z变换公式表
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以下是用中文整理的Z变换核心公式表,适用于信号处理、离散系统分析等领域:
1. Z变换定义
-
正变换:
( X(z) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x[n] \, z^{-n} )
(( z ) 为复变量,( x[n] ) 为离散序列) -
逆变换:
( x[n] = \frac{1}{2\pi j} \oint_C X(z) \, z^{n-1} \, dz )
(( C ) 为收敛域内的闭合围线)
2. 常用序列的Z变换
| 序列 ( x[n] ) | Z变换 ( X(z) ) | 收敛域 (ROC) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 单位脉冲 ( \delta[n] ) | ( 1 ) | 全 ( z ) 平面 | ||||
| 单位阶跃 ( u[n] ) | ( \frac{z}{z-1} ) | ( | z | > 1 ) | ||
| 斜变序列 ( n u[n] ) | ( \frac{z}{(z-1)^2} ) | ( | z | > 1 ) | ||
| 指数序列 ( a^n u[n] ) | ( \frac{z}{z-a} ) | ( | z | > | a | ) |
| 衰减指数 ( a^n \sin(\omega_0 n) u[n] ) | ( \frac{a z \sin \omega_0}{z^2 - 2a z \cos \omega_0 + a^2} ) | ( | z | > | a | ) |
| 余弦序列 ( \cos(\omega_0 n) u[n] ) | ( \frac{z(z - \cos \omega_0)}{z^2 - 2z \cos \omega_0 + 1} ) | ( | z | > 1 ) |
3. Z变换性质
| 性质 | 时域 ( x[n] ) | Z域 ( X(z) ) | ROC | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 线性 | ( a x_1[n] + b x_2[n] ) | ( a X_1(z) + b X_2(z) ) | ( R_1 \cap R_2 ) | ||
| 时移 | ( x[n-k] ) | ( z^{-k} X(z) ) | ( R )(可能增减原点/无穷) | ||
| 尺度变换 | ( a^n x[n] ) | ( X\left( \frac{z}{a} \right) ) | ( | a | R ) |
| 时间反转 | ( x[-n] ) | ( X(z^{-1}) ) | ( \frac{1}{R} ) | ||
| 卷积 | ( x_1[n] * x_2[n] ) | ( X_1(z) X_2(z) ) | ( R_1 \cap R_2 ) | ||
| 微分 | ( n x[n] ) | ( -z \frac{dX(z)}{dz} ) | ( R ) |
4. 收敛域 (ROC) 关键规则
- 右边序列:ROC 为 ( |z| > a )(圆外区域)。
- 左边序列:ROC 为 ( |z| < b )(圆内区域)。
- 双边序列:ROC 为环形区域 ( a < |z| < b )。
- 有限长序列:ROC 为全平面(可能除去 ( z=0 ) 或 ( z=\infty ))。
注意:ROC 不包含极点,且系统稳定的充要条件是单位圆(( |z|=1 ))在ROC内。
5. 初值定理 & 终值定理
-
初值定理(因果序列):
( x[0] = \lim_{z \to \infty} X(z) ) -
终值定理(需 ( (z-1)X(z) ) 极点全在单位圆内):
( x[\infty] = \lim_{z \to 1} (z-1) X(z) )
6. 逆Z变换方法
- 部分分式展开:
将 ( X(z) ) 拆分为 ( \frac{A}{z-p_k} ) 形式,查表转换。 - 幂级数展开法(长除法):
对 ( X(z) ) 直接展开为 ( z^{-n} ) 的级数,系数即 ( x[n] )。 - 留数定理:
( x[n] = \sum \text{Res} \left[ X(z) z^{n-1} \right] )(极点位于 ( C ) 内)。
重要提示
- 因果系统:传递函数 ( H(z) ) 分母阶数 ≥ 分子阶数,且 ROC 包含 ( |z|=\infty )。
- 稳定性:所有极点必须在单位圆内(即 ( |z_{\text{pole}}| < 1 ))。
建议结合教材例题练习部分分式展开和收敛域分析!如需特定公式的推导或应用示例,可进一步说明。
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