Laplace变换与z变换
核心思想:Laplace 变换和 z 变换分别是连续时间和离散时间信号的复频域表示工具。它们将信号/系统从时域映射到复平面( 平面 / 平面),通过极零点和**收敛域(ROC)**完整刻画信号特性与 LTI 系统的因果性、稳定性。
Part A:Laplace 变换(Ch.9)
1. 双边 Laplace 变换定义
- 与 Fourier 变换的关系:(在 轴上求值)
- 收敛域(ROC):使积分收敛的 值集合,在复平面上为平行于 轴的带状区域
2. ROC 的基本性质
| 性质 | 说明 |
|---|---|
| 带状区域 | ROC 为 的条带 |
| 不含极点 | ROC 内不包含 的任何极点 |
| 有限长信号 | ROC 为整个 平面 |
| 右边信号 | ROC 为 (某极点之右) |
| 左边信号 | ROC 为 (某极点之左) |
| 双边信号 | ROC 为两极点之间的条带 |
| 有理 | ROC 的边界由极点决定 |
3. 逆 Laplace 变换
部分分式展开法:对有理 ,展开为
其中 。根据 ROC 确定每一项对应右边还是左边信号。
4. 极零点图与几何求值
在 平面上, 的幅度 = ,相位 = 。沿 轴移动可几何地估算频率响应 。
5. Laplace 变换性质表
| 性质 | 时域 | 域 |
|---|---|---|
| 线性 | ||
| 时移 | ||
| 域平移 | ||
| 时间缩放 | ||
| 共轭 | ||
| 卷积 | ||
| 时域微分 | ||
| 域微分 | ||
| 时域积分 | ||
| 初值定理 | — | |
| 终值定理 | — |
6. 常用 Laplace 变换对
| ROC | ||
|---|---|---|
| 全平面 | ||
7. LTI 系统函数分析
系统函数 ,对微分方程 有 。
- 因果性:有理 因果 ⟺ ROC 在最右极点右侧
- 稳定性:稳定 ⟺ ROC 包含 轴;因果 + 有理 + 稳定 ⟺ 所有极点在左半平面
- Butterworth 滤波器:,极点等间距分布在 圆上,选取左半平面极点构造因果稳定的
8. 系统函数代数与方框图
- 级联:
- 并联:
- 反馈:
- 方框图实现:直接型、级联型、并联型——使用加法器、乘法器、积分器()构建
9. 单边 Laplace 变换
- 微分性质:(自动包含初始条件)
- 用于求解非零初始条件下的微分方程
- 全响应 = 零状态响应(初始条件为零)+ 零输入响应(输入为零)
Part B:z 变换(Ch.10)
10. 双边 z 变换定义
- 与 DTFT 的关系:(在单位圆上求值)
- ROC:使级数收敛的 值集合,在复平面上为环形区域
11. ROC 的 9 条性质
| # | 性质 |
|---|---|
| 1 | ROC 为环形区域 |
| 2 | ROC 不含极点 |
| 3 | 有限长序列 → ROC 为全平面(可能排除 或 ) |
| 4 | 右边序列 → ROC 为某圆外 |
| 5 | 左边序列 → ROC 为某圆内 |
| 6 | 双边序列 → ROC 为环 |
| 7 | 有理 的 ROC 边界由极点决定 |
| 8 | 右边有理 → ROC 在最外极点之外 |
| 9 | 左边有理 → ROC 在最内极点之内 |
12. 逆 z 变换
- 部分分式展开:,根据 ROC 确定右边/左边
- 幂级数展开(长除法):按 的幂展开,系数即为
13. 极零点图几何求值
在 平面上,沿单位圆 移动,用零点和极点向量的长度比和角度差估算频率响应 。
14. z 变换性质表
| 性质 | 时域 | 域 |
|---|---|---|
| 线性 | ||
| 时移 | ||
| 域缩放 | ||
| 指数加权 | ||
| 时间反转 | ||
| 时间扩展 | (插零) | |
| 共轭 | ||
| 卷积 | ||
| 一阶差分 | ||
| 累加 | ||
| 域微分 | ||
| 初值定理 | — |
15. DT LTI 系统函数分析
系统函数 ,对差分方程 有 。
- 因果性:有理 因果 ⟺ (a) ROC 在最外极点之外,且 (b) 分子阶 分母阶
- 稳定性:稳定 ⟺ ROC 包含单位圆 ;因果 + 有理 + 稳定 ⟺ 所有极点在单位圆内
16. 单边 z 变换
- ROC 总是圆外区域
- 时延性质:
- 时超性质:
- 全响应 = 零状态响应 + 零输入响应(与连续时间完全对偶)
Laplace 变换与 z 变换的对比
| 特征 | Laplace 变换 | z 变换 |
|---|---|---|
| 适用域 | 连续时间 | 离散时间 |
| 复变量 | ||
| Fourier 关系 | 轴 → CTFT | 单位圆 → DTFT |
| ROC 形状 | 条带/半平面 | 环形/圆外/圆内 |
| 因果稳定条件 | 所有极点在左半平面 | 所有极点在单位圆内 |
| 映射 | (采样关系) | — |
初学者要点
- ROC 决定一切:同一个 或 表达式,不同 ROC 对应完全不同的时域信号
- 极点位置判稳定性:CT 看左半平面,DT 看单位圆内——这是最核心的判据
- 部分分式展开是逆变换的通用方法,务必熟练掌握
- 初值/终值定理提供了不计算完整逆变换就能获取时域信息的快捷方式
- 系统函数 或 将微分/差分方程转化为代数运算,是分析和设计 LTI 系统的核心工具
关联页面
- 连续与离散时间信号基础 — 信号分类与系统性质
- 线性时不变系统与卷积 — LTI 系统基础
- 连续时间傅里叶变换 — Fourier 变换(Laplace 在 轴上的特例)
- 离散时间傅里叶变换 — DTFT(z 变换在单位圆上的特例)
- 信号与系统的时频特性 — Butterworth 滤波器的频率响应
- 离散时间信号与系统 — Martin Ch.13 视角的 z 变换补充
- Oppenheim Signals and Systems 2e 深度解析 — 来源页