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序列Z变换与反变换

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试验五Z变换

试验五Z变换
实验五 z变换
一、实验目的
1、学会运用MATLAB求离散时间信号的z 变换和z反变换；
2、学会运用MATLAB分析离散时间系统的 系统函数的零极点分布与时频特性分析；
二、实验设备
1、计算机 2、MATLAB6.5 软件
三、实验原理
(1) 序列的正反Z变换
X(z)Z[x(n)] x(n)zn n
c1
(z2)X(z) z
z2
1
c 2 (2 1 1 )! d d z(z 1 )2X z (z) z 1 (z 1 2 )2z 1 1
c 3 (2 1 2 )! (z 1 )2X z (z) z 1 (z 12 )z 1 1
即 X(z)z z2zz1(z z1)2 x(n)[2n1n]u(n)
用matlab求其部分分式
X(z)(z2)z (z1 )2(1z 1)z 2 (1 22z 1)
b=[0,0，1]; a=poly([1,1,2]); [r,p,k]=residuez(b,a);
%初始输入分子多项式的项数 %初始输入分子多项式的项数 %求三个系数[r,p,k]
得到 r= 1.0000 -0.0000 + 0.0000i -1.0000 + 0.0000i
C=conv(b, a)：其中b、a是两个向量。 如果是两个多项式的系数，则完成多项式的乘法； 如果是任意两个数组，则完成的是卷积b*a；返回结果c。
三、实验原理
例4
用部分分式法求逆z变换：X(z)
3z2
z 4z
1
z
1 3
X(z) z z1 3z24z1 34z1z2
MATLAB程序：
b=[0,1]; a=[3,-4,1]; [r,p,k]=residuez(b,a);

信号的Z变换与逆变换

信号的Z变换与逆变换

信号的Z变换与逆变换信号处理是数字信号处理领域的重要内容，而Z变换是信号处理中常用的数学工具之一。

本文将介绍信号的Z变换及其逆变换的概念及应用。

一、Z变换的概念Z变换是一种在离散时间域中对信号进行频域分析的方法。

它可以将离散序列表示为复平面上的函数，其数学定义如下：给定一个离散时间序列x[n]，其Z变换表示为X(z)，其中z是一个复变量。

X(z)的定义如下：X(z) = ∑(n=-∞ to ∞) x[n] * z^(-n)Z变换将离散序列x[n]映射到复平面上的函数X(z)，其中z是z轴上的点，通过对X(z)的分析得到信号的频域特性。

二、Z变换的性质Z变换具有一系列重要的性质，这些性质有助于我们对信号的分析和处理。

以下是一些常见的性质：1. 线性性质：对于任意常数a和b，以及信号x1[n]和x2[n]，有X(a*x1[n] + b*x2[n]) = a*X(z1) + b*X(z2)，其中z1和z2是x1[n]和x2[n]的Z变换函数。

2. 延迟性质：对于一个有限长序列x[n-d]，其Z变换为X(z)*z^(-d)。

3. 卷积性质：对于两个序列x1[n]和x2[n]的卷积序列y[n]，其Z变换为Y(z) = X(z) * Z(z)，其中Z(z)是x2[n]的Z变换。

4. 初值定理：对于离散时间序列x[n]，其初始值x[0]等于X(z)在z=1处的极限值。

通过这些性质，我们可以根据Z变换函数来推导和分析信号的特性。

三、Z逆变换的概念Z逆变换是Z变换的逆运算，旨在将Z域中的函数转换回原始的离散时间信号。

Z逆变换的数学定义如下：设X(z)为一个Z变换函数，其Z逆变换表示为x[n]，满足以下公式：x[n] = (1/2πj)∮(C)X(z) * z^(n-1) * dz其中，C是包围Z平面上所有极点的闭合曲线，∮表示沿着C的积分。

通过计算这个积分，我们可以得到离散时间信号x[n]。

四、Z变换与离散时间系统Z变换在信号处理中广泛应用于离散时间系统的分析和设计。

第15讲 Z变换及逆Z变换

第15讲 Z变换及逆Z变换


m
z)
令m n
X ( z) a m z m
m 1

a
m0
z m a 0 z 0 1 a m z m
m 0


z 当 1，即 z a 时收敛 a 1 a z X z 1 1 z az za 1 a
24
6.3
逆Z变换
•部分分式展开法 •幂级数展开法 •围线积分法——留数法
25
一．部分分式展开法
1．z变换式的一般形式
b0 b1 z b2 z 2 br 1 z r 1 br z r N (z) X (z) D( z ) a 0 a 1 z a 2 z 2 a k 1 z k 1 a k z k
n 0
n
1 1 两边，对 z 求导 1 1 z
1 n 1
1 n( z ) 1 2 ( 1 z ) n 0 两边同时乘以z-1 ，可得


L nu n nz
n 0
n
z ( z 1)2
z 1
9
同理可得
n u( n) n z
x ( n) a n u n

0 n
n1
X ( z) a n z n
n 0
a 1 n z a lim n a n 0 z 1 z
a 当 1，即 z a 时收敛 z
j Im( z )
z X z a za 1 z
6.1 概述
1
一．引言
本章主要讨论： Z变换的定义、收敛域、性质，
2
z变换的定义

[数字信号处理]序列的逆z变换

[数字信号处理]序列的逆z变换
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定义
[数字信号处理 ]序列的逆 z变换
已知序列的z变换X(z),求原序列x(n)称为z反变换
X(z)的 本 质
X(z)本质上是一个关于z的有理函数,可以表示一个关于z的多项式N(z)除一个关于z的多项是D(z). N(z) bmzm + am− 1zm− 1 + . . . + b1z + b0
X(z) = D(z) = anzn + an − 1zn − 1 + . . . + a1z + a0 令分母D(z) = 0,方程的解称为极点,用pk表示 令分子N(z) = 0,方程的解称为零点,用zk表示
部分分式展开法求序列
N(z) bmzm + am− 1zm− 1 + . . . + b1z + b0 X(z) = D(z) = anzn + an − 1zn − 1 + . . . + a1z + a0
Processing math: 100%

我们可以把它转换成一些特定的式子相加,根据z变换的线性性质,我们就可以知道原本的序列
把X(z)分母分解成n个因式相乘
X(z)
N1(z )
A1
Ak
令X1(z) = z = (z− p1) . . . (z− pn) = z− p1 + . . . z− pk x(n) = [A1(p1)n + . . . Ak(pk)n]u(n)

第一课序列Z变换与反变换

第一课序列Z变换与反变换

Bn zn

N r k 1
1
Ak zk z1

r k 1
(1
Ck zi z1)k
Bn是X(z)整式部分系数；zk是X(z)的单阶极点； zi是X(z)的r阶重极点。
部分分式展开法计算过程
Ak
(1 zk z1) X (z) zzk

Res

X
(z) z

z
zk
(
1 v
)v1dv
max[Rx1 ,
1 ]< Rx2
v
<
min[Rx1 ,
1] Rx2
Z变换与Laplace 变换的关系
理想抽样信号 xa (t) 的Laplace变换

xa (t)＝xa (t)T (t) xa (nT ) (t nT )
n

Xa (s) L[xa (t)] xa (nT )ensT

1
e
1
j0
z 1
,
z

e j0
1
Z[e
j0nu(n)]

1
1 e j0
z 1
,
z

e j0
1
故，Z[cos(0n)u(n)]
11
2
[ 1

e
j0
z
1
1 1 e j0 z1 ],
z
1
双边Z变换的主要性质
2．位移特性 x [n m] z mX(z) ROC = Rx
只有一个一阶极点
zr

1 4
。
x(n)

Res[ zn1
/(4

lesson6 Z变换的逆变换

lesson6 Z变换的逆变换

X z 的收敛域内的一条环绕原点的积分围线。
3.留数定理法
xn X z z n 1dz 可用留数定 对于有理Z变换，围线积分 2 j C 理来计算。设在有限的Z平面上， ak , k 1,2,, N 是 X z z n1 1
在围线 C 内部的极点集， bk , k 1,2,, M 是 X z z n1 在围线 C 外部的极点集。根据柯西留数定理，有
X z A1 A2 1 2 z 1 1 0.5 z 1
2.部分分式展开法
(Partial Fraction Expansion)
例2.16 解(续)：其中
A1 X z 1 2 z
1

z 2
1 4 1 1 0.5 z z2 3 1 1 1 1 2 z z0.5 3
当 n 0 时，因为 X z z n1 在 C 外无极点，且 X z z n1 的分 母与分子多项式阶数之差为 2 n 1 1 n 2因为n为负值 ， 所以有 xn 0, n 0
最后得
1 a n 1 x n u n 1 a
1.幂级数法
解(续)：
1 4 z 1 7 z 2 1 2 z 1 z 2 4 z 1 z 2 4 z 1 8 z 2 4 z 3 7 z 2 4 z 3 7 z 2 14 z 3 7 z 4 10 z 3 7 z 4
A2 X z 1 0.5 z
1

z 0.5
即
1 4 1 X z 1 3 1 2 z 1 0.5 z 1
4 n 1 n 2 0.5 , x n 3 3 0, n0

数字信号处理 6-Z变换


总结：双边序列Z变换的收敛域为由极点限定的圆环
• 例 4.8 x(n)=b|n|， a为实数， 求x(n)的Z变换及其收敛域。
解：
X z
X 1 z
n

1

xn z n
n n
n

1
b n z n

n0

b n z n
z 1 b
X 2 z
z a
X(z)存在要求|a-1 z|<1， 即收敛域为|z|<|a|
4. 双边序列
一个双边序列可以看作一个左序列和一个右序列之和， 其Z变换表示为

X z
X 1 z
n
1
xn z n X 1 ( z ) X 2 ( z )
n

xn z n
0 z Rx
Rx z
X 2 z xn z n
n 0
X(z)的收敛域是X1(z)和X2(z)收敛域的公共收敛区域。 如果Rx+>Rx其收敛域为Rx- <|z|< Rx+ ， 这是一个环状域， 如果Rx+ < Rx- ， 两 个收敛域没有公共区域， X(z)没有收敛域， 因此X(z)不存在。
例 4.5求x(n)=RN(n)的Z变换及其收敛域
•
X ( z)
n

RN (n) z n z n
1 zN 1 z 1
这是一个因果的有限长序列， 因此收敛域为0<z≤∞。 但由结果 的分母可以看出似乎z=1是X(z)的极点， 但同时分子多项式在z=1 时也有一个零点， 极零点对消， X(z)在单位圆上仍存在，求RN(n) 的FT， 可将z=ejω代入X(z)得到， 其结果和例题4.2中的结果相同。

《自动控制原理》z变换与z反变换

《自动控制原理》z变换与z反变换自动控制原理是一门研究系统动态特性与控制方法的学科，其中涉及到了很多数学工具和方法，其中之一就是z变换和z反变换。

本文将对z 变换和z反变换进行详细的解释和介绍。

z变换是一种非常重要的数学工具，它是离散时间信号和系统分析中的一种常用方法。

z变换的定义如下：X(z)=Z[x(n)]=∑[x(n)*z^(-n)]其中，x(n)为离散时间信号，X(z)为z变换后的结果，z为变量。

z变换可以将离散时间信号从时域转换到z域，从而可以更方便地进行分析和处理。

z变换可以将离散时间信号表示为有理函数的形式，从而可以用于求解离散时间系统的频率响应、系统稳定性等问题。

z变换的性质有很多，这里只介绍其中几个重要的性质。

首先是线性性质，即线性系统的z变换可以表示为输入信号和系统冲激响应的z变换的乘积。

其次是时移性质，即输入信号的z变换与输入信号z变换乘以z^(-n)的结果相等。

最后是共轭对称性质，即输入信号为实数序列时，其z变换的共轭对称性质。

在进行z变换的计算时，可以使用z变换的表格、z变换的性质以及z变换的逆变换来简化计算。

z变换的逆变换可以将z域的信号重新转换回时域的信号，其定义如下：x(n) = Z^(-1)[X(z)] = (1/2πj) * ∮[X(z) * z^(n-1) * dz]其中，X(z)为z变换的结果，x(n)为z变换的逆变换结果。

z反变换可以将z域的信号转换为时域的信号，从而可以得到离散时间信号的具体数值。

z变换和z反变换在自动控制领域中有着广泛的应用。

例如，在系统建模和分析中，可以通过z变换将离散时间系统转换为z域的传递函数，从而可以方便地进行系统分析和控制器设计。

此外，在数字滤波器设计中，z变换也是一种常用的工具，可以将滤波器的差分方程转换为z域的传递函数，从而可以设计出满足要求的数字滤波器。

总结起来，z变换和z反变换是自动控制原理中的重要数学工具，可以方便地进行离散时间信号和系统的分析和处理。

高中教材中傅里叶变换,拉普拉斯变换,z变换

高中教材中傅里叶变换,拉普拉斯变换,z变换傅里叶变换是一种将时域信号转换为频域信号的数学工具，它被广泛应用于信号处理和通信领域。

在高中教材中，傅里叶变换通常作为一个拓展内容出现，并不要求学生深入理解其数学推导。

傅里叶变换可以将一个函数表示为一系列正弦和余弦函数的加权和，通过分析原始信号中的各个频率成分，我们可以获得有关信号频谱的信息。

这对于理解信号的频率特性和滤波器设计非常重要。

在高中教材中，傅里叶变换通常涉及以下几个方面的内容：1.傅里叶级数：介绍周期函数的傅里叶级数展开，以及如何计算级数中的各个系数。

2.傅里叶变换与频谱：讨论连续时间信号的傅里叶变换，以及如何从傅里叶变换的结果中获取频谱信息。

3.傅里叶变换的性质：介绍傅里叶变换的线性性、平移性、尺度性等基本性质，并给出相应的证明。

4.傅里叶变换的逆变换：讲解如何从频域信号反推回时域信号，即傅里叶逆变换的计算方法。

高中阶段的学生可以通过简单的例子和图形来理解傅里叶变换的基本概念和应用。

此外，教材还可能提及一些傅里叶变换在实际应用中的例子，例如音频信号的压缩和图像处理等领域。

拉普拉斯变换拉普拉斯变换是一种将复杂的微分方程转化为代数方程的数学工具，广泛应用于电路分析和控制系统设计等领域。

在高中教材中，拉普拉斯变换通常不作为必修内容，而是出现在物理或工程类选修课程中。

拉普拉斯变换可以将一个时域函数转换为复平面上的频域函数。

通过对原始信号进行变换，我们可以获得有关信号的频率特性、稳定性以及对外界扰动的响应等信息。

在高中教材中，拉普拉斯变换通常涉及以下几个方面的内容：1.拉普拉斯变换的定义：介绍拉普拉斯变换的定义和计算方法，包括常见函数的拉普拉斯变换表格。

2.拉普拉斯变换的性质：讲解拉普拉斯变换的线性性、平移性、尺度性等基本性质，并给出相应的证明。

3.拉普拉斯变换的逆变换：讲解如何从频域信号反推回时域信号，即拉普拉斯逆变换的计算方法。

4.拉普拉斯变换与微分方程：介绍如何利用拉普拉斯变换解决一些复杂的微分方程问题。

信号分析与处理-程耕国 第4章 时域离散信号的频域分析


信号与系统
SIGNALS AND SYSTEMS
9
幂级数展开法
幂级数展开法，又叫长除法。根据z变换的 定义，可用长除法将 X (z )展开为幂级数形式， 其系数就是相应的原序列的值。但用这种方法只 能求得原序列开头若干个有限项值，一般无法得 到序列 x (n)的封闭解形式。
信号与系统
SIGNALS AND SYSTEMS
M N M N
Ak (1 d k z ) X ( z ) | z d k
BM N 1 z
N M N 1
1
Ak B1 z B0 1 d k z 1 k 1
N
Ak Bn z 1 d k z 1 n 0 k 1
n
Bn可直接用长除法得到，Ak 求解同上。
n 0
因此
lim X ( z ) x(0)
z
信号与系统
SIGNALS AND SYSTEMS
23
8 终值定理
若x(n) 是因果序列，而且 X (z ) 除在 z 1 处可以 有一阶极点外，其它极点都在单位圆内，则
lim x ( n) lim [( z 1) X ( z )]
第4章 时域离散信号的频域分析
4.1 序列的z变换 4.2 z反变换 4.3 z变换的性质和定理 4.4 序列的z变换与时域连续的拉普拉斯变换、傅 里叶变换的关系 4.5 时域离散信号的傅里叶变换 4.6 周期序列的离散傅里叶级数及其傅里叶变换 4.7 小结
信号与系统
SIGNALS AND SYSTEMS
高二阶或二阶以上时，无穷远处的留数为零，因 此围线外的留数可表示为：
x(n) Re s[ X ( z ) z
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解：
X1 ( z ) a z
n 0 1

n n

1 1 az 1 1 1 az 1
z a
z <a
X 2 ( z)
n

a z
n n
不同的序列可能对应着相同的z变换表达式，但收敛域 却不同。只有当两者均相同时，才能说两序列相等。
几种不同序列z变换的ROC
双边Z变换的主要性质
10. 序列卷积和
x1[n] x2[n] X1( z) X 2 ( z) ROC 包含Rx1∩Rx2
时域的卷积和对应于Z域是乘积关系
11. 序列相乘(Z域复卷积定理)
z 1 Z [ x1 (n) x2 (n)] c X1( v ) X 2 (v)v dv 2 j Rx1 Rx2 < z < Rx1 Rx2
(1) 有限长序列
X ( z)
n n1

n2
x ( n) z n
(1) n1 <0, n 2 >0时，ROC： 0 < z < (2) n1 <0, n 2 0时，ROC： 0 z < (3) n1 0, n 2 >0时，ROC： 0 < z
ROC也可能包含0或∞点
Rx
c为环形解析域内环绕原点的 一条逆时针闭合围线.
0
Re[z ]
Rx
c
Z反变换
为计算围线积分，由留数定理可知：
1 X ( z ) z n 1dz Res[ X ( z ) z n 1 ]z zk c 2 j k 1 X ( z ) z n 1dz Res[ X ( z ) z n 1 ]z zm c 2 j m
n n x (2)收敛域为|z|<1时,x(n)为反因果序列， (n) [ 1 ( 1) 2 2 ]u( n 1) 3 3
(3)当收敛域为1<|z|<2时
x(n) 1 ( 1)n u(n) 2 2n u( n 1) 3 3
幂级数展开法基本原理
X ( z)
C为X(z) 的ROC中的一闭合曲线 留数法
部分分式法
长除法
z反变换
1.留数法
罗朗级数公式：
若：X ( z )
n
x ( n ) z n ,

Rx < z < Rx
j Im[ z ]
1 则：x (n ) X ( z ) z n 1dz, c ( Rx , Rx ) 2j c
n 1
1 /(4 z )( z )] 1 4 z 4
1 n 1 ( ) 4
1 1 4 4 n , n 1 4 15
Z反变换
2）当n≤-2时，X(z)zn-1在z=0处有多重极点。因此C内 有极点：z=1/4(一阶), z=0为(n+1)阶极点；而在C外 的无穷远处没有极点，仅有 z=4这个一阶极点；且此 时分母中z的次数大于分子中z的次数二次以上:
1 x(n) - Res[ z /(4 z )( z )]z 4 4 1 1 n 1 (4) 4 4n 2 , n 2 4 15
n 1
1 n 15 4 , 因此， x ( n ) 1 4n 2 , 15
双边Z变换的主要性质
2．位移特性 x [n m] z mX(z) ROC = Rx
对双边序列而言，序列位移不改变其收敛域！
例 求序列x(n)=u(n)-u(n-3)的z变换。
z Z [u ( n )] , z 1 z 1 z z 2 Z [u ( n 3)] z 3 , z 1 z 1 z 1 z z 2 z2 z 1 Z [ x ( n )] ,z 0 2 z 1 z 1 z
部分分式展开法计算过程
Ak (1 zk z ) X ( z )
1
z zk
X ( z) Res k 1, 2,, N r z z zk
1 1 d r k 1 r Ck [(1 zi z ) X ( z )] r k 1 r k ( zi ) (r k )! d ( z ) z zi k 1, 2, , r
部分分式展开法计算过程
B( z ) X ( z) A( z )
M N n 0
bi z i 1 ai z i
i 1 N r i 0 N
M


r Ak Ck n Bn z 1 1 k k 1 1 zk z k 1 (1 zi z )
Bn是X(z)整式部分系数；zk是X(z)的单阶极点； zi是X(z)的r阶重极点。
n 1 n 2
部分分式展开法基本思想 将X(z)分解成一些简单而常见的部分分式之和，然 后分别求出各部分分式的反变换，最后将各反变换 相加即得x(n)。
B( z ) X ( z) X1 ( z ) X 2 ( z ) X k ( z ) A( z )
x(n) Z 1[ X1 ( z)] Z 1[ X 2 ( z )] Z 1[ X k ( z )]
z 2
2 3
例：已知
z2 X ( z) ( z 1)( z 2)
的收敛域分别为(1) |z|>2 (2)|z|<1 (3)1<|z|<2, 分别求其 所对应的原序列。
1 z 2 z X ( z) 3 z 1 3 z 2
(1)收敛域为|z|>2时,x(n)为因果序列， x(n) [ 1 ( 1)n 2 2n ]u(n) 3 3
组合后，z=1既是零点，又是极点，出现零极点相抵 消，收敛域扩大。
双边Z变换的主要性质
3.指数加权特性
a x(n) X ( z / a)
n Z
ROC a Rx
4. 线性加权(Z域微分特性)
dX ( z ) nx(n) z dz
ROC Rx
双边Z变换的主要性质
5.共轭序列
n
lim x(n) lim[( z 1) X ( z )]
z 1
双边Z变换的主要性质
9.有限项累加特性
因果序列x(n)=0,n<0，其z变换为
X ( z ) Z [ x(n)]
n
z Rx
z Z[ x(m)] X ( z) z 1 m 0
z max[ Rx ,1]
求其z变换。
1 j0n j0n cos(0 n)u (n) [e e ]u (n) 2 1 n Z [a u (n)] ,za 1 1 az 1 j0 n Z [e u (n)] , z e j0 1 j0 1 1 e z 1 j0 n Z [e u (n)] , z e j0 1 1 e j0 z 1 1 1 1 故，Z [cos(0 n)u (n)] [ ], z 1 j0 1 j0 1 2 1 e z 1 e z
若n 2 0 :
n

n2
x ( n) z
z < R
n
Im z
ROC
R x+
Re z
0 < z < R
几种不同序列z变换的ROC
(4) 双边序列
X ( z)
n


x ( n) z
n
Im z ROC
ROC R < z < RR源自x-Re zR
x+
z反变换
1 n 1 x ( n) c X ( z) z dz 2πj
,
1 < z <4 4
，求z反变换。
j Im[ z ]
X ( z ) z n 1
z n 1 1 (4 z )( z ) 4
0
1/4 c 4
Re[z ]
1）当n≥-1时, z 在z=0处不会构成极点，此时C内 只有一个一阶极点 z r 1 。
4
n 1
x(n) Res[ z
n


x(n) z n x(1) z x(0) z 0 x(1) z 1
在给定的收敛域内，把X(z)展成幂级数，其系数即为x(n)。
具体过程自学！
双边Z变换的主要性质
x1 (n) X 1 ( z )
x2 (n) X 2 ( z )
ROC Rx1 {Rx1 < z < Rx1 }
根据上述系数，表达式收敛域，确定x(n)。
例：已知
z2 X ( z) ( z 1)( z 2)
的收敛域分别为(1) |z|>2 (2)|z|<1 (3)1<|z|<2, 分别求其 所对应的原序列。 X(z)的极点为z1=-1, z2=2 ，展成部分分式为
A1 A2 X ( z) z z ( z 1)( z 2) z 1 z 2 X ( z) A1 ( z 1) z X ( z) A2 ( z 2) z 1 3 z 1
x (n) X ( z )



ROC Rx
6.时间翻转(time reversal)
x(n) X (1/ z)
Z
1 1 < z< Rx Rx
双边Z变换的主要性质
7.初值定理
因果序列x(n)=0,n<0,有
z
lim X ( z ) x(0)
8. 终值定理 X(n)为因果序列，且X(z)的极点处于单位圆以内 (单位圆上最多在z=1处有一阶极点)，则
n 1
] z zr