第二章 Z变换
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_2第二章z变换
| x(n) bnu(n 1 ) z || b |
Im[z] Rx+ 0 Re[z]
0 |z| ,
n1 0
n1 0, Rx | z |
0 |z| 序列实例： x(n)=RＮ(n) Im[z]
ROC
z || a | x(n) anu(n| )
Im[z]
Rx0 0 Re[z]
收敛域图示：
有限长序列的收敛域
右边序列
左边序列
2.5.4
Z 变换的性质和定理
(1) 线性
Z 若x(n) X ( z ) (R x1 < z <R x2 )
y(n) Y ( z)
Z
(R y1 < z <R y2 )
交集
Z 则ax(n) by (n) aX ( z ) bY ( z )
z
|Z|>1
（4）尺度变换性
x(n) ¾¾ ® X ( z)
Z
n Z
Rx < z < Rx
1
2
z z 则 a x(n) X ， R x1 R x2 a a
x(n)乘以指数序列等效于z平面尺度伸缩。
z z 则 a x(n) X ， R x1 R x2 a a
n2>0
0 z Rx 2
Rx 2
(2)n1=-∞ n2<0
z Rx 2
Rx 2
左边序列
【例】 求x(n)=－anu(－n－1)的Z变换及其收敛域。
解 这里x(n)是一个左序列，当n≥0时，x(n)=0，
X ( z)
n
a u(n 1) z
n
Im[z] Rx+ 0 Re[z]
0 |z| ,
n1 0
n1 0, Rx | z |
0 |z| 序列实例： x(n)=RＮ(n) Im[z]
ROC
z || a | x(n) anu(n| )
Im[z]
Rx0 0 Re[z]
收敛域图示：
有限长序列的收敛域
右边序列
左边序列
2.5.4
Z 变换的性质和定理
(1) 线性
Z 若x(n) X ( z ) (R x1 < z <R x2 )
y(n) Y ( z)
Z
(R y1 < z <R y2 )
交集
Z 则ax(n) by (n) aX ( z ) bY ( z )
z
|Z|>1
（4）尺度变换性
x(n) ¾¾ ® X ( z)
Z
n Z
Rx < z < Rx
1
2
z z 则 a x(n) X ， R x1 R x2 a a
x(n)乘以指数序列等效于z平面尺度伸缩。
z z 则 a x(n) X ， R x1 R x2 a a
n2>0
0 z Rx 2
Rx 2
(2)n1=-∞ n2<0
z Rx 2
Rx 2
左边序列
【例】 求x(n)=－anu(－n－1)的Z变换及其收敛域。
解 这里x(n)是一个左序列，当n≥0时，x(n)=0，
X ( z)
n
a u(n 1) z
n
第二章z变换
ˆ ( s ) Lx (t ) L x(nT ) (t nT ) Xs s n
st ˆ s x t e st dt XS x(nT ) (t nT )e dt s n
解：
X 1 ( z ) Z x1[n] a n z n
n0
如果|z|>a, 则上面的级数收敛， 1 z n n X1 ( z) a z 1 za 1 az n0
X 2 ( z ) Z x2 [n]
n
z a
(a n ) z n
lim
n
an1 ρ an
2．根值判定法 即令正项级数的一般项 a n 的n次根的极限等于，
lim n a n
n
则
<1：收敛 =1：可能收敛也可能发散 >1：发散
例2.1
例已知两序列分别为x1[n]=anu[n]， x2[n]= -anu[-n-1]，分别 求它们的z变换，并确定它们的收敛域。
1
a z 1 (a 1 z ) n
n n n 1 n0
1 z 1 1 1 a z z a
za
两个不同的序列对应于相同的z变换，但它们的收敛域不同。
三 几类序列的Z变换收敛域
1、有限长序列 此序列只在有限的区间(n1n n2)具有非零的有限值， 此时，Z变换为： n2
n
b u ( n 1)z
n
n
= a z
n n 0
n
n
b
n 0
1
z
n
= a z
第二章 Z变换
n = −∞
xa ( nT )e −nsT ∑
X ( z) =
n = −∞
∑ x(n) z
∞
−n
复变量s平面到z平面的映射
z=e
令
sT
1 s = ln z T
s = σ + jΩ
z = re
jω
则
re
jω
=e
(σ + jΩ ) T
=e e
σT
jΩT
r=e
σT
S 平面
Z 平面
－1
1
ω = ΩT
所以序列的z变换和连续信号的拉普拉斯 变换的关系可以表示如下： 因为时域中的抽样，对应于s域为沿 jΩ 轴（s平面的虚轴）的周期延拓
∞
n = −∞
例如：
X 已知序列的z变换为： ( z ) = 1 1 − az −1 z>a
求原序列 x (n )
例如
序列的z变换为：
z ( 2 z − a − b) X ( z) = ,a < z < b ( z − a )( z − b)
求原序列
x (n )
部分分式展开法
B( z ) X ( z) = = X 1 ( z) + X 2 ( z) + ⋯ + X K ( z) A( z ) (z
−1
l
z反变换
Z反变换通常采用如下三种方法：围线积 分法，幂级数展开法（长除法）和部分 分式法
围线积分法
1 k = 0 1 k −1 柯西积分公式 ∫c z dz = 0 k ≠ 0 2πj
∞ 1 1 k −1 − n + k −1 ∫c X ( z ) z dz = 2πj ∫cn∑ x(n)z dz 2πj = −∞
第二章Z变换
n
n
n1 (2-7)
等式第二项是有限长序列的Z变换，收敛域为有限Z平面；第一项
是正幂级数，按阿贝尔定理，必存在收敛半径Rx+，级数在以原点 为中心，以Rx+为半径的圆内任何点都绝对收敛。如果Rx+为收敛 域的最大半径，则综合以上两项，左边序列Z变换的收敛域为
0 | z | Rx
如果n2≤0，则式（2-7）右端不存在第二项，故收敛域应包括z=0， 即|z|<Rx+。
nn1
设x(n)为有界序列，由于X(z)是有限项级数之和，除0与∞两
点是否收敛与n1、n2取值情况有关外，整个Z平面均收敛。如果 n1<0，则收敛域不包括∞点；如果n2>0，则收敛域不包括z=0点； 如果是因果序列，收敛域包括∞点。具体有限长序列的收敛域表
示如下： n1 0, n2 0时 0 | z | n1 0, n2 0时 0 | z | n1 0, n2 0时 0 | z |
阿贝尔（N.Abel）定理可推知，存在一个收敛半径Rx-，级数在 以原点为中心，以Rx-为半径的圆外任何点都绝对收敛。因此， 综合此二项，只有二项都收敛时级数才收敛。所以，如果Rx-是 收敛域的最小半径，则右边序列Z变换的收敛域为
Rx-<|z|<∞ 右边序列及其收敛域如图1-23所示。
第2章 z变换
2j c
c (Rx , Rx )
(2-12)
jIm[z]
c o
第2章 z变换
|z|＝Rx＋ |z|＝Rx－
Re[z]
图2-11 围线积分路径
第2章 z变换
证
1
2j
X (z)zn1dz 1
c
2j
c
mx(m)
第二章 z变换
第二章 z变换与离散时间傅 里叶变换
时域分析方法 变换域分析方法：
连续时间信号与系统 Laplace变换 Fourier变换
离散时间信号与系统 z变换 Fourier变换
第二章学习目标
掌握z变换及其收敛域，掌握因果序列的概念及 判断方法
会运用任意方法求z反变换 理解z变换的主要性质 理解z变换与Laplace/Fourier变换的关系 掌握序列的Fourier变换并理解其对称性质 掌握离散系统的系统函数和频率响应，系统函数
当a
1时，X (z)
az 1 az
1
1 az
1
z(1 a2 ) (1 az)(z a)
Roc : a < z 1/ a 零点：z 0, 极点：z a,a1
j Im[z]
a
Re[z]
0
1/ a
给定z变换X(z)不能唯一地确定一个序列， 只有同时给出收敛域才能唯一确定。
X(z)在收敛域内解析，不能有极点，故：
Rx
0
Re[z]
包括z 处
3）左边序列
x(n)
0 x(n)
n n2 n n2
0
n2
其z变换：X (z) x(n)zn x(n)zn
n
n1
前式Roc: 0 z Rx
j Im[z]
后式Roc: 0 z
当n2 0时，Roc : 0 z Rx 当n2 0时，Roc : 0 z Rx
X (z) ZT[x(n)] x(n)zn
n
实质：求X(z)幂级数展开式
z反变换的求解方法： 围线积分法（留数法） 部分分式法 长除法
1、围线积分法（留数法）
根据复变函数理论，若函数X(z)在环状区域
时域分析方法 变换域分析方法：
连续时间信号与系统 Laplace变换 Fourier变换
离散时间信号与系统 z变换 Fourier变换
第二章学习目标
掌握z变换及其收敛域，掌握因果序列的概念及 判断方法
会运用任意方法求z反变换 理解z变换的主要性质 理解z变换与Laplace/Fourier变换的关系 掌握序列的Fourier变换并理解其对称性质 掌握离散系统的系统函数和频率响应，系统函数
当a
1时，X (z)
az 1 az
1
1 az
1
z(1 a2 ) (1 az)(z a)
Roc : a < z 1/ a 零点：z 0, 极点：z a,a1
j Im[z]
a
Re[z]
0
1/ a
给定z变换X(z)不能唯一地确定一个序列， 只有同时给出收敛域才能唯一确定。
X(z)在收敛域内解析，不能有极点，故：
Rx
0
Re[z]
包括z 处
3）左边序列
x(n)
0 x(n)
n n2 n n2
0
n2
其z变换：X (z) x(n)zn x(n)zn
n
n1
前式Roc: 0 z Rx
j Im[z]
后式Roc: 0 z
当n2 0时，Roc : 0 z Rx 当n2 0时，Roc : 0 z Rx
X (z) ZT[x(n)] x(n)zn
n
实质：求X(z)幂级数展开式
z反变换的求解方法： 围线积分法（留数法） 部分分式法 长除法
1、围线积分法（留数法）
根据复变函数理论，若函数X(z)在环状区域
数字信号处理,第二章 Z变换讲解
二、右边序列
例3：求序列 x(n) u(n)的Z变换及收敛域。
Z[x(n)] u(n)zn zn
n
n0
1 1 1 z z2
1 1 z 1
z z 1
Z[u(n)]的极点为1，零点为0 收敛域为|z|>1
零极相消
例：
Z[u(n) u(n 1)]
Z[u(n)] Z[u(n 1)]
s1in2zz1
1 sin(0 cos0
z 2
)
§2.3 z变换性质1
一、线性:
Z[a1x1(n)+a2x2(n)]=a1Z[x1(n)]+a2Z[x2(n)]
二、时移：
Z[x(n)]=X(z) Z[x(n-m)]=z-m·X(z)
意义：z-1：单位延迟器
z变换性质2
三、时域卷积：
即： x(n)z n M n
一、有限长序列
例1：求序列 x(n) RN (n) 的Z变换及收敛域。
Z[RN (n)]
RN (n)zn
n
N 1
z n
n0
1 zN 1 z1
收敛域为： 0 z ,
例2：求序列 x(n) (n)的Z变换及收敛域。
解：
Z[ (n)] (n)zn z0 1
z z1 z z 1 1
z 1
z 1 z 1
零、极点均为z=1,称为零极点相消。收敛域为整个z平面。
另：
u(n) u(n 1) (n), Z[ (n)] 1
例4：求序列 x(n) anu(n)的Z变换及收敛域。
解： X (z) anu(n)z n a n z n (az 1 )n
例2-4-2：
X
(
z)
第2章 Z变换及Z传递函数
第2章 Z变换及Z传递函数
8．位移定理 设a为任意常数，连续时间函数f(t)的Z变换为F(z)，则有
Z f (t )e
证明：
at
F (z e )
aT
at akT k Z f (t )e f (kT )e z k 0
f (kT )(e z )
f (kT ) f (kT T )
k 0 k 0
f (kT ) f (kT T )
k 0
f (0) f (T ) f (T ) f (0) f (2T ) f (T ) f ( )
第2章 Z变换及Z传递函数
F ( z ) e kaT z k
k 0
1 e aT z 1 e 2 aT z 2 1 aT 1 1 e z z aT z e
第2章 Z变换及Z传递函数
5．正弦信号 f (t ) sin t
1 sin t (e j t e j t ) 2j 1 j t j t F ( z) Z (e e ) 2 j 1 j t j t Z e Z e 2j
2.2 Z变换的性质和定理
1．线性定理 设a, a1, a2为任意常数，连续时间函数f(t), f1(t), f2(t) 的 Z变换分别为F(z), F1(z), 及F2(z)，则有
Z af (t ) aF ( z ) Z a1 f1 (t ) a2 f 2 (t ) a1 F1 ( z ) a2 F2 ( z )
( z 1)
第2章 Z变换及Z传递函数
3．单位速度信号
第二章Z变换
2n－
1 3
(0.5)n
u
(
n
)
由已知的收敛域 知道是因果序列
n0 n0
16
２、长除法
x(n)的z变换定义为z-1的幂级数，即
X (z )x ( n )z n x ( 1 )z x ( 0 ) x ( 1 )z 1 x ( 2 )z 2 n
因此只要在给定的收敛域内将X(z)展成幂级数， 则级数的系数就是序列x(n)。一般情况下，X(z)是 一个有理分式，分子分母都是z的多项式，则可直接 用分子多项式除以分母多项式，得到幂级数展开式， 从而得到x(n)。
[ x ( n ) ] X ( z ) R x |z | R x
[y (n ) ] Y (z ) R y |z| R y
则 [ a ( n ) b x ( n ) y a ] ( z ) b X ( z )Y R |z | R 其中RmaRx x,[Ry]，RmiR nx,[Ry]，即线性组合后的
zb
| z||b|
如果a=b，则此例与上例中右边序列的Z变换表达式 完全一样，所以只给出Z变换的闭合表达式是不够的， 不能正确得到原序列，必须同时给出收敛域范围， 才能惟一确定一个序列，这就说明了研究收敛域的
重要性。
10
４、双边序列
一个双边序列可以看做一个左边序列和一个右边 序列之和，因此双边序列Z变换的收敛域就应该是这 两个序列Z变换的公共收敛区间。
0 |z| , n 20
ROC
0
Re[z]
有限长序列的收敛域
5
例：矩形序列是一个有限长序列，x(n)=RＮ(n)，求其 X(z)。
解：
X(z)n x(n)znN n 0 1zn1 1 zz N 1
第二章 Z变换1,2,3,4
n
x ( n) z n M
2
z z 因此，要满足此不等式， 必须在一定范围之内才行。 满足的范 围就是收敛域。 不同形式的序列，其收敛域形式也不同。下面讨论几种序列 的收敛域： 1．有限长序列 在有限区间（n1 n n2 ）之内序列才具有非零的有限值， 在此区间之外，序列值都是零。其 z 变换为：
c c
x ( n) x ( n)
2 j c 2 j c
1
1
X ( z ) z n 1dz Re s[ X ( z ) z n 1 ]z zk
k
X ( z ) z n 1dz Re s[ X ( z ) z n 1 ]z zm
m
16
以上两式的选择，需根据具体情况来考虑。 下面给出求 X ( z ) z n 1 在任一极点 z r 处的留数的方法。 （1）z r 是 X ( z ) z n 1 的单（一阶）极点，则有
n n n 1
正幂级数 有限长序列的变换 按照阿贝尔定理，必定存在收敛半径 Rx z 综合以上两项， 变换的收敛域为： 0 z Rx 6
如果 n2 0 ，则右端第二项不存在，收敛域应包括 z 0 ，即
0 z Rx
4．双边序列 x n 为任意值时， (n) 都有非零值的序列，可以看成是左边序列 与右边序列之和。
1
§2.2 z 变换的定义与收敛域 一、z 变换(ZT)的定义 若序列为x(n)，则幂级数
X ( z)
n
x ( n) z n
称为序列的 z 变换，其中 z 为变量，简便表示为： Z x ( n) X ( z )
二、z 变换的收敛域(ROC) 只有幂级数收敛， z 变换才存在。 收敛域：对任意给定序列 x(n) ，使其 z 变换收敛的所有值的 集合，称为~。 按照级数理论，z 变换式中级数收敛的必要且充分条件是满 足绝对可和的条件，即
x ( n) z n M
2
z z 因此，要满足此不等式， 必须在一定范围之内才行。 满足的范 围就是收敛域。 不同形式的序列，其收敛域形式也不同。下面讨论几种序列 的收敛域： 1．有限长序列 在有限区间（n1 n n2 ）之内序列才具有非零的有限值， 在此区间之外，序列值都是零。其 z 变换为：
c c
x ( n) x ( n)
2 j c 2 j c
1
1
X ( z ) z n 1dz Re s[ X ( z ) z n 1 ]z zk
k
X ( z ) z n 1dz Re s[ X ( z ) z n 1 ]z zm
m
16
以上两式的选择，需根据具体情况来考虑。 下面给出求 X ( z ) z n 1 在任一极点 z r 处的留数的方法。 （1）z r 是 X ( z ) z n 1 的单（一阶）极点，则有
n n n 1
正幂级数 有限长序列的变换 按照阿贝尔定理，必定存在收敛半径 Rx z 综合以上两项， 变换的收敛域为： 0 z Rx 6
如果 n2 0 ，则右端第二项不存在，收敛域应包括 z 0 ，即
0 z Rx
4．双边序列 x n 为任意值时， (n) 都有非零值的序列，可以看成是左边序列 与右边序列之和。
1
§2.2 z 变换的定义与收敛域 一、z 变换(ZT)的定义 若序列为x(n)，则幂级数
X ( z)
n
x ( n) z n
称为序列的 z 变换，其中 z 为变量，简便表示为： Z x ( n) X ( z )
二、z 变换的收敛域(ROC) 只有幂级数收敛， z 变换才存在。 收敛域：对任意给定序列 x(n) ，使其 z 变换收敛的所有值的 集合，称为~。 按照级数理论，z 变换式中级数收敛的必要且充分条件是满 足绝对可和的条件，即
数字信号处理第二章Z变换
意义：z-1：单位延迟器
z变换性质2
三、时域卷积：
系统函数：
§2.4 z反变换
部分分式法：
X(z)一般是z的有理分式，可写成X(z)=N(z)/D(z)，而N(z)、
D(z)一般是实系数多项式，则X(z)可以写成部分分式之和的形 式
再利用已知的z变换：
结合收敛域写出反变换：
需要注意的问题：
LT主要问题：收敛域、极点、反变换
常用的LT：
S平面与Z平面的映射关系
连续信号xa(nT)抽样后为 抽样信号的拉氏变换为
抽样序列x(n)=xa(nT) 的z变换为 比较两式得s平面到z平面的映射关系为：
（主要应用于AF到DF转换）
•将s平面用直角坐标表示：
，
横坐标为，纵坐标为模拟角频率；
•将z平面用极坐标表示：
，|a|<1
|a|<|z|<1/|a|
双边序列的收敛域是左边序列和右边序列z变换的 公共收敛区间。
课本P27表2.1
作业2.1(2)(6)
§2.3 z变换性质1
一、线性:
Z[a1x1(n)+a2x2(n)]=a1Z[x1(n)]+a2Z[x2(n)]
二、时移：
Z[x(n)]=X(z) Z[x(n-m)]=z-m·X(z)
，
横坐标为实轴，纵坐标为虚轴；
•两平面都是复平面。
(1)r与的关系
→
=0,即S平面的虚轴→r=1,即z平面单位圆； <0,即S的左半平面→r<1,即z的单位圆内； >0,即S的右半平面→r>1,即z的单位圆外 。
j
0
0
→
r＝0，＝0时， ＝–，＝0，即z平面的原点映射
z变换性质2
三、时域卷积：
系统函数：
§2.4 z反变换
部分分式法：
X(z)一般是z的有理分式，可写成X(z)=N(z)/D(z)，而N(z)、
D(z)一般是实系数多项式，则X(z)可以写成部分分式之和的形 式
再利用已知的z变换：
结合收敛域写出反变换：
需要注意的问题：
LT主要问题：收敛域、极点、反变换
常用的LT：
S平面与Z平面的映射关系
连续信号xa(nT)抽样后为 抽样信号的拉氏变换为
抽样序列x(n)=xa(nT) 的z变换为 比较两式得s平面到z平面的映射关系为：
（主要应用于AF到DF转换）
•将s平面用直角坐标表示：
，
横坐标为，纵坐标为模拟角频率；
•将z平面用极坐标表示：
，|a|<1
|a|<|z|<1/|a|
双边序列的收敛域是左边序列和右边序列z变换的 公共收敛区间。
课本P27表2.1
作业2.1(2)(6)
§2.3 z变换性质1
一、线性:
Z[a1x1(n)+a2x2(n)]=a1Z[x1(n)]+a2Z[x2(n)]
二、时移：
Z[x(n)]=X(z) Z[x(n-m)]=z-m·X(z)
，
横坐标为实轴，纵坐标为虚轴；
•两平面都是复平面。
(1)r与的关系
→
=0,即S平面的虚轴→r=1,即z平面单位圆； <0,即S的左半平面→r<1,即z的单位圆内； >0,即S的右半平面→r>1,即z的单位圆外 。
j
0
0
→
r＝0，＝0时， ＝–，＝0，即z平面的原点映射
第2章--Z变换及Z传递函数
sin t cost
F(z)
z za
z z eaT
z sin T z2 2z cosT 1
z(z cosT ) z2 2z cosT 1
第2章 Z变换及Z传递函数
2.2 Z变换的性质和定理
1．线性定理 设a,a1,a2为任意常数，连续时间函数f(t),f1(t),f2(t) 的Z 变换分别为F(z),F1(z),F2(z)、及，则有
则：
fi (kT )
1
ai z z zi
i 1, 2, , n
n
f * (t) fi (kT) (t kT) k 0 i1
第2章 Z变换及Z传递函数
3．留数法
设已知Z变换函数F(z)，则可证明，F(z)的Z反变换 f(kT)值，可由下式计算
f (kT ) 1 F (z)
1
i0
则
G(z)
F(z) 1 z 1
7．初值定理 设连续时间函数f(t)的Z变换为F(z)，则有
f (0) lim F(z) z
第2章 Z变换及Z传递函数
8．位移定理 设a为任意常数，连续时间函数f(t)的Z变换为F(z)，则有
f (t)eat F(z eaT )
9．微分定理 设连续时间函数f(t)的Z变换为F(z)，则有
G1 (z) G2 (z)
第2章 Z变换及Z传递函数
由上式可知，两个串联环节之间有同步采样开关隔开的 Z传递函数，等于每个环节Z传递函数的乘积。
在一般情况下，很容易证明：
G1G2 (z) G1 (z) G2 (z)
在进行计算时，应引起注意。
第2章 Z变换及Z传递函数
pi )F (z)zk1
n
f
(kT )
F(z)
z za
z z eaT
z sin T z2 2z cosT 1
z(z cosT ) z2 2z cosT 1
第2章 Z变换及Z传递函数
2.2 Z变换的性质和定理
1．线性定理 设a,a1,a2为任意常数，连续时间函数f(t),f1(t),f2(t) 的Z 变换分别为F(z),F1(z),F2(z)、及，则有
则：
fi (kT )
1
ai z z zi
i 1, 2, , n
n
f * (t) fi (kT) (t kT) k 0 i1
第2章 Z变换及Z传递函数
3．留数法
设已知Z变换函数F(z)，则可证明，F(z)的Z反变换 f(kT)值，可由下式计算
f (kT ) 1 F (z)
1
i0
则
G(z)
F(z) 1 z 1
7．初值定理 设连续时间函数f(t)的Z变换为F(z)，则有
f (0) lim F(z) z
第2章 Z变换及Z传递函数
8．位移定理 设a为任意常数，连续时间函数f(t)的Z变换为F(z)，则有
f (t)eat F(z eaT )
9．微分定理 设连续时间函数f(t)的Z变换为F(z)，则有
G1 (z) G2 (z)
第2章 Z变换及Z传递函数
由上式可知，两个串联环节之间有同步采样开关隔开的 Z传递函数，等于每个环节Z传递函数的乘积。
在一般情况下，很容易证明：
G1G2 (z) G1 (z) G2 (z)
在进行计算时，应引起注意。
第2章 Z变换及Z传递函数
pi )F (z)zk1
n
f
(kT )
第二章__Z变换
第二章 序列的Z 变换与傅里叶变换 2.1 引言信号与系统的分析方法:时域分析；变换域分析 信号与系统的分析方法有多种连续时间信号与系统：拉普拉斯变换、傅里叶变换；信号用时间 t 的函数表示；系统用微分方程描述。
离散时间信号与系统：z 变换、傅里叶变换；信号用序列表示；系统用差分方程描述。
z 变换是一个很重要数学工具，可用于求解差分方程，同时它也可以从不同的侧面和方法对离散信号的频域特征进行分析，还能很方便地分析系统的因果性、稳定性等方面的特性。
2.2 Z 变换的定义与收敛域 一、z 变换的定义序列x(n)的Z 变换定义：双边Z 变换单边Z 变换因果序列的Z 变换: 单边Z 变换可以看成因果序列情况下的双边Z 变换z 是一个复变量， 它所在的复平面称为z 平面。
z 是一个连续复变量，具有实部和虚部。
变量z 的极坐标形式 单位圆:在Z 平面上|z|= 1为半径的圆 单位圆上的参数可表示为例2.1 求序列 的Z 变换。
解：序列x (n )是因果序列，根据Z 变换的定义分析收敛性：X (z )是无穷项幂级数。
当|z|≤a 时级数发散，当|z|＞|a|时级数收敛。
X(z)可用封闭形式，即解析函数形式表示为二、z 变换的收敛域收敛域: 对于给定的任意序列x (n )，使其Z 变换收敛的所有z 值的集合组成的区域。
Z 变换存在的条件是等号右边级数收敛， 要求级数绝对可和， 即使上式成立的Z 变量取值的域称为收敛域。
根据罗朗级数性质，收敛域一般是某个环域收敛半径Rx -可以小到0，Rx +可以大到∞收敛域以原点为中心，Rx -和Rx +为半径的环域()()nn X z x n z ∞-=-∞=∑∞<=∑∞-∞=-M z n x n n )(110()[()]()(2.2)n n X z x n x n z +∞-==Z =∑j ||e z z ω=j e z ω=()()n x n a u n =10011213()()()1()()n n n nn n n X z x n z a z az az az az +∞+∞+∞---=-∞==---====++++⋅⋅⋅∑∑∑1101()(),||||1n n zX z az z a az z a +∞--====--∑＞不同形式的序列x(n)其收敛域形式不同。
第二章Z变换
左边序列的n Z 变 换的收敛域n 一 定位于最内n 部 1 极点的内部，
其收敛域为：
0 z Rx
左边序列 的收敛域
4.双边序列
双边序列可看作左边序列和右边序列之和，其Z变换为：
1
X (z ) x (n )z nx (n )z n x (n )z n
n
n 0
n
双边序列 的收敛域
X(ej)1a1ej
za
此时，ROC包括了单位圆。
例2: x(n)anu(n1)
1
X(z) anzn anzn
n
n1
1aa1z1z 11az1
za
例3. x(n)(1)nu(n)2nu(n1)
2
X (z) (1)n zn 1 2n zn
n0 2
n
1
1 1
z 1
1
1 2 z 1
2
ROC: 1 z 2 2
定包括 z 点。
因果序列的收敛域为： Rx z
例1．考虑一系统，其中 H(z)11 1z112 1z1
判断其是否为因果系统？
2
z2
解： 因为H(z)的ROC是最外边极点的圆的外边，所以它的 单位脉冲响应h(n)是右边序列。为了确定是否是因果的， 我们可以利用因果性所要求的其它条件来检验。
把H(z)表示成两个多项式之比
数形式 的反变X换( z。)
3. 留数法：
由留数定理有：
x (n )1 2j
cX (z)zn 1 d zR e s[X (z)zn 1 ,zi] i
x ( n ) 等 于 X ( z ) Z n 1 在 围 线 积 分 C 内 所 有 极 点 Z i 上 的 留 数 的 总 和
第二章2 Z变换的定义
2. Z 变换的定义及收敛域1. Ｚ变换的定义对于一个序列x(n)，它的Z 变换定义为()()n n X z x n z ∞-=-∞=∑其中Z 为一个复变量，上式定义的Z 变换称为双边Z 变换或标准Z 变换。
序列的Z 变换实质上是以序列x(n)为加权系数的z 的幂级数之和。
如n 的取值范围0到+∞，则序列的单边Z 变换为()()nn X z x n z∞-=-∞=∑序列的单边Z 变换是以序列x(n)为加权系数的z 的负幂项的级数之和。
2．从抽样吸纳后的拉普拉斯变化引出Z 变换 连续信号x(t)冲激抽样信号可表示为：()()()s s s n x nT x t t nT δ∞=-∞=-∑()()s s nx nT t nT δ=-∑对()s s x nT 取拉普拉斯变换，得()()sts s X s x nT e dt ∞--∞=⎰()()sts s nx nT t nT e dt δ∞--∞=-∑⎰()()s s snT sT s n x nT e X e ∞-=-∞==∑令s sT z e =，并将T 归一化为1，()s x nT 简写为()x n 则同样可得到离散信号的 z 变换：()()nn X z x n z∞-=-∞=∑对比： 拉普拉斯变换 Z 变换 对应离散信号,s j σ=+Ω(2f πΩ=是相对连续系统和连续信号的角频率） 则()s s s s sT j T T j T z e e e e σσ+ΩΩ===⋅， 令,s T r e σ=， 2s s T f f ωπ=Ω=是相对于离散系统和离散信号的圆周频率（rad ）， 则j z re ω=。
将j z re ω=代入()()nn X z x n z∞-=-∞=∑可得：()()()j nn X z x n reω∞-=-∞=∑=[()]nj n n x n re ω∞--=-∞∑上式表明，只要()nx n r -满足绝对可和的收敛条件，即()n n x n r ∞-=-∞<∞∑，则x(n)的Z 变换存在。
第二章_Z变换
n →∞ m = −1 n −m
− ∑ x( m)z −m ]
m =0
n
在单位圆上无极点， 因为 ( z − 1) X ( z ) 在单位圆上无极点，上式两端对 z = 1 取极限
lim( z − 1) X ( z ) = lim[ ∑ x(m + 1) − ∑ x(m)]
z →1 n →∞ m = −1 m =0 n n
Z变换总结
X ( z) =
n=−∞
x(n)z−n = ∑ x(n)z−n + ∑ x(n)z−n ∑
n=0 n=−∞
∞
∞
−1
= 右边序列 + 左边序列
1） 的模决定， （1）由于收敛条件由 |z| 的模决定，所以收敛于一个 圆的边界 收敛， 大的Z的模一定 （2）对右边序列：z > r1 收敛，则比 r1 大的 的模一定 ）对右边序列： 收敛， r1 是右边序列的极点 收敛， 收敛， 小的数一定收敛， （3）对左边序列：z < r2 收敛，比 r2 小的数一定收敛， ）对左边序列： r2 是左边序列的极点
Z [ x ( n + n 0 )] = x ( m ) z − m + n0 ∑
∞
m = −∞
∞ n0 −m = z ∑ x ( m ) z = z n0 X ( z ) m = −∞
20
时移后收敛域一般不发生变化（单边序列0和 有例外 有例外） 时移后收敛域一般不发生变化（单边序列 和∞有例外）
∑
x(n) z − n
要使上式收敛，只要求 n1 ≤ n ≤ n2 时， x(n) < ∞ ，且 且 如果 n1 < 0 ，则收敛域不包括 z = ∞ 点 如果 n 2 > 0 ，则收敛域不包括 z = 0 点 也就是说收敛域至少是除了 z = 0 及 z = ∞ 外的开域
− ∑ x( m)z −m ]
m =0
n
在单位圆上无极点， 因为 ( z − 1) X ( z ) 在单位圆上无极点，上式两端对 z = 1 取极限
lim( z − 1) X ( z ) = lim[ ∑ x(m + 1) − ∑ x(m)]
z →1 n →∞ m = −1 m =0 n n
Z变换总结
X ( z) =
n=−∞
x(n)z−n = ∑ x(n)z−n + ∑ x(n)z−n ∑
n=0 n=−∞
∞
∞
−1
= 右边序列 + 左边序列
1） 的模决定， （1）由于收敛条件由 |z| 的模决定，所以收敛于一个 圆的边界 收敛， 大的Z的模一定 （2）对右边序列：z > r1 收敛，则比 r1 大的 的模一定 ）对右边序列： 收敛， r1 是右边序列的极点 收敛， 收敛， 小的数一定收敛， （3）对左边序列：z < r2 收敛，比 r2 小的数一定收敛， ）对左边序列： r2 是左边序列的极点
Z [ x ( n + n 0 )] = x ( m ) z − m + n0 ∑
∞
m = −∞
∞ n0 −m = z ∑ x ( m ) z = z n0 X ( z ) m = −∞
20
时移后收敛域一般不发生变化（单边序列0和 有例外 有例外） 时移后收敛域一般不发生变化（单边序列 和∞有例外）
∑
x(n) z − n
要使上式收敛，只要求 n1 ≤ n ≤ n2 时， x(n) < ∞ ，且 且 如果 n1 < 0 ，则收敛域不包括 z = ∞ 点 如果 n 2 > 0 ，则收敛域不包括 z = 0 点 也就是说收敛域至少是除了 z = 0 及 z = ∞ 外的开域
2第二章-z变换
p0 p1e j p2 e j 2 pM e jM H ( e j ) d 0 d1e j d 2 e j 2 d N e jN
调用： num [ p0 , p1 , p2 , , pM ]
den [d 0 , d1 , d 2 , , d N ] H freqz(num, den, )
ˆ X a ( s)
X (z )
思考练习
?
X a (s)
2. Z变换与傅里叶变换
s j 的拉普拉斯变换即为傅里叶变换，
ze e
sT
jT
映射为z平面的单位圆
jT
X ( z ) z e jT X (e
ˆ ) X a ( j)
抽样序列在单位圆上的z变换，等于其理想抽 样信号的傅里叶变换。
c
c
| H (e j ) |2 d
c
Parseval定理
序列的傅立叶变换是从频域对离散时间信号和系
统进行分析。它是用{ 变换用{
jt
e
j n
}作为基函数对序
列进行正交展开，这与连续时间信号中的傅立叶
e
}对模拟信号进行展开相似。
4. 序列傅立叶变换的对称性
• 序列的共轭对称性质
xe (n) xe (n) 若序列 xe (n)满足
则称 xe (n)为共轭对称序列
若序列xo (n)满足 xo (n) x
o
( n)
则称 xo (n)为共轭反对称序列
任何序列 x(n)均可表示成上述两种序列之和，
即x(n) xe (n) xo (n) 1 xe ( n) {x( n) x ( n)} 2 其中 1 xo ( n) {x( n) x ( n)} 2
调用： num [ p0 , p1 , p2 , , pM ]
den [d 0 , d1 , d 2 , , d N ] H freqz(num, den, )
ˆ X a ( s)
X (z )
思考练习
?
X a (s)
2. Z变换与傅里叶变换
s j 的拉普拉斯变换即为傅里叶变换，
ze e
sT
jT
映射为z平面的单位圆
jT
X ( z ) z e jT X (e
ˆ ) X a ( j)
抽样序列在单位圆上的z变换，等于其理想抽 样信号的傅里叶变换。
c
c
| H (e j ) |2 d
c
Parseval定理
序列的傅立叶变换是从频域对离散时间信号和系
统进行分析。它是用{ 变换用{
jt
e
j n
}作为基函数对序
列进行正交展开，这与连续时间信号中的傅立叶
e
}对模拟信号进行展开相似。
4. 序列傅立叶变换的对称性
• 序列的共轭对称性质
xe (n) xe (n) 若序列 xe (n)满足
则称 xe (n)为共轭对称序列
若序列xo (n)满足 xo (n) x
o
( n)
则称 xo (n)为共轭反对称序列
任何序列 x(n)均可表示成上述两种序列之和，
即x(n) xe (n) xo (n) 1 xe ( n) {x( n) x ( n)} 2 其中 1 xo ( n) {x( n) x ( n)} 2
第二章 Z变换1,2,3,4
第二章 z 变换
§2.1引言 信号与系统的分析方法中，除时域分析方法外，还有变换域 分析方法。在离散时间信号与系统中，变换域分析方法为 z 变换 及傅里叶变换。z 变换在离散时间系统中的作用就如同拉普拉斯 变换在连续时间系统中的作用一样，它把描述离散系统的差分方 程转化为简单的代数方程，使其求解大大简化。因此对求解离散 时间系统而言，z 变换是一个极其重要的方法（数学工具）。
12
§2.3 z 反变换（IZT） z 反变换：从给定的 z 变换闭合式 X (z ) 中还原出原序列 x(n) 。 x(n) Z 1 X ( z ) 表示式为： 通常有三种方法求出IZT：围线积分法（留数法）、部分分 式展开法和长除法。这里仅介绍前两种。 一、围线积分法（留数法） 根据复变函数的理论，若函数 X (z ) 在环状区域 Rx z Rx
n 0
所以 z 处 z 变换收敛是因果序列的特征。 3．左边序列 x n 只在 n n2 时， (n) 有非零值， n2 时，x(n) 0 。其 z 变换 为： n2 n2 0 X ( z ) x ( n) z n x ( n) z n x ( n) z n
令 z Re j ， Rx R Rx 我们已经知道柯西积分定理： 1 1 z k 1dz R k 1e j ( k 1) d ( Re j ) 2 j c 2 j c
14
Rk 2
1 ，k 0 e d 0 ，k 0 ， k为整数
Rx z
如图所示。
5
x 因果序列：即n1 0的右边序列，或者说，在 n 0时， (n) 有 n 非零值， 0 时，x(n) 0 。这时其变换中只有 z 的零幂和负幂项， 因此级数收敛域可以包括 z ，即
§2.1引言 信号与系统的分析方法中，除时域分析方法外，还有变换域 分析方法。在离散时间信号与系统中，变换域分析方法为 z 变换 及傅里叶变换。z 变换在离散时间系统中的作用就如同拉普拉斯 变换在连续时间系统中的作用一样，它把描述离散系统的差分方 程转化为简单的代数方程，使其求解大大简化。因此对求解离散 时间系统而言，z 变换是一个极其重要的方法（数学工具）。
12
§2.3 z 反变换（IZT） z 反变换：从给定的 z 变换闭合式 X (z ) 中还原出原序列 x(n) 。 x(n) Z 1 X ( z ) 表示式为： 通常有三种方法求出IZT：围线积分法（留数法）、部分分 式展开法和长除法。这里仅介绍前两种。 一、围线积分法（留数法） 根据复变函数的理论，若函数 X (z ) 在环状区域 Rx z Rx
n 0
所以 z 处 z 变换收敛是因果序列的特征。 3．左边序列 x n 只在 n n2 时， (n) 有非零值， n2 时，x(n) 0 。其 z 变换 为： n2 n2 0 X ( z ) x ( n) z n x ( n) z n x ( n) z n
令 z Re j ， Rx R Rx 我们已经知道柯西积分定理： 1 1 z k 1dz R k 1e j ( k 1) d ( Re j ) 2 j c 2 j c
14
Rk 2
1 ，k 0 e d 0 ，k 0 ， k为整数
Rx z
如图所示。
5
x 因果序列：即n1 0的右边序列，或者说，在 n 0时， (n) 有 n 非零值， 0 时，x(n) 0 。这时其变换中只有 z 的零幂和负幂项， 因此级数收敛域可以包括 z ，即
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z z 1 z z X ( z) 2 z 4 z 3 ( z 1)(z 3) 2 z 1 z 3
1 x(n) [( 1) n (3) n ] u (n) 2
求系数Ak
z z X ( z) 2 z 4 z 3 ( z 1)(z 3)
1 — 64
Z -
-2
-3 1 —— Z 256
1 -3 —— Z 256
...
极点分为：实极点、复极点 若为复极点必然是共轭极点，必然是成对出现
例：
z 1 z z X ( z) 2 1 2 1 z z z z 1 ( z 1 )2 ( 3 j)2 2 2
因为D(z)的系数是实数，所以复极点必然成对出现
D( z ) 因此 x(3) z 3 x(2) z 2 x(1) z N ( z) x(0) x(1) z 1 x(2) z 2 x(3) z 3
即D(z)除以N(z)的商为z的多项式，多项式的系数即为序列x(n) 左边序列对应z的正次幂的系数，右边序列对应z的负次幂的系数
x ( n) z
n
sT z e ,s 比较两式得s平面到z平面的映射关系为：
1 ln z T
（主要应用于AF到DF转换）
•将s平面用直角坐标表示：s j ， 横坐标为，纵坐标为模拟角频率； •将z平面用极坐标表示： z re j ， 横坐标为实轴，纵坐标为虚轴； •两平面都是复平面。
ze re j e ( j)T eT e jT r eT , T
sT
(1)r与的关系 (r e )
→ =0,即S平面的虚轴→r=1,即z平面单位圆；
T
<0,即S的左半平面→r<1,即z的单位圆内；
>0,即S的右半平面→r>1,即z的单位圆外 。
左边～圆内 右边～圆外
1 1
1
四、双边序列
例6： x(n) a
Z [ x(n)]
n
n
，|a|<1
a
|n|
Z
n
n
a
1
n
Z
n
a Z
n n 0
2
n
az 1 1 a 1 1 1 az 1 az (1 az )(1 az )
第二章
Z变换
讨论z变换的目的：
离散系统可以用差分方程表示：
y ( n)
k 0
bk x(n k ) ak y(n k )
k 1
N
N
在数字信号处理中，离散系统就是数字滤波器， 要分析数字滤波器就要解差分方程，但直接解 起来很麻烦，所以利用z变换把差分方程转化为 代数方程，使求解过程简化。 LT~微分方程
即 0 z , 充满整个Z平面。
零极点
N ( z) X ( z) 为有理分式， D( z ) D(z)=0的根称为z变换的极点，
N(z)=0的根称为z变换的零点。 极点与收敛域的关系： 收敛域不包含极点，收敛域总是以极点为收敛 边界，收敛圆必然通过极点。零、极点分为单 根和重根，单根又分为实根和共轭复根（若为 复根，必然是共轭的，因为系数是实数），滤 波器设计只考虑单根的情况。
作业2.3
§2.5 Z变换与Laplace变换、序列的 傅里叶变换的关系
一、 Z变换与Laplace变换的关系
利用LT可以得到连续系统的一些性质，利用z变换 可以得到离散系统的系统函数，而在设计数字滤 波器时可以先设计AF，再通过代换得到DF,所以 AF和DF的关系就可从LT与z变换的关系得到。
LT主要问题：收敛域、极点、反变换
§2.1
Z变换的表示：
双边z变换：
单边z变换：
Z变换
X ( Z ) Z [ x(n)]
n
n x ( n ) z
X ( Z ) Z [ x(n)] x(n) z n
n 0
Z为复数，以z的实部为横坐标，z的虚部 为纵坐标，可以构成一个z平面
§2.2
收敛域
长除法-例子
为了得到z的正次幂的多项式，将除数和被除数按z的升幂排列
1 Z 3+ — 1Z 4 1 Z 5+ ... 4Z+Z2 + — + — 4 16 64
4-Z)
16 Z 16 Z - 4 Z2 4 Z2 4 Z2 - Z3 Z3 1 4 Z3- — Z 4 1 Z4 — 4 1 Z 5 1 Z 4- — — 4 16 1 Z 5 — 16
二、右边序列
例3：求序列 x(n) u (n)的Z变换及收敛域。
Z [ x(n)]
n n n u ( n ) z z n 0
1 1 1 2 z z 1 z 1 1 z z 1
Z[u(n)]的极点为1，零点为0 收敛域为|z|>1
零极相消
例：
Z [u (n) u (n 1)] Z [u (n)] Z [u (n 1)] z z z 1 1 z 1 z 1 z 1 z 1
零、极点均为z=1,称为零极点相消。收敛域为整个z平面。
另：
u (n) u (n 1) (n), Z [ (n)] 1
n
st x ( nT ) ( t nT ) e dt a
n
xa (nT ) (t nT )e
st
dt xa (nT )e snT
n
抽样序列x(n)=xa(nT) 的z变换为X ( z )
n
再利用已知的z变换：
z Z [ A z u (n)] Ak z zk
n k k
z 或Z [- A z u (-n - 1)] Ak z zk
n k k
n x ( n ) A A ( z ) 结合收敛域写出反变换： k k 0 k 1
N
需要注意的问题：
①极点zk，为D(z)=0的根 ②计算系数Ak时，要写成：
§2.3
z变换性质1
一、线性: Z[a x (n)+a x (n)]=a Z[x (n)]+a Z[x (n)]
1 1 2 2 1 1 2 2
二、时移： Z[x(n)]=X(z)
Z[x(n-m)]=z-m· X(z)
意义：z-1：单位延迟器
z变换性质2
三、时域卷积：
x(n) h(n) y(n)
当 z a 时，这是无穷递缩等比级数。 a1 1 z 1 q az , S 。 1 1 q 1 az za
z a为极点，当 | az 1 | 1时， 即 z a 时，在圆 z a 外，收敛。
三、左边序列
例5：求序列 x(n) b u(n 1) 的Z变换及收敛域。
X ( z) X ( z) A2 ( z zk ) z z A1 ( z z k ) z zk z z 1 1 ( z 3) z 3 ( z 1) z 1 ( z 1)(z 3) ( z 1)(z 3) 1 1 1 1 3 1 2 1 3 2
k
z 2 例2-4-2： X ( z) 1 4 z 1 3z 2
1 1 1 1 1 X ( z) 2 z 4 z 3 ( z 1)(z 3) 2 z 1 z 3
利用z变换的时移性质：
Z z X ( z) x(n 1) u(n 1)
n
R
N
(n)z
n
z
n 0
N 1
n
1 z 1 z 1
N
收敛域为： 0 z ,
例2：求序列 x(n) (n)的Z变换及收敛域。
解：
Z [ (n)]
n
(n)z
n
z 1
0
其收敛域应包括 z 0, z ,
n
Z [ x(n)]
n
n n
n x ( n ) Z
n
n n b Z
1
b z z z b Z 1 1 b z b z z b n 1
q b z , 当 | b z | 1时， 即 z b 时， 在圆 z b内，收敛。 z b为极点
|a|<|z|<1/|a|
双边序列的收敛域是左边序列和右边序列z变换的 公共收敛区间。
课本P27表2.1
z nu(n) ~ ( z 1) 2
作业2.1(2)(6)
z 2 sin z sin(0 ) sin(n0 )u (n) ~ z 2 2 z cos0 1 sin z 1 sin(0 ) 1 2 z 1 cos0 z 2
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：（级数的收敛条件） X(z)收敛的充要条件是绝对可和。
即： x ( n) z
n n
M
ห้องสมุดไป่ตู้
一、有限长序列
例1：求序列 x(n) RN (n) 的Z变换及收敛域。
Z [ RN (n)]
长除法-原理
将正变换X ( Z )
n n x ( n ) z 展开，则
X ( z ) x(3) z 3 x(2) z 2 x( 1) z x(0) x(1) z 1 x(2) z 2 x(3) z 3