,Z平面上极点位置与信号模式的关系示意图,10.6 常用信号的Z变换对,10.7 利用Z变换分析与表征LTI系统,一.系统特性与 的关系:,（自学）,Some Common Z-Transform Pairs,Analysis and Characterization of LTI Systems Using Z-Transforms,LTI系

14、统的特性可以由 或 描述，因而也可以由 连同ROC来表征。,称为系统函数。系统的特性应该在系统函数中有所表现。,因此，因果稳定的LTI系统其 的全部极 点必须位于单位圆内，反之亦然。,当 是关于 Z 的有理函数时，因果性要 求 的分子阶数不能高于分母阶数。,信号与系统,例题,例 图示出了一个离散反馈控制系统。已知它的正向传输 ，而它的反向传输 ，求使系统稳定的K值范围。,二. LTI系统的Z变换分析法：,1） 由 求得 及其 2）由系统的描述求得 及其,三. 由LCCDE描述的LTI系统的 :,对方程两边做Z变换可得：,3） 由 得出 并确定它 的ROC包括 。 4） 对 做反变换得到 。,由

15、差分方程描述的LTI系统，其方程为,是一个有理函数。,的ROC需要通过其它条件确定，如：,1.系统的因果性或稳定性。 2.系统是否具有零初始条件等。,例：由下列差分方程做出网络结构，并求其系统函数 H(z) 和单位脉冲响应 h(n)。,解：由方程可得,FIR,解：由方程可得,利用Z变换的性质可得,IIR,一. 系统互联的系统函数:,ROC包括,10.8 系统函数的代数属性与系统的级联、并联结构,System Function Algebra and Block Diagram Representations,1. 级联：,ROC包括,3. 反馈联接：,2. 并联：,由系统框图可列出如下方程：,ROC：包括,由LCCDE描述的LTI系统，其系统函数为