开刷:《信号与系统》 Lec #22 z变换

课本是电子工业出版社出版的奥本海姆《信号与系统》第二版,刘树棠译。

视频课可以在网易公开课看到,搜索MIT的信号与系统,老师就是课本的作者。

0. 涉及内容

p.474 - p.488

1. z变换

z变换可以与拉普拉斯变换并行的学习,对于连续时间傅里叶变换的推广导出拉普拉斯变换,那么对于离散时间傅里叶变换的推广就导出了z变换。

对于一个具有单位脉冲响应为h[n]的LTI系统,当输入为x[n]时,输出为

y[n] = h[n] * x[n] = \sum_{k = -\infty}^{+\infty} h[k] \cdot x[n-k]

输入x[n] = z^n时,输出

y[n] = h[n] * x[n] = \sum_{k = -\infty}^{+\infty} h[k] \cdot z^{n-k} = z^{n} \cdot \sum_{k = -\infty}^{+\infty} h[k] \cdot z^{-k} = H(z) z^n

z^n称为LTI系统的本征函数,H(z)被称为本征值。

H(z)推广开,可以对任何离散时间信号进行这样的变换,就得到了离散时间信号的z变换,

X(z) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} x[n] z^{-n}

x[n]X(z)之间的关系可以简记为

x[n] \quad {\xleftrightarrow{Z}} \quad X(z)

其中z变量用极坐标形式表示,z = re^{j \omega},用r表示z的模,\omega表示z的相角。

z = re^{j \omega}代入z变换的定义式,

X(re^{j \omega}) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} x[n] {(re^{j \omega})}^{-n} = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} x[n] r^{-n} e^{-j \omega n} = F\{ x[n]r^{-n} \}

也就是说,x[n]的z变换就是x[n]r^{-n}的傅里叶变换。特别的是,当r=1时,x[n]的z变换就等于x[n]的傅里叶变换。

与拉普拉斯变换的s平面表示类似,z变换有z平面表示,如下图所示,

z平面

回想一下,在我们学习拉普拉斯变换时,用的是直角坐标表示复数s变量,即s=\sigma + j \omega,那么虚轴j \omega上的拉普拉斯变换就等于傅里叶变换。与此对应的是,在离散时间z变换中,用的是极坐标表示复数z变量,即z = re^{j \omega},当r=1时z变换等于傅里叶变换,而r=1在z平面上对应的是一个半径为1圆心在原点的圆,称为单位圆,正是上图中所标出的那个圆。

对于z变换,与拉普莱斯变换类似,有一部分z值可以使得z变换收敛,而另外一部分使得z变换不收敛。比方说

x[n] = a^{n}u[n]

X(z) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} a^{n}u[n] z^{-n} = \sum_{n = 0}^{+\infty} (az^{-1})^{n}

上面式子可以看出,x[n]的z变换是一个无限长等比数列求和,根据求和公式,当\vert az^{-1} \vert < 1时,这个无限长等比数列是可和的,不是无穷大,

X(z) = \frac{1}{1-az^{-1}}, \quad \vert z \vert > a

这个例子可以看到,对于符合\vert z \vert > a的z值,X(z)是收敛的,而不满足这一条件的z值会使得X(z)不收敛。因此z变换的表述必须是代数式和收敛域同时写出。

与拉普拉斯变换类似,当X(z)的收敛域(ROC)包含单位圆时,傅里叶变换也收敛。

2. z变换的收敛域

  • 性质1:X(z)的收敛域是在z平面内以原点为中心的圆环。

  • 性质2:收敛域内不包含任何极点。

  • 性质3:如果x[n]是有限长序列,那么收敛域就是整个z平面,可能除去z=0和/或z=\infty

  • 性质4:如果x[n]是一个右边序列,并且\vert z \vert = r_0的圆位于收敛域内,那么\vert z \vert > r_0的全部有限z值都一定在收敛域内。

  • 性质5:如果x[n]是一个左边序列,并且\vert z \vert = r_0的圆位于收敛域内,那么满足0 < \vert z \vert < r_0的全部z值都一定在收敛域内。

  • 性质6:如果x[n]是一个双边序列,并且\vert z \vert = r_0的圆位于收敛域内,那么该收敛域在z域中一定是包含\vert z \vert = r_0这一圆环的环状区域。

  • 性质7:如果x[n]的z变换X(z)是有理的,那么它的收敛域就被极点所界定,或者延伸至无限远。

  • 性质8:如果x[n]的z变换X(z)是有理的,并且x[n]是一个右边序列,那么其收敛域就位于z平面内最外层极点的外边,也就是半径等于X(z)极点中最大模值的圆的外边。而且,若x[n]是因果序列,那么收敛域也包含z=\infty

  • 性质9:如果x[n]的z变换X(z)是有理的,并且x[n]是一个左边序列,那么其收敛域就位于z平面内最里层非零极点的里边,也就是半径等于X(z)极点中除去z=0外最小模值的圆的里边,可能包括z=0。若x[n]是反因果序列,那么收敛域也包含z=0

3. z逆变换

有公式,

x[n] = \frac{1}{2 \pi j} \oint X(z) z^{n-1} \mathrm{d} z

式中\oint为围线积分,在半径为r,以原点为中心的封闭圆上沿着逆时针方向环绕一周的积分。

这样的计算不实用,一般用部分分式展开的方法将X(z)表示为如下形式,

X(z) = \sum_{i=1}^{m} \frac{A_i}{1-a_i z^{-1}}

然后利用已知的z变换对,直接写出上面各个部分分式的逆变换,然后利用线性性质就可以写出X(z)的逆变换。

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