数字信号处理第二章-课件.ppt
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- 数字信号 处理 第二 课件
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1、2-1 2-1 引言 信号与系统的分析方法有时域、变换域两种。一.时域分析法 1.连续时间信号与系统:信号的时域运算,时域分解,经典时域 分析法,近代时域分析法,卷积积分。2.离散时间信号与系统:序列的变换与运算,卷积和,差分方程 的求解。二.变换域分析法 1.连续时间信号与系统:信号与系统的频域分析(FT)、复频域 分析(LT)。2.离散时间信号与系统:Z变换,DFT(FFT)。Z变换可将差分方程转化为代数方程。nnznxnxZzX)()()(2-2 Z变换的定义及收敛域一.Z变换定义:序列的Z变换定义如下:,arg jTSTtzezeSjZezt 模,*实际上,将x(n)展为z-1的幂级数
2、。Z是复数。二.收敛域 1.定义:使序列x(n)的z变换X(z)收敛的所有z值的 集合称作X(z)的收敛域.2.收敛条件:X(z)收敛的充要条件是绝对可和。绝对可和。Mznxnn)(即:3.一些序列的收敛域(1).预备知识 阿贝尔定理:如果级数 ,在 收敛,那么,满足0|z|z+|的z,级数必绝对收 敛。|z+|为最大收敛半径。)0(zz 0)(nnznxRezImzjzRezImzjz 同样,对于级数 ,满足 的 ,级数必绝对收敛。|z_|为最小收敛半径。0)(nnznxzzz0n (n).x(2).有限长序列nnnnnxnx其他,0),()(21;)(,)()(2121nnnznxznxz
3、Xnnnnn,若;)(21nnnznxn,是有界的,必有考虑到2n1n平面”。即所谓“有限,外的开域也就是除所以收敛域,则只要时,同样,当,则只要时,因此,当zzzzzzzznzzzznnnnnnn),0(,00,00,/10RezImzj11,0),()(nnnnnxnx1110)()()()(nnnnnnnnznxznxznxzXx(n)n0n1.1.(3).右边序列*第一项为有限长序列,第二项为z的负幂级数,xRRezImzj收敛域第一项为有限长序列,其收敛域为0|z|;第二项为z的负幂次级数,由阿贝尔定理可知,其收敛域为 Rx-|z|;两者都收敛的域为两者的公共部分即 Rx-|z|;R
4、x-为最小收敛半径。(4)因果序列 它是一种最重要的右边序列,由阿贝尔 定理可知收敛域为:0,00),()(nnnxnxzRx2210)()()()(nnnnnnnnznxznxznxzX(5)左边序列22,0),()(nnnnnxnxx(n)0n n2xRz0故收敛域为 z0 xRRezImzjxRz第二项为有限长序列,其收敛域 ;第一项为z的正幂次级数,根据阿贝尔定理,其收敛域为 ;为最大收敛半径.xRz0 双边序列指n为任意值时,x(n)皆有值的序列,即左边序列和右边序列之和。01)()()()(nnnnnnznxznxznxzX(6)双边序列0nX(n)第二项为左边序列,其收敛域为:第
5、一项为右边序列(因果)其收敛域为:xRz0 xRzxRRezImzjxR当Rx-|z|时,这是无穷递缩等比级数,收敛。RezImzjb收敛域:bz*收敛域一定在模最小的极点所在的圆内。(左边序列)bzzzbzbzX111)(故其和为2-3 Z反变换一.定义:已知X(z)及其收敛域,反过来求序列x(n)的变换称作Z反变换。)()(1zXZnx记作:),(,)(21)(,)()(1xxcnxxnnRRcdzzzXjnxRzRznxzX反:正:ImzjRezxRxRz变换公式:C为环形解析域内环绕原点的一条逆时针闭合单围线.0c1.留数法 由留数定理可知:cmzznnckzznnmkzzXsdzzz
6、XjzzXsdzzzXj)(Re)(21)(Re)(211111 为c内的第k个极点,为c外的第m个极点,Res 表示极点处的留数。mzkz二.求Z反变换的方法 2、当Zr为l阶(多重)极点时的留数:rrzznlrllzznzzXzzdzdlzzXs)()()!1(1)(Re1111留数的求法:1、当Zr为一阶极点时的留数:rrzznrZZnzzXzzzzXs)()()(Re11例2-4 已知解:1)当n-1时,不会构成极点,所以这时C内只有一个一阶极点因此441,)41)(4()(2zzzzzX)41)(4()(11zzzzzXnn1nz41rz1,4151414)41()41)(4/(Re
7、)(1411nzzzsnxnnzn,求z反变换。2)当n-2时,X(z)zn-1中的zn+1构成n+1阶极点。因此C内有极点:z=1/4(一阶),z=0为(n+1)阶极点;而在C外仅有 z=4(一阶)这个极点:2,4151414)4()41)(4/(Re)(2141nzzzsnxnnzn2,41511,4151)(2nnnxnn因此2.2.部分分式法部分分式法 有理式:数字和字符经有限次加、减、乘、除运算有理式:数字和字符经有限次加、减、乘、除运算 所得的式子。所得的式子。有理分式:含字符的式子做分母的有理式,或两个多项有理分式:含字符的式子做分母的有理式,或两个多项 式的商。分子的次数低于分
8、母时称为真分式。式的商。分子的次数低于分母时称为真分式。部分分式:把部分分式:把x的一个实系数的真分式分解成几个分式的一个实系数的真分式分解成几个分式 的和,使各分式具有的和,使各分式具有 或或 的形式的形式 ,其中,其中x2+Ax+B是实数范围内的不可约是实数范围内的不可约 多项式,而且多项式,而且k k是正整数。这时称各分式为原是正整数。这时称各分式为原 分式的分式的“部分分式部分分式”。kAxa)(kBAxxbax)(2通常,通常,X(z)X(z)可表示成可表示成有理分式形式:有理分式形式:因此,X(z)可以展成以下部分分式形式其中,MN时,才存在Bn;Zk为X(z)的各单极点,Zi为X
9、(z)的一个k阶极点。而系数Ak,Ck分别为:iNiiMiiizazbzAzBzX101)()()(rkkikrNkkkNMnnnzzCzzAzBzX11110)1(1)(rkzzrikrkrkzzkikzzxzzdzdkrCzzXsA2,1,)()()!(1)(Re2,)5.01()21(1)(11zzzzX5.02)5.0)(2()()5.0)(2()5.01)(21(1)(21211zAzAzzzzzXzzzzzzX的z反变换。例2-5利用部分分式法,求解:分别求出各部分分式的z反变换(可查 P54表2-1),然后相加即得X(z)的z反变换。5.031234)(31)()5.0(34)(
10、)2(5.0221zzzzzXzzXzAzzXzAzz0,00,)5.0(31234)(1.254,2nnnxpznn得表查又3.幂级数展开法幂级数展开法(长除法长除法)因为 x(n)的Z变换为Z-1 的幂级数,即 所以在给定的收敛域内,把X(z)展为幂级数,其系数就是序列x(n)。如收敛域为如收敛域为|z|z|R Rx+x+,x(n)(n)为因果序列,则为因果序列,则X(z)X(z)展成展成Z Z的负幂级数。的负幂级数。若若 收敛域收敛域|Z|Z|R Rx-x-,x(n)(n)必为左边序列,主要展成必为左边序列,主要展成Z Z的正幂级数。的正幂级数。2102)2()1()0()1()2()(
11、)(zxzxzxzxzxznxzXnn 例例2-6 2-6 试用长除法求试用长除法求的的z z反变换。反变换。解:收敛域为环状,极点z=1/4对应因果序 列,极点z=4对应左边序列(双边序列)441,)41)(4()(2zzzzzX*双边序列可分解为因果序列和左边序列。*应先展成部分分式再做除法。15141441)()41(15164144)()4(41241zzzzXzAzzXzA414)41)(4()(21zAzAzzzzzX)41416(1514115141516)(4115/1415/16)(zzzzzzzzzXzzzzX 4-Z)4Z+Z +Z +Z +Z +241311645164
12、.16 Z16 Z-4 Z 24 Z 4 Z -Z Z Z -Z Z Z -Z Z 2233314141444411655116.Z-)Z141+Z +Z +Z 14-1116-2164-3.Z-141414-Z116-1 Z116-1 Z116-1-Z164-2 Z164-2 Z164-2-Z1256-3 Z1256-3.0,)41(1511,)4(151)()641641441664(151)(23212345nnnxzzzzzzzzzXnn进而得:得2-4 2-4 Z Z变换的基本性质和定理变换的基本性质和定理如果则有:yyxxRzRzYnyZRzRzXnxZ,)()(,)()(*即满足
13、均匀性与叠加性;*收敛域为两者重叠部分。1.1.线性线性),min(),max(),()()()(yxyxRRzRRzbYzaXnbynaxZ例2-7已知 ,求其z变换。)()cos()(0nunnx1,111121)()cos(1,11)(1,11)(,11)()(21)()cos(11011100000000000zzezenunZezzenueZezzenueZazaznuaZnueenunjjjjnjjjnjnnjnj因此,解:2.2.序列的移位序列的移位xxmRzRzXzmnxZ;)()(如果则有:xxRzRzXnxZ,)()(例2-8 求序列x(n)=u(n)-u(n-3)的z变换
14、。1,111)(1,11)3(1,1)(22223zzzzzzzznxZzzzzzznuZzzznuZ3.3.Z Z域尺度变换域尺度变换(乘以指数序列乘以指数序列)xxnRazRaazXnxaZ;)()(xxRzRzXnxZ,)()(如果,则证明:xxxxnnnnnnRazRaRazRazXaznxznxanxaZ即;)()()()(4.4.序列的序列的线性加权线性加权(Z Z域求导数域求导数)如果xxRzRzXnxZ,)()(,则xxRzRzXdzdznnxZ,)()(证明:dzzdXznnxZznnxzznnxzdzdnxznxdzddzzdXznxzXnnnnnnnnnn)()()()(
15、)()()()(,)()(11即,对其两端求导得5.共轭序列的共轭序列。为其中,)()(;)()(*nxnxRzRzXnxZxx如果xxRzRzXnxZ,)()(,则证明:;)()()()()(*xxnnnnnnRzRzXznxznxznxnxZ,6.翻褶序列xxRzRzXnxZ11;)1()(如果xxRzRzXnxZ,)()(,则证明:xxxxnnnnnnRzRRzRzXznxznxznxnxZ11)1()()()()(11即,。,则对于因果序列)(lim)0()(zXxnxz7.7.初值初值定理定理证明:)0()(lim,)2()1()0()()()()(210 xzXzxzxxznxzn
16、unxzXznnnn显然8.终值定理11)(Re)()1(lim)(lim1)()()(zznzXszXznxznxZzXnx阶极点,则有处有一单位圆上在单位圆内,且只允许的极点,且对于因果序列证明:(接下页)得:为因果序列这一特性可利用nmmnnnnnzmxmxznxnxzXznxznxnxzXznxnxZ11)()1(lim)()1()()1()()()1()()1()()1(又由于只允许X(z)在z=1处可能有一阶极点,故因子(z-1)将抵消这一极点,因此(z-1)X(z)在上收敛。所以可取z 1的极限。z1)(lim)()1(lim)(lim)1(lim)()1()0()1(0)0(l
17、im)()1(lim)()1(lim111nxzXznxnxnxnxxxxmxmxzXznznnnnmnz9.9.有限项累加特性有限项累加特性nmxxRzzXzzmxZRznxZzXnx0 1,max),(1)(,),()()(则,且对于因果序列证明:,交换求和次序,得的取值范围分别为可知,令,0,)()()(),()(0000 nmmnmnzmxmxZnyZmxnynnmnnmnm 1,max),(1)(1111)()1()()()()(00110210000 xmmmmmmmmnnnnnmnmRzzXzzzmxzzzmxzzzmxzmxzmxmxZ10.10.序列的卷积和序列的卷积和(时域
18、卷积定理时域卷积定理),min,max)()()()(,)()(,)()()()()()()(hxhxnnxxmRRzRRzHzXnyZzYRzRnhZzHRzRnxZzXmnhmxnhnxny则有:,而且如果证明:,min,max),()()()()()()()()()()()()()(hxhxmmlmlmnnmnnmnnRRzRRzHzXzHzmxzzlhmxzmnhmxzmnhmxznhnxnhnxZ例2-9.),()()(),1()()(),()(1abnhnxnynuabnubnhnuanxnnn求已知)()()()()(.)()()()()()(;,)()(;,)()(11nubz
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