《数字信号处理》学习08-围线积分法(留数法)计算z 逆变换
目录
一,z逆变换相关概念
二,留数定理相关概念
三,习题
一,z逆变换相关概念
接下来开始学习z变换的反变换-z逆变换(z反变化)。
由象函数 求它的原序列
的过程就称为
逆变换。即
。
求z逆变换的方法通常有三种:围线积分法,部分分式展开法和长除法。
由于原序列 就是罗朗级数
,因此用围线积分法求z逆变换的积分公式如下👇
,
可以看到上式比较复杂,如果直接计算围线积分,会比较麻烦,因此可以借助复变函数的留数定理来计算出围线积分的结果。
二,留数定理相关概念
在使用留数定理之前,需要知道的基础知识点如下(也可以去看《复变函数》这本书):
- 复值函数:是指其值域为复数的函数(输入输出都是复数)。例如求z逆变换的积分公式中的
就是复值函数,输入(自变量)z 是复数,输出(因变量)
也是复数。为了简化运算过程,一般令
- 解析函数(也叫全纯函数):在某个区域内可以用幂级数展开的复值函数(如果复值函数在某一点可微,在该点的领域内也可微,则称之为解析函数)。
解析函数有一个很重要的性质:导数存在。
导数存在可以推出该函数具有可微性(在复分析中,如果一个解析函数的导数存在,那么该函数在其定义域内是可微的。),也可以知道该函数具有连续性。 - 留数:用 Res(复值函数,孤立奇点) 表示。由于积分公式中有复值函数
,因此可以假设复值函数为
,同时假设存在孤立奇点
,则留数可表示为
。
- 孤立奇(qi)点:是指一个复函数在某一点的邻域内不定义或不解析,但在该点的某个邻域外是解析的。奇点又称为奇异点。
假设复函数在
处是奇点, 那么孤立奇点可以分为以下三类:
1)本性奇点:极限不存在。
2)可去奇点:极限存在且有限。
3)极点:极限存在且为无穷。
在使用围线积分法求逆变换的计算中孤立奇点都找极点位置。即
- 留数定理:通过计算留数的结果,得到原序列
三,习题
例如给出一道题要求使用留数法求逆变换:求象函数
的原序列
,如下👇
题目1:已知,分别求:
1)收敛域对应的原序列
2)收敛域对应的原序列
解:
1)
// 先将 的分母因式分解
∵
= // 分子分母同时乘
,分式的大小(值)不变
= // 分母使用十字相乘法化简
又∵ 积分公式: ,且
∴
∵
// 符合双边序列的变换收敛域
,离散时间变量
// 如果z变换不清楚的可以查看下面的文章:
// 《数字信号处理》学习07-z变换_左边序列,右边序列、双边序列。-CSDN博客
所以的极点可以分为如下两种情况:
① 当 时,分子上存在一个极点,即
,令
,得
分母存在两个极点,即:
当时,得
当时,得
对应的z平面收敛域及围线C所包围的区域如下:
// 观察上图,可以发现,围线C所包围的圆里面有两个极点: 和
// 由于 是n阶的极点,因此,围线C所包含的极点需要反着取(即使用围线C外极点)
如下图:
//从上图可以看到围线C外的极点只有一个
∵
// 使用留数定理时,由于是围线C外积分,因此留数的值需要取负数:
∴
=
=
==
② 当 时,
分母存在两个极点,即:
当时,得
当时,得
但围线C只能包含一个极点,如下图:
// 使用留数定理,取的是围线C内的极点,因此,留数为正。
=
=
=
综上,原序列
2)求 收敛域对应的原序列
。
根据题目可得
象函数的收敛域
,符合右边序列的收敛域形式,由于收敛域的外部区域通常与因果序列相关(该右边序列是因果序列)。因此这里只讨论当
时的情况,
分母上的两个极点分别为:,
对应的围线C所包含的极点如下图所示:
// 使用留数定理,因为极点都在围线C内,所以留数前面为正,不加负号。
=
所以当收敛域时,对应的原序列为
。
题目2:用留数法求下面象函数 的原序列
解:
// 先将式子中z变量的指数变成正数,分子分母同时乘,式子大小不变,题目式子变为如下:
∵ 积分公式:
又∵
= // 因式分解
=
∴
∵ ,符合右边序列的z变换收敛域,且该右边序列为因果序列,此时
∴ 在z复平面上的收敛域及围线C的位置如下图所示:
// 观察上图,可以看到,极点位于围线C内,因此留数定理使用的是C内积分。
=
=
=
// 因为是因果序列,序列的离散时间变量n只分布在坐标轴的右边,所以需要加上n的取值范围
// 一般将序列乘上单位阶跃信号就可以表示该序列只在正半轴有取值。
所以当收敛域 时,对应的原序列为
。
题目3:用留数法求下面象函数 的原序列
解:
1)
∵ 积分公式:
∴
= // 分子分母同时乘
,大小不变
∵ ,符合右边序列z变换的收敛域,且该右边序列为因果序列,此时
∴在分母上存在两个极点:
在z复平面上的收敛域如下图所示:
∵极点都位于围线C内(c内极点),留数前面不用加负号。
// 根据留数定理,可求出原序列
=
=
=
=
=
=
=
// 因为是因果序列,序列的离散时间变量n只分布在坐标轴的右边,所以需要加上n的取值范围
// 一般将序列乘上单位阶跃信号就可以表示该序列只在正半轴有取值。
所以当收敛域 时,对应的原序列为
。
2)
由题(1)得
∵ ,符合双边序列z变换的收敛域,此时
∴需要进行分类讨论
当 时,分子上存在极点
∴在分母上存在两个极点:
// 因为是n阶极点,所以留数定理使用的是围线C外的极点
在z复平面上的收敛域如下图所示:
// 观察上图可以看到,围线C外的极点只有一个,此时的留数公式前需要加上负号
=
=
=
=
=
=
=
// 因为上面是在n<0时求出的结果,即单位阶跃信号翻褶之后再向左平移一个单位u(-n-1),所以需要加上定义域,上式结果乘上u(-n-1)
当 时,
// 接下来讨论n>=0的情况
当 时,不存在n阶极点z=0,收敛域依旧不变,此时围线C所包含的极点有一个
,如下
// 观察上图可以看到,围线C内的极点有一个,此时的留数公式前不需要加上负号
=
=
=
=
=
=
=
// 因为上面是在n>=0时求出的结果,所以需要加上定义域,上式结果乘上u(n)
当 时,
// 最后将 n<0 和 n>=0的结果合并在一起
综上,收敛域为 的原序列为
3)
由题(1)得
∵ ,符合左边序列z变换的收敛域,收敛域及围线C围在小于1/4的位置如下:
// 观察上图可以看到,围线C内无极点,而在围线C外存在两个极点,此时留数前需要加负号
=
=
=
=
=
=
=
// 因为上面是在n<0时求出的结果,即单位阶跃信号翻褶之后再向左平移一个单位u(-n-1),所以需要加上定义域,上式结果乘上u(-n-1)
当 时,原序列为
以上就是用留数法求z逆变换的相关内容,上述的计算也可以使用分部积分法和长除法,后面我会接着学习,有兴趣的关注专栏,有问题的请在评论区留言或者是私信我,回复时间不超过一天。
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