background image

Sygnały i Systemy

Sygnały i Systemy

Wykład 3
Systemy dyskretne – transmitancja Z

Grzegorz Masłowski
Politechnika Rzeszowska
Zakład Podstaw Elektrotechniki i Informatyki
E-mail: 

maslowski@prz.edu.pl

http://maslowski.sd.prz.edu.pl/

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

System liniowy niezmienny w czasie (LTI)

System liniowy niezmienny w czasie (LTI)

x1

x3

y

układ
liniowy

System liniowy

LTI

W układach liniowych obowiązuje zasada superpozycji, zgodnie z którą 
sygnał na wyjściu można wyznaczyć jako sumę sygnałów wyjściowych 
pochodzących od wszystkich sygnałów wejściowych

Zasada superpozycji nie obowiązuje w układach nieliniowych, w których nie 
można sygnału wyjściowego rozdzielić na składniki pochodzące od różnych 
sygnałów wejściowych.

y y

y

y

x

y

= 1+ 2+ 3

c =c

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Opis matematyczny układów dyskretnych

Opis matematyczny układów dyskretnych

System

dyskretny

y

[n]

x

[n]

System dyskretny przetwarza wejściowy ciąg próbek w wyjściowy 
ciąg próbek, który zależy nie tylko od sygnału wejściowego, ale 
również od własności układu dyskretnego.

System dyskretny opisują tzw. równania rekurencyjne, które uzyskuje 
się z równań różnicowych, a te z kolei wyprowadza się na podstawie 
równań różniczkowych zastępując pochodne ilorazami różnicowymi.

dyskretny

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Przykład 1: dyskretny model kondensatora

Przykład 1: dyskretny model kondensatora

Wyprowadzone zostanie równanie rekurencyjne opisujące zależność 
pomiędzy dyskretnym sygnałem napięcia panującym na 
kondensatorze (sygnał wejściowy) a dyskretnym sygnałem prądu 
płynącego przez ten kondensator (sygnał wyjściowy)

du( )

( )

d

t

i t

C

t

=

( )

(

)

( )

u t

u t

t

i t

C

t

− ∆

=

Model ciągły wykorzystujący operację 
różniczkowania (system liniowy I rzędu)

Równanie różnicowe otrzymuje się, gdy 
pochodną zastąpi się poprzez iloraz różnicowy

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Przykład 1: dyskretny model kondensatora

Przykład 1: dyskretny model kondensatora

(

)

((

1) )

(

)

u nT

u n

T

i nT

C

T

=

T

t

=

=

const

Jeśli w ilorazie różnicowym przedział czasu ∆
jest równy okresowi próbkowania sygnału 
analogowego to równanie różnicowe opisuje 
zależność pomiędzy pomiędzy ciągiem próbek 
wejściowych i wyjściowych.

T

[ ]

[

1]

[ ]

u n

u n

i n

C

T

=

Często pomija się symbol T w argumencie 
funkcji i wykorzystuje się wcześniej 
wspominaną notację funkcyjną (z nawiasami 
kwadratowymi) 

Równanie rekurencyjne dla 
dyskretnego modelu kondensatora

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Przykład 1: dyskretny model kondensatora

Przykład 1: dyskretny model kondensatora

[0]

0;    [1] 1;    [2]

2;   

[3]

3;    [4]

4

u

u

u

u

u

=

=

=

=

=

Dla 

T

=1s

u(nT)

[0]

[ 1]

0 0

[0]

0

1

[1]

[0]

1 0

[1]

1

[2]

[1]

2 1

[2]

1

[3]

[2]

3 2

[3]

1

[4]

[3]

4 3

[4]

1

u

u

i

C

C

T

u

u

i

C

C

C

T

u

u

i

C

C

C

T

u

u

i

C

C

C

T

u

u

i

C

C

C

T

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

C

i(nT)

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Równanie rekurencyjne opisujące liniowy 

Równanie rekurencyjne opisujące liniowy 
system dyskretny m

system dyskretny m--tego rzędu

tego rzędu

1

0

1

[ ]

[

1]

[

]

[ ]

[

1]

[

],

0

m

m

y n

a y n

a y n m

b x n

b x n

b x n m

n

+

+

+

=

+

+

+

K

K

[ 1], [ 2],

[

]

y

y

y m

K

[ 1], [ 2],

[

]

x

x

x

m

=

K

sygnał wejściowy przyłożony w 
chwili t=0 (n=0)

warunki początkowe dla n=0

Rozwi

ą

zanie ogólne równania zale

ż

y od m parametrów, 

które stanowi

ą

 warunki pocz

ą

tkowe.

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Odpowiedź wymuszona i swobodna systemu

Odpowiedź wymuszona i swobodna systemu

Odpowiedzią wymuszoną nazywamy rozwiązanie równania 
rekurencyjnego dla warunków początkowych zerowych (odpowiedź 
ta zależy tylko od wymuszenia i nie zależy od stanu początkowego 
systemu)   

1

[ ]

[

1]

[

]

0

m

y n

a y n

a y n m

+

+

+

=

K

Odpowiedzią swobodna nazywamy rozwiązanie równania 

jednorodnego

Odpowiedź swobodna zależy od stanu początkowego systemu 

(warunków początkowych) i nie zależy od wymuszenia

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Wykorzystanie przekształcenia Z do wyznaczania 

Wykorzystanie przekształcenia Z do wyznaczania 
odpowiedzi systemu na zadane wymuszenie

odpowiedzi systemu na zadane wymuszenie

1) Wyznaczyć transformatę równania 

rekurencyjnego

2) Rozwiązać uzyskane równanie 

algebraiczne względem Y(z)

3) Wyznaczyć transformatę odwrotną 

funkcji zespolonej Y(z)

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

System liniowy pierwszego rzędu

System liniowy pierwszego rzędu

1

0

1

[ ]

[

1]

[ ]

[

1],

0

y n

a y n

b x n

b x n

n

+

=

+

{

}

1

1

1

0

1

( )

( )

[ 1]

( )

( )

Y z

a z Y z

y

b X z

b z X z

+

+

=

+

{

}

1

0

1

( )

( )

[ 1]

( )

( )

Y z

a z Y z

y

b X z

b z X z

+

+

=

+

1

0

1

1

1

1

1

1

[ 1]

( )

( )

( )

( )

1

1

w

s

b

b z

a y

Y z

X z

Y z

Y z

a z

a z

+

=

+

=

+

+

+

Transformata 

odpowiedzi 

wymuszonej

Transformata 

odpowiedzi 

swobodnej

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Odpowiedź swobodna

Odpowiedź swobodna

1

1

1

1

1

[ 1]

( )

[ 1]

(

)

1

s

a y

z

Y z

a y

z

a

a z

=

= −

− −

+

1

[ ]

[ 1](

)

[ 1](

)

n

n

y n

a y

a

y

a

+

= −

=

1

1

1

1

[ ]

[ 1](

)

[ 1](

)

n

n

s

y n

a y

a

y

a

+

= −

=

1

1

[ ]

[ 1](

)

n

s

y n

y

a

+

=

gdzie

1

1

z

a

= −

jest biegunem transmitancji systemu pierwszego rzędu 

(patrz kolejne slajdy)

odpowiedź swobodna

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Koncepcja transmitancji systemów dyskretnych

Koncepcja transmitancji systemów dyskretnych

System 

dyskretny

y

[

n

]

x

[

n

]

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Transmitancja systemu dyskretnego pierwszego rzędu

Transmitancja systemu dyskretnego pierwszego rzędu

Transmitancją systemu dyskretnego nazywa się stosunek transformat 
sygnału wyjściowego do wejściowego przy warunkach poczatkowych 
zerowych  

1

0

1

1

( )

( )

( )

w

b

b z

Y z

X z

Y z

+

=

=

1

1

( )

( )

( )

1

w

Y z

X z

Y z

a z

=

=

+

1

0

1

1

1

( )

( )

( )

1

w

b

b z

Y z

H z

X z

a z

+

=

=

+

Transmitancją systemu nie zależy od sygnału wejściowego i 
wyjściowego lecz wyłącznie od rodzaju tego systemu określonego 
poprzez współczynniki b

0

b

1

a

1

.  

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Przykład 2:

Przykład 2:

Wyznaczyć transmitancję Z modelu dyskretnego kondensatora:

[ ]

[

1]

[ ]

u n

u n

i n

C

T

=

Równanie rekurencyjne dla 
dyskretnego modelu kondensatora

Dokonując przekształcenia Z lewej i prawej strony równania otrzymuje się:

1

( ) ( ( )

[ 1])

( )

U z

U z z

u

I z

C

T

+

=

Zakładając zerowy warunek początkowy u[-1]=0:

1

( )

( )(1

)

C

I z

U z

z

T

=

1

( )

1

( )

(1

)

( )

I z

C

C z

H z

z

U z

T

T

z

=

=

=

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Przykład 3:

Przykład 3:

Wyznaczyć odpowiedź i transmitancję systemu pierwszego rzędu 
opisanego równaniem rekurencyjnym:

[ ] 3 [

1]

2 [ ],

0

[ 1]

5

y n

y n

u n

n

y

=

=

Dokonując przekształcenia Z lewej i prawej strony równania otrzymuje się:

{

}

1

( ) 3

( )

[ 1]

2

1

z

Y z

z Y z

y

z

+

=

(

)

1

( ) 1 3

15

2

1

z

Y z

z

z

=

(

)(

)

2

2

15

( )

1

3

3

z

z

Y z

z

z

z

=

+

transformata 

odpowiedzi 

wymuszonej

transformata 

odpowiedzi 

swobodnej

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Przykład 3:

Przykład 3:

(

)(

)

1

2

( )

2

1

3

1

3

w

Y z

c

c

z

z

z

z

z

z

=

=

+

(

)

2

1

1

z

c

z

=

= −

(

)(

)

(

)

1

1

2

1

1

1

3

z

z

c

z

z

z

=

=

= −

(

)(

)

(

)

2

3

2

6

3

3

1

3

2

z

z

c

z

z

z

=

=

=

=

(

)(

)

( )

2

1

3

1

3

1

3

w

Y z

z

z

z

z

z

z

=

= −

+

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Przykład 3:

Przykład 3:

3

( )

1

3

w

z

z

Y z

z

z

= −

+

15

( )

3

s

z

Y z

z

=

( )

( )

( )

w

s

Y z

Y z

Y z

=

+

[ ]

[ ]

[ ]

w

s

y n

y n

y n

=

+

[ ]

[ ] 3 3

15 3

18 3

[ ]

0

n

n

n

y n

u n

u n

n

= −

+ ⋅

+

=

(

)

[ ]

18 3

1

[ ]

n

y n

u n

=

[ ] 18 3

[ ]

[ ]

n

y n

u n

u n

=

lub bez warunku

0

n ≥

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Przykład 3:

Przykład 3:

1

0

1

1

1

( )

( )

( )

1

w

b

b z

Y z

H z

X z

a z

+

=

=

+

(

)(

)

2

2

( )

1

3

w

z

Y z

z

z

=

( )

2

1

z

X z

z

=

(

)(

)

( )

1

3

w

Y z

z

z

=

( )

2

1

X z

z

=

(

)(

)

2

2

1

( )

1

3

2

z

z

H z

z

z

z

=

(

)

( )

3

z

H z

z

=

Pojedynczy biegun 
transmitancji

1

3

z =

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

System liniowy drugiego rzędu

System liniowy drugiego rzędu

1

2

0

1

2

[ ]

[

1]

[

2]

              

[ ]

[

1]

[

2],

0

y n

a y n

a y n

b x n

b x n

b x n

n

+

+

=

+

+

Po dokonaniu transformaty Z obydwu stron i uporządkowaniu 
wyrazów otrzymuje się ogólną postać

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

w

s

w

s

L z

L z

Y z

X z

Y z

Y z

M z

M z

=

+

=

+

gdzie

1

2

1

2

( )

1

M z

a z

a z

= +

+

1

2

0

1

2

( )

w

L z

b

b z

b z

=

+

+

( )

s

L z

zależy od warunków początkowych

wyrazów otrzymuje się ogólną postać

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Transmitancja systemu liniowy drugiego rzędu

Transmitancja systemu liniowy drugiego rzędu

1

2

0

1

2

1

2

1

2

( )

1

b

b z

b z

H z

a z

a z

+

+

=

+

+

( )

( )

( )

( )

( )

w

w

Y z

L z

H z

X z

M z

=

=

( )

( ) ( )

w

Y z

H z X z

=

Transformata odwrotna transmitancji H(z) jest równa odpowiedzi 
impulsowej systemu (odpowiedzi na deltę Kroneckera)   

1

2

1

2

1 a z

a z

+

+

{

}

{

}

1

1

1

( )

( )

[ ]

( )

m

n

k k

k

Z

H z

Z

Y z

h n

c z

z

=

=

=

=

δ

gdzie z

są biegunami transmitancji H(z

{

}

( )

[ ]

1

X z

Z

n

=

=

δ

gdy 

( )

( )

Y z

H z

=

δ

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Stabilność systemów liniowych 

Stabilność systemów liniowych 

1

[ ]

( )

m

n

k k

k

h n

c z

z

=

=

System jest stabilny gdy odpowiedź impulsowa h[n]  określona 
szeregiem

1

k =

dąży do zera, gdy dąży do nieskończoności (czyli gdy czas 
obserwacji dąży do nieskończoności).

Zatem wszystkie bieguny transmitancji powinny leżeć  na 
płaszczyźnie zespolonej wewnątrz okręgu o promieniu 1.

1

k

z <

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Schematy blokowe systemów dyskretnych

Schematy blokowe systemów dyskretnych

Często związki pomiędzy dyskretnymi sygnałami wejściowymi i 
wyjściowymi opisuje się graficznie za pomocą dyskretnych 
schematów z podstawowymi działaniami

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Przykład 4:

Przykład 4:

Wyznaczyć: a) równanie rekurencyjne opisujące system dyskretny 
drugiego rzędu, b) transmitancję tego systemu c) oraz odpowiedź 
impulsową wykorzystując do tych celów schemat blokowy:

]

[

]

[

n

n

x

δ

=

Zakładamy dodatkowo zerowe warunki początkowe:

0

]

2

[

]

1

[

=

=

y

y

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Rozwiązanie:

Rozwiązanie:

a) Równanie rekurencyjne

]

2

[

8

]

1

[

4

]

[

]

[

+

+

=

n

y

n

y

n

x

n

y

b) Transmitancja układu dyskretnego

b) Transmitancja układu dyskretnego

1

2

( )

( )

4 ( )

8 ( )

Y z

X z

Y z z

Y z z

=

+

+

{

}

1

2

( )  1 4

8

( )

Y z

z

z

X z

=

2

1

2

2

( )

1

( )

( )

1 4

8

4

8

Y z

z

H z

X z

z

z

z

z

=

=

=

( )

( )

w

Y z

Y z

=

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Rozwiązanie:

Rozwiązanie:

( )

( ) ( )

( )

Y z

H z X z

H z

=

=

{

}

( )

[ ]

1

X z

Z

n

δ

=

=

gdyż

2

z

c) Odpowiedź impulsowa w postaci operatorowej 

Aby przedstawić sygnał wyjściowy jako dyskretny ciąg próbek należy 
dokonać transformaty odwrotnej Z dla sygnału Y(z).

W tym celu powyższą funkcję zapisujemy w postaci:

2

2

( )

4

8

z

Y z

z

z

=

2

( )

4

8

Y z

z

z

z

z

=

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Rozwiązanie:

Rozwiązanie:

Nast

ę

pnie znajdujemy pierwiastki mianownika, 

czyli 

bieguny transformaty !!!

( )

Y z

z

=

2

1

2

(

5, 45)(

1, 45)

4

8

0    to     

16

32

6,9

4

6,9

4

6,9

5, 45    

1, 45

2

2

z

z

z

z

z

z

z

=

+

− =

=

+

=

+

=

=

=

= −

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Rozwiązanie:

Rozwiązanie:

Wyrażenie po prawej stronie równania przedstawiamy w postaci:

1

2

( )

(

5, 45)(

1, 45)

(

5, 45)

(

1, 45)

c

c

Y z

z

z

z

z

z

z

=

=

+

+

+

Inny sposób wyznaczania współczynników 

1

2

(

1, 45)

(

5, 45)

( )

(

5, 45)(

1, 45)

(

5, 45)(

1, 45)

c z

c z

Y z

z

z

z

z

z

z

+

+

=

=

+

+

Inny sposób wyznaczania współczynników 

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

(

1, 45)

(

5, 45)

1, 45

5, 45

1

1, 45

5, 45

0

z

c z

c z

c z

c z

c

c

c

c

c

c

=

+

+

=

+

+

+

=



=



1

2

0.79

0.21

c

c

 =



=



background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Rozwiązanie:

Rozwiązanie:

W ostatnim etapie odwracania transformaty Z sygnału wyjściowego 
dokonujemy przekształcenia: 

( )

0.79

0.21

(

5, 45)

(

1, 45)

z

z

Y z

z

z

=

+

+

(

5, 45)

(

1, 45)

z

z

+

A następnie zapisujemy transformatę odwrotną lewej i prawej strony 
równania operatorowego: 

{

}

[ ]

0.79 5, 45

0.21 ( 1, 45)

[ ]

n

n

y n

u n

=

+

⋅ −

Równanie to opisuje już sygnał wyjściowy w dyskretnych chwilach 
czasowych. 

background image

SYGNAŁY I SYSTEMY 

SYGNAŁY I SYSTEMY -- dr inż. Grzegorz Masłowski

dr inż. Grzegorz Masłowski

Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska

Zadanie: 

Zadanie: 

2. Czy rozpatrywany system jest stabilny, a jeśli nie to dlaczego?

1. Narysować przebieg czasowy sygnału wyjściowy, wiedząc że okres 

próbkowania  T=1ms dla pierwszych 10 próbek (n=0, 1, 2, ...,10)

3. Zaproponować takie zmiany w schemacie blokowym, aby system 

był stabilny.