第六章

6.1

由备注中的结论:

  1. 2−nu(n)↔Z2z2z−1,|z|>12.

  2. −2−nu(−n−1)↔Z2z2z−1,|z|<12.

  3. (−3)nu(n)↔Zzz+3,|z|>3.

  4. 这里求双边 z 变换:δ(n+1)↔Z∑n=−∞+∞δ(n+1)z−n=z,|z|<∞.

  5. δ(n)−18δ(n−3)↔Z1−18z3,|z|>0.

  6. 法一:直接由定义与等比数列求和公式

    2−nu(n)−2−nu(n−10)↔Z1−(2z)−101−(2z)−1,|z|>0.

    法二:利用微分性质

    F(z)=zz−12−z⋅z−10z−12=1−(2z)−101−(2z)−1,|z|>0.

  7. (2−n+3n)u(n)↔Zzz−12+zz−3,|z|>3.

  8. 由备注中的结论有,

    sin⁡(nπ2+π4)u(n)=22(sin⁡nπ2+cos⁡nπ2)u(n)↔Z22z2+zz2+1,|z|>1.
  9. cos⁡(nπ4)u(n)↔Zz(z−22z)z2−z+1,|z|>1.

备注 该题使用的结论及其证明现罗列如下:


6.2

  1. 其 z 变换及其收敛域为

2−|n|↔Z∑n=−1−∞(z2)−n+∑n=0∞(12z)n=−zz−2+2z2z−1=−3z(2z−1)(z−2),=−3z2z2−5z+2,0.5<|z|<2.
  1. 零极点图的代码及其图像

image-20230606114323164

附


6.3

  1. x(n)=δ(n).

  2. x(n)=δ(n+3).

  3. x(n)=δ(n−1).

  4. x(n)=δ(n)+2δ(n+1)−2δ(n−2).

  5. x(n)=anu(n).

  6. x(n)=−anu(−n−1).

备注


6.4

  1. 展开 X(z)z=2z+1z+0.5,

    于是 X(z)=2+zz+0.5,

    从而 x(n)=2δ(n)+(−12)nu(n).

  2. X(z)z=z−12(z+12)(z+14)=4z+12−3z+14,

    x(n)=[4(−12)n−3(−14)n]u(n).

  3. x(n)=(21−n−4−n)u(n).

  4. X(z)z=−az+(a−1a)1z−1a.

    x(n)=−aδ(n)+(a−1a)a−nu(n).

备注 当 |z|>|a| 时,有

zz−a↔Zanu(n),1z−a↔Zan−1u(n−1),z(z−a)2↔Zan−1n⋅u(n),1(z−a)2↔Zan−2(n−1)u(n−1),z(z−a)k+1↔Zan−k(nk)u(n),1(z−a)k↔Zan−k(n−1k−1)u(n−1),(zz−a)k↔Zan(n+k)(k)n!u(n),(z+az)k↔Zan(kn)u(n−k).

6.5

由长除法:

  1. x(n)={1,3,7,⋯}.

  2. x(n)={1,32,94,⋯}.

  3. x(n)={0,1,2,⋯}.

备注


6.6

  1. X(z)=8zz−1−z(z−12)2−6zz−12.

  2. x(n)=[8−(2n+6)2−n]u(n).

  3. x(n)=[(2n+6)2−n−8]u(−n−1).

  4. x(n)=−8u(−n−1)−(2n+6)2−nu(n).

备注 当 |z|<|a| 时,有

zz−a↔Z−anu(−n−1),z(z−a)2↔Z−an−1n⋅u(−n−1),z(z−a)k+1↔Z−an−k(nk)u(−n−1),

6.7

  1. X(z)z=1(z−1)2(z+1)=14(z+1)+12(z−1)2−14(z−1).

    x(n)=(−1)n+2n−14u(n).

  2. X(z)z=1(z−6)2.

    x(n)=6n−1n⋅u(n).

  3. X(z)=∑n=0∞znn!=∑n=0−∞z−n(−n)!.

    x(n)=u(−n)(−n)!.

  4. 由 6.1 备注中的结论:

    x(n)=[cos⁡(ωn)+1+cos⁡ωsin⁡ωsin⁡(ωn)]u(n)=sin⁡(n+1)ω+sin⁡(nω)sin⁡ωu(n)

 

备注 eaz↔Za−n(−n)!u(−n).


6.8

X(z)=−3z2z2−5z+2=−3z(2z−1)(z−2)=zz−12−zz−2.
  1. 右边序列:x(n)=[2−n−2n]u(n).

  2. 左边序列:x(n)=[2n−2−n]u(−n−1).

  3. 双边序列:x(n)=2−nu(n)+2nu(−n−1).

附 零极点图如下图所示:

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6.9

  1. 思路一:求 z 逆变换.

    • X(z)z=z2+z+1z(z−1)(z−2)=12z−3z−1+72(z−2).

    • x(n)=12δ(n)−3u(n)+722nu(n),

    • 因此 x(0)=1,x(∞) 不存在.

    思路二:特值定理

    • x(0)=limz→∞X(z)=1.

    • 由于极点绝对值大于 1,x(∞) 不存在.

  2. x(0)=limz→∞X(z)=1.

    x(∞)=limz→1(z−1)X(z)=0.

  3. x(0)=limz→∞X(z)=0.

    x(∞)=limz→1zz−0.5=2.


6.10

  1. X(z)=ln⁡(1+az)=az−1−a2z−22+a3z−33−⋯.

  2. x(n)=(−1)n+1annu(n−1).

备注 类似的,有以下结论:


6.11

  1. 思路一:利用定义,x(n)↔Z1−z−81−z−1.

    思路二:平移性质,x(n)↔Zz−z−7z−1.

  2. 思路一:利用定义——裂项相消,或者逐项求导

    思路二:微分性质,由 u(n)↔Z1+1z−1,有

    {n⋅u(n)↔Zz(z−1)2,n2⋅u(n)↔Zz2+z(z−1)3.⇒n(n−1)u(n)↔Z2z(z−1)3.

    思路三:由卷积定理可得. 实际上,由数学归纳法有

    z(z−a)k+1↔Zan−k(nk)u(n),

    取 k=2,即得 n(n−1)u(n)↔Z2z(z−1)3.

  3. 思路一:利用微分性质,x(n)=(n+1)u(n)↔Zz2(z−1)2.

    思路二:利用卷积定理,x(n)↔Z(zz−1)2.

  4. 见 6.10 备注,由幂级数展开得到 x(n)↔Zln⁡z−bz−a.

  5. 由 annu(n−1)↔Zln⁡zz−a 与位移性质得 x(n)↔Zzaln⁡zz−a.

  6. 利用微分性质和尺度性质(见本题备注中的结论),有 x(n)↔Zz2z2+14.

  7. 思路一:利用定义与差比数列求和公式.

    思路二:利用卷积定理(或直接由第二问中提到的结论).

    思路三:利用微分性质,x(n)↔Z−z(z+1)2.

  8. 思路一:利用定义,x(n)↔Zz2+2z+3z3.

    思路二:利用时移性质.

备注


6.12

limn→∞x(n)=limz→1b(z−1)(zz−1−zz−e−aT)=b.

6.13

  1. Y(z)=zz−a⋅bb−z=bb−a(zz−a−zz−b).

    y(n)=bb−a[anu(n)+bnu(−n−1)].

  2. Y(z)=z−1z−a=za2(z−a)−1az−1a2.

    y(n)=an−2u(n)−aδ(n−1)−a−2δ(n)=an−2u(n−2).

  3. Y(z)=zz−a⋅z2z−1=z+a2a−1zz−a+11−azz−1.

    y(n)=δ(n+1)+an+2−1a−1u(n)=1−an+21−au(n+1).

备注 第一问应当注意收敛域;并不严谨.


6.14

  1. ieb(−1+e2iw0)z22(ebz−1)(−z+eiw0)(−1+eiw0z).

备注 不想做这题.


6.15

  1. Y(z)−2.5(z−1Y(z)−1)+z−2Y(z)−z−1+1=0,

    Y(z)=z−1−3.51−2.5z−1+z−2=z(1−3.5z)(z−0.5)(z−2)=0.5zz−0.5−4zz−2.

    y(n)=0.5n+1−2n+2.

  2. Y(z)−z−1Y(z)−2(z−2Y(z)+3)=0,

    Y(z)=61−z−1−2z−2=6z2(z−2)(z+1)=4zz−2+2zz+1,

    y(n)=2n+2+2(−1)n.

  3. Y(z)+0.1(z−1Y(z)+4)−0.02(z−2Y(z)+4z−1+6)=10zz−1,

    Y(z)=z9.72z2+0.36z−0.08(z−1)(z2+0.1z+0.02),

  4. Y(z)−0.9z−1Y(z)=0.05zz−1,

    Y(z)=z0.05z(z−1)(z−0.9)=0.5zz−1−0.45zz−0.9,

    y(n)=0.5−0.45⋅0.9n.

  5. Y(z)+5z−1Y(z)=z(z−1)2,

    Y(z)=zz(z−1)2(z+5)=−5z36(z+5)+z6(z−1)2+5z36(z−1),

    y(n)=[n6+536−536(−5)n]u(n).

  6. (z2Y(z)−z2−z)−(zY(z)−z)−2Y(z)=zz−1,

    Y(z)=z(z2−z+1)(z−1)(z−2)(z+1)=zz−2−z2(z−1)+z2(z+1),

    y(n)=[2n−12+12(−1)n]u(n).

备注


6.16

  1. 8z2−2z−3=(2z+1)(4z−3),故为稳定.

  2. 2z2+5z+2=(2z+1)(z+2),故为不稳定.

  3. 2z2+z−1=(2z−1)(z+1),故为临界稳定.

  4. z2−z+1=(z−1−j32)(z−1+j32),故为临界稳定.


6.17


6.18

  1. Y(z)=zz+1,

    h(n)=(−1)nu(n).

    系统临界稳定.

  2. 思路一(直接求卷积):y(n)=x(n)∗h(n)=5[1+(−1)n]u(n).

    思路二(用卷积定理)

    Y(n)=10zz−1zz+1=5zz−1+5zz+1,

    y(n)=5[1+(−1)n]u(n).


6.19

  1. y(n)−y(n−1)+12y(n−2)=x(n−1).

  2. H(z)=zz2−z+0.5.

    image-20230613124930940

  3. 由 αnsin⁡(ωn)↔Zαzsin⁡ωz2−2αzcos⁡ω+α2 得 y(n)=21−n2sin⁡π4nu(n).


6.20

  1. H(z)=13−6z−1=z3(z−2),

    h(n)=2n3u(n).

  2. H(z)=1−5z−1+8z−3,

    h(n)=δ(n)−5δ(n−1)+8δ(n−3).

  3. H(z)=11−z−2/4=z2(z+0.5)(z−0.5)=0.5zz−0.5+0.5zz+0.5,

    h(n)=0.5[0.5n+(−0.5)n]u(n).

  4. H(z)=11−3z−1+3z−2−z−3=z3(z−1)3=zz−1+2z(z−1)2+z(z−1)3,

    h(n)=[1+2n+n(n−1)2]u(n)=(n+1)(n+2)2u(n).

  5. H(z)=1−3z−21−5z−1+6z−2=1+5z−9(z−2)(z−3)=1−zz−2+6zz−3.

    h(n)=δ(n)−2nu(n)+6⋅3nu(n).

备注


6.21

  1. H(z)=zz−0.5−zz−10,

  2. 当 10<|z|≤∞ 时,

    h(n)=(0.5n−10n)u(n).

    因果、不稳定.

  3. 当 0.5<|z|<10 时,

    h(n)=0.5nu(n)+10nu(−n−1).

    非因果、稳定.


6.22

  1. y(n)−ay(n−1)=x(n),

    H(z)=zz−a,

  2. Y1(z)=z2(z−a)(z−1)=aa−1zz−a−1a−1zz−1,

    y1(n)=an+1a−1u(n)⏟瞬态响应+−1a−1u(n)⏟稳态响应.

  3. Y2(z)=z2(z−a)(z−ejω)=ejωejω−azz−ejω+aa−ejωzz−a,

    y2(n)=ejωa−ejωejnωu(n)⏟稳态响应+−aa−ejωanu(n)⏟瞬态相应.


6.23

  1. H1(z)=zz−1,

  2. H(z)=(H1+H2)H3=2z(z+1)(z−1),

  3. X(z)=1+1z,

  4. Yzs(z)=2z−1,

  5. yzs(n)=2u(n−1).


6.24 ?

  1. X1(z)=zz−0.5,

    Y1(z)=1+azz−0.25,

    H(z)=1−0.5z+az−0.5z−0.25,

    X2(z)=zz+2,

    Y2(z)=z−0.5z+2+az−0.5z−0.25zz+2,


6.25

  1. H(z)=2+z−11+3z−1+2z−2=z(2z+1)(z+2)(z+1).

    故系统不稳定.

  2. Yzs(z)=z2(2z+1)(z+2)(z+1)(z−1)=2zz+2−z2(z+1)+z2(z−1),

    yzs(n)=[2(−2)n−0.5(−1)n+0.5]u(n).

  3. Yzi(z)=−z−1−21+3z−1+2z−2=−z(2z+1)(z+2)(z+1)=zz+1−3zz+2,

    yzi(n)=[(−1)n−3(−2)n]u(n).