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的LTI系统,当输入为
时,输出为
输入时,输出
称为LTI系统的本征函数,
被称为本征值。
将推广开,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,
和
之间的关系可以简记为
其中z变量用极坐标形式表示,,用
表示z的模,
表示z的相角。
将代入z变换的定义式,
也就是说,的z变换就是
的傅里叶变换。特别的是,当
时,
的z变换就等于
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,
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变量,即
,那么虚轴
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
,当
时z变换等于傅里叶变换,而
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
上面式子可以看出,的z变换是一个无限长等比数列求和,根据求和公式,当
时,这个无限长等比数列是可和的,不是无穷大,
这个例子可以看到,对于符合的z值,
是收敛的,而不满足这一条件的z值会使得
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:
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
是有限长序列,那么收敛域就是整个z平面,可能除去
和/或
。
性质4:如果
是一个右边序列,并且
的圆位于收敛域内,那么
的全部有限z值都一定在收敛域内。
性质5:如果
是一个左边序列,并且
的圆位于收敛域内,那么满足
的全部z值都一定在收敛域内。
性质6:如果
是一个双边序列,并且
的圆位于收敛域内,那么该收敛域在z域中一定是包含
这一圆环的环状区域。
性质7:如果
的z变换
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
的z变换
是有理的,并且
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
极点中最大模值的圆的外边。而且,若
是因果序列,那么收敛域也包含
。
性质9:如果
的z变换
是有理的,并且
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
极点中除去
外最小模值的圆的里边,可能包括
。若
是反因果序列,那么收敛域也包含
。
3. z逆变换
有公式,
式中为围线积分,在半径为
,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表示为如下形式,
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的逆变换。