Z-muunnos

Muunnos ation Z on matemaattinen työkalu automaattista ja signaalinkäsittelyn , joka on vastaava diskreetti on Laplace-muunnos . Se muuttuu todellinen aika-alueen signaaliksi, joka edustaa monimutkainen sarja ja kutsutaan muuttaa ed Z .

Sitä käytetään muun muassa digitaalisten suodattimien laskemiseen, joilla on ääretön impulssivaste, ja automaattisessa tilassa mallinnamaan dynaamisia järjestelmiä erillisellä tavalla.

Määritelmä

Sen matemaattinen määritelmä on seuraava: muutos Z on sovellus, mikä muuttuu sekvenssin s (määritelty kokonaislukuja) tulee funktio S on monimutkainen muuttujan nimeltään z siten, että

Muuttuja n edustaa yleensä diskretisoitua aikaa , kompleksimuuttuja z on vain matemaattinen olento. Kun työskentelemme s ( n ): n kanssa, sanomme olevamme aika-alueella , kun työskentelemme S ( z ): n kanssa, toimialuetta kutsutaan taajuudeksi analogisesti Fourier-muunnoksen kanssa.

Kyllä , puhumme kausaalisesta signaalista. Päinvastoin, kyllä , puhumme anti-syy-signaalista.

Syy-signaaleille voimme käyttää myös monolateraalista Z- muunnosta  :

Muunnoksen olemassaolo Z: ssä

Verkkotunnuksen lähentyminen on osajoukko johon sarja suppenee. Toisin sanoen sekvenssiksi muunnoksen lähentymisalue on joukko:

Alaryhmää, jossa tämä sarja ehdottomasti lähentyy, kutsutaan lähentymisen kruunuksi . Poseeraamalla hän tulee:

kanssa

Siksi absoluuttisen lähentymisen alue on kruunu

missä merkitsee joka kerta tai ja missä epätasa-arvo (laaja tai tiukka) (tai vastaava ) on välttämätön ja riittävä ehto, jolla on rajallinen raja, kun (tai ) suuntautuu . Nimenomaisesti,

Artikkelin loppuosassa lähentymiskruunun oletetaan olevan tyhjä ja muunnokset Z: ssä ovat voimassa vain.

Z-muunnosominaisuudet

Näytämme alla luetellut ominaisuudet:

Lineaarisuus

Kahden signaalin lineaarisen yhdistelmän Z-muunnos on kunkin signaalin Z-muunnoksen lineaarinen yhdistelmä.

Ajansiirto

Aikasiirtymä on k signaalista näytteitä johtaa kertomalla Z-muunnos signaalin z -k .

Pitkälle kehittynyt

Kun käytämme monolateraalista Z-muunnosta (katso yllä), saamme

Konvoluutio

Konvoluutiotuotteen Z-muunnos on Z-muunnosten tulo

missä .

Todellakin,

Kerrotaan eksponentilla jossa muunnos Z seuraavasta Kerrotaan evoluutiomuuttujalla

Yleisesti:

missä tarkoittaa, että käytämme k kertaa operaattoriin

Jos kirjoitamme tämän kaavan arvoon k = 1, saadaan johdannaiskaava  :

Alkuarvolause

Antaa olla kausaalinen signaali sekä sen muunnos Z. Sitten:

Loppuarvolause

Tarkastellaan syy- signaalia ja sen muunnosta Z: ssä. Sitten kun vasen raja on olemassa, voimme kirjoittaa:

Esittely

Alkuarvo Lause on selvä todiste: riittää asettaa ja korvata y jonka 0 on lauseke .


Ja lopullinen arvo lause, merkille, että se seikka, että on olemassa merkitsee sekvenssi on rajoitettu ja sen vuoksi, että suppenemissäde on on pienempi kuin tai yhtä kuin 1. Olemme

kanssa

ja tämä toimintojen sarja on tasaisesti yhtenevä avoimessa tilassa . Piste 1 kuuluu U: n tarttumiseen ja for , konvergoituu . "Kaksoisrajalauseen" mukaan meillä näin on

Käänteinen Z-muunnos

Käänteisen Z-muunnoksen antaa:

missä suljettu polku kulkee vastapäivään ja kuuluu kokonaan lähentymisalueeseen.

Käytännössä tämä laskenta suoritetaan usein käyttämällä jäännöslausetta ja kaava muuttuu syy-signaalin tapauksessa:

Muut peruutusmenetelmät Muita inversiomenetelmiä, joista voi siirtyä , ovat: taaksepäin lukeminen tavallisten muunnosten taulukosta; siirtymän, lineaaristen yhdistelmien, konvoluutiotuotteen sääntöjen soveltaminen. Epätoivoissa voi aina yrittää etsiä tunnistamalla antamalla z k +1: n numeeriset arvot ja etsimällä kertoimet x (0) - x (k), jotka ovat ratkaisuja k + 1 lineaaristen yhtälöiden järjestelmään k + 1 tuntematonta. Tai yritä löytää Taylor- tai Maclaurin-laajennus käännettävälle toiminnolle. Erityinen suotuisa tapaus syntyy, kun funktio on järkevä murtoluku . Itse asiassa, kun :, P ja Q ovat kaksi polynomia 1 / z: ssä, jakaminen voidaan suorittaa haluttuun tarkkuustasoon saakka, ja kertoimien numeeriset arvot saadaan suoraan , n vaihtelevat välillä 0 - m. Tässä tapauksessa merkinnät hyväksytään enemmän tässä tapauksessa . Syynä on, että diskreeteille tai näytteistetyille järjestelmille siirtofunktio kirjoitetaan h (n) ja sen muunnos Z: ssä esitetään usein tässä osamuodossa lähdön (z) ja syötteen (z) välillä . Konkreettinen esimerkki tämän lähestymistavan havainnollistamiseksi:   Polynomien osamäärä z: ssä, numeerinen approksimaatio.

Huomio, tämä menetelmä on puhtaasti numeerinen, se ei tarjoa käänteissarjan analyyttistä ilmentymistä. Tässä esimerkissä H (z) on kahden polynomin suhde 1 / z: ssä. Osoitin näyttää kertomalla 2 nimittäjää, joka on siirretty 1 jaksolla, mutta valitsemme jonkin verran epätarkkoja numeerisia arvoja, jotta vältetään täydellinen osamäärä, joka on yhtä suuri kuin 2 / z.

Voimme tarkistaa laskentataulukosta tai käsin, että nämä polynomit täyttävät euklidisen jakauman määritelmän : H (z) = NUM ​​(z) / DENOM (z) = Q (z) + R (z) / DENOM (z) . Oletetaan, että loppuosa on merkityksetön verrattuna osamäärän kertoimiin. Näiden eri polynomien kaaviot voidaan visualisoida laskentataulukossa seuraavasti.

ZtransfoNumDenomQuotient.PNG ZtransfoPolynReste.PNG

Uteliaisuuden vuoksi voimme näyttää H (z): n likiarvon Q (z) impulssivasteen . Vastaavasti voimme näyttää Q (z): n indeksivasteen Heaviside-vaiheeseen. Ztransfo2reponses.PNG

Jos olisimme tyytyväisiä H (z): n epätarkempaan likiarvoon osamäärällä Q (z),

esimerkiksi 5: n tehoon asti: saisimme hieman erilaiset vastekäyrät, paljon vähemmän tarkat (epätarkkuus noin 6 kertaa suurempi). Lähentämisasteen valinta, toisin sanoen paras kompromissi tarkkuuden ja laskelmien raskauden välillä, sanelee käsittelemämme ongelman konkreettinen tarkastelu.   Prosessi tunnistamalla likimääräisesti kertoimet X (z). Mennä ja , jos mitään menetelmää näyttää johtavan epätoivoissaan voimme aina yrittää edetä tunnistaminen antamalla zk + 1 numeerisia arvoja ja etsimällä kertoimien x (0) ja x (k), jotka ovat liuoksia k + 1 lineaarisen yhtälön järjestelmä k + 1 tuntemattoman kanssa. Esimerkki:   Rationaalisten fraktioiden käyttö, esimerkki Fibonacci-sekvenssin siirtofunktiosta.

Tuottava sarja Fibonacci-sekvenssi on joten sen muunnos Z: ssä on

Binetin kaavan löytämiseksi tehdään käänteinen muunnos. Rationaalisten murtolukujen menetelmää voidaan kokeilla. Nimittäjä on kaksi napaa, ja jotka ovat määrän kultaa  : ja vastakohta sen vastakohta: . Seuraavissa laskelmissa käytämme seuraavia ominaisuuksia ja  :, ja

.

Funktio jakautuu alkeellisiksi rationaalisiksi murtoiksi, jotka kirjoitamme hieman uudestaan:

.

Murtoluku tyypistä voidaan työstää seuraavasti:

Ensimmäinen osa on tavallisen eksponentiaalikaavan muunnos, toinen osa 1 / z on yhden loven puhdas viive. Joten tämän elementtiosuuden käänteismuunnos lasketaan haetun sekvenssin soveltamalla lineaaristen yhdistelmien sääntöjä:

 

Suhde muihin muutoksiin

Laplace-muunnos

Lause  -  Olkoon x signaali, jonka oletetaan olevan määrittelemättömän erilainen funktio, ja (korvaamalla merkitään jakaumaa funktiona)

Dirac-kampa (joka kuuluu lauhkean jakauman tilaan ). Näytteistetyn signaalin , on määritelty , on jakauma, joka voidaan kirjoittaa

.

Vastaavuus on surjektio lähentyminen kaistan Laplace-muunnos näytteistetyn signaalin (olettaen, että tämä ei-tyhjä lähentyminen kaista) lähentymistä kruunu Z-muunnos on yleinen termi sekvenssin , ja meillä on

. Esittely

Joko kuuluu . Sitten (uusi väärinkäyttö kirjoittaminen) kuuluu ja määritelmän silloin tarkoittaa Fourier . Olkoon missä on laskevien funktioiden Schwartz-tila (joista kaksi on). Meillä on (vielä väärin kirjoitettu)

Näin ollen

.

Yllä olevat yhtälöt pätevät, koska jokaisessa kaksinaisuuden koukussa meillä on vasemmalla karkaistu jakauma ja oikealla laskeva funktio; Näin ollen, vaihdosta lähettää lähentyminen kaistan ja näytteistetyn signaalin osaksi lähentymistä rengas on .

Vastavuoroisesti anna olla yleisten termien sekvenssi  ; asetetaan ja . Kompleksiluvun kuuluu , jos, ja vain jos sekvenssi yleisesti kuuluu tila on ”hitaasti kasvava sekvenssit” (toisin sanoen sekvenssit, joille on olemassa kokonaisluku , kuten varten . Fourier-muunnos tällaista jatkoa on - jaksollinen jakelu

.

Anna voimme yhdistää sekvenssin kanssa jakelun määritelty (in väärinkäyttöä merkintä) mukaan

.

Kartta on monomorfismi lauhkean jakauman tilassa ja Fourier-muunnos on automorfismi . Sitten saamme (edelleen väärin)

.

Edellä esitetty osoittaa sen

Totta kertaus: jos , niin , siis , siksi siis (loukkaava erotettuna) , siis . Olemme siis osoittaneet, että kirjeenvaihto on surjektio on päällä .

Fourier-muunnos ja diskreetti Fourier-muunnos

Jos yksikköympyrä kuuluu konvergenssikruunuun , sekvenssin Fourier-muunnos saadaan ottamalla tämän sekvenssin Z-muunnoksen rajoitus yksikköympyrään, toisin sanoen poseeraamalla . Fourier-muunnoksen on itse asiassa -periodic toiminto (se on -periodic jos asetamme ja ottaa tykytys muuttujana ). Jos on reaalilukujen sarja, voimme sen vuoksi olettaa vaihtelevan aikavälillä .

Fourier-muunnos voidaan määritellä hitaasti kasvava sekvenssit (se on sitten -periodic jakelu ) ja Z-muunnos tämän yleisempi Fourier-muunnos (katso esittely edellä).


Z- muunnoksen ja diskreetin Fourier-muunnoksen (DFT) välillä on myös suhde . TFD on tukea signaali saadaan arvioimalla in (kanssa ).

Tavalliset Z-muunnokset

Alla edustaa yhtenäistä impulssia tai " Kronecker- sekvenssiä  " (yhtä kuin 1 muulle ja 0 muuten; se voidaan myös kirjoittaa , missä on Kronecker-symboli ); toisaalta merkitsee yhtenäisen vaiheen (yhtä kuin 1 muuten ja 0).

Z muuttuu
Signaali Muunnettu Z: ksi Lähentymisalue
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

Huomautuksia ja viitteitä

Huomautuksia

  1. Bourlès 2010 , § 12.3.5
  2. Mukaan Lang 1993 , §II.2
  3. Bourlès 2010 , 12.3.5, 12.4.4 §; Pallu de la Barrière 1966 , luku. II
  4. Bourlès 2010 , kohta 10.2.3
  5. Käänsimme laskentavaiheeseen ja mitä voimme perustella ( Schwartz 1965 , §V.5)
  6. Bourlès 2010 , § 12.3.2
  7. Pallu de la Barrière 1966 , luku. 10, §4, Lemma 9.
  8. Bourlès 2010 , § 12.3.3, 12.3.5

Viitteet

Katso myös

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">