Z dönüşümü

Dönüşümü asyon , Z için matematiksel olarak otomatik ve sinyal işleme eşdeğerdir, ayrık bir Laplace dönüşümü . Gerçek zamanlı bir etki alanı sinyalini karmaşık bir seri tarafından temsil edilen ve transform ed Z olarak adlandırılan bir sinyale dönüştürür .

Diğer şeylerin yanı sıra , sonsuz darbe yanıtlı dijital filtrelerin hesaplanmasında ve otomatik modda dinamik sistemleri ayrı bir şekilde modellemek için kullanılır .

Tanım

Matematiksel tanımı şu şekildedir: Z'deki dönüşüm, bir s dizisini (tamsayılar üzerinde tanımlanmış) z adlı karmaşık bir değişkenin S fonksiyonuna dönüştüren bir uygulamadır , öyle ki

n değişkeni genellikle ayrıklaştırılmış zamanı temsil eder , karmaşık değişken z sadece matematiksel bir varlıktır. s ( n ) üzerinde çalıştığımızda zaman alanında olduğumuzu söyleriz, S ( z ) üzerinde çalıştığımızda alan Fourier dönüşümüne benzer şekilde frekans olarak adlandırılır .

Evet , nedensel bir sinyalden bahsediyoruz. Tersine, evet , nedensel olmayan bir sinyalden bahsediyoruz.

Nedensel sinyaller için tek taraflı Z dönüşümünü de kullanabiliriz  :

Z'deki dönüşümün varlığı

Yakınsama alanı , serilerin yakınsadığı alt kümedir . Başka bir deyişle, diziye dönüşümün yakınsama alanı şu kümedir:

Alt kümesi olan bu dizi kesinlikle birleşir denir yakınlaşma taç . Poz vererek geliyor:

ile

Mutlak yakınsaklık alanı bu nedenle bir taçtır

nerede her zaman anlamına gelir veya ve eşitsizliğin (geniş veya katı) (nis. ) gerekli ve yeterli koşul olduğu , böylece (nis. ) yönünde eğilim gösterdiğinde sonlu bir sınırı vardır . açıkça,

Makalenin geri kalanında yakınsama tepesinin boş olmadığı varsayılır ve Z'deki dönüşümler sadece için geçerlidir.

Z dönüşüm özellikleri

Aşağıda listelenen özellikleri gösteriyoruz:

doğrusallık

İki sinyalin doğrusal kombinasyonunun Z dönüşümü, her sinyalin Z dönüşümlerinin doğrusal kombinasyonudur.

Vardiya

Bir sinyalin k örneğinin zaman kayması, sinyalin Z dönüşümünün z -k ile çarpılmasıyla sonuçlanır .

ileri

Tek taraflı Z dönüşümünü kullandığımızda (yukarıya bakın),

evrişim

Bir evrişim ürününün Z dönüşümü, Z dönüşümlerinin ürünüdür.

nerede .

Aslında,

Üstel ile çarpma aşağıdakilerden Z'de dönüşüm ile Evrim değişkeni ile çarpma

Genel olarak:

nerede biz k defa uygulandığını araçlarının operatörü

Bu formülü k = 1 sırasına yazarsak, türetme formülünü elde ederiz  :

İlk değer teoremi

Izin bir nedensel sinyali ve sonra Z. dönüşümü onun:

Nihai değer teoremi

Nedensel bir sinyal ve bunun Z'deki dönüşümünü düşünün . O zaman sol sınır olduğunda şunu yazabiliriz:

gösteri

Başlangıç değeri teoremi açık bir kanıt vardır: ayarlamak için yeterli ve yerine y ile 0 ifadesinde .


Nihai değer teoremi için, not gerçeği vardır sekansı anlamına gelir sınırlı ve bu nedenle yakınsama yani arasında az Biz 1'e eşit ya da daha

ile

ve bu işlev dizisi açıkta düzgün bir şekilde yakınsaktır . Nokta 1 , U'nun yapışmasına aittir ve for , 'ye yakınsar . "Çift limit teoremi"ne göre, bu nedenle,

Ters Z dönüşümü

Ters Z dönüşümü şu şekilde verilir:

burada saat yönünün tersine hareket eden ve tamamen yakınsama alanına ait olan kapalı bir yol.

Pratikte, bu hesaplama genellikle kalıntı teoremi kullanılarak yapılır ve nedensel bir sinyal durumunda formül şöyle olur:

Diğer tersine çevirme yöntemleri Diğer inversiyon yöntemleri gitmek için için şunlardır: zamanki dönüşümlerinin tablodan geriye okuyarak; lineer kombinasyonların, evrişim çarpımının kurallarının uygulanması. Çaresizlik içinde her zaman z k +1 sayısal değerler vererek ve k + 1 lineer denklemler sisteminin k'ye çözümleri olan x (0) ila x (k) katsayılarını arayarak tanımlama yaparak ilerlemeye çalışılabilir. + 1 bilinmeyen. Veya tersine çevrilecek fonksiyonun Taylor veya Maclaurin açılımını bulmaya çalışın. Fonksiyonu olduğunda özel bir uygun durum ortaya çıkar a, rasyonel fraksiyon . Aslında:, P ve Q, 1 / z'de iki polinom olduğunda, bölme istenen hassasiyet derecesine kadar yapılabilir ve katsayıların sayısal değerleri doğrudan elde edilir , n 0 ile m arasında değişir. Bu durumda, gösterim bu durumda daha çok benimsenir . Bunun nedeni, ayrık veya örneklenmiş sistemler için transfer fonksiyonunun h (n) olarak yazılması ve Z'deki dönüşümünün genellikle bir çıktı (z cinsinden) ve bir girdi (z cinsinden) arasındaki bu bölüm biçiminde sunulmasıdır . Bu yaklaşımı göstermek için somut bir örnek:   Polinomların z cinsinden bölümü, sayısal yaklaşım.

Dikkat, bu yöntem tamamen sayısaldır, ters serinin analitik ifadesini sağlamaz. Bu örnekte H(z), iki polinomun 1/z'deki oranıdır. Pay, 2 ile çarpmaya benziyor, payda 1 nokta kaydırılıyor, ancak 2 / z'ye eşit mükemmel bir bölümden kaçınmak için biraz yanlış sayısal değerler seçiyoruz.

Bu polinomların Öklid bölümü tanımına uyup uymadığını bir elektronik tablo veya elle kontrol edebiliriz : H (z) = NUM ​​​​(z) / DENOM (z) = Q (z) + R (z) / DENOM ( z) . Kalanın, bölümün katsayılarına kıyasla ihmal edilebilir olduğunu varsayıyoruz. Bu çeşitli polinomların diyagramları bir elektronik tablo üzerinde aşağıdaki gibi görselleştirilebilir.

ZtransfoNumDenomQuotient.PNG ZtransfoPolynReste.PNG

Meraktan dolayı, H (z)'nin Q(z) yaklaşımının dürtü yanıtını gösterebiliriz . Benzer şekilde, Q(z)'nin bir Heaviside adımına indeks yanıtını gösterebiliriz . Ztransfo2reponses.PNG

H(z)'nin, formun Q(z) bölümü tarafından daha az kesin bir yaklaşımıyla tatmin olsaydık

örneğin 5'in kuvvetine kadar: çok daha az kesin olan biraz farklı tepki eğrileri elde ederiz (kesinlik yaklaşık olarak 6 kat daha fazladır). Yaklaşım derecesinin seçimi, diğer bir deyişle, hesaplamaların kesinliği ve ağırlığı arasındaki en iyi uzlaşma, uğraştığımız spesifik problemin somut incelemesi tarafından belirlenir.   X (z) katsayılarının yaklaşık olarak tanımlanmasıyla işlem. den ' ye gitmek için , eğer hiçbir yöntem yol açmıyorsa, çaresizlik içinde her zaman z k + 1 sayısal değerler vererek ve çözüm olan x (0) ila x (k) katsayılarını arayarak tanımlama yaparak ilerlemeye çalışabiliriz. k + 1 bilinmeyenli bir k + 1 lineer denklem sistemi. Misal:   Rasyonel kesirlerin kullanımı, Fibonacci dizisinin transfer fonksiyonuna örnek.

Fibonacci dizisi üreten dizisi olan yani Z'deki dönüşümü

Binet formülünü bulmak için ters dönüşüm yapalım. Rasyonel kesirler yöntemi denenebilir. Paydanın iki kutbu vardır ve bunlar altın sayısıdır  : ve karşıtının tersi: . Aşağıda karşılaşılan hesaplamalar için aşağıdaki ve  : özelliklerini kullanacağız ve

.

İşlev, biraz yeniden yazdığımız temel rasyonel kesirlere ayrılır:

.

Türün bir kısmı aşağıdaki gibi işlenebilir:

İlk kısım olağan üstel formülün dönüşümüdür , ikinci kısım 1 / z bir çentikteki saf gecikmedir. Böylece bu temel kesrin ters dönüşümü , lineer kombinasyon kurallarını uygulayarak aranan diziyi hesaplıyoruz:

 

Diğer dönüşümlerle ilişki

Laplace dönüşümü

Teoremi  -  Let olmak x (bir fonksiyonu olarak bir dağılım gösteren, üzerine birlikte), bir sinyal bir belirsiz türevlenebilir fonksiyonu olduğu varsayılır, ve

Dirac tarağı ( ılıman dağılımlar alanına aittir ). ile tanımlanan örneklenmiş sinyal , şu şekilde yazılabilen bir dağılımdır.

.

Karşılık , genel terim dizisinin Z dönüşümünün yakınsama tepesi üzerindeki örneklenmiş sinyalin (bu boş olmayan yakınsama bandı varsayılarak) Laplace dönüşümünün yakınsama bandının bir tahminidir ve elimizde

. gösteri

Ya yakınsama bandına ait . O zaman (yeni bir yazı kötüye kullanımı ile) Fourier dönüşümüne ait ve tanım gereği burada belirtilir . Azalan fonksiyonların ( ikisi olan) Schwartz uzayı nerede olsun . Elimizde (hala uygunsuz yazılı olarak)

Sonuç olarak

.

Yukarıdaki eşitlikler geçerlidir, çünkü dualitenin her kancasında solda temperli bir dağılım ve sağda azalan bir fonksiyona sahibiz; Bu nedenle, ikame yakınsama bandı gönderir ve örneklenen sinyalin yakınsama halkaya ait .

Karşılıklı olarak, genel terimlerin sırası olsun  ; ayarlayalım ve . Karmaşık sayı ait genel terimlerin dizisi halinde ve yalnızca alana ait “yavaş büyüyen sekansları” (yani dizilerin arasında bir olan bir tam sayı vardır gibi için ., Fourier, böyle bir devamı dönüşümüdür - periyodik dağılım

.

Bize sekansı alalım ile dağıtım (kötüye gösterimde) gibi tanımlanmıştır tarafından

.

Harita , ılıman dağılımlar uzayında bir monomorfizmdir ve Fourier dönüşümü, . Daha sonra elde ederiz (hala küfürlü gösterimde)

.

Yukarıdakiler gösteriyor ki

Özetleyelim: eğer , o zaman , bu nedenle , bu nedenle , bu nedenle (küfürlü gösterim) , bu nedenle . Bu nedenle, yazışmanın on'un bir surjection olduğunu gösterdik .

Fourier dönüşümü ve ayrık Fourier dönüşümü

Birim çember yakınsama taç aitse , Fourier dönüşümü olan dizinin poz alınmasıyla mümkün olduğunu bulmuştur birim çember, bu dizinin dönüşümü Z kısıtlama alınarak elde . Fourier dönüşümü aslında -periyodik fonksiyonu (o biz ayarlarsanız -periyodik ve bir değişken olarak nabız almak ). Eğer bir reel sayılar dizisi ise , bu nedenle aralıkta değiştiği varsayılabilir .

Fourier dönüşümü yavaş büyüyen diziler için tanımlanabilir (o a, -periyodik dağılımı ) ve Z (yukarıdaki gösteri bakınız) dönüşümü, bu genel Fourier dönüşümü.


Z dönüşümü ile ayrık Fourier dönüşümü (DFT) arasında da bir ilişki vardır . Bir destek sinyalinin TFD'si (ile ) içinde değerlendirilerek elde edilir .

Olağan Z dönüşümleri

Aşağıda, üniter dürtü ya da “ifadesini temsil eder Kronecker'in dizisi  için (1 eşit” , aynı zamanda yazılabilir ve aksi takdirde, 0 , olan Kronecker'in sembolü ); Öte yandan, üniter adımı belirtir ( aksi halde 1'e ve 0'a eşittir ).

Z dönüşümleri
sinyal Z'ye dönüştürüldü yakınsama alanı
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

Notlar ve referanslar

Notlar

  1. Bourles 2010 , §12.3.5
  2. göre Lang 1993 , §II.2
  3. Bourles 2010 , §§12.3.5, 12.4.4; Pallu de la Barriere 1966 , Bölüm. II
  4. Bourles 2010 , §10.2.3
  5. Hesaplamanın bir aşamasında ve neyi doğrulayabileceğimizi ters çevirdik ( Schwartz 1965 , §V.5)
  6. Bourles 2010 , §12.3.2
  7. Pallu de la Barrière 1966 , Bölüm. 10, §4, Öngörü 9.
  8. Bourles 2010 , §§12.3.3, 12.3.5

Referanslar

Şuna da bakın:

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