数字信号处理笔记04:Z变换

一、Z变换的定义

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

x[n] = \frac{1}{2\pi j} \oint_{C} X(z) z^{n-1} dz

数字信号处理笔记04:Z变换_第1张图片

二、Z变换的收敛域

z = re^{jw}

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

|X(z)| = \left | \sum_{n=-\infty}^{+\infty} x[n] r^{-n} e^{-jwn} \right | \\ \leq \sum_{n=-\infty}^{+\infty} \left | x[n] r^{-n} \right | \cdot \left| e^{-jwn} \right| \\= \sum_{n=-\infty}^{+\infty} \left | x[n] r^{-n} \right | < \infty

1. 有限长序列

有限长序列,序列区间N_1 \leq n \leq N_2非零

序列 收敛域 零极点图
N_2 < 0 数字信号处理笔记04:Z变换_第2张图片 0 \leq |z| < +\infty 数字信号处理笔记04:Z变换_第3张图片
N_1 \geq 0 数字信号处理笔记04:Z变换_第4张图片 0 < |z| \leq +\infty 数字信号处理笔记04:Z变换_第5张图片
N_1 < 0, N_2 \geq 0 数字信号处理笔记04:Z变换_第6张图片 0 < |z| < +\infty 数字信号处理笔记04:Z变换_第7张图片

2. 无限长序列

序列
n \geq 0 数字信号处理笔记04:Z变换_第8张图片 |z| > R_{x}^{-} 数字信号处理笔记04:Z变换_第9张图片
n < 0 数字信号处理笔记04:Z变换_第10张图片 0 \leq |z| < R_x^{+} 数字信号处理笔记04:Z变换_第11张图片
-\infty \leq n \leq +\infty 数字信号处理笔记04:Z变换_第12张图片

R_x^{-} < |z| < R_{x}^{+}

\phi

数字信号处理笔记04:Z变换_第13张图片

右边序列

x[n] = a^nu[n]

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

|az^{-1}| < 1 \Rightarrow |z| > |a|

左边序列

x[n] = -a^n u[-n-1]

X(z) = \sum_{n=-\infty}^{+\infty} x[n] z^{-n} = -\sum_{n=-\infty}^{-1}a^n z^{-n} = - a^{-1}z \frac{1}{1-a^{-1}z} = \frac{z}{z-a}

|a^{-1}z| < 1 \Rightarrow |z| < |a|

三、Z变换的性质和定理

x[n] X(z) R_x
y[n] Y(z) R_y
h[n] H(z) R_h
线性 ax[n] + by[n] aX[z] + bY[z] 包含R_x \bigcap R_y
时域移位 x[n-n_d] z^{-n_d} X(z)
指数序列相乘 z_0^nx[n] X \left( \frac{z}{z_0} \right ) |z_0| R_x
微分 nx[n] -z \frac{dX(z)}{dz} R_x
共轭 x^*[n] X^*(z^*) R_x
时间倒置共轭 x^*[-n] X^*\left( \frac{1}{z^*} \right ) \frac{1}{R_x}
卷积 x[n] \otimes h[n] X(z) H(z) 包含R_x \bigcap R_h
初值 x[n] = x[n] u[n] \Rightarrow x[0] = \lim_{z \rightarrow \infty} X(z)

四、Z的反变换

1. 观察法

2. 部分分式展开法

数字信号处理笔记04:Z变换_第14张图片

A_1 = (1-0.95z^{-1})X(z)|_{z = 0.95} = -9.5

A_2 = (1-1.05z^{-1})X(z)|_{z=1.05} = 10.5

X(z) = \frac{-9.5}{1-0.95z^{-1}} + \frac{10.5}{1-1.05z^{-1}} = \frac{-9.5z}{z-0.95} + \frac{10.5z}{z-1.05}

|z| < 0.95时,x[n] = 9.5 \times 0.95^nu[-n-1] - 10.5 \times 1.05^n u[-n-1]

0.95 < |z| < 1.05时,x[n] = -9.5 \times 0.95^n u[n] - 10.5 \times 1.05^n u[-n-1]

|z| > 1.05时,x[n] = -9.5 \times 0.95^n u[n] + 10.5 \times 1.05^n u[n]

3. 幂级数展开法

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