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拉普拉斯变换与Z变换及信号系统的复频域分析精要
大连理工大学
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第3章
拉普拉斯变换与z变换及信号系统的复频域分析
大连理工大学硕士研究生校管课程
信号处理与数据分析
电子信息与电气工程学部
邱天爽
2015年10月
内容概要
§3.1 引言
§3.2 拉普拉斯变换
§3.3 连续时间信号与系统的复频域分析
§3.4 z变换
§3.5 离散时间信号与系统的复频域分析
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§3.1 引言
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上一章系统介绍了傅里叶理论,对应的信号与系统分析称为频域分析;
本章系统介绍拉普拉斯变换和z变换,对应的信号与系统分析称为复频域分析。
复频域的概念:
对于连续时间信号与系统,经由拉普拉斯变换,有
对于离散时间信号与系统,经由z变换,有
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我们将会看到:
拉普拉斯变换和z变换都有很多有用的性质,它们提供了许多不能应用傅里叶变换的分析方法。
例如,在傅里叶变换中,若信号在所关注的区间是无界的,则其傅里叶变换是不收敛或不存在的。
但是,对于拉普拉斯变换来说,可以通过适当选择收敛区域而使在频域傅里叶变换不收敛的信号在s域收敛,以便进行进一步的分析处理。
因此在某种意义上来说,信号与系统的复频域分析是一种比傅里叶分析范围更为广泛的有用工具。
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§3.1 拉普拉斯变换
3.2.1 拉普拉斯变换的定义
概述
拉普拉斯变换是工程数学中常用的一种积分变换,又称为拉氏变换。
拉普拉斯变换是一种线性变换,在电子信息技术领域,拉普拉斯变换的作用是将连续时间信号与系统由时间域变换到以 为自变量的复频域,从而实现对信号与系统的分析与简化处理。
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(1)拉普拉斯变换的定义
定义:
其中: 为复变量。
记为:
讨论:
即拉普拉斯变换退化为傅里叶变换。
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(2)根据定义的计算
【例3.1】
已知:
【解】
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【例3.2】
已知:
【解】
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(3)拉普拉斯变换的收敛域
收敛域(ROC):是能够使拉普拉斯变换收敛的s的取值范围。
ROC:
ROC:
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3.2.2 拉普拉斯变换收敛域的性质
性质3.1: 的ROC由s平面上平行于 轴的带状区域组成。
性质3.2:对有理Laplace变换来说,ROC内不包括极点。
性质3.3:若 是有限时宽的,且绝对可积,则ROC为整个s平面。
性质3.4:有理拉普拉斯变换的ROC由极点界定,或延伸到无穷。
性质3.5:有理右边信号的ROC位于最右边极点的右边,有理左边信号的ROC位于最左边极点的左边。
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收敛域性质补充
性质A1:若 为右边信号,且若 位于ROC内,则 的全部s值一定在ROC内。
性质A2:若 为左边信号,且若 位于ROC内,则 的全部s值一定在ROC内。
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拉普拉斯变换计算举例
【例3.3】
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3.2.3 拉普拉斯逆变换
拉普拉斯逆变换式
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(1)拉普拉斯逆变换的部分分式法
适用范围:有理分式拉普拉斯变换式
基本方法:将拉普拉斯变换式进行部分分式展开:
上式中的每一项均为一阶系统,每一项均有两种可能:
若ROC位于极点 的右边,则:
若ROC位于极点 的左边,则:
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计算举例
【例3.4】
已知: ,求 。
【解】
部分分式分解:
求出
由于收敛域在极点右边,故为右边信号:
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【例3.4-1】
已知:
【解】
部分分式分解:
因ROC在极点左边,故为左边信号。反变换得:
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【例3.4-2】
已知:
【解】
部分分式分解:
因ROC在第一项极点的左边,故该项为左边信号。
因ROC在第二项极点的右边,故该项为右边信号。
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