X(z) - mmt03
Download
Report
Transcript X(z) - mmt03
CHƯƠNG 3
BIẾN ĐỔI Z
Biến đổi Z
Một cách biểu diễn tín hiệu khác về mặt toán học: biến
đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền Z
Biến đổi Z của dãy x(n):
X (z)
Trong đó Z – biến số phức
n
x
(
n
)
z
n
Biểu thức trên gọi là biến đổi Z hai phía
Biến đổi Z một phía dãy x(n):
X ( z ) x ( n) z n
n 0
Biến đổi Z (tiếp)
Biến z: Điểm thuộc mặt phẳng z
z = a + jb hay z = rejδ
Im(z)
Re(z)
0
Ký hiệu:
Z
x(n)
1
Z
X(z)
X(z)
x(n)
Mặt phẳng Z
hay X(z) = Z{x(n)}
hay x(n) = Z-1{X(z)}
Miền hội tụ của biến đổi Z
Miền hội tụ của biến đổi Z - ROC (Region Of Convergence)
là tập hợp tất cả các giá trị Z nằm trong mặt phẳng phức sao cho X(z)
hội tụ.
Im(Z) R
Rx z Rx
Miền hội tụ (ROC) {z │ |X(z)| < ∞}
Chúng ta chỉ quan tâm X(z) tại những
điểm z thuộc ROC
Tiêu chuẩn Cauchy:
Một chuỗi có dạng:
Rx-
Re(z)
0
0
x(n) x(0) x(1) x(2)
n 0
hội tụ nếu:
x+
1
n
lim x( n) 1
n
Ví dụ 1:
Tìm biến đổi Z & ROC của:
X (z)
n
x
(
n
)
z
n
x(n) a nu(n)
a u(n)z a .z
n
n
n
lim az
n
n
az 1
n 0
/a/
1
X (z)
1 az 1
Nếu:
n 0
n
n
Im(z)
ROC
Theo tiêu chuẩn Cauchy,
X(z) sẽ hội tụ:
1n
n
1
0
1 z a
1
Vậy: X ( z )
; ROC : Z a
1
1 az
Re(z)
Ví dụ 2:
Tìm biến đổi Z & ROC của:
X (z)
n m
a 1z
m 1
a u(n 1)z
n
x
(
n
)
z
n
n
Re(z)
0
1
1n
1
n n
a
.z
/a/
1
X ( z ) a z 1
1
1 az
m 0
Nếu:
1
Im(z)
n
1 n
lim a z
n
1
Theo tiêu chuẩn Cauchy,
X(z) sẽ hội tụ:
n
n m
a 1z
m0
x(n) a nu(n 1)
za
ROC
Miền hội tụ của biến đổi Z
a. Dãy không nhân quả.
b. Dãy nhân quả.
c. Dãy phản nhân quả
CÁC TÍNH CHẤT BIẾN ĐỔI Z
Tuyến tính
Nếu:
Thì:
Z
x1 (n)
X1 ( z) : ROC R1
Z
x2 (n)
X 2 ( z) : ROC R 2
Z
a1 x1 (n) a2 x2 (n)
a1 X1 ( z) a2 X 2 ( z)
ROC = ROC1 ∩ ROC2 ∩ … ∩ ROCn
Ví dụ 3:
Tìm biến đổi Z & ROC của:
x(n) anu(n) bnu(n 1)
với
ab
Im(z)
ROC
Ta có:
1
Z
n
a u (n)
1 az 1
/a/
R1 : z a
0
Re(z)
Ví dụ 3 (tiếp)
Im(z)
1
b u ( n 1)
1 bz 1
Z
n
R2 : z b
/b/
Re(z)
0
ROC
Áp dụng tính chất tuyến tính, ta được:
1
1
a u(n) b u(n 1)
1
1 az
1 bz 1
n
n
Z
R R1 R2 : a z b
Im(z)
ROC /b/
Re(z)
0
/a/
Dịch theo thời gian
Nếu:
x(n)
X ( z) : ROC R
Thì:
Z
x(n n0 )
z n0 X ( z) : ROC R'
Với:
Z
R trừ giá trị z=0, khi n0>0
R'
R trừ giá trị z=∞, khi n0<0
Ví dụ 4:
x(n) a u(n 1)
n
Tìm biến đổi Z & ROC của:
Theo ví dụ trước:
1
a u (n)
; ROC : z a
1
1 az
n
Z
1
az
Z
Vậy: x(n) anu(n 1) a.an1u(n 1)
:za
1
1 az
Nhân với hàm mũ an
Nếu:
Z
x(n)
X ( z) : ROC R
Thì:
Z
a n x(n)
X (a 1 z ) : ROC a R
Ví dụ 5: Xét biến đổi Z & ROC của:
x1 (n) anu(n)
và
x2 (n) u(n)
1
x(n) u(n) X ( z ) u(n)z
;R : z 1
1
1 z
n
Z
1
1
a x( n) a u( n) X (az )
; R' : z a
1
1 az
n
n
Z
1
Đạo hàm X(z) theo z
Nếu: x(n)
X ( z) : ROC R
Z
Thì:
dX(z)
nx(n) z
: ROC R
dz
Z
Ví dụ 6: Tìm biến đổi Z & ROC của:
g (n) nanu(n)
Theo ví dụ trước:
1
x(n) a u (n) X ( z )
; ROC : z a
1
1 az
n
Z
1
dX
(
z
)
az
Z
:z a
g( n) nx ( n) G( z ) z
1 2
(1 az )
dz
Đảo biến số
Z
x
(
n
)
X ( z) : ROC R
Nếu:
Thì:
Z
x( n)
X (z-1 ) : ROC 1 R
Ví dụ 7: Tìm biến đổi Z & ROC của:
y(n) 1 a u(n)
n
Theo ví dụ trước:
1
x(n) a u (n) X ( z )
; ROC : z a
1
1 az
Z
n
y(n) 1 a u(n) a nu(n) x(n)
n
Áp dụng tính chất đảo biến số:
1
Y(z) X(z )
1
1 a z
1 1
1
; ROC : z 1 / a
1 az
Liên hiệp phức
Nếu:
Z
x(n)
X ( z) : ROC R
Thì:
Z
x * (n)
X * (z*) : ROC R
Tích 2 dãy
Nếu:
Z
x1 (n)
X1 ( z) : ROC R1
Z
x2 (n)
X 2 ( z ) : ROC R 2
Thì:
Z
x1 (n) x2 (n)
1
z 1
X
(
)
X
d : ROC R1 R 2
1
1
2 c
Định lý giá trị đầu
Nếu x(n) nhân quả thì:
x(0) Lim X(z)
Z
Ví dụ 8 : Tìm x(0), biết X(z)=e1/z và x(n) nhân quả
Theo định lý giá trị đầu:
x(0) lim X(z) lim e1/z 1
Z
Z
Tổng chập 2 dãy
Nếu:
Thì:
Z
x1 (n)
X1 ( z) : ROC R1
Z
x2 (n)
X 2 ( z) : ROC R 2
Z
x1 (n) * x2 (n)
X1 ( z ) X 2 ( z ) ;ROC có chứa R1 R2
Ví dụ 8: Tìm y(n) = x(n)*h(n), biết:
x(n) (0.5)n u(n) h(n) 2n u(n 1)
1
x( n) (0.5) u( n) X ( z )
; ROC : z 0.5
1
1 0.5z
1
Z
n
h( n) 2 u( n 1) H ( z )
; ROC : z 2
1
1 2z
n
Z
1
1
Y ( z) X ( z)H ( z)
.
; ROC : 0,5 z 2
1
1
(1 0.5z ) (1 2z )
Z-1
1
1
4
1
.
.
; ROC : 0,5 z 2
1
1
3 (1 0.5z ) 3 (1 2z )
1
4 n
n
y(n) x(n) * h(n) (0.5) u(n) 2 u (n 1)
3
3
TỔNG KẾT CÁC TÍNH CHẤT BIẾN ĐỔI Z
x(n)
X(z)
R
a1x1(n)+a2x2(n)
a1X1(z)+a2X2(z)
Chứa R1 R2
x(n-n0)
an x(n)
Z-n0 X(z)
X(a-1z)
R’
R
nx(n)
-z dX(z)/dz
R
x(-n)
X(z -1)
1/R
x*(n)
X*(z*)
R
x1(n)x2(n)
1
z 1
X
(
v
)
X
1
2 v dv
C
2j
v
R1 R2
x(n) nhân quả
x(0)=lim X(z ->∞)
x1(n)*x2(n)
X1(z)X2(z)
Chứa R1 R2
BIẾN ĐỔI Z MỘT SỐ DÃY THÔNG DỤNG
x(n)
X(z)
ROC
(n)
1
z
u(n)
1
1
1 z
/z/ >1
-u(-n-1)
an u(n)
-an u(-n-1)
nan u(n)
-nan u(-n-1)
1
1
1 az
az 1
1 2
(1 az )
/z/ <1
/z/ > /a/
/z/ < /a/
/z/ > /a/
/z/ < /a/
cos(on)u(n)
(1-z-1coso)/(1-2z-1coso+z-2)
/z/ >1
sin(on)u(n)
(z-1sino)/(1-2z-1coso+z-2)
/z/ >1
Biến đổi Z hữu tỉ – zero & pole
Zero của Biến đổi Z: các giá trị z sao cho X(z) = 0
Pole của Biến đổi Z: các giá trị của z sao cho X(z) = ∞
ROC không chứa bất kỳ pole nào
Ký hiệu trên mặt phẳng Z: zero – vòng tròn (o) và pole –
chữ thập (x)
1
X ( z)
1
1 0 .9 z
Biến đổi Z hữu tỉ
1
1 z
X ( z)
1
2
1 z 2z
Hữu ích để phân tích hệ LTI rời rạc thời gian
Việc xét tính chất hay thiết kế hệ có tính chất
nào đó → chỉ cần quan tâm trên vị trí của các
điểm zero-pole
Các cách biểu diễn
Biến đổi Z hữu tỉ
Vị trí pole và hành vi của t/h nhân quả ở miền
thời gian
Vị trí pole ảnh hưởng tính chất bị chận, phân kỳ
của tín hiệu nhân quả ở miền thời gian
Vị trí pole quyết định tính ổn định của hệ thống
nhân quả
Tính chất của tín hiệu ở miền thời gian, trong
trường hợp pole nằm ngoài hay trong hay trên
vòng tròn đơn vị
Hàm hệ thống của hệ LTI
Xác định y(n)
Tính X(z) và H(z)
Xác định Y(z)
Tìm y(n) bằng cách tính biến đổi
Z ngược của Y(z)
Hàm hệ thống trong miền Z
Hàm hệ thống của hệ LTI
N
M
k 1
k 1
y(n) ak y(n k ) bk x(n k )
M
Y ( z)
H ( z)
X ( z)
k
b
z
k
k 0
N
1 ak z
k 0
k
Biến đổi Z ngược
CÔNG THỨC BIẾN ĐỔI Z NGƯỢC
1
n1
x( n )
X
(
z
)
z
dz
2j C
Với C đường cong khép kín bao quanh gốc tọa độ trong mặt
phẳng phức, nằm trong miền hội tụ ROC của X(z), theo chiều
(+) ngược chiều kim đồng hồ
Các phương pháp biến đổi Z ngược:
Tính tích phân trực tiếp
Khai triển thành chuỗi theo biến z và z–1
Phân tích thành tổng các phân thức tối giản
Phương pháp tích phân trực tiếp
Định lý thặng dư Cauchy
Nếu đạo hàm df(z)/dz tồn tại trên và trong bao đóng
C và nếu f(z) không có pole tại z = z0
Tổng quát, nếu đạo hàm bậc k+1 của f(z) tồn tại và
f(z) không có pole tại z = z0
Vế phải của 2 biểu thức trên gọi là thặng dư của cực tại z = z 0
Khái niệm thặng dư tại điểm cực
Thặng dư tại điểm cực Zci bội k của F(z) được định nghĩa:
Re sF ( z )Z Zci
Thặng
1
d ( k 1)
k
F
(
z
)(
z
z
)
ci
( k 1)
(k 1)! dz
Z Z ci
dư tại điểm cực đơn Zci của F(z) được định nghĩa:
Re sF ( z)Z Zci F ( z)( z zci )Z Zci
Phương pháp:
Theo lý thuyết thặng dư, biểu thức biến đổi Z ngược theo tích
phân vòng được xác định bằng tổng các thặng dư tại tất cả
các điểm cực của hàm X(z)zn-1 :
Khái niệm thặng dư tại điểm cực (tiếp)
1
n1
x(n)
X
(
z
)
z
dz
2j C
Re s X ( z ) z n1 Z Zci
i
Trong đó:
Zci – các điểm cực của X(z)zn-1 nằm trong đường cong C
Res[X(z)zn-1]z=zci - thặng dư của X(z)zn-1 tại điểm cực zci
Tổng cộng các thặng dư tại tất cả các điểm cực, ta được x(n)
Ví dụ:
Tìm biến đổi Z ngược của:
z
X ( z)
( z 2)
Thay X(z) vào ta được
1
1
z
n1
n1
x(n)
X ( z) z dz
z dz
2j C ( z 2)
2j C
zn
Re s
( z 2)
Chọn C là đường cong khép kín nằm bên ngoài vòng tròn có bán
kính là 2
Ví dụ (tiếp)
n0: X ( z ) z
n 1
zn
có 1 điểm cực đơn Zc1=2
( z 2)
Im(z)
Thặng dư tại Zc1=2:
ROC
z
z
n
2
(
z
2
)
Res
(
z
2
)
(
z
2
)
Z 2
Z 2
n<0: X ( z ) z n1
Với: Zc1=2
2
n
n
1
1
( z 2) z n ( z 2) z m
Re(z)
0
C
Zc1=2 đơn,
Zc2=0 bội m
1
1
1
Res
(
z
2
)
m
m
m
( z 2) z Z 2 ( z 2) z
Z 2 2
Ví dụ (tiếp)
Với: Zc2=0 bội m:
1
1
d m1
1
m
Res
z
m
m 1
m
( z 2) z Z 0 (m 1)! dz ( z 2) z
Z 0
1 (m 1)!(1) m1
1
m
m
(m 1)!
(2)
2
Vậy, với n<0:
suy ra
zn 1
1
Res ( z 2) 2m 2m 0
x(n) 2n : n 0
hay
x(n) 2n u(n)
Khai triển thành chuỗi
Dựa vào tính duy nhất của Biến đổi Z, nếu
X(z) được khai triển thành
X ( z)
n
a
z
n
n
Theo định nghĩa biến đổi Z:
X ( z)
x(n) an
n
x
(
n
)
z
n
Nếu X(z) hữu tỉ, phép khai triển được thực hiện bằng phép chia
Phương pháp này chỉ được dùng để xác định giá trị vài mẫu
đầu của tín hiệu
Ví dụ:
Tìm x(n) biết:
X ( z) ( z 2 1)(1 2z 1 3z 2 )
ROC : 0 z
Khai triển X(z) ta được:
1
X ( z) z 2 z 4 2z 3z
2
Suy ra:
x(n) {1,-2, 4,-2,3}
2
2
n
x
(
n
)
z
n 2
Ví dụ:
Tìm x(n) biết:
1
X ( z)
: z 2
1
1 2z
Do ROC của X(z) là /z/>2, nên x(n) sẽ là dãy nhân quả và sẽ
được khai triển thành chuỗi có dạng:
1
2
X ( z ) an z n a0 a1z a2 z
n 0
Để có dạng trên, thực hiện phép chia đa thức dưới đây:
1
1 - 2z-1
1 2 z 1
1 2 z 1 22 z 2
2 z 1
2 z 1 - 22 z-2
22 z-2
..............
X ( z ) 2n z n
n 0
x(n) 2n : n 0 2n u(n)
Ví dụ:
Tìm x(n) biết:
1
X ( z)
: z 2
1
1 2z
Do ROC của X(z) là /z/<2, nên x(n) sẽ là dãy phản nhân quả
và sẽ được khai triển thành chuỗi có dạng:
X ( z)
1
2
3
n
a
z
a
z
a
z
a
z
n
1
2
3
n 1
Để có dạng trên, thực hiện phép chia đa thức dưới đây:
1
- 21 z-1 1
1 21 z1
21 z1 22 z 2 23 z 3
21 z1
21 z1 - 2-2 z 2
2-2 z 2
..............
X ( z)
n n
2
z
n 1
x(n) 2n : n 0 2n u(n 1)
Phân tích thành tổng các phân thức tối
giản
Xét X(z) là phân thức hữu tỉ có dạng:
D( z ) d K z K d K 1 z K 1 ... d1 z d 0
X ( z)
B( z ) bN z N bN 1 z N 1 ... b1z b0
với:
K, N 0
Nếu K>N, thực hiện phép chia đa thức, ta được:
D( z )
A( z )
aM z M aM 1 z M 1... a1 z a0
C ( z)
X ( z)
C ( z)
bN z N bN 1 z N 1 ... b1z b0
B( z )
B( z )
Ta được C(z) là đa thức và phân thức A(z)/B(z) có bậc MN
Nếu KN, thì X(z) có dạng giống phân thức A(z)/B(z)
Phân tích thành tổng các phân thức tối
giản (tiếp)
Việc lấy biến đổi Z ngược đa thức C(z) là đơn giản, vấn đề
phức tạp là tìm biến đổi Z ngược A(z)/B(z) có bậc MN
Xét X(z)/z là phân thức hữu tỉ có bậc MN :
X ( z ) A( z ) aM z M aM 1 z M 1... a1 z a0
z
B( z ) bN z N bN 1 z N 1 ... b1z b0
Xét đén các điểm cực của X(z)/z, hay nghiệm của B(z) là
đơn, bội và phức liên hiệp
Xét X(z)/z có các điểm cực đơn:
zc1, zc2, zc3,…. zcN,
A( z )
X ( z ) A( z )
z
B( z ) bN ( z zc1 )( z zc 2 )( z zcN )
Theo lý thuyết hàm hữu tỉ, X(z)/z phân tích thành:
N
K1
K2
KN
Ki
X ( z ) A( z )
( z zcN ) i 1 ( z zci )
z
B( z ) ( z zc1 ) ( z zc 2 )
Với hệ số Ki xác định bởi:
X ( z)
Ki
( z zci )
z
Z Z ci
hay
A( z )
Ki
B' ( z ) Z Z
ci
Xét X(z)/z có các điểm cực đơn (tiếp)
Suy ra X(z) có biểu thức:
N
K1
K2
KN
Ki
X ( z)
1
1
1
(1 zc1z ) (1 zc 2 z )
(1 zcN z ) i1 (1 zci z 1 )
Xét:
Ki
X i ( z)
(1 zci z 1 )
Nếu ROC: /z/ > /zci/
xi (n) Ki ( zci ) u(n)
Nếu ROC: /z/ < /zci/
xi (n) Ki ( zci )n u(n 1)
Vậy:
N
x(n) xi (n)
i 1
n
Ví dụ
Tìm x(n) biết:
2 z 2 5z
X ( z) 2
z 5z 6
với các miền hội tụ: a) /z/>3, b) /z/<2, c) 2</z/<3
2z 5
K1
K2
X ( z)
2z 5
2
z
z 5 z 6 ( z 2)( z 3) ( z 2) ( z 3)
Với các hệ số được tính bởi:
2z 5
X ( z)
1
K1
( z 2)
( z 3) Z 2
z
Z 2
X ( z)
2z 5
1
K2
( z 3)
z
Z 3 ( z 2) Z 3
Ví dụ (tiếp)
1
1
X ( z)
1
1
X ( z)
1
1
(
1
2
z
)
(
1
3
z
)
z
( z 2) ( z 3)
1
1
X ( z)
1
(1 2 z ) (1 3z 1 )
Với các miền hội tụ:
a) /z/ > 3 :
x(n) 2n u(n) 3n u(n)
b) /z/ < 2 :
x(n) 2n u(n 1) 3n u(n 1)
c) 2</z/<3 :
x(n) 2n u(n) 3n u(n 1)
Xét X(z)/z có điểm cực Zc1 bội r và các
điểm cực đơn: Zc(r+1),…,ZcN,
A( z )
X ( z ) A( z )
r
b
(
z
z
)
z
B( z ) N
c1 ( z zc ( r 1) ) ( z zcN )
Theo lý thuyết hàm hữu tỉ, X(z)/z phân tích thành:
X ( z)
K1
K2
Kr
2
r
z
( z zc1 ) ( z zc1 )
( z zc1 )
r
N
K r 1
KN
Ki
Kl
i
( z zc ( r 1) )
( z zcN ) i 1 ( z z1 ) l r 1 ( z zcl )
Xét X(z)/z có điểm cực Zc1 bội r .. (tiếp)
Với hệ số Ki xác định bởi:
1 d ( r i )
Ki
(r i)! dz ( r i )
X ( z)
X( z)
r
hay
Kl
( z zcl )
z (z z c1 )
z
Z Z cl
Z Z c1
Với giả thiết ROC của X(z): /z/ > max{ /zci/ }: i=1N,
biến đổi Z ngược của thành phần Ki/(z-zci)r sẽ là:
n i 1
1
z
n
(
n
1
)...(
n
i
2
)
a
Z
u ( n)
i
(i 1)!
z a
Vậy ta có biểu thức biến đổi Z ngược là:
N
n(n 1)...(n i 2)a ni 1
x ( n) K i
u (n) Kl ( zcl ) nu (n)
(i 1)!
i 1
l r 1
r
Ví dụ
Tìm x(n) biết:
2 z3 5 z 2 4 z
X ( z)
( z 2) 2 ( z 1)
ROC : z 2
K1
K2
K3
X ( z)
2z2 5z 4
2
2
z
( z 2) ( z 1) ( z 2) ( z 2)
( z 1)
Với các hệ số được tính bởi:
1
d ( 21) X ( z )
d 2 z 2 5z 4
2
K1
( z 2)
1
( 21)
(2 1)! dz
z
Z 2 dz ( z 1) Z 2
Ví dụ (tiếp)
1
d ( 2 2 ) X ( z )
2 z 2 5z 4
2
K2
( z 2)
2
( 2 2 )
( z 1) Z 2
(2 2)! dz
z
Z 2
2 z 2 5z 4
X ( z)
1
K3
( z 1)
2
( z 2)
z
Z 1
Z 1
Vậy X(z)/z có biểu thức là:
X ( z)
1
2
1
2
z
( z 2) ( z 2) ( z 1)
1
2 z 1
1
X ( z)
1
1 2
(1 2 z ) (1 2 z )
(1 z 1 )
x(n) 2n u(n) n2n u(n) u(n)
ROC : z 2
X(z)/z có cặp điểm cực Zc1 và Zc1* phức liên
hiệp, các điểm cực còn lại đơn: Zc3,…,ZcN
A( z)
X ( z ) A( z )
z
B( z ) bN ( z zc1 )( z zc*1 )( z zc3 )( z zcN )
X(z)/z được phân tích thành:
X ( z)
K1
K2
K3
KN
*
z
( z zc1 ) ( z zc1 ) ( z zc3 )
( z zcN )
N
X ( z)
K1
K2
Ki
*
z
( z zc1 ) ( z zc1 ) i 3 ( z zci )
Với các hệ số K1, Ki được tính giống điểm cực đơn:
X( z )
Ki
( z zci )
: i 1 N
z
Z Z ci
X(z)/z có cặp điểm cực Zc1 và Zc1* … (tiếp)
Do các hệ số A(z), B(z) là thực, nên K2=K1*
Xét :
X1 (z)
K1
K1 *
z
( z zc1 ) ( z z*c1 )
K1
K1 *
X1 (z)
1
(1 z c1z ) (1 z*c1z 1 )
Và giả thiết ROC: /z/>max{/zci/}:
Nếu gọi:
K1 K1 e j
zc1 zc1 e j
u( n )
x1 n K1 zc1 K z
n
*
1
2 K1 zc1 cos( n )u( n )
N
n
n
x( n ) 2 K1 zc1 cos( n ) Ki zci u( n )
i 3
n
Vậy:
* n
c1
z
Ví dụ: Tìm x(n) biết: X ( z) 2
:z 2
( z 2 z 2)( z 1)
X ( z)
1
1
2
z
( z 2 z 2)( z 1) z (1 j )z (1 j )( z 1)
K1
K1*
K3
z (1 j ) z (1 j ) ( z 1)
1
1
K1
z (1 j )( z 1) Z 1 j 2
1
K3 2
1
( z 2 z 2) Z 1
1/ 2
1/ 2
1
X ( z)
1
1
1 (1 j ) z
1 (1 j ) z
(1 z 1 )
x(n) ( 2 ) cos( n
n
4
)u (n) u (n)
z 2
HẾT CHƯƠNG 3