background image

 

10. Przekształcenie Z.doc, 1/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

1

 

 

•  przekształcenie 

Z

 jest efektywnym narzędziem do analizy i syntezy sygnałów i układów 

czasu dyskretnego i jest odpowiednikiem przekształcenia Laplace’a dla układów czasu 
ciągłego 

•  transformatą 

Z

 ciągu (funkcji argumentu całkowitego) 

( )

{

}

n

x

 jest funkcja zespolona 

zmiennej zespolonej 

z

 zdefiniowana równaniem 

( )

( )

−∞

=

=

n

n

z

n

x

z

X

 

gdzie: 

( )

z

X

  - transformata 

Z

 ciągu 

( )

{

}

n

x

, inaczej 

( )

( )

{ }

n

x

z

X

Z

=

 

 

 

z

 

- zmienna zespolona 

•  powyższa transformata nazywana jest transformatą dwustronną 
•  transformata 

Z

 jednostronna określona jest wyrażeniem 

( )

( )

=

=

0

n

n

z

n

x

z

X

 

•  dla ciągów przyczynowych obie transformaty są równoważne 

                                                 

1

 opracowano na podstawie [1-5], wersja z dnia 02.10.2014 

  materiał nie jest pełnym i ścisłym pod względem formalnym opracowaniem poszczególnych tematów, stanowi 

jedynie szkielet, wokół którego budowany jest wykład 

 

10. Przekształcenie Z.doc, 2/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 
•  przekształcenie 

Z

 nie jest zbieżne dla wszystkich wartości zmiennej 

z

, niezbędne staje 

się zbadanie warunków zbieżności 

•  zbiór wartości 

z

, dla których transformata 

Z

 danego ciągu jest zbieżna (osiąga 

skończoną wartość) nazywa się obszarem zbieżności, oznaczanym jako ROC (ang. 
Region of Convergence

przykład 1 

1. 

( )

=

3

,

0

,

4

,

3

,

1

n

x

 

( )

4

2

1

3

4

3

1

+

+

+

=

z

z

z

z

X

, ROC: 

0

>

z

 

2. 

( )

=

3

,

0

,

4

,

3

,

1

n

x

 

( )

2

2

3

4

3

+

+

+

=

z

z

z

z

X

, ROC: 

<

z

0

 

3. 

( ) ( )

n

n

x

δ

=

 

( )

1

=

z

X

, ROC: 

0

z

 

z przytoczonych przykładów można zauważyć, że transformata 

Z

 jest prostym, 

alternatywnym przedstawieniem sygnału, w którym współczynnik przy zmiennej 
zespolonej 

z

 stanowi  wartość próbki sygnału a wykładnik zmiennej zespolonej 

z

 

zawiera informację o położeniu próbki w czasie 

 

10. Przekształcenie Z.doc, 3/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 
przykład 2 

( )

( )

n

n

x

n

1

=

2

1

 

( )





=

...

,

2

1

...,

,

2

1

,

2

1

,

2

1

,

1

3

2

n

n

x

 

( )

=

=

+

+

+

+

+

=

0

1

2

2

1

2

1

...

2

1

...

2

1

2

1

1

n

n

n

n

z

z

z

z

z

X

 

wyznaczając sumę nieskończonego szeregu geometrycznego otrzymujemy 

( )

1

2

1

1

1

=

z

z

X

, ROC: 

2

1

>

z

 

z przytoczonego przykładu można zauważyć, że transformata 

Z

 umożliwia uzyskanie 

alternatywnej, znacznie bardziej zwartej reprezentacji sygnału 

 

 

10. Przekształcenie Z.doc, 4/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 

•  jeśli zmienną zespoloną 

z

 przedstawimy w postaci wykładniczej 

z

j

e

z

z

arg

=

 

wówczas można udowodnić, że transformata 

Z

 danego ciągu jest zbieżna w pierścieniu 

płaszczyzny zmiennej 

z

 

 

2

1

r

z

r

<

<

 

gdzie: 

1

r

 może osiągać wartość zero, natomiast 

2

r

 może dążyć do nieskończoności 

 

•  określenie obszaru zbieżności jest bardzo istotne; istnieją funkcje posiadające identyczne 

transformaty 

Z

, różniące się jedynie obszarem zbieżności; zatem transformata 

Z

 jest 

wzajemnie jednoznaczna po uwzględnieniu obszaru zbieżności 

r

2

 

r

2

 

Im

 

z 

Re

 

z 

r

1

 

Im

 

z 

Re

 

z 

Im

 

z 

Re

 

z 

r

1

 

background image

 

10. Przekształcenie Z.doc, 5/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 
przykład 3 

wyznaczyć transformatę 

Z

 sygnałów 

( )

( )

n

n

x

n

1

α

=

 oraz 

( )

(

)

1

α

=

n

n

y

n

1

1

0

<

α

<

 

ad  

( )

( )

n

n

x

n

1

α

=

 

              

 

( )

( )

1

0

1

0

1

1

=

=

α

=

α

=

α

=

z

z

z

z

X

n

n

n

n

n

 

ROC: 

α

>

z

 

 
 

Im

 

z 

Re

 

z 

α 

x(n

 

10. Przekształcenie Z.doc, 6/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 
przykład 3 (cd) 
 

ad  

( )

(

)

1

α

=

n

n

y

n

1

 

              

 

( )

( )

( )

1

1

1

1

1

1

=

−∞

=

α

=

α

=

=

=

α

=

z

z

n

k

z

z

Y

k

k

n

n

n

:

podst.

 

 

ROC: 

α

<

z

 

 
 
 
 

Im

 

z 

Re

 

z 

α 

-1 

-2 

-3 

-1 

y(n

 

10. Przekształcenie Z.doc, 7/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 

•  obszarem zbieżności dla ciągu ograniczonego, czyli o elementach niezerowych dla 

2

1

n

n

n

, jest cała płaszczyzna zmiennej zespolonej 

z

 oprócz 

=

z

, jeśli 

0

1

<

n

 

oraz oprócz 

0

=

z

, jeśli 

0

2

>

n

 

•  obszarem zbieżności dla ciągu prawostronnego, czyli o elementach niezerowych dla 

1

n

, jest obszar na zewnątrz koła oprócz 

=

z

, jeśli 

0

1

<

n

; jeśli ciąg jest 

przyczynowy, tzn. jeśli 

0

1

n

, to obszar zbieżności jest zewnętrze koła z włączeniem 

punktu w nieskończoności 

•  obszarem zbieżności dla ciągu lewostronnego, czyli o elementach niezerowych dla 

2

n

, jest obszar wewnątrz koła oprócz 

0

=

z

, jeśli 

0

2

>

n

; jeśli ciąg niezerowy dla 

0

<

n

 to obszar zbieżności obejmuje punkt 

0

=

z

 

•  obszarem zbieżności dla ciągu nieograniczonego (dwustronnego), czyli o elementach 

niezerowych dla 

<

<

n

, jest obszar wewnątrz pierścienia (lub transformata nie jest 

zbieżna) 

•  obszarem zbieżności przyczynowego sygnału stabilnego jest obszar na zewnętrz koła 

o promieniu co najmniej 

1

z

 

 

10. Przekształcenie Z.doc, 8/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 

•  ważną klasą transformat 

Z

 są transformaty będące funkcjami wymiernymi, tzn. będące 

stosunkami wielomianów zmiennej 

z

 

•  pierwiastkami wielomianu licznika są te wartości zmiennej 

z

, dla których 

( )

0

=

z

X

nazywa się je zerami funkcji 

( )

z

X

 

•  wartości zmiennej 

z

, dla których 

( )

z

X

 dąży do nieskończoności nazywa się biegunami 

funkcji 

( )

z

X

, dodatkowo bieguny mogą występować dla 

0

=

z

 lub 

=

z

 

•  bieguny transformaty 

( )

z

X

 nie mogą występować w obszarze zbieżności, ponieważ 

transformata 

Z

 nie jest zbieżna w biegunie 

•  bieguny transformaty 

Z

 sygnału (układu) stabilnego mieszczą się wewnątrz koła 

jednostkowego 

 

Im

 

z 

Re

 

z 

r

1

 

background image

 

10. Przekształcenie Z.doc, 9/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 
•  odwrotne przekształcenie 

Z

 określone jest wyrażeniem 

( )

( )

π

=

dz

z

X

z

j

n

x

1

2

1

 

gdzie operacja całkowania odbywa się po konturze zamkniętym, obejmującym początek 

płaszczyzny zespolonej, leżącym całkowicie wewnątrz obszaru zbieżności funkcji 

( )

z

X

 

•  stosowane są najczęściej trzy metody wyznaczania odwrotnej transformaty 

Z

 

- bezpośrednie obliczenie powyższej całki po konturze zamkniętym, ze względu na 

trudności w całkowaniu zazwyczaj korzysta się z twierdzenia Cauchy’ego o residuach 

- rozwijanie transformaty 

Z

 w szereg potęgowy względem 

1

z

 (dzielenie wielomianów) 

- rozkład transformaty 

Z

 na ułamki (przedstawienie transformaty w postaci liniowej 

kombinacji składników, których odwrotne transformaty 

Z

 mogą być łatwo obliczone lub 

odczytane z tablic) 

 

10. Przekształcenie Z.doc, 10/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 
Właściwości przekształcenia 

Z

 

•  obszar zbieżności wymiernej transformaty 

Z

 nie może zawierać żadnych biegunów, 

jest on zatem ograniczony przez bieguny, przez zero, lub nieskończoność 
(transformata 

Z

 nie jest zbieżna w biegunie) 

•  twierdzenia graniczne 

suma wszystkich próbek sygnału równa jest transformacie 

Z

 tego sygnału dla 

1

=

z

 

( )

( )

1

X

n

x

n

=

−∞

=

 

jeśli 

( )

n

x

 jest przyczynowe to  

( )

( )

0

x

z

X

z

=

lim

 

 

10. Przekształcenie Z.doc, 11/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 
Właściwości przekształcenia 

Z

 (cd) 

 
•  dane są pary transformat 

( )

( )

z

X

n

x

 oraz 

( )

( )

z

Y

n

y

 

właściwości 

twierdzenie o liniowości 

( )

( )

( )

( )

z

bY

z

aX

n

by

n

ax

+

+

 

twierdzenie o przesunięciu w dziedzinie czasu 

(

)

( )

z

X

z

n

n

x

n

0

0

 

(stąd 

1

z

 - operator opóźnienia jednostkowego) 

 

twierdzenie o mnożeniu przez ciąg wykładniczy (zespolony) 

( )

( )

z

a

X

a

n

x

n

1

 

y(n)=x(n-1) 

x(n) 

z

-1

 

 

10. Przekształcenie Z.doc, 12/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 

twierdzenie o splocie w dziedzinie czasu 

( ) ( )

( ) ( )

z

Y

z

X

n

y

n

x

 

twierdzenie o splocie w dziedzinie częstotliwości 

( ) ( )

( )

( )

z

Y

z

X

j

n

y

n

x

π

2

1

 

(splot kołowy w dziedzinie transformaty) 

twierdzenie o różniczkowaniu w dziedzinie transformaty 

( )

( )

dz

z

dX

z

n

nx

 

 

background image

 

10. Przekształcenie Z.doc, 13/14 

PRZEKSZTAŁCENIE  

Z

 (cd) 

 

•  związek transformaty 

Z

 z transformatą Fouriera sygnału dyskretnego 

przyjmując 

θ

=

j

e

z

 (

θ

 - unormowana pulsacja) otrzymujemy 

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

θ

−∞

=

θ

−∞

=

θ

=

−∞

=

=

=

=

=

θ

j

n

n

j

n

n

j

e

z

n

n

e

X

e

n

x

e

n

x

z

n

x

z

X

j

 

(przekształcenie 

Z

 jest uogólnieniem przekształcenia Fouriera sygnału dyskretnego) 

transformata  Fouriera  jest  równoważna  transformacie 

Z

  dla  wszystkich 

z

  należących 

do okręgu jednostkowego 

 

 
 

θ

 

θ

 

e

 jθ

 

Im

 

z 

Re

 

z 

|X(e

 jθ

)|

 

π

 

 

 

10. Przekształcenie Z.doc, 14/14 

BIBLIOGRAFIA 

 

1.  Izydorczyk J., Płonka G., Tyma G.: Teoria sygnałów. Kompendium wiedzy na temat 

sygnałów i metod ich przetwarzania. Helion, Gliwice, 2006. 

2.  Zieliński T.P.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań. WKŁ, 

Warszawa 2005. 

3.  Papoulis A.: Obwody i układy. WKŁ, Warszawa, 1988. 

4.  Oppenheim A.V.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. WKŁ, Warszawa, 1979. 

5.  Proakis J.G., Manolakis D.G.: Digital Signal Processing. Principles, Algorithms, and 

Applications. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1996.