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第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

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第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析. 浙江大学光电信息工程学系 胡慧珠 [email protected]. 主要内容: 频率响应( 4.8 , 4.9 ) 传输函数( 6.7 ) 传输函数的类型( 7.1~3 ) 简单滤波器( 7.4 ) 一些特殊的传输函数 (全通滤波器、最大、最小相位滤波器、互补滤波器) 逆系统 系统辩识 双输入双输出系统 —— 数字二端口网络. 4. 1 频率响应( frequency response). 4. 1.1 定义. h1=ones(1,5)/5; h2=ones(1,14)/14; - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

第四讲LTI离散时间系统在变换域中的分析

浙江大学光电信息工程学系胡慧珠

[email protected]

Page 2: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

主要内容:频率响应( 4.8, 4.9 )传输函数( 6.7 )传输函数的类型( 7.1~3 )简单滤波器( 7.4 )一些特殊的传输函数

(全通滤波器、最大、最小相位滤波器、互补滤波器)

逆系统系统辩识双输入双输出系统——数字二端口网络

Page 3: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.1.1 定义

4.1 频率响应( frequency response)

( ) ( )

=

[ ] DTFT

[ ] [ ] [ ]

[ ] ( [ ] )

)

[ ]

k

j n j j

j n

n k j k j n j n

k k

j j k

k

j

y n h k x n k

x n e y n h k e h k e e e

x n eigen function

H e h k e frequency response

H e ma

e

h k

gn

H

e

当 时,

其中 (——特征函数 输出信:

——频率响应( ): 。

——幅度响应(

号 输入信号 复常量

10

)

arg )

20log )

) )

j

j

itude response

H e phase response

g H e gain function

a g attenuation function loss function

, 的偶函数

——相位响应( , 的奇函数

——增益函数(

——衰减函数( 或损失函数(

Page 4: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.1.2 用MATLAB 计算频率响应h1=ones(1,5)/5;h2=ones(1,14)/14;w=0:pi/255:pi;H1=freqz(h1,1,w);H2=freqz(h2,1,w);m1=abs(H1);m2=abs(H2);plot(w/pi,m1,'r-',w/pi,m2,'b--');xlabel('\omega/\pi');ylabel(' 幅度 ');legend('r-','M=5','b--','M=14');pause;ph1=angle(H1)*180/pi;ph2=angle(H2)*180/pi;plot(w/pi,ph1,'r-',w/pi,ph2,'b--');xlabel('\omega/\pi');ylabel(' 相位(度) ');legend('r-','M=5','b--','M=14');

Page 5: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.1.3 滤波

11

2211

2121

cos

coscos

0coscos

0

1

1

21

neHA

neHBneHAny

nBnAnx

eH

j

jj

c

c

cj

时,当输入

例:

Page 6: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.1.4 相延时( phase delay )和群延时( group delay)

d

d

neHA

neHAny

gp

j

j

)()(

)))(

(cos(|)(|

))(cos(|)(|][

0

00

00

0

0

群延时:相延时:

例: DSB-SC 双边带抑制载波调制信号 x[n] =A cos (ω0 n) cos (ωc n)

=(A/2) cos (ωl n) + (A/2) cos (ωu n)

式中 , ωl = ωc - ω0 , ωu = ωc + ω0 .

如 x[n] 通过频率响应为 H(e jω) 的系统,假定 | H(e jω) | 1 , l ωu ,则其输出信号为:

Page 7: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

))(cos())(cos(

))(cos())(cos(][

02)()(

02)()(

22

lu

c

lu nnA

nnny

c

uuA

llA

假设 x[n] 为窄带信号 ,即 ωl , ωu 非常接近于 ωc, 将 LTI离散时间系统的相位响应用 Taylor 级数展开得:

群延时

相延时

---|)()()(

---)(

2)()(

)(|)(

)()(

c

c

dd

d

d

lu

lu

pc

c

c

lu

cc

p

g

Page 8: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.1.5 LTI 离散时间系统的频域特性

系统的频率响应为其中

,则得到输出为通过系统设任意序列

LTIekheH

eXeH

eXekheelxkh

elxkheknxkh

eknxkhenyeY

nynhnx

k

kjj

jj

j

k

kj

k

kj

l

lj

k l

klj

k n

nj

n

nj

kn

njj

Page 9: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.2 传输函数( transfer function) 4.2.1 定义

nh nx ny

)或系统函数()系统的传输函数(称为

其中

变换可得两边取

functionsystem

functiontransferLTI

zX

zYzH

zXzHzY

z

knxkhnyk

][][][

Page 10: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.2.2 传输函数的表达方式FIR 数字滤波器:

2 2

1 1

N Nn n

n N n N

Y z h n z X z H z h n z

有限维 LTI IIR离散时间系统:

zXzpzYzd

Z

eXepeYed

DTFT

knxpknyd

M

k

kk

N

k

kk

jM

k

kjk

jN

k

kjk

M

k

k

N

k

k

00

00

00

变换为

对上式作

对差分方程

Page 11: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

NNNN

MMMM

MN

NN

MM

dzdzdzd

pzpzpzpz

zdzdzdd

zpzpzpp

zX

zYzH

22

110

22

110

22

110

22

110

N

l

l

M

l

lMN

N

l

l

M

l

l

z

z

d

pz

z

z

d

p

zX

zYzH

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

kk

zROC max为:因果系统的

有限维 LTI IIR 离散时间系统:

Page 12: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.2.3 传输函数与频率响应的关系

j

j

ez

jjjjj

ezj

zHzHeHeHeHeHeH

zH

zHeH

1*2

对实系数的

(收敛域包含单位圆)

0 1

0

1

0 1 0 1

0 0

1 1

0

1 10

arg arg arg arg

Mj

lj N Mj l

Nj

ll

M Mj j

l lj N Mj l l

N Nj j

l ll l

M nj j j

l lk k

H z

ep

H e ed

e

e ep p

H e ed d

e e

pH e N M e e

d

对稳定有理的

Page 13: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

( )j jee

10

1( )0(

))

((

)

j j N

M jkk

N jk

M

k

pH e e

d

e

e

4.2.4 用几何插值的方法估计频率响应 有理系统可分解成一阶的零极点向量的积的形式 ;

• 幅值 : 零向量幅值之积与

极点向量幅值之积的比 ;

相位 : 零向量相位之和与

极点向量相位之和的差。

Page 14: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

例 1 :系统有一极点在 z = 0, 一零点在 c = 0.9 e j/4 , 其分

布如下左图;幅度和相位响应如右图;

上:幅度 下:相位零极点分布

Page 15: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

(续上图)

Page 16: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

(续上图)

Page 17: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

(续上图)

Page 18: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

(续上图)

Page 19: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

(续上图)

Page 20: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

(续上图)

Page 21: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.2.5 极点位置与稳定性

FIR :当 h[n] 系数为有限值时总是稳定的

IIR :可能不稳定,或经系数量化后不稳定。其稳定性和因果性取决于 ROC 和极点的位置,所有极点在单位圆内则系统为因果稳定的系统。

( )

( ) ( )j

n

n n n

n n n

j

z en

BIBO S h n h n DTFT

H z h n z h n z h n z

H z H e h n

z R

H z

H z

对因果稳定的系统,有: 稳定 的 存在

单位圆上有:

因果系统的收敛域为

因此

的收敛域包含单位圆

的极点必然在单位圆内(因果、稳定)

Page 22: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.4 传输函数的类型4.4.1 理想滤波器( ideal filters)

02

11

j

j

eH

eH

、阻带有

、通带有理想滤波器特点:

Page 23: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.4.2 零相位( zero-phase )和线性相位( linear-phase )传输函数

零相位传输函数:频率响应为非负实数

因果的零相位传输函数是无法实现的,但如果放松因果条件限制,对有限长的输入信号,非实时地实现零相位的传输函数是很容易的

jjjjj

jjjjjj

jjjj

jjjjjj

eXeHeXeHeH

eVeHeUeHeWeY

eWeYeVeU

eUeHeWeXeHeV

2*

****

**

zH

nx时反

nv

zH

nu时反

ny nw

方法一:

Page 24: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

方法二:

zH nx

时反 zH 时反

ny

jjre

jjjj

jjjjj

eXeH

eXeHeXeH

eXeHeXeHeY

*

**

Page 25: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

线性相位传输函数:在通带内相位函数为线性函数

DeH

AenyAenx

eeH

gj

Dnjnj

Djj

1

1

,输出为设输入

)(线性相位的全通系统:例

nnn

nnnh

eeH

cLP

c

cnj

jLP

0

0sin

0

0

2

0

滤波器:线性相位的理想低通例

Page 26: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.4.3 线性相位 FIR 传输函数 FIR 可以很容易地设计为线性相位, IIR 则比较困难

为奇数)反对称,偶数点(:类型为偶数)反对称,奇数点(:类型为奇数)对称,偶数点(:类型为偶数)对称,奇数点(:类型

传输函数可以分为四类因此线性相位的

时为线性相位

反对称:对称:

可以证明,当

Nnh

Nnh

Nnh

Nnh

FIR

NnnNhnhnh

NnnNhnhnh

znhzHFIRN

n

n

4

3

2

1

0

0

0

Page 27: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

2/

00

2

2cos2/2

2cos2/2

22/cos

2

2

1

2/

1

2

2/

1

2

12/

0

2

12/

0

2/2/2

212/

00

Nd

d

otherwise

eHN

responsephasezero

functionamplitudeN

hnnNheH

eHe

NhnnNhe

NhnNnheeH

Nhzznhz

zN

hzznhznhzH

Nnh

g

j

N

n

j

jN

j

N

n

Nj

N

n

Njj

N

n

nNNnN

NN

n

nNnN

n

n

)或零相位响应(

)称为振幅响应(其中

为偶数)对称,奇数点(:类型

nN=4N/2

对称中心

0

1

20

)( jeH

Page 28: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

2/

00

2

2

1cos

2

12

2

1cos2/12

2/cos2

2

2/1

1

2

2/1

1

2

12/1

0

2

12/1

0

2/2/2

12/1

00

Nd

d

otherwise

eHN

nnN

heH

eHe

nnNhe

nNnheeH

zznhz

zznhznhzH

Nnh

g

j

N

n

j

jN

j

N

n

Nj

N

n

Njj

N

n

nNNnN

N

n

nNnN

n

n

其中

为奇数)对称,偶数点(:类型

nN=5N/2

对称中心

0

1

2

0

)( jeH

Page 29: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

2/

00

22

sin2/2

sin2/2

2/sin2

3

2/

1

2

2/

1

2

12/

0

2/2

12/

0

2/2/2

12/

00

Nd

d

otherwise

eHN

nnNheH

eHje

nnNhje

nNenheeH

zznhz

zznhznhzH

Nnh

g

j

N

n

j

jN

j

N

n

Nj

N

n

jN

jj

N

n

NnnNN

N

n

nNnN

n

n

其中

为偶数)反对称,奇数点(:类型

n

N=2

N/2

对称中心

0

-1

1

20

)( jeH

Page 30: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

2/

00

22

2

1sin2/12

2

1sin2/12

2/sin2

4

2/1

1

2

2/1

1

2

12/1

0

22

12/1

0

2/2/2

12/1

00

Nd

d

otherwise

eHN

nnNheH

eHje

nnNhje

nNenheeH

zznhz

zznhznhzH

Nnh

g

j

N

n

j

jN

j

N

n

Nj

N

n

jN

jj

N

n

nNNnN

N

n

nNnN

n

n

其中

为奇数)反对称,偶数点(:类型

n

N=1

N/2

对称中心

0

-1

1

20

)( jeH

Page 31: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

2

2

0

02

02

2

N

nh

nh

HN

HN

HeH

HeeeH

FIR

g

j

jN

jj

群延时

反对称

对称

其中

相位响应

幅度响应

形式滤波器频率响应的一般线性相位

Page 32: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.4.4 线性相位 FIR 传输函数零点的位置

也为零点为零点,则实

也为零点为零点,则镜像对称或反对称

),称为反镜像多项式(满足上式的

反对称时,当

),称为镜像多项式(满足上式的

对称时,当

*00

00

1

00

1

0000

1

zznh

zzzH

AIPpolynomialimageantimirrorzH

zHzznNhznhzH

nh

MIPpolynomialimagemirrorzH

zHzzmhzzmhznNhznhzH

nh

NN

n

nN

n

n

NN

m

mNN

m

mNN

n

nN

n

n

Page 33: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

1014

111111

13

011111

1102

1101

2

1

1

1

zz

HHHHH

z

HHHH

zz

zz

rzrz

ez

er

zrez

N

N

j

jj

个零点在,偶数或:奇数个零点在类型

:奇数个零点在类型

,奇数个零点在个零点在:偶数或类型和个零点在:偶数或类型

,实轴上:

单位圆上:

,非单位圆上:

类型 2 :总有零点在 z=-1 ,不能用于高通

类型 3 :总有零点在 z=1和 z=-1 ,不能用于低通、高通和带阻

类型 4 :总有零点在 z=1 ,不能用于低通

Page 34: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

z=1

z=1z=1

z= - 1

z=1 z =- 1

Type I Type II

Type III Type IV

Page 35: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.4.5 有界实传输函数

对所有1jeH

则称为有界实传输函数( bounded real (BR) transfer function)

如果 对所有1jeH

则称为无损有界实传输函数( lossless bounded real (LBR) transfer function)

定义:因果、稳定、实系数的传输函数 H(z) ,如果满足

Page 36: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.5 简单的数字滤波器4.5.1 简单 FIR 滤波器

dB

eHeHg

eHeHfrequencycutoffdBdB

eeH

z

zzzH

jjc

jj

c

jj

c

c

0.30103.30

2log20log20log20

2

133

2

2cos

2

11

2

1

1

100

010010

000

2/0

10

此时增益

):截止频率(

、低通

Page 37: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

2

2sin

12

1

2

21

11

c

jj jeeH

zzH

、高通

Page 38: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.5.2 简单 IIR 滤波器

函数)为,(如

、低通

BRzH

z

zzH

LP

c

c

c

LP

1

cos

sin11

2cos

1

1

2

1

1

2

1

1

Page 39: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

1

1

2

2

1 1

2 11 sin2

cos1 cos

1

HP

cc

c

zH z

z

、高通

( 时稳定)

Page 40: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

2

1 2

10 0

12 1 2

3

1 1

2 1 1

cos cos

3 3

2cos

1

1 1

BP

w c c

zH z

z z

central frequency

dB dB bandwidth

B

、带通

中心频率( ):

带宽( )

( , 时稳定)

Page 41: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

图( p242 )

1 2

1 2

10

12 1 2

4

1 1 2

2 1 1

cos

3

2cos

1

1 1

BS

w c c

z zH z

z z

notch frequency

dB

B

、带阻

陷波频率( ):

陷波带宽:

( , 时稳定)

5

3

IIR

dB

、高阶 滤波器

衰减更快简单滤波器串联

带宽变窄

Page 42: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.5.3 梳状滤波器( comb filter) 梳状滤波器:频率响应是 ω 的周期函数,周期为 2π/L

梳状滤波器可以通过将原型滤波器中的每个延时单元替换为 L 个延时单元来实现。

LL

LL

pp

L

zzHzGzzH

zzHzGzzH

LkLkLzGzH

LkLkLzGzH

zHzG

zH

12

11

2

1

2

12

11

2

1

1

10/

10/

111

1

001

0

00

:例

:例,个谷点在有,则有谷点在如果

,个峰点在有,则有峰点在如果

波器可以由下式得到为原型滤波器,梳状滤设

Page 43: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

(a) (b)

Page 44: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.6 全通( allpass )传输函数4.6.1 定义

对所有12jeA

M 阶因果实系数全通函数可以表示为:

M

MM

M

MMMM

Mzdzdzd

zzdzddzA

11

11

11

11

1

如果定义 MM

MMM zdzdzdzD

11

111

则 1

1

zD

zDzzA

M

MM

M

的非正连续函数函数为函数,去弯折后的相位、对任意因果稳定全通

为零点为极点,则即如果零点和极点镜像对称,、

式分子为分母的镜像多项、

4

113

12

1

21

jMMM

jjM

M

eAzAzA

er

zrezzA

zA

Page 45: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

321

321

3 2.018.04.01

4.018.02.0

zzz

zzzzA

例:

Page 46: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.6.2 性质1 、因果稳定的全通传输函数为 LBR( lossless bounded response )传输函数

2 、

11

11

11

z

z

z

zA

3 、

Md

eA

ed

d

cj

c

jc

0

00

arg

,可以证明,为递减函数,因此有,稳定全通函数的为去弯折后的相位函数

为定义全通函数的群延时

Page 47: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.6.2 应用延时均衡器,用于实现线性相位

zG zA

Page 48: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.7 最小相位和最大相位传输函数(minimum phase)(maximum phase)

最小相位传输函数:所有零点都在单位圆内的因果稳定系统

最大相位传输函数:所有零点都在单位圆外的因果稳定系统

(注:如果是稳定系统,则所有极点都在单位圆内)

任意非最小相位传输函数都可以表示成为最小相位传输函数与一个稳定全通函数之积

H(z) = H min(z)Hap(z).

为全通系统。是最小相位系统,此处,

,则在单位圆外,即有一零点证明:设

1

c )1

1)((

1c)

11)((

11

1)

11)(()1)(()(

1 )(

1

11

1

1

11

11

11

11

1

zc

czz

czH

zc

czz

czH

zc

czz

czHczzHzH

cczH

Page 49: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

最小相位系统特点 :

(a) 对所有相同 |H(e jω)| LTI 系统 ,最小相位系统具有最小相移;

(b) 对相同 |H(e jω)| LTI 系统 ,最小相位系统具有最小群延迟;

)(arg)(arg)(arg)(arg minmin

jj

ap

jj eHeHeHeH

,0,0)(arg ( j

ap eH

.)0)](grd[ and j

apg eH

Page 50: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.8 互补( complementary )传输函数4.8.1 延时互补传输函数( delay-complementary)

输函数则称它们为延时互补传

为非负整数

,如果满足,,,个传输函数定义:

nzzH

zHzHzHLL

k

nk

L

01

0

110

0

例(略)4.8.2 全通互补传输函数( allpass-complementary)

称为全通互补

,如果满足,个传输函数定义:

1

0

10M

i

i

i

zAzH

MizHM

例(略)

Page 51: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.8.3 功率互补传输函数( power-complementary)

2

13

0

10

2

1

2

00

1

0

1

1

0

2

00

jj

M

i

ii

M

i

ji

i

eHeHfrequencycrossoverdB

KzHzH

KKeH

MizHM

,):交叉频率(

效于称为功率互补。上式等

为常数

,如果满足,个传输函数定义:

例(略)

Page 52: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.8.5 幅度互补滤波器( magnitude-complementary)

称为幅度互补

为常数

,如果满足,个滤波器定义:

0

101

0

M

i

ji

i

eG

MizGM

例(略)

4.8.4 双互补传输函数( doubly-complementary)同时满足全通互补和功率互补的 M 个传输函数。

Page 53: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.9 逆系统( inverse system)4.9.1 z 域的表达方法

nnhnh 21

121 zHzH

最小相位因果系统的因果逆系统总是稳定的

非最小相位系统的逆系统,如果加上因果条件限制则为不稳定的

2/1,

3/12/1

5/14/11

zzz

zzzH

)(5/1

)(4/15/1

)(4/1

5/14/1

3/12/12

反因果、不稳定

不稳定

因果、稳定

三个可能的收敛域:

逆系统:

z

z

z

zz

zzzH

例 4.16 :

Page 54: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.9.2 输入信号的递归计算 h n y n x n如果已知因果系统 ,输出 ,则可以递归地计算输入因果序列

而不需要求逆系统

0

1

0

1

0

0

00 0 0 0

0

1

0

1 0 00

n

k

n

k

n

k

y n x k h n k n

yy x h x

h

x n n

y n x n h x k h n k

y n x k h n kx n n h

h

方法一:

对于 , ,有

Y zX z

H z方法二: (长除法)

Page 55: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

例 4.17

h1=input(' 输入冲激响应 =');

y=input(' 输入输出 =');

N=length(y);

x=[y(1)/h1(1) zeros(1,N-1)];

for k=2:N

x(k)=(y(k)-fliplr(h1(2:k))*x(1:k-1)')/h1(1);

end

disp(' 输入样本 ');disp(x);

Page 56: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.10 系统辩识( system identification)

zX

zYzH

xnx

knxkhny

nh

x

yh

zHnhnynx

n

k

频域解法:

时域解法:或,求,输出已知输入

0010

0

00

1

0

Page 57: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

基于能量密度谱的解法:

1、 x[n] 已知

kxx

nk

n knyx

nxx

k

klrkhlnxknxkh

lnxknxkhlnxnylr

lnxnxlr

knxkhny

][][][][][

][][][][][][

][][][

][][][

已知,互相关序列列假定输入信号自相关序

jxx

jyxj

jxx

jjyx

xxyx

eS

eSeH

eSeHeS

zSzHzS

则有

Page 58: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

2、 x[n] 未知,但具有均匀能量密度谱

][*][*][

][][][

][][][][

][][][][

][][][][][

lrlhlh

klmrlmhkh

lmnxknxlmhkh

lmnxlmhknxkh

lnxnylnynylr

xx

mxx

k

m nk

n mk

nnyy

12

2

1

zHzHzSeHKeS

eSeHeS

zSzHzHzS

yyjj

yy

jxx

jjyy

xxyy

谱函数的输入信号对于具有均匀能量密度

则有

Page 59: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

1

1

/

zDzD

zPzP

zB

zAzS

zDzPzH

yy

,则如果

例 4.18 :假设一个因果稳定 LTI 离散时间系统被一个具有均匀能量谱的输入序列激励,输出信号能量密度谱为:

jj

jjj

yy ee

eeeS

25.1

4.004.1

cos25.1

cos4.004.1

11

11

1

11

5.015.0

2.012.0

25.1

4.004.1

zz

zz

zz

zzzHzH

ez j令

5.0

2.0

5.01

2.01

1

1

1

1

z

zzH

z

zzH

非最小相位系统:

最小相位系统:

Page 60: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.11 数字二端口网络( digital two-pairs)4.11.1 表示方法

02

222

01

221

02

112

01

111

2221

1211

2221212

2121111

2

1

2221

1211

2

1

1212

XXXXX

Yt

X

Yt

X

Yt

X

Yt

functiontransfertt

tt

XtXtY

XtXtY

X

X

tt

tt

Y

Y

,,,

)称为转移矩阵(其中

方法一:

Page 61: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

21

22112112

21

11

21

22

21

22211211

221

221

2

2

1

1

1

1

t

ttttD

t

tC

t

tB

tA

A

Bt

At

A

BCADt

A

Ct

functionchainDC

BA

DXCYY

BXAYX

X

Y

DC

BA

Y

X

,,,

,,,

的转换:与

)称为链矩阵(其中

方法二:

Page 62: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.11.2 互联

2

2

1

1

2

2

1

1

2

2

1

1

1

X

Y

DC

BA

DC

BA

Y

X

X

Y

DC

BA

Y

X

X

Y

DC

BA

Y

X

串联、

Page 63: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

2

1

2221

1211

2221

1211

2

1

2

1

2221

1211

2

1

2

1

2221

1211

2

1

2

X

X

tt

tt

tt

tt

Y

Y

X

X

tt

tt

Y

Y

X

X

tt

tt

Y

Y

串联、

Page 64: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

zGt

zGttt

zGBA

zGDC

X

YzH

pairstwodconstraine

22

211211

1

1

1

3

)、受限二端口网络(

Page 65: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.12 代数稳定性检测

4.12.1 稳定三角形

)1)(1(1)( 12

11

22

11

zzzdzdzD

二阶多项式:

212211 )( dd ,

21

2

211

111

dd

d 且

Page 66: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

4.12.2 一个稳定性检测的程序基本思想:通过检测一个具有相同分母的全通函数的稳定性来实现目标传输函数的稳定性检测

设传输函数的分母为:

M

ii

M

i

iiM zzdzD

1

1

1

)1()(

MM

MM

MMMM

M

MM zdzdzdzd

zzdzdd

zD

zDzA

1

12

21

1

11

11

.....1

....

)(

)(~

)(

构造 M 阶全通传输函数:

如果系统是稳定的,则有 : 1)1(11

M

ii

MMi d

定义 : MMM dAk )(

则 AM(z) 稳定的必要条件为: 12 Mk

Page 67: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

)1('1

2'2

2'2

1'1

)1(2'1

1'2

'1

1 .....1

....)(

M

MM

M

MMMM

M zdzdzdzd

zzdzddzA

.1,2,1,1 2

'

Mid

dddd

M

iMMii

)(1

)()(1 zAd

dzAzzA

MM

MMM

假设上述条件成立,构造函数 AM-1(z)为 :

)(1

)(

)(1

)()(1 zAd

dzAz

zAk

kzAzzA

MM

MM

MM

MMM

Page 68: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

)(1

)()(1 zAd

dzAzzA

MM

MMM

Am-1(z) 的极点 0 为:

MM k

A1

)( 0

12 Mk

1)( 0 MA

11

11

11

)(

zfor

zfor

zfor

zA

10

如果 AM(z) 为稳定的全通函数且 ,则 AM-1(z) 为稳定的全通函数

12 Mk

Page 69: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

)(1

)()(

11

11

zAzk

zAzkzA

MM

MMM

如果 AM-1(z) 为稳定的全通函数并且 , 则 AM(z) 为稳定的全通函数

12 Mk

如果 0 是 AM(z) 的一个极点,则 :M

M kA

1)( 01

10

12 Mk

001011

0 )(1)(

MM AA

11

11

11

)(

zfor

zfor

zfor

zA

10

逆命题:

Page 70: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

综上所述, AM(z) 稳定的充分必要条件为 :

12 Mk

AM-1(z) 稳定

)(1

)()(

11

11

zAzk

zAzkzA

MM

MMM

)(1

)()(1 zAd

dzAzzA

MM

MMM

.1,2,1,1 2

'

Mid

dddd

M

iMMii

稳定性检测方法:所有 ,时,全通函数 稳定12 iK zAM

Page 71: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

例 4.22 432 4321

1)(

zzzzzH

4321

321

4

41

41

21

43

1

43

21

41

41

)(

zzzz

zzzzA

解:4

14 k

321

321

3

151

52

1511

1

1511

52

151

)(

zzz

zzzzA

15

13 k

21

21

2

22479

224159

1

224159

22479

)(

zz

zzzA

224

792 k

1

1

2

10153

1

10153

)(

z

zzA

101

531 k

Page 72: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

例 4.22

432 25.375.375.25.0

1)(

zzzzzH

4321

4321

4 5.075.275.325.31

25.375.375.25.0)(

zzzz

zzzzzA

解:5.04 k

321

321

3 5.15.25.21

5.25.25.1)(

zzz

zzzzA

5.13 k

Page 73: 第四讲 LTI 离散时间系统在变换域中的分析

例 4.22

den=input(' 输入分母系数 =');

k=poly2rc(den);

knew=fliplr(k');

disp(' 稳定性检测参数是 ');disp(knew);

stable=all(abs(k)<1);