《信号与系统》课件6

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,信号与系统,SIGNALS AND SYSTEMS,ZB,第六章 离散信号与系统的变换域分析,离散信号与系统的变换域分析概述,6.1 Z,变换,6.2 Z,反变换,6.3 Z,变换的性质,6.5,离散系统的,Z,域分析,6.6,离散系统函数与系统特性,6.7,离散信号与系统的频域分析,本章要点,作业,返回,离散信号与系统的变换域分析概述,时域分析：跟,连续信号与系统,有许多相似之处,变换域分析,连续信号与系统,傅里叶变换分析、拉普拉斯变换分析,离散信号与系统,离散时间傅里叶变换分析、,Z,变换分析,主要讨论,Z,变换,分析,注意和,连续信号与系统,的联系与区别,返回,6.1 Z,变换,6.1.1,Z,变换的定义,Z,变换可以从拉普拉斯变换引入，这里先直接给出,Z,变换的定义。,返回,Z,变换与拉氏变换的关系,对,连续函数,f,(,t,),以均匀间隔,T,进行理想抽样,，得,双边,Z,变换,单边,Z,变换,6.1.2 Z,变换的收敛域,单边,Z,变换的收敛域为圆心在原点，半径为,a,的圆外区域。收敛条件比较简单，一般情况下不再加注其收敛域。,6.1.3,常见序列的单边,Z,变换,返回,对比，得,P276,表,6-1,常用序列的,Z,变换,6.2 Z,反变换,6.2.1,幂级数展开法,解,:,利用长除法,此法求,f,(,k,),的前几个值很方便，缺点是不容易得到,f,(,k,),的解析式,(,闭式解,),。,返回,返回,6.2.2,部分分式展开法,返回,遮挡法,遮挡法,取,z,= -1,代入，得,待定系数法,当,F(z),不是有理分式的形式时，可直接根据级数理论展开成幂级数。,解 直接用数学公式：,例 试求下列,Z,变换式的反变换。,解法一 幂级数展开法,解法二 部分分式展开法,因为,变换对：,6.3 Z,变换的性质,1.,线性,2.,移序（移位）性,又称为左移序性质，相当于拉氏变换中的微分性质。,返回,返回,又称为右移序性质，相当于拉氏变换中的积分性质。,Z,变换的移序性质能将关于,f,(,k,),的差分方程转化为关于,F,(,z,),的代数方程，使得对离散系统的分析大为简化。,单边周期序列的,Z,变换,3.,比例性,(,尺度变换,),也称为序列的,指数加权,性质，表明时域中乘以指数序列,a,k,，相当于,Z,域中变量,z,除以,a,。,4. Z,域微分,也称为序列的,线性加权,性质，表明时域中乘以,k,，对应于,Z,域中对,Z,变换取导数并乘以,-,z,。,5.,时域卷积定理,6.,序列求和,7.,初值定理（也可以用长除法计算）,8.,终值定理,条件：,f,(,k,),的终值存在,意味着,F,(,z,),除了在,z,1,处允许有一个一阶极点外，其余极点必须在单位圆内部。,S,平面与,Z,平面的映射关系,*9. Z,域积分,P288,表,6-2,Z,变换的性质,例 求图示有限长序列的,Z,变换。,或者,例 求下列各序列的,Z,变换。,6.5,离散系统的,Z,域分析,1.,时域分析法：卷积和；,2.,变换域分析法：利用,Z,变换的移序性质,，,将差分方程变成代数方程。,与拉氏变换类似，,Z,变换分析法可以,分别,求解零输入响应,和,零状态响应,，,也可以直接求解全响应。,6.5.1,零输入响应,以二阶前向差分方程为例。,返回,返回,若为后向差分方程时,说明：,1.,在常系数线性差分方程中，各项的序号同时增加或减少同样数目，差分方程所描述的关系不变。,2.,如果所需的初始条件并不是已知的零输入初始条件时，可以用递推的方法在齐次差分方程中求解。,3.,也可以根据初始条件改变差分方程的序号。,6.5.2,零状态响应,设初始状态为零，且,x,(,k,),为零起始序列，对于因果系统必然有,y,(-1)=0,和,y,(-2)=0,，,以此代入原差分方程，有,二阶后向差分方程的离散系统函数与此相同,返回,返回,6.5.3,全响应,1.,当已知零输入初始条件时，分别求解零输入响应和零状态响应，然后叠加求得全响应。,2.,当已知全响应初始条件时，直接对差分方程取,Z,变换，求解全响应。,3.,当已知全响应初始条件，并且需要分出零输入响应和零状态响应时：,一般先求解零状态响应，得到零状态响应的初始值；再用全响应初始条件减去零状态响应的初始值，即得零输入初始条件；继而求得零输入响应；然后叠加求得全响应。,也可以先求解全响应和零状态响应（或零输入响应），相减得零输入响应（或零状态响应）,。,返回,所以该系统的差分方程为,6.6,离散系统函数与系统特性,6.6.1,H,(,z,),的零点、极点及其时域响应,连续时间系统,特征根,自然响应的模式,离散时间系统,特征根,自然响应的模式,返回,一阶极点的位置与自然响应模式的关系,例 离散系统如图所示，,(1),写出其差分方程；,(2),写出系统函数,H(z),， 并画出零、极点图；,(3),计算单位函数响应,h(k),。,6.6.2,离散系统函数与零状态响应,特别地,当激励为无时限复指数序列 时,系统的零状态响应可由卷积和求得,:,零状态响应,(,也是全响应,),仍为同频率的复指数序列，但被加权了,H,(,z,),。条件,:,z,应位于,H,(,z,),的收敛域内。,例如：,，如激励为,则响应为,例 求图示离散系统的单位函数响应和单位阶跃响应。,解 设辅助函数,Q,(,z,),如图所示，对加法器列方程，有,所以单位阶跃响应为,6.6.3,离散系统的稳定性,对于因果系统来说，其有界输入有界输出,（,BIBO),稳定的条件为,离散时间系统的稳定性与,H,(,z,),极点分布之间的关系为：,1.,当离散系统函数,H,(,z,),的极点全部位于,Z,平面单位圆内,部时，系统是,（,BIBO),稳定系统；,2.,当极点位于 单位圆上，且为单极点时，系统是临界稳定的；,3.,否则系统是不稳定。,由,S,平面和,Z,平面的映射关系可知，离散时间系统和连续时间系统的稳定条件是对应的。,返回,例,6-6-1,已知系统的差分方程如下，试判定系统的稳定性。,解 离散系统函数为,均位于单位圆内，因此该系统是稳定的。,例 试求,a,为何值时，图示离散系统是稳定的？,解 对加法器列方程，得,欲使系统稳定，必须使,6.7,离散信号与系统的频域分析,6.7.1,离散时间傅里叶变换,(,DTFT,),用于分析离散时间信号的频谱与系统的频率特性,显然，,F,(,),是,的,连续的周期函数,，且周期为,2,。,返回,实质上，离散时间傅里叶变换是单位圆上的,(,双边,),Z,变换。同时，它又与连续时间傅里叶变换,（,CTFT,）,的定义非常相似。因此，连续时间傅里叶变换的性质同样适用于离散时间傅里叶变换。,P306,表,6-3,F,(,),是离散信号,f,(,k,),的频谱（,P306,例,6-7-1,）,6.7.2,离散时间系统的频率响应,与连续系统的频率特性相比较：,1.,对于稳定的连续系统，其频率特性,H,(,j,),H,(,s,),|,s=j,反映了系统在,正弦信号激励下，稳态响应随频率变化的情况（频响特性）。,2.,对于稳定的离散系统，其频响特性,H,(e,j,),H,(,z,)|,z=,e,j,反映了系统在,正弦序列激励下，稳态响应随频率变化的情况。正弦序列可以用虚指数序列表示，在 激励下,表明离散时间系统对于正弦序列的稳态响应仍然是同频率的正弦序列，只是多乘了一个,H,(e,j,),。,例,6-7-2,已知系统的差分方程为,试求该系统的频响特性。,解：由差分方程，离散得系统函数,系统模拟图,零极点图,频响特性为,幅频特性为,相频特性为,1.,幅频曲线为偶对称，相频曲线为奇对称，一般均为连续函数；,2.,不同于连续系统，曲线是周期,函数，周期为 ；,3.,离散系统也有高通、低通之分。,本章要点,1.,常用序列的,Z,变换,（,P276,表,6-1,）,2. Z,反变换,幂级数展开法,部分分式展开法,3. Z,变换,的,性质,（,P288,表,6-2,）,4.,离散系统的,Z,域分析,零输入响应,离散系统函数,零状态响应,全响应,5.,离散系统的,稳定性,返回,作业,6.1-6.2,：,6-1(1)(3)(5)(7), 6-2,6.3,：,6-4,，,6-6,，,6-9,6.5-6.7,：,6-11, 6-12,，,6-15,，,6-18,，,6-20,6-24,返回,