Пространство z-полиномов

Область сходимости. Полином S(z) (8.1.1) называют z-образом или z-изображением функции s(kDt). Преобразование имеет смысл для области тех значений z, в которой ряд S(z) сходится, т.е. сумма ряда представляет собой аналитическую функцию переменной z, не имеющую полюсов и особых точек:

|s_k||z|^k < ∞

В общем случае, множества z, для которых полиномы S(z) сходится, образуют на z-плоскости определенные области, показанные на рис. 8.2.1.

Рис. 8.2.1.

Из приведенной выше связи z-преобразования с преобразованием Фурье следует, что если функция s(t) имеет спектральное представление S(w), то единичная окружность |z| = |exp (-jw)| = 1 обязательно должна входить в область сходимости полинома S(z). И наоборот, если область сходимости полинома S(z) включает в себя единичную окружность, то дискретное преобразование Фурье функции s(t) – прообраза полинома S(z), должно существовать, а в противном случае – нет. Последнее следует из того, что z-преобразование, являясь более общим случаем преобразования дискретных функций, может существовать и для функций, для которых не существует преобразования Фурье. Примером этого может служить функция единичного скачка:

u_n = 1, n ≥ 0; u_n = 0, n < 0.

Для преобразования Фурье функции u(n) не выполняется условие абсолютной суммируемости (энергия функции бесконечна). Но для z-преобразования имеем:

|u_k||z|^k =|z|^k < ∞, при |z| < 1.

Примеры z-преобразования часто встречающихся на практике дискретных сигналов.

Импульсы Кронекера. В общем случае, для импульса Кронекера в произвольной точке числовой оси:

d(k-n) =1 при k=n, d(k-n) = 0 при k ≠ n.

X_d(z) =d(k-n) z^k = zⁿ.

Для импульса Кронекера в нулевой точке соответственно X_d(z) = z⁰ =1. Ряд X_d(z) сходится на всей z-плоскости.

Функция Хевисайда (единичный скачок, причинная последовательность бесконечной длины, например, импульсный отклик рекурсивного интегрирующего фильтра).

x(k) = 0 при k < 0, x(k) = 1 при k ³ 0.

X(z) =z^k = z^k.

Ряд сходится при |z| < 1, при этом его сумма равна:

X(z) = 1/(1-z).

Z-преобразование действительно везде внутри круга единичного радиуса с центром в начале координат.

При использовании символики z^-1:

X(z) = 1/(1-z^-1) = z/(z-1), |z| > 1.

На границе области аналитичности функция X(z) имеет один простой полюс при z=1.

Экспоненциальная функция:

x(k) = 0 при k < 0, x(k) = a^k при k ³ 0.

X(z) =x(k) z^k = a^k z^k = (az)^k.

Как и в предыдущем случае, ряд сходится при |az| < 1, при этом:

X(z) = 1/(1-az), |z| < 1/a.

При использовании символики z^-1:

X(z) = z/(z-a), |z| > a.

Комплексная экспонента:

x(k) = exp(jwk), k ≥ 0; x(k) = 0, k < 0.

X(z) =exp(jwk) z^k =(z exp(jw))^k = 1/(1- z exp(jw)), |z| < 1.

Аналитическая форма z-образов существует для z-преобразований, если возможно свертывание степенного ряда в аналитическое выражение. Выше, в примерах z-преобразования, уже приводилось приведение к аналитической форме z-образов функции Хевисайда и экспоненциальной функции. Ниже в таблице приводится z-трансформация ряда распространенных функций, которые могут использоваться для прямого и обратного преобразования.

Таблица 8.2.1.

Функция s(k), k≥0	z - образ S(z)	z^-1– образ S(z)
b	b / (1-z), |z| < 1	bz / (z-1), |z| > 1
b k	bz / (1-z)^2, |z| < 1	bz / (z-1)^2, |z| > 1
b k^2	bz (1+z) / (1-z)^3, |z| < 1	bz (z+1) / (z-1)^3, |z| > 1
b a^k	b / (1 - za), |z| < 1/a	bz / (z - a), |z| > a
bka^k	baz / (1 - za)^2, |z| < 1/a	baz / (z - a)^2, |z| > a
cos ak	(1-z cos a) / (1-2z cos a+z^2), |z| < 1	z (z-cos a) / (z^2-2z cos a+1), |z| > 1
sin ak	z sin a / (1-2z cos a+z^2), |z| < 1	z sin a / (z^2-2z cos a+1), |z| > 1
b exp(-ak)	b / (1-z exp(-a)), |z| < 1/exp(-a)	bz / (z-exp(-a)), |z| > exp(-a)
bk exp(-ak)	bz exp(-a) / (1-z exp(-a))^2, |z| < 1/exp(-a)	bz exp(-a) / (z-exp(-a))^2, |z| > exp(-a)

В таблице приведены преобразования как для символики z, так и для символики z^-1 (по Гуревичу), которая иногда бывает удобней в некоторых математических операциях. Переход из одной символики в другую достаточно прост и выполняется заменой z в одной символике на 1/z в другой.

Дата добавления: 2014-01-03