信号课件--§6.4 z域分析

第1页■§6.4z域分析单边z变换将系统的初始条件自然地包含于其代数方程中，可求得零输入、零状态响应和全响应。一、差分方程的变换解mjjmniinjkfbikya00)()(设f(k)在k=0时接入，系统初始状态为y(-1),y(-2),…y(-n)。取单边z变换得mjjjminiikiinzFzbzikyzYza0010)]([])()([mjjjmniniikkiniinzFzbzikyazYza00010)()(])([)(][第2页■▲)()()()()()()()(zYzYzFzAzBzAzMzYzszi)()()()()(zAzBzFzYzHzs令称为系统函数h(k)←→H(z)例1：若某系统的差分方程为y(k)–y(k–1)–2y(k–2)=f(k)+2f(k–2)已知y(–1)=2，y(–2)=–1/2，f(k)=(k)。求系统的yzi(k)、yzs(k)、y(k)。解方程取单边z变换Y(z)-[z-1Y(z)+y(-1)]-2[z-2Y(z)+y(-2)+y(-1)z-1]=F(z)+2z-2F(z)解得第3页■▲12224)(212121)2(2)1()21()(2222212211zzzzzzzzzzFzzzzzyyzzY)(])1()2(2[)(122)1)(2(4)(2kkyzzzzzzzzzYkkzizi)(]23)1(212[)(12312122)(1kkyzzzzzzzYkkzszs第4页■▲例2：某系统，已知当输入f(k)=(–1/2)k(k)时，其零状态响应)(])21(29)31(4)21(23[)(kkykkkzs求系统的单位序列响应h(k)和描述系统的差分方程。解31221361612)()()(22zzzzzzzzzFzYzHzsh(k)=[3(1/2)k–2(–1/3)k](k))1(2)()2(61)1(61)(kfkfkykyky第5页■▲二、系统的z域框图f(k)Df(k-1)F(z)z1)(1zFz另外两个基本单元：数乘器和加法器，k域和z域框图相同。第6页■▲例3：某系统的k域框图如图，已知输入f(k)=(k)。(1)求系统的单位序列响应h(k)和零状态响应yzs(k)。(2)若y(-1)=0，y(-2)=0.5，求零输入响应yzi(k)DD∑∑f(k)y(k)1332解:(1)画z域框图z-1z-1F(z)Yzs(z)设中间变量X(z)X(z)z-1X(z)z-2X(z)X(z)=3z-1X(z)–2z-2X(z)+F(z))(2311)(21zFzzzXYzs(z)=X(z)–3z-1X(z)=(1–3z-1)X(z)第7页■▲)(23131)(211zFzzzzYzs21223323131)(22211zzzzzzzzzzzzHh(k)=[2–(2)k](k)当f(k)=(k)时，F(z)=z/(z-1)2213)1(2)2()1()3(1233)(22222zzzzzzzzzzzzzzzzzYzsyzs(k)=[2k+3–2(2)k](k)第8页■▲yzi(k)=Czi1+Czi2(2)k由y(-1)=0，y(-2)=0.5，有Czi1+Czi2(2)-1=0Czi1+Czi2(2)-2=0.5Czi1=1,Czi2=-2yzi(k)=1–2(2)k(2)由H(z)可知，差分方程的特征根为1=1，2=2第9页■▲三、利用z变换求卷积和例：求2k(–k)*[2-k(k)]解：5.0||,5.0)(2zzzkk2||,225.0)(211zzzzkk原式象函数为2345.034)2)(5.0(2zzzzzzz原式=)1()2(34)()5.0(34kkkk1*[2-k(k)]？第10页■▲四、s域与z域的关系z=esTzTsln1式中T为取样周期如果将s表示为直角坐标形式s=+j，将z表示为极坐标形式z=ej=eT，=T由上式可看出：s平面的左半平面（0)---z平面的单位圆内部（z=1)s平面的右半平面（0)---z平面的单位圆外部（z=1)s平面的j轴（=0)---z平面中的单位圆上（z==1)s平面上实轴（=0)---z平面的正实轴（=0)s平面上的原点（=0，=0）----z平面上z=1的点（=1，=0）第11页■▲五、离散系统的频率响应由于z=esT，s=+j，若离散系统H(z)收敛域含单位园，则若连续系统的H(s)收敛域含虚轴，则连续系统频率响应j)()(jssHHTzzHje)(离散系统频率响应定义为存在。令T=，称为数字角频率。jej)()(ezzHH)(jjje)(e)(eHH式中H(ej)称为幅频响应,偶函数；()称为相频响应,奇函数。只有H(z)收敛域含单位园才存在频率响应第12页■▲设LTI离散系统的单位序列响应为h(k),系统函数为H(z)，其收敛域含单位园，则系统的零状态响应yzs(k)=h(k)*f(k))()(ikfihi当f(k)=ejk时iikikizsihihky)(e)(ee)()(jj)(j)(eejjHk若输入f(k)=Acos(k+)则其正弦稳态响应为ys(k)=0.5AejejkH(ej)+0.5Ae-je-jkH(e-j)=0.5Aejejk|H(ej)|ej()+0.5Ae-je-jk|H(e-j)|e-j()=A|H(ej)|cos[k++()]=0.5Aejkej+0.5Ae-jke-j第13页■▲由z变换定义、DTFT定义，有jejj)(e)()]([)(ezkkzHkhkhDTFTH例图示为一横向数字滤波器。（1）求滤波器的频率响应；（2）若输入信号为连续信号f(t)=1+2cos(0t)+3cos(20t)经取样得到的离散序列f(k)，已知信号频率f0=100Hz，取样fs=600Hz，求滤波器的稳态输出yss(k)1z1z1z∑1122F(z)Y(z)第14页■▲解（1）求系统函数Y(z)=F(z)+2z-1F(z)+2z-2F(z)+z-3F(z)H(z)=1+2z-1+2z-2+z-3，|z|0令=TS，z取ejH(ej)=1+2e-j+2e-j2+e-j3=e-j1.5[2cos(1.5)+4cos(0.5)](2)连续信号f(t)=1+2cos(0t)+3cos(20t)经取样后的离散信号为(f0=100Hz,fs=600Hz)f(k)=f(kTs)=1+2cos(k0Ts)+3cos[k(20Ts)]令1=0,2=0Ts=/3,3=20Ts=2/3所以H(ej1)=6，H(ej2)=3.46e-j/2,H(ej3)=0第15页■▲稳态响应为yss(t)=H(ej1)+2H(ej2)cos[k0Ts+(2)]+3H(ej3)cos[2k0Ts+(3)]=6+6.92cos(k/3-/2)可见消除了输入序列的二次谐波。