Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Illyustratsii_k_lektsiam_TsOS

.pdf
Скачиваний:
39
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
955 Кб
Скачать
☆

Дисциплина:

Цифровая обработка сигналов – ЦОС

(иллюстрационный материал для лекций)

Сигналы и их спектральное представление

Основные типы сигналов

Сигнал

Рис.

Область определения

Область значений

Аналоговый

а

непрерывная

непрерывная

Дискретный

б

дискретная

непрерывная

Квантованный

в

непрерывная

дискретная

Цифровой

г

дискретная

дискретная

а)

б)

в)

г)

1

Задержанный единичный импульс

 

 

 

 

 

 

 

 

δ(n −2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, n = k

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δ(nT −kT ) = δ(n −k) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0, n ≠ k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

0

1

2

3

 

n

 

 

 

x(n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Единичный ступенчатый сигнал

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В дискретной форме:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

0

1

2

3

 

n

 

 

1, n ≥ 0, n = 0, 1, 2, ...

∞

 

x(n) =

x(n) = ∑ δ(n −k)

0, n < 0

k =

0

Математическая запись любого дискретного сигнала имеет вид:

∞

x(n) = ∑x(k)·δ(n −k)

k =0

Итак, согласно выражению (1) дискретный сигнал представляет сумму δ - функций, следующих с интервалом времени Т. Эти функции имеют амплитудные коэффициенты, равные отсчетам сигнала x(t) в точках дискретизации kT.

Обобщенная схема цифровой обработки аналоговых сигналов

Задачи ЦОС сигнала обычно сводятся к трем действиям:

–ввод цифрового сигнала, или преобразование входного аналогового сигнала в цифровую форму;

–обработка полученного массива данных с использованием различных алгоритмов;

–вывод полученного результата, или обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговую форму.

Примеры некоторых дискретных сигналов

Единичный импульс ( δ -импульс) - δ -функция в дискретной форме:

1, n = 0

1

 

δ(n)

 

δ(nT ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0, n ≠ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

-

 

2

-1 0 1 2 3

Обобщенная схема ЦОС

~

x(t) ФНЧ x (t)

АЦП

x(nT ) Устройство y(nT )

ЦОС

 

(вычислитель)

fд

 

~

Сглажи-

y(t)

ЦАП

y(t)

вающий

 

 

ФНЧ

 

Дискретизация непрерывных сигналов. Дискретные сигналы.

Обозначение дискретных сигналов x(nT), x(n), xn , {x0; x1; x2; …}.

∞

x(n) = ∑x(k)δ(n −k)

k =−∞

2

Различие спектров непрерывного и дискретного сигналов

x(t) – непрерывный сигнал

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(n) – дискретный сигнал

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Комплексная спектральная плотность (спектр)

X ( j f ) ,

X ( j ω) , X (e jω)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПФ

Преобразование Фурье (ПФ) аналогового сигнала

x(t) X (e jω )

Прямое преобразование Фурье

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

X ( j ω) = X (e jω) = ∫x(t) e− j ωt dt

или

 

X ( j

f ) = ∫x(t) e− j 2 π f t dt

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

Обратное преобразование Фурье

 

 

 

 

 

 

 

 

x(t) = ∞∫X ( j f ) e j 2 π f t df или

x(t) =

1

 

∞∫X ( j ω) e j ωt dω

 

 

 

−∞

 

 

 

 

2π −∞

 

 

Прямое и обратное преобразование Фурье для дискретных сигналов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДВПФ

Дискретное во времени преобразование Фурье (ДВПФ)

x(n) X (e jω )

прямое ДВПФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

X (e jω) = ∑x(n)e− jωn или X ( j f ) =

∑x[n] e − j 2 π f

n T

 

n=−∞

 

n=−∞

 

 

 

 

обратное ДВПФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

π

 

 

1

 

fд

 

 

 

 

x(n) =

∫X (e jω) e jωndω или

x[n] =

 

∫X ( j

f ) e j 2 πf n T df

2π

fд

 

 

−π

 

 

0

 

 

 

 

Спектры непрерывных и дискретных сигналов

«Реальный» сигнал – сигнал, ограниченный по времени

«Идеальный» сигнал – сигнал, ограниченный по частоте

Спектр периодического сигнала

Спектр непрерывного сигнала

Спектр дискретного сигнала

3

Прямое и обратное дискретное преобразование Фурье (ДПФ)

 

 

N −1

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X (m) = ∑x(n)e− j

 

m n , m =

 

 

 

 

 

прямое ДПФ:

N

0, N −1.

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

N −1

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

x(n) =

 

∑X (m)e j

 

m n ,n =

 

 

 

обратное ДПФ:

 

N

0, N −1.

 

 

 

 

N m=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Линейные системы с постоянными параметрами (ЛПП-системы)

x(n) y(n)

ЛПП

Линейность – выполнение принципа суперпозиции

x1(n) → y1(n)

x2 (n) → y2 (n)

вход -

Ax1(n) + Bx2 (n) ,

A , B − const

выход -

Ay1 (n) + By2 (n)

 

Постоянство параметров –

независимость параметров от времени (инвариантность от времени) x(n) → y(n)

x(n −n0 ) → y(n −n0 )

Импульсная характеристика - h(n)

x(n) y(n)

ЛПП

h(n) – реакция на δ(n)

x(n) → y(n)

x(n) = δ(n) → y(n) = h(n)

Система реализуема (физически реализуема)

h(n) = 0 при n < 0

Система устойчива

Необходимое и достаточное условие устойчивости системы:

∞

∑h(n) < ∞

n=−∞

4

∞

вход - x(n) = ∑x(m) δ(n −m)

m=−∞

Дискретная СВЕРТКА

∞

∞

выход - y(n) = ∑x(m) h(n −m)

или y(n) = ∑h(m) x(n −m)

m=−∞

m=−∞

Уравнение дискретной свертки y(n) = ∑n h(m) x(n −m)

m=0

Пример графического построения свертки (первый вариант)

5

Пример графического построения свертки (второй вариант)

Линейные разностные уравнения с постоянными

коэффициентами (разностное уравнение)

 

 

x (n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y ( n )

 

 

 

 

 

Л П П - система

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h(n )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Линейное разностное уравнение N-го порядка, связывающее входной сигнал

 

 

 

 

 

 

 

x(n) с выходным y(n)

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

∑ak y(n −k) = ∑bk x(n −k) , n ≥ 0

 

k =0

 

 

 

 

 

k =0

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

y(n) = ∑ bk x(n −k) −∑ ak y(n −k) , a0 =1

 

 

k =0

 

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

коэффициенты ak и bk полностью характеризуют систему

 

Как и в случае свертки, разностное уравнение не только дает теоретическое

 

описание системы, но может быть также основой для реализации системы.

 

x(n)

b0

+

 

 

 

y(n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z-1

 

 

b1

 

 

− a1

 

 

 

Z-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z-1

 

 

 

− a2

 

 

 

Z-1

 

 

 

 

 

 

 

... ...

 

 

 

 

 

 

 

... ...

 

 

 

 

Z-1

 

bM

 

 

− aN

 

 

 

Z-1

 

 

 

 

 

 

 

Нерекурсивная часть

Рекурсивная часть

 

(трансверсальная)

цифрового фильтра

 

цифрового фильтра

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В общем случае линейная система, может иметь импульсную характеристику

как конечной, так и бесконечной длительности.

КИХ-системы, БИХ-системы КИХ – конечная импульсная характеристика БИХ – бесконечная импульсная характеристика

Для КИХ-системы N=0

 

 

M

N

разностное уравнение y(n) = ∑ bk

x(n −k) −∑ ak y(n −k)

 

 

k =0

k =1

M

 

 

записывается как y(n) = ∑b(k)x(n −k)

k =0

 

 

 

 

 

M

совпадает с уравнением свертки y(n) = ∑h(k)x(n −k)

 

 

 

k =0

b ,

n = 0, 1, ... , M ;

и, следовательно, h(n) =

n

- востальныхслучаях.

 

0

Отсчеты импульсной характеристики h(n) равны коэффициентам разностного

уравнения b(k) .

 

 

 

Для БИХ-системы

N > 0

(обратные связи)

разностное уравнение

 

 

 

M

 

N

 

y(n) = ∑ bk x(n −k) −∑ ak y(n −k)

k =0

 

k =1

 

Примеры:

разностное уравнение первого порядка

y(n) =b0 x(n) +b1x(n −1) −a1 y(n −1)

Схема реализации разностного уравнения первого порядка

x(n)

b0

+

 

 

 

y(n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z-1

 

b1

 

 

−a1

 

Z-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

разностное уравнение второго порядка

y(n) = b0 x(n) +b1x(n −1) +b2 x(n −2) −a1 y(n −1) −a2 y(n −2)

Схема реализации разностного уравнения второго порядка

x(n)

b0

+

 

 

 

y(n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z-1

 

b1

 

 

−a1

 

Z-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z-1

 

b2

 

 

− a2

 

Z-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

Представление дискретных сигналов и систем в частотной области

x(n) – дискретный сигнал

X (e jω) , X ( j ω) – комплексная спектральная плотность (спектр)

ДВПФ

Дискретное во времени преобразование Фурье (ДВПФ) x(n) X (e jω)

h(n) – импульсная характеристика ЦФ

H (e jω) , H ( j ω) – частотная характеристика ЛПП-системы (ЦФ)

с импульсной характеристикой h(n)

ДВПФ

h(n) H (e jω)

Прямое ДВПФ – ряд Фурье

∞

H (e jω) = ∑h(k)e− jωk

k =−∞

В общем случае H (e jω) – комплексная функция и может быть выражена через свои действительную и мнимую части

H (e jω) = Re(H (e jω))+ j Im(H (e jω))

или через модуль и аргумент

H (e jω) = H (e jω) e− j arg H (e jω )

или

 

 

H (e jω) = H (e jω) exp[− j arg H (e jω)]

 

модуль – АЧХ – амплитудно-частотная характеристика

 

H (ω) = H (e jω) = Re(*)2 +Im(*)2

 

или

 

 

H (ω) = (Re[H ( jω)])2 +(Im[H ( jω)])2

 

аргумент – ФЧХ – фазо-частотная характеристика

Im[H ( jω)]

ϕ(ω) = arg(H (e jω))= arctg Im(*)

или ϕ(ω) = arctg

Re(*)

 

Re[H ( jω)]

Частотная характеристика H(ejω) является непрерывной функцией частоты.

Кроме того, это периодическая функция частоты ω с периодом 2π.

Поскольку H(ejω) – периодическая функция частоты, она может быть представлена в виде ряда Фурье:

∞

H (e jω) = ∑h(k)e− jωk ,

k=−∞

вкотором коэффициентами Фурье являются значения импульсной характеристики

h(n), т.е. h(n) могут быть определены через

H (e jω) как коэффициенты Фурье

периодической функции:

 

 

 

 

h(n) =

1

∫π H (e jω) e jωndω – обратное ДВПФ

2π

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

H (e jω) = ∑h(n)e− jωn

– прямое ДВПФ

 

 

 

 

 

n=−∞

 

ДВПФ – дискретное во времени преобразование Фурье

 

∞

 

 

 

 

прямое X (e jω) = ∑x(n)e− jωn

 

 

n=−∞

 

 

обратное x(n) =

1

 

∫π X (e jω) e jωndω

 

2π

 

 

−π

 

 

СВОЙСТВО дискретное во времени преобразование Фурье от свертки

∞

y(n) = ∑h(k)x(n −k)

k =−∞

Y (e jω) = H (e jω) X (e jω).

7

Z-преобразование дискретного сигнала

преобразование Фурье дискретного времени – прямое ДВПФ

∞

∞

 

X (e jω) = ∑x(n)e− jωn или

X ( j f ) = ∑x[n] e − j 2 π f n T

n=−∞

n=−∞

 

произведем замену, введем комплексную переменную z

 

 

e j 2 πf T = z

e j ω = z

Z-преобразование

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X (z) = ∑x[n] z − n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

одностороннее Z-преобразование

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X (z) = ∑x[n] z − n применимо для сигналов, для которых x[n] = 0 при n < 0

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример

1 ,

n =1, 2, 3

 

 

 

 

 

 

 

x[n] =

n >3, n < 0

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

 

 

 

X (z) = z−1 + z−2 + z−3 =

z2 + z +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример

x[n] = e−αnT , n > 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

∞

 

 

 

∞

−αT z−1 )n

X (z) = ∑x[n] z−n =

∑e−αnT z−n = ∑(e

 

n=0

 

n=0

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

Из теории рядов следует, что при выполнении условия

 

e−αT z−1

 

<1 сумма

 

 

ряда X (z) равна X (z) =

 

1

=

 

 

z

 

 

 

 

 

 

1 −e−αT z−1

z −e−αT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z-преобразование X (z) дискретного сигнала x[n] определено только для области z, в которой степенной ряд (1) сходится.

Эта область сходимости включает в себя все значения z, находящиеся вне некоторого круга на комплексной z-плоскости, радиус которого r0 , который

называется радиусом сходимости, т.е. при r0 < z < ∞ ряд сходится.

Область сходимости степенного ряда

В области сходимости существует взаимно-однозначное соответствие между

X (z) и x[n] ,

т.е. каждому x[n] соответствует одно и только одно X (z) ,

определенное для

 

z

 

> r0 и наоборот.

 

 

Свойства Z-преобразования

∞

∞

X (z)= ∑x[n]z−n , Y (z)= ∑y[n]z−n

n=−∞

n=−∞

1. Свойство линейности

Последовательность ax[n] +by[n] имеет Z-преобразование aX (z)+bY (z)

2. Свойство задержки

Последовательность x[n −m] имеет Z-преобразование z−m X (z)

z−m – множитель задержки

Элемент задержки

на входе x[n] Z −пр X (z) x(n) z -1 x(n-1)

Z −пр

на выходе x[n −1] z−1 X (z)

z−1 – передаточная функция элемента задержки на один отсчет

3. Свойство свертки

∞

Последовательность y[n] = x[n] h[n] = ∑x[m]h[n −m] - свертка

m=−∞

имеет Z-преобразование Y (z)= X (z)H (z)

8

Обратное Z-преобразование

Обратный переход от z–преобразования X(z) к последовательности x(n) определяется соотношением

x[n] =

1

∫X (z)zn−1dz , где C – замкнутый контур.

2πj

 

C

Это обратное z–преобразование содержит интеграл по любому замкнутому контуру с направлением обхода против часовой стрелки, расположенному в области сходимости и окружающему начало координат.

Способы нахождения обратного Z-преобразования

1.Прямое вычисление с помощью теоремы о вычетах.

2.Разложение X (z) на простые дроби.

3.Разложение X (z) в степенной ряд.

1. Прямое вычисление с помощью теоремы о вычетах.

Для рациональных z–преобразований контурные интегралы вида (2) удобно вычислять с помощью теоремы о вычетах, согласно которой

x(n) = ∑res X (z)zn−1 ,

i

z=p

i

где res X (z)zn−1 – вычет подынтегральной функции в полюсе z=pi

z=pi

Пусть a – полюс порядка m , тогда

 

1

 

(m−1)

 

res f (z) =

lim

d

 

[(z −a)m f (z)]

 

 

 

a

(m −1)! z→a dzm−1

 

Если полюс простой

res X (z)zn−1 = lim[(z − pi ) X (z)zn−1 ]

 

 

z=pi

 

z→pi

2. Разложение X (z) на простые дроби.

Например, для рационального z–преобразования с однократными полюсами X(z) можно представить в форме

N

 

Ai

 

 

 

 

N

X (z) = ∑

 

 

 

, тогда x(n) = ∑Ai pin для всех n.

1− pi z

−1

i=1

 

 

 

i=1

простая дробь

 

Ai

→ A pn

последовательность

1− p z−1

 

 

i i

 

 

 

 

 

i

 

 

3. Разложение X (z) в степенной ряд.

Если z–преобразование имеет вид степенного ряда, можно заметить, что значение x(n) последовательности есть коэффициент при z-n в этом ряде

∞

X (z) = ∑x(n)z−n .

n=0

X (z) = x(0)z−0 + x(1)z−1 + x(2)z−2 +...

X (z) = x(0) + x(1)z−1 + x(2)z−2 +...

Если X(z) дается в замкнутом виде, то часто можно вывести соответствующий степенной ряд или использовать известное разложение в ряд.

Например, представление в виде степенного ряда можно получить

непосредственным делением числителя на знаменатель

X (z) = 6z2 −4z1 +2 z2 + z −1

Передаточная (системная) функция

x (n )

h ( n )

y (n )

Л П П – система

 

 

 

 

 

 

 

 

(цифровой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

фильтр)

 

 

 

 

 

 

 

 

Z −пр

на входе x[n] X (z)

Z −пр

на выходе y[n] Y (z)

Z −пр

импульсная характеристика h[n] H (z)

Свойство свертки Z-преобразования

∞

Последовательность y[n] = x[n] h[n] = ∑x[m]h[n −m] - свертка

имеет Z-преобразование Y (z)= X (z)H (z) m=−∞

Н(z) = Y (z)

X (z)

Н(z) – передаточная (системная) функция ЛПП-системы (цифрового фильтра)

9

Если систему можно описать линейным разностным уравнением с постоянными коэффициентами, то ее передаточная функция является отношением полиномов.

Разностное уравнение N-гo порядка

N

M

∑a(k) y(n −k) = ∑b(k)x(n −k)

k =0

k =0

Применяя z-преобразование к обеим частям разностного уравнения с учетом свойства линейности и свойства задержки, получим

N

 

 

 

M

 

 

 

 

 

∑a(k)z−kY (z) = ∑b(k)z−k X (z)

 

 

 

k =0

 

 

 

k =0

 

 

 

 

 

 

N

 

 

M

 

 

 

Y (z) ∑a(k)z−k = X (z)

∑b(k)z−k

 

 

 

k =0

 

 

k =0

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

M

 

 

 

 

Y (z)

 

∑b(k)z

−k

∑b(k)z−k

 

 

H (z) =

 

=

k =0

 

или H (z) =

k =0

 

, a(0) =1

 

X (z)

N

 

N

 

 

 

 

∑a(k)z

−k

1+∑a(k)z

−k

 

 

 

 

k =0

 

 

k =1

 

 

Эта формула дает конкретное выражение для передаточной функции, и коэффициенты полиномов в числителе и знаменателе являются соответственно

коэффициентами в правой и левой частях разностного уравнения.

Понятие нуля и полюса функции

Нуль функции y = f (x) – значение аргумента xн , при котором функция обращается в нуль, т.е. y = f (xн) = 0 .

Полюс функции y = f (x) – значение аргумента

xп , при котором функция

обращается в бесконечность, т.е. y = f (xп) = ∞

 

 

 

 

 

 

 

Для передаточной функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H (z) =

∑b(k)z−k

=

 

∑b(k)z−k

 

=

b(0) +b(1)z

−1

+... +b(М)z

−М

k =0

 

k =0

 

 

 

 

N

 

N

 

 

1 + а(1)z

−1

+... + а(N )z

−N

 

∑a(k)z−k

 

1 + ∑a(k)z

−k

 

 

 

 

 

 

 

k =0

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нуль передаточной функции – корни (z=zi) уравнения, стоящего в числителе

H (z) .

Полюс передаточной функции – корни (z=pi) уравнения, стоящего в знаменателе H (z) .

Так как выражение H(z) есть отношение полиномов от z –1, то его можно записать в виде

M

∏(1− zi z−1 )

H (z) = A iN=1

∏(1− pi z−1 )

i=1

Каждый из сомножителей (1 – ziz-1) в числителе дает нуль при z =zi и полюс при

z=0.

Каждый сомножитель (1 – piz-1) в знаменателе дает полюс при z=pi и нуль в начале координат.

Следовательно, с точностью до скалярного может быть полностью описана картиной (обозначение: нуль – кружок, полюс – крестик).

Картина нулей и полюсов в Z-плоскости

множителя А передаточная функция

полюсов и нулей в z-плоскости.

j y

Z - пл.

-1

1

 

x

Если система устойчива, то все полюсы должны лежать внутри единичного круга и область сходимости будет содержать единичную окружность.

По этой причине при описании передаточной функции диаграммой полюсов и нулей в z-плоскости удобно изображать также единичную окружность, чтобы было видно расположение полюсов относительно этой окружности.

В частном случае, когда N=0 (КИХ-фильтр, нерекурсивный фильтр), система не имеет полюсов, за исключением точки z=0, и ее импульсная характеристика имеет конечную длительность.

M

 

 

 

 

 

H (z) = ∑b(k)z−k

x(n)

 

x(n-1)

k =0

 

z -1

Элемент задержки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H (z) = z−1 – передаточная функция элемента задержки на один отсчет

При N>0 (БИХ-фильтр, рекурсивный фильтр) система имеет полюсы, каждый из которых прибавляет экспоненциальную последовательность к импульсной характеристике.

Таким образом, если передаточная функция имеет полюсы, то импульсная

10

Общие свойства передаточной функции.

 

 

 

M

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

H (z) =

Y (z)

=

∑b(k)z−k

=

∑b(k)z−k

 

 

 

 

k =0

 

k =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X (z)

 

N

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑a(k)z−k

 

1+∑a(k)z−k

 

 

 

 

 

 

 

k =0

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

H (z) =

Y (z)

=

b

+b z−1

+b z−2

+... +b

z−M

,

a

 

=1

 

0

1

 

2

 

 

M

 

 

0

X (z)

1+a z−1

 

 

 

+... +a

 

z−N

 

 

+a

z−2

N

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частотные характеристики.

Комплексная передаточная функция дискретной цепи (частотная характеристика) связана с передаточная (системной) функция дискретной цепи

H ( jω) = H (Z ) |

jωT или H ( jω) = H (Z ) |

jω

 

 

Z =e

 

 

 

 

 

 

Z =e

 

 

 

Передаточная функция дискретной цепи

 

 

 

 

H (z) =

Y (z)

=

b

+b z−1

+b z−2

+... +b

z−M

 

0

1

2

 

M

 

X (z)

1+a z−1

 

+... +a

 

z−N

 

 

 

+a

z−2

N

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

Комплексная передаточная функция (частотная характеристика)

H ( jω) =

b +b e− jωT +b e− j 2ωT +... +b

 

e− jMωT

0

1

2

 

M

 

 

1 + a e− jωT + a

e− j 2ωT +... + a

e− jNωT

 

 

1

2

 

 

N

 

 

Модуль H ( jω)

- H (ω) = mod[H ( jω)]

 

– АЧХ,

Аргумент H ( jω)

- ϕ(ω) = arg[H ( jω)]

 

 

 

– ФЧХ.

H (ω) =

(b

+b cos ωT +.. +b

 

cos MωT )2 +

0

1

 

M

cos NωT )2 +

 

(1+a cos ωT +.. +a

N

АЧХ

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+(b1 sin ωT +... +bM sin MωT )2

+(a1 sin ωT +... +aN sin NωT )2

 

ϕ(ω) = −arctg

 

 

b1 sin ωT +.. +bM sin MωT

 

b +b cos ωT +... +b

cos MωT

ФЧХ

0

1

M

 

 

 

 

 

a1 sin ωT +.. +aN sin NωT

 

+arctg

 

 

1

+a cos ωT +.. +a

N

cos NωT

 

 

 

 

 

1

 

 

характеристика имеет бесконечную протяженность.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]