10. Przekształcenie Z.doc, 1/14
10. Przekształcenie Z.doc, 2/14
PRZEKSZTAŁCENIE Z 1
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
• przekształcenie Z jest efektywnym narzędziem do analizy i syntezy sygnałów i układów
• przekształcenie Z nie jest zbieżne dla wszystkich wartości zmiennej z , niezbędne staje czasu dyskretnego i jest odpowiednikiem przekształcenia Laplace’a dla układów czasu się zbadanie warunków zbieżności
ciągłego
•
• zbiór wartości z , dla których transformata
transformatą Z ciągu (funkcji argumentu całkowitego) { x( n)} jest funkcja zespolona
Z danego ciągu jest zbieżna (osiąga
skończoną wartość) nazywa się obszarem zbieżności, oznaczanym jako ROC ( ang.
zmiennej zespolonej z zdefiniowana równaniem
Region of Convergence)
∞
X ( z)
∑ x( n) −
=
n
z
przykład 1
n=−∞
gdzie:
X ( z) - transformata Z ciągu { x( n)}, inaczej X ( z) = Z{ x( n)}
1
−
2
−
−
1. x( n) = ,
1 ,
3 ,
4 ,
0
3
⇒ X ( z)
4
=1+ 3 z + 4 z + 3 z , ROC: z > 0
z
- zmienna zespolona
↑
• powyższa transformata nazywana jest transformatą dwustronną
• transformata Z jednostronna określona jest wyrażeniem
−
x n =
2
⇒ X z = z + z + +
0 < z <
∞
2. ( )
,
1 ,
3
,
4 ,
0
3
( )
2
3
4 3 z
, ROC:
∞
↑
X ( z)
∑ x( n) −
=
n
z
n =0
3. x( n) = δ( n) ⇒ X ( z) = 1 , ROC: z ≥ 0
• dla ciągów przyczynowych obie transformaty są równoważne
z przytoczonych przykładów można zauważyć, że transformata Z jest prostym, alternatywnym przedstawieniem sygnału, w którym współczynnik przy zmiennej 1 opracowano na podstawie [1-5], wersja z dnia 02.10.2014
zespolonej z stanowi wartość próbki sygnału a wykładnik zmiennej zespolonej z zawiera informację o położeniu próbki w czasie
materiał nie jest pełnym i ścisłym pod względem formalnym opracowaniem poszczególnych tematów, stanowi jedynie szkielet, wokół którego budowany jest wykład
10. Przekształcenie Z.doc, 3/14
10. Przekształcenie Z.doc, 4/14
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
przykład 2
• jeśli zmienną zespoloną z przedstawimy w postaci wykładniczej n
1
j arg z
x( n) = (
1 n)
=
z
z e
2
wówczas można udowodnić, że transformata Z danego ciągu jest zbieżna w pierścieniu
2
3
n
płaszczyzny zmiennej z
x( n) 1 1 1
1
= ,
1 , , ,..., ,
...
2 2 2
2
r < z < r
1
2
2
n
∞
n
gdzie: r
r
1 może osiągać wartość zero, natomiast 2 może dążyć do nieskończoności X ( z)
1 −1 1 −2
1 −
=1+ z +
n
1
z +... + z + ... = ∑
−1
z
2
2
2
Im z
Im z
Im z
n=
2
0
r 2
r 2
wyznaczając sumę nieskończonego szeregu geometrycznego otrzymujemy r
r
1
1
Re z
Re z
Re z
1
X ( z)
1
=
, ROC: z >
1
1
2
1
−
− z
2
• określenie obszaru zbieżności jest bardzo istotne; istnieją funkcje posiadające identyczne z przytoczonego przykładu można zauważyć, że transformata Z umożliwia uzyskanie transformaty Z , różniące się jedynie obszarem zbieżności; zatem transformata Z jest alternatywnej, znacznie bardziej zwartej reprezentacji sygnału wzajemnie jednoznaczna po uwzględnieniu obszaru zbieżności
10. Przekształcenie Z.doc, 5/14
10. Przekształcenie Z.doc, 6/14
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
przykład 3
przykład 3 (cd)
n
n
wyznaczyć transformatę Z sygnałów x( n) = α
(
1 n) oraz y( n) = −α (
1 − n − )
1 ,
0 < α < 1
n
ad y( n) = −α
(
1 − n − )
1
n
Im z
ad x( n) = α
(
1 n)
y( n)
Im
n
z
-3 - 2 - 1
α
Re z
0 1 2 3
x( n)
1
α
Re z
-1
n
0 1 2 3
1
−
∞
podst.
:
k
Y ( z) = ∑(− α n ) −
z n =
= −∑( 1−
α z)
1
∞
∞
=
n
1
−
k = − n
− α
X ( z)
n −
=
α z n =
∑
∑( 1−
α z )
1
=
n=−∞
k =
1
z
1
1
−
n=
− α
0
n=0
1
z
ROC: z < α
ROC: z > α
10. Przekształcenie Z.doc, 7/14
10. Przekształcenie Z.doc, 8/14
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
• obszarem zbieżności dla ciągu ograniczonego, czyli o elementach niezerowych dla
• ważną klasą transformat Z są transformaty będące funkcjami wymiernymi, tzn. będące n ≤ n ≤ n , jest cała płaszczyzna zmiennej zespolonej z oprócz z = ∞ , jeśli n < 0
stosunkami wielomianów zmiennej z
1
2
1
oraz oprócz z = 0 , jeśli n > 0
•
X z =
2
pierwiastkami wielomianu licznika są te wartości zmiennej z , dla których ( ) 0,
nazywa się je zerami funkcji X ( z)
• obszarem zbieżności dla ciągu prawostronnego, czyli o elementach niezerowych dla n ≥ n , jest obszar na zewnątrz koła oprócz z = ∞ , jeśli n < 0 ; jeśli ciąg jest
• wartości zmiennej z , dla których X ( z) dąży do nieskończoności nazywa się biegunami 1
1
przyczynowy, tzn. jeśli n ≥ 0 , to obszar zbieżności jest zewnętrze koła z włączeniem funkcji X ( z) , dodatkowo bieguny mogą występować dla z = 0 lub z = ∞
1
punktu w nieskończoności
• bieguny transformaty X ( z) nie mogą występować w obszarze zbieżności, ponieważ
• obszarem zbieżności dla ciągu lewostronnego, czyli o elementach niezerowych dla transformata Z nie jest zbieżna w biegunie
n ≤ n , jest obszar wewnątrz koła oprócz z = 0 , jeśli n > 0 ; jeśli ciąg niezerowy dla 2
2
• bieguny transformaty Z sygnału (układu) stabilnego mieszczą się wewnątrz koła n < 0 to obszar zbieżności obejmuje punkt z = 0
jednostkowego
Im z
• obszarem zbieżności dla ciągu nieograniczonego (dwustronnego), czyli o elementach r 1
j
niezerowych dla − ∞ < n < ∞ , jest obszar wewnątrz pierścienia (lub transformata nie jest Re z
zbieżna)
1
• obszarem zbieżności przyczynowego sygnału stabilnego jest obszar na zewnętrz koła o promieniu co najmniej z ≥ 1
10. Przekształcenie Z.doc, 9/14
10. Przekształcenie Z.doc, 10/14
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
• odwrotne przekształcenie Z określone jest wyrażeniem Właściwości przekształcenia Z
1
x( n) =
zn 1 X ( z)
∫ −
dz
• obszar zbieżności wymiernej transformaty Z nie może zawierać żadnych biegunów, 2π j
jest on zatem ograniczony przez bieguny, przez zero, lub nieskończoność (transformata Z nie jest zbieżna w biegunie)
gdzie operacja całkowania odbywa się po konturze zamkniętym, obejmującym początek płaszczyzny zespolonej, leżącym całkowicie wewnątrz obszaru zbieżności funkcji X ( z)
• twierdzenia graniczne
• stosowane są najczęściej trzy metody wyznaczania odwrotnej transformaty Z
suma wszystkich próbek sygnału równa jest transformacie Z tego sygnału dla z = 1
∞
- bezpośrednie obliczenie powyższej całki po konturze zamkniętym, ze względu na
∑ x( n)= X( )1
trudności w całkowaniu zazwyczaj korzysta się z twierdzenia Cauchy’ego o residuach n=−∞
1
−
- rozwijanie transformaty Z w szereg potęgowy względem z (dzielenie wielomianów) jeśli x( n) jest przyczynowe to
- rozkład transformaty Z na ułamki (przedstawienie transformaty w postaci liniowej lim X ( z) = x(0)
→∞
kombinacji składników, których odwrotne transformaty Z mogą być łatwo obliczone lub z
odczytane z tablic)
10. Przekształcenie Z.doc, 11/14
10. Przekształcenie Z.doc, 12/14
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
Właściwości przekształcenia Z (cd)
twierdzenie o splocie w dziedzinie czasu
• dane są pary transformat
x( n) ↔ X ( z)
x( n)∗ y( n) ↔ X ( z) Y ( z) oraz y( n) ↔ Y ( z)
właściwości
twierdzenie o splocie w dziedzinie częstotliwości
twierdzenie o liniowości
ax( n) + by( n) ↔ aX ( z) + bY ( z) 1
x( n) y( n) ↔
X ( z)⊗ Y ( z)
2π j
twierdzenie o przesunięciu w dziedzinie czasu
(splot kołowy w dziedzinie transformaty)
x( n − n
−
↔
0 )
z n 0 X ( z)
twierdzenie o różniczkowaniu w dziedzinie transformaty
(stąd
1
−
z - operator opóźnienia jednostkowego)
nx( n)
dX ( z)
↔ −
x( n)
y( n)= x( n-1)
z
z-1
dz
twierdzenie o mnożeniu przez ciąg wykładniczy (zespolony)
x( n) an
X ( a 1
−
↔
z)
10. Przekształcenie Z.doc, 13/14
10. Przekształcenie Z.doc, 14/14
PRZEKSZTAŁCENIE Z (cd)
BIBLIOGRAFIA
• związek transformaty Z z transformatą Fouriera sygnału dyskretnego 1. Izydorczyk J., Płonka G., Tyma G.: Teoria sygnałów. Kompendium wiedzy na temat θ
przyjmując z =
j
e ( θ - unormowana pulsacja) otrzymujemy
sygnałów i metod ich przetwarzania. Helion, Gliwice, 2006.
2. Zieliński T.P.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań. WKŁ,
∞
∞
∞
−
− n
θ
n
j
− jθ n
jθ
Warszawa 2005.
X ( z) = ∑ x( n) z
=
x n e
x n e
X e
θ
j
∑ ( )( ) = ∑ ( )
= ( )
z =
3. Papoulis A.: Obwody i układy. WKŁ, Warszawa, 1988.
n=−∞
e
n=−∞
n=−∞
4. Oppenheim A.V.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. WKŁ, Warszawa, 1979.
(przekształcenie Z jest uogólnieniem przekształcenia Fouriera sygnału dyskretnego) 5. Proakis J.G., Manolakis D.G.: Digital Signal Processing. Principles, Algorithms, and transformata Fouriera jest równoważna transformacie Z dla wszystkich z należących Applications. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1996.
do okręgu jednostkowego
Im z
|X( e jθ)|
j
e jθ
Re z
θ
θ
1
π
2π