Z-преобразование понижающей дискретизации


12

В этой статье или многоскоростной фильтрации автор устанавливает следующие математические отношения. Пусть yD будет выходным сигналом понижающей дискретизации, так что

yD[n]=x[Mn]

где M - фактор понижающей дискретизации. Другими словами, мы сохраняем каждую M выборку исходного сигнала. Затем автор заявляет следующее:

... Z-преобразование yD[n] дается

YD[z]=1M∑k=0M−1X[z1/MWk]

где Wk представляет собой M - точечное дискретное преобразование Фурье ядра, а именно e(−j2πk)/M .

Как мы можем перейти от первого выражения ко второму? Какая связь между DFT и Z-преобразованием, которая допускает такой переход?

Ответы:


9

Этот вывод хитрый. Предложенный ранее подход имеет недостаток. Позвольте мне продемонстрировать это первым; тогда я дам правильное решение.

Мы хотим связать преобразование сигнала пониженной дискретизации, Y D ( z ) = Z { x [ M n ] } , с Z- преобразованием исходного сигнала X ( z ) = Z { x [ n ] } .ZYD(z)=Z{x[Mn]}ZX(z)=Z{x[n]}

Неправильный путь

Можно было бы подумать о том, чтобы просто вставить выражение для пониженного сигнала в выражение преобразования:Z

YD(z)=∑n=−∞+∞x[Mn]z−n

Изменение переменной кажется очевидным:n′=Mn

YD(z)=∑n′∈MZx[n′]z−n′/M

Тем не менее, важно понимать , что даже если новый индекс суммирования все еще работает от - ∞ до ∞ , сумма в настоящее время более 1 из M целых чисел . Другими словами,n′−∞∞

,n′∈MZ={...,−2M,−M,0,M,2M,...}

в то время как определение преобразования требуетZ

.n∈{...,−2,−1,0,1,2,...}

Поскольку это больше не преобразование, мы не можем написать:Z

YD(z)=X(z1/M)

Правильный путь

Давайте сначала определим «вспомогательный» импульсный сигнал как:tM[n]

tM[n]=∑k=−∞+∞δ[n−kM]={1:n∈MZ0:n∉MZ

Эта функция равна на один из каждых M выборок и 0 на всех остальных.1M

Эквивалентно, функция последовательности импульсов может быть записана как:

tM[n]=1M∑k=0M−1ej2πkn/M

Доказательство. Нам нужно отдельно рассмотреть случаи и n ∉ M Z :n∈MZn∉MZ

В случаеn∉MZмы использовали выражение дляконечной суммы геометрического ряда.

tM[n]=1M∑k=0M−1ej2πkn/M={1M∑k=0M−11:n∈MZ1M1−ej2πkn1−ej2πkn/M:n∉MZ={1MM:n∈MZ1M1−11−ej2πkn/M:n∉MZ={1:n∈MZ0:n∉MZ
n∉MZ

Теперь вернемся к нашей первоначальной задаче нахождения преобразования понижающей дискретизации:Z

YD(z)=∑n=−∞+∞x[Mn]z−n

n′=Mn

YD(z)=∑n′∈MZx[n′]z−n′/M

n∈Z

YD(z)=∑n=−∞+∞tM[n]x[n]z−n/M

Используя приведенную выше формулировку для функции импульсного поезда в качестве конечной суммы экспонент, получим:

YD(z)=∑n=−∞+∞(1M∑k=0M−1ej2πkn/M)x[n]z−n/M=1M∑k=0M−1∑n=−∞+∞ej2πkn/Mx[n]z−n/M=1M∑k=0M−1∑n=−∞+∞x[n](e−j2πk/Mz1/M)−n

Zz′=e−j2πk/Mz1/M

YD(z)=1M∑k=0M−1X(e−j2πk/Mz1/M)

Z


1
Очень хорошо. Читая мой предыдущий ответ выше, я также заметил тот же недостаток, что и вы.
— Джейсон Р

5

M

yD[n]=x[Mn]

z

YD(z)=∑n=−∞∞yD[n]z−n=∑n=−∞∞x[Mn]z−n

n′=Mn

YD(z)=∑n′=−∞∞x[n′]z−n′/M

zx[n]

X(z)=∑n=−∞∞x[n]z−n

zx[n]yD[n]

YD(z)=X(z1/M)

zzM

YD(z)zz1/MzYD(z)z1/MMzX(z)z∈CMM

{rp, rpej2πM, rpej2π2M, … , rpej2π(M−1)M}

={rp, rpW, rpW2, … , rpWM−1}

Wkej2πk/MrpMz

rp=|z|Mej∠zM

zMrpzMzzMrp

YD(z)X(z1/M)zYD(z)MX(z1/M)MX(z1/M)YD(z)

YD(z)=1M∑k=0M−1X(rp(z)Wk)

rp(z)MzM1Mz1/M

YD(z)=f(g(z))f(z)=X(z)g(z)=z1/MYD(z)zYD(z)XX


Очень хороший ответ.
— Спейси

Благодарю. Любой лицензированный математик съежился бы от моей попытки описания (я, очевидно, инженер). Я не думаю, что это очень ясно, но, возможно, кто-то другой может предложить более четкое объяснение, или, возможно, я подумаю о лучшем способе сказать это.
— Джейсон Р

Я понимаю первую половину, но к концу все становится неясным.
— Спейси

Я должен переписать второй тайм, когда у меня будет шанс. Это действительно просто стандартная техника для получения выражения для композиции двух функций. Мне нужно вспомнить детали того, как это сделать.
— Джейсон Р
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.