离散时间系统的变换域分析.ppt

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1、第三章 离散时间系统的变换域分析,2,本章目录,系统函数,序列线性时不变系统的频率响应,无限脉冲响应系统和有限脉冲响应系统,Matlab实现,3,3.1 引言,系统的特性包括:线性、时不变性、因果性、稳定性,离散时间系统的分析：时域、变换域,离散时间系统分析主要内容 系统的变换域分析系统函数频率响应,4,3.2 系统函数,系统函数定义系统的零极点对系统特性的影响系统的因果性和稳定性,5,3.2.1 系统函数的定义,系统函数的定义,系统函数 H(z):表示系统的零状态响应与输入序列z变换的比值,线性时不变系统,6,研究N阶差分方程的系统,因果输入序列，零初始状态，差分方程取z变换,可见，H(z)

2、与h(n)是一对z变换,LTI系统输入和输出满足,7,三种表征离散时间系统的方法,单位脉冲响应h(n):时域,系统函数H(z):Z域,差分方程:时域,8,例 利用系统函数变换域求解,例3.因果离散时间系统的差分方程y(n)-3y(n-1)+2y(n-2)=x(n)+2x(n-1)，求单位脉冲响应h(n)。,解：设初始状态为零，对差分方程进行z变换,展开为部分分式,h(n)为因果序列。对H(z)取逆z变换，得,9,3.2.2 系统的零极点对系统特性的影响,对式(3.2)分子、分母多项式进行因式分解,H(z)在z=cr处有零点，在z=dk处有极点 NM时，在z=0处有一个(N-M)阶零点 零点和极

3、点分别由差分方程的系数br和ak决定 除常数A外，系统函数完全由全部零极点唯一确定,零、极点是描述系统的方法，因为已知系统的零、极点分布，就可以大致了解系统的性能,10,单阶极点对系统的影响,若有一个实极点d=，则分母多项式中有因子(z-)，所对应的单位脉冲响应序列形式为,若有一对共轭极点，则D(z)有因子，所对应的单位脉冲响应序列形式为，其中K，为常数，与零点的分布有关。,11,系统函数的极点与对应的单位脉冲响应,当极点位于单位圆内时，|1，当n时，单位脉冲响应序列h(n)趋于零，为收敛序列；当极点位于单位圆上时，|=1，单位脉冲响应序列h(n)的幅度不随变化，为稳定序列；,当极点位于单位圆

4、外时，|1，当n时，单位脉冲响应序列h(n)的幅度随n增大而增大，为发散序列。,12,多阶极点对系统的影响,若有一个r 阶实极点d=，则分母多项式中有因子(z-)，所对应的单位脉冲响应序列形式为,当极点位于单位圆内时，|1，当n时，单位脉冲响应序列h(n)趋于零，为收敛序列；当极点位于单位圆上时，|=1，由于有因子ni，单位脉冲响应序列的幅度随的增大而增大，为发散序列；当极点位于单位圆外时，|1，当n时，单位脉冲响应序列h(n)的幅度随n增大而增大，为发散序列。,若有一对共轭极点，则所对应的单位脉冲响应序列形式为，其中i=0，1，2，r-1。,13,零极点对系统影响的结论,离散时间系统的单位脉

5、冲响应序列h(n)可由H(z)的零、极点确定。零点只影响h(n)的幅度与相位，极点的分布影响h(n)的形状。H(z)在单位圆内的极点所对应的h(n)都是衰减的，当n时，序列的值趋于零，h(n)是收敛序列，因此极点全部在单位圆内的系统是稳定系统。H(z)在单位圆上的一阶极点所对应的h(n)的幅度不随变化，其对应的系统是临界稳定系统。H(z)在单位圆上的二阶及二阶以上的极点，或在单位圆外的极点所对应的h(n)随的增大而增大，当n时，序列值趋于无限大，h(n)是发散序列，这样的系统是非稳定系统。,14,3.2.3 系统的因果性和稳定性,从系统的单位脉冲响应序列h(n)出发，讨论判断系统因果性和稳定性

6、的充分必要条件。如何根据H(z)判断系统的因果性和稳定性?一个因果稳定系统的系统函数H(z)的收敛域必须在某个圆的外部，该圆经过H(z)的离原点最远的极点，而且收敛域必须包含单位圆。即 Rx-|z|+，0Rx-1(3.6)如果系统函数H(z)的所有极点都在单位圆内，则系统是稳定的。如果系统稳定，则系统的所有极点都在单位圆内。,15,例：分析系统的因果性和稳定性,例3.3 已知一个线性时不变系统的系统函数，试确定系统的收敛域，并分析系统的因果性和稳定性。,解：对H(z)的分母进行因式分解得,极点为-0.25，-0.5；零点为0，0.5，如图3.3所示。两个极点把平面划分为三个区域，所以H(z)的

7、收敛域有三种可能的情况，下面分别进行讨论。,16,讨论图3.3中H(z)的收敛域,如果收敛域是极点-0.5所在的圆的外部区域，收敛域包含点，有，因此系统是因果的。系统函数的收敛域为0.5|z|+，而且包含单位圆，所以对应系统是稳定的。如果收敛域是极点-0.25所在的圆的内部区域，有，因此系统是逆因果的，收敛域为0|z|0.25。收敛域不包含单位圆，所以对应系统不是稳定的。如果收敛域是极点-0.25和-0.5所在的两个圆之间的环域，即0.25|z|0.5，收敛域不包含点，单位圆也没有位于收敛域内，所以对应系统是非因果且不稳定的。,17,3.3 线性时不变系统的频率响应,频率响应的定义频率响应的几

8、何确定法全通系统最小相位系统,18,3.3.1 频率响应的定义,设输入序列是频率为的复指数序列，由线性卷积公式，得到系统的响应,频率响应的定义,当离散线性时不变系统的输入是频率为的复指数序列时，输出为同频率的复指数序列乘以加权函数H()。H()反映复指数序列通过系统后幅度和相位随频率的变化H()是一个与系统的特性有关的量，称为单位脉冲响应为h(n)的系统的频率响应。,19,H()与H(z),频率响应H()在数值上等于H(z)在z平面单位圆上的取值。,如果已知系统函数H(z)，则可求得其频率响应，即,20,H()的表示,复函数H()是以2为周期的连续周期函数，用实部和虚部表示为,H()用幅度与相

9、位表示为,H()的幅度响应和相位响应,21,正弦输入序列的系统频率响应,可见，当离散线性时不变系统输入正弦序列时，输出为同频率的正弦序列，其幅度受频率响应幅度|H()|的加权，而相位为输入相位与系统相位响应之和。,22,3.3.2 频率响应的几何确定法,根据式(3.9)得知，系统的频率响应完全由H(z)的零、极点确定。由式(3.9)得系统的频率响应,零点矢量：,极点矢量：,矢量的模即矢量长度；矢量的幅角对应矢量与正实轴的夹角。,23,几何确定法,式(3.14)可表示,幅度响应等于各零点矢量长度之积除以各极点矢量长度之积，再乘以常数A,相位响应等于各零点矢量的幅角之和减去各极点矢量的幅角之和，再

10、加上线性分量(N-M)。,24,几何确定图示,25,零点位置对频率响应的影响,零点位置:主要影响幅度响应的谷点值及形状。当E点旋转到某个零点cr 附近时，如果零点矢量长度Ar 最短，则幅度响应在该点可能出现谷点；零点cr 越靠近单位圆，Ar 越短，则谷点越接近零；如果零点cr 在单位圆上，Ar=0，则谷点为零。,极点位置:主要影响幅度响应的峰值及尖锐程度。当E点旋转到某个极点dk附近时，如果极点矢量长度Bk最短，则幅度响应在该点可能出现峰值；极点dk越靠近单位圆，Bk越短，则幅度响应在峰值附近越尖锐；如果极点dk在单位圆上，Bk=0，则幅度响应的峰值趋于无穷大，此时系统不稳定。,26,小结,单

11、位圆附近的零点位置对幅度响应凹谷的位置和深度有明显的影响，零点可在单位圆外。在单位圆内且靠近单位圆附近的极点对幅度响应的凸峰的位置和深度则有明显的影响，极点在单位圆外，则不稳定。利用直观的几何确定法，适当地控制零、极点的分布，就能改变系统频率响应的特性，达到预期的要求，因此它是一种非常有用的分析系统的方法。,27,例：梳状滤波器,例3.6 已知一个系统函数，试定性画出系统的幅度响应曲线。,解：,一个N阶极点z=0，不影响幅度响应 N个一阶零点等间隔分布在单位圆上，由分子多项式的根决定。,当从0变化到2时，每遇到一个零点幅度为零；两个零点之间幅度由零逐渐增大，在零点中间幅度最大，形成峰值，再逐渐

12、减少至零。幅度谷点频率为k=2k/N,28,3.3.3 全通系统,定义：系统幅度响应|H()|在所有频率下均为常数.,频率响应,零点与极点有共轭倒数关系，一般形式,29,例：二阶全通系统,例3.7 设二阶全通系统的系统函数，求系统的频率响应函数，并画出相应曲线。,解：,30,3.5 Matlab实现,系统函数的Matlab计算利用系统函数求解系统输出的Matlab实现利用Matlab计算系统频率响应,31,3.5.1 系统函数的Matlab计算,函数tf2zp和zp2tf:用于系统函数不同形式间转换。,函数tf2zp:确定有理z变换式的零极点和增益 z,p,k=tf2zp(b,a);输入参数:

13、b=b0，b1，bM为分子多项式的系数,a=a0,a1,aN为分母多项式的系数，都按z的降幂排列;输出参数:z是z变换的零点，p是极点，k是增益。,函数zp2tf:由z变换的零极点和增益确定z变换式的系数 b,a=zp2tf(z,p,k);,32,例：计算Z变换,例3.10 线性时不变系统的差分方程为y(n)-y(n-1)+0.5y(n-2)=2x(n)+1.5x(n-1)，求其z变换，并分析系统的稳定性。,解:由差分方程得到系统函数,b=2,1.5,0;a=1,-1,0.5;%系统函数多项式的系数z,p,k=tf2zp(b,a);%求零点、极点和增益disp(零点:);disp(z);dis

14、p(极点:);disp(p);disp(增益:);disp(k);zplane(z,p);%画零、极点图axis(-1.25,1.25,-1.25,1.25);%标示坐标,程序运行结果为零点:0-0.7500极点:0.5000-0.5000i 0.5000+0.5000i增益:2,33,例：计算Z变换,第二行调用函数z,p,k=tf2zp(b,a)，确定系统函数的零点、极点和增益。第六行使用函数zplane画出零点、极点及单位圆。由图3.10系统的零、极点分布可知，全部极点都位于单位圆内，所以系统是稳定的。,34,3.5.2 利用系统函数解系统输出的Matlab实现,例3.11 已知系统函数为

15、，求输入序列x(n)=2，-1，0.25 时系统的输出。,解:输入序列表示为 x(n)=2(n)-(n-1)+0.25(n-2),H(z)的系数b=-2，a=1，-0.75，-0.25，0.1875，x=2，-1，0.25，可以用函数conv来计算多项式乘法，以确定Y(z)的系数B和A=a，然后利用函数residuez求留数和极点等。,35,求输出序列表示式的 Matlab程序段,x=2,-1,0.25;nfx=length(x)-1;%计算输入序列的终止时间b=-2;a=1,-0.75,-0.25,0.1875;%系统函数多项式的系数B=conv(b,x);A=a;%确定Y(z)的系数r,p

16、,c=residuez(B,A);%求留数、极点和系数项disp(留数:);disp(r);%显示输出参数disp(极点:);disp(p);disp(系数项:);disp(c);,程序运行结果为留数:-4.0000 2.0000-2.0000极点:0.7500 0.5000-0.5000系数项:,36,系统输出的Matlab实现,写出Y(z)的部分分式,系统的输出序列,37,3.5.3 利用Matlab计算系统频率响应,函数freqz：计算序列傅里叶变换在给定离散频率点上的取样值，调用方式：(1)H,w=freqz(b,a,N)(2)H=freqz(b,a,w)(3)H=freqz(b,a,

17、F,Fs)(4)H,w=freqz(b,a,N,whole)(5)H,F=freqz(b,a,N,Fs)和H,F=freqz(b,a,N,whole,Fs),38,例：系统幅度和相位响应曲线,例3.10 已知系统的差分方程为y(n)-y(n-1)+0.75y(n-2)=x(n)，试画出系统的幅度响应和相位响应曲线。,解:H()的有理多项式系数b=1，a=1,-1,0.75,b=1;a=1,-1,0.75;N=512;%系统函数多项式的系数H,w=freqz(b,a,N,whole);%计算频率响应magH=abs(H(1:N);phaH=angle(H(1:N);%计算幅度相位w=w(1:N);subplot(2,1,1);%画幅度响应曲线（连续）plot(w/pi,magH);grid;%画网格ylabel(Magnitude);title(Magnitude Response);subplot(2,1,2);%画相位响应曲线plot(w/pi,phaH);grid;xlabel(frequency Unit:pi);ylabel(Phase);title(Phase Response);,39,用函数plot绘制连续曲线,