Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Dynamic_System_Modeling_and_Control.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
5.61 Mб
Скачать

math guide - 34.99

34.9 z-TRANSFORMS

• For a discrete-time signal x[ n], the two-sided z-transform is defined by

∞ ∞

X( z) = x[ n]zn . The one-sided z-transform is defined by X( z) =

x[ n]zn . In

n = –∞

n = 0

both cases, the z-transform is a polynomial in the complex variable z .

 

• The inverse z-transform is obtained by contour integration in the complex plane

x[ n] =

1

n – 1

dz . This is usually avoided by partial fraction inversion tech-

--------X( z) z

 

 

j2π °

 

 

niques, similar to the Laplace transform.

• Along with a z-transform we associate its region of convergence (or ROC). These are the values of z for which X( z) is bounded (i.e., of finite magnitude).

math guide - 34.100

• Some common z-transforms are shown below.

Table 1: Common z-transforms

 

 

Signal

 

z-Transform

 

 

 

 

 

ROC

 

 

 

x[ n]

 

 

 

X( z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δ [ n]

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

All z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u[ n]

 

 

---------------

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

>

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – z–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nu[ n]

 

 

 

z–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

>

1

 

 

 

 

 

----------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 1 – z

–1

)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

z–1( 1 + z–1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

u[ n]

 

----------------------------

 

 

 

 

 

z

 

>

1

 

 

 

 

 

 

 

( 1

z

–1

)

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

n

u[ n]

 

 

------------------

 

 

 

 

 

 

z

 

 

>

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – az–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

az–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

na

u[ n]

 

--------------------------

 

 

 

 

 

z

 

 

>

 

a

 

 

 

 

 

 

(

1 – az

–1

)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

------------------

 

 

 

 

 

 

z

 

 

<

 

a

 

 

(

a ) u[ n – 1]

 

 

1 – az–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

az–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--------------------------

 

 

 

 

 

z

 

 

 

<

 

a

 

 

( na ) u[ n – 1]

 

(

1 – az

–1

)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos ( ω

 

0n) u[ n]

 

1 – z–1 cos ω

 

0

 

 

 

 

 

z

 

>

1

 

 

 

 

1------------------------------------------------ 2z–1 cos ω

 

0 + z–2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin ( ω

 

0n) u[ n]

 

 

z–1 sin ω

 

0

 

 

 

 

 

 

 

z

 

>

1

 

 

 

 

------------------------------------------------1 – 2z–1 cos ω

 

0 + z–2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

1 – az–1 cos ω

0

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

a

 

cos ( ω

0n) u[ n]

---------------------------------------------------------

 

z

 

 

 

a

 

 

 

1 –

2az

–1

cos ω

0 + a

2

z

–2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

math guide - 34.101

Table 1: Common z-transforms

 

Signal

 

 

z-Transform

 

 

 

 

 

ROC

 

x[ n]

 

 

 

 

X( z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

az–1 sin ω 0

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

a sin ( ω 0n)

u[ n]

---------------------------------------------------------

 

z

 

 

a

 

 

1

– 2az

–1

cos ω 0 + a

2

z

–2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

zk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k----------------------!( n k) !u[ n]

 

-----------------------------

 

 

 

 

 

z

 

> 1

 

 

 

–1 k + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 1 – z

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• The z-transform also has various properties that are useful. The table below lists properties for the two-sided z-transform. The one-sided z-transform properties can be derived from the ones below by considering the signal x[ n]u[ n] instead of simply x[ n].

Table 2: Two-sided z-Transform Properties

Property

Time Domain

 

 

 

z-Domain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ROC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Notation

x[ n]

X( z)

 

r2 <

 

 

z

 

 

<

 

 

 

r1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1[ n]

X1( z)

 

ROC

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2[ n]

X2( z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ROC

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Linearity

α x1[ n] + βx2[ n]

α

X1( z) + β X2( z)

At least the intersec-

 

 

 

 

 

 

tion of ROC1 and

 

 

 

 

 

 

ROC2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Time Shifting

x[ n k]

z

k

X( z)

That of X( z) , except

 

 

 

z

 

 

= 0 if k >

0 and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

=

 

if k <

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z-Domain Scaling

anx[ n]

X( a–1z)

 

a

 

r2 <

 

z

 

<

 

 

a

 

r1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Time Reversal

x[ n]

 

 

–1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

X( z

)

----

<

 

 

z

 

 

<

----

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r1

 

 

 

 

 

 

r2

 

 

 

z-Domain

nx[ n]

 

dX( z)

r

 

 

<

 

 

z

 

<

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Differentiation

 

z-------------

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

math guide - 34.102

Table 2: Two-sided z-Transform Properties

Property

Time Domain

 

 

z-Domain

 

 

ROC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Convolution

x1[ n]*x2[ n]

X1( z) X2( z)

 

 

 

At least the intersec-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tion of ROC1 and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ROC2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Multiplication

x1[ n]x2[ n]

1

 

 

z

–1

 

At least

 

 

-------

°

X1

( v) X2

--

v

dv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j2π

 

 

v

 

 

r1lr2l <

 

z

 

< r1ur2u

 

 

 

 

 

 

 

 

Initial value theo-

x[ n] causal

x[ 0] =

lim X( z)

 

 

 

 

 

 

rem

 

 

 

 

z → ∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

34.10FOURIER SERIES

These series describe functions by their frequency spectrum content. For example a square wave can be approximated with a sum of a series of sine waves with varying magnitudes.

The basic definition of the Fourier series is given below.

 

 

a0

 

 

 

 

 

nπ x

 

 

 

 

nπ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f( x)

=

+

 

an cos

+ bn sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----

 

 

--------

 

 

--------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

L

 

 

 

 

nπ

x

 

 

 

 

 

1

L

 

 

nπ x

 

 

 

 

 

 

an

=

--

L

f( x)

cos

 

 

dx

 

 

bn =

--

L

f( x) sin

--------

dx

 

 

 

 

 

---------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

L

 

 

 

 

 

L

 

L

 

34.11TOPICS NOT COVERED (YET)

To ensure that the omissions are obvious, I provide a list of topics not covered below. Some of these may be added later if their need becomes obvious.

Frequency domain - Fourier, Bessel

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]