Bölüm 3 z-dönüşümü
6 Bölüm 3. z-dönüşümü 3.1 GİRİŞ Ayrık-zamanlı sistemlerin analizi z-dönüşümünün kullanılmasıyla basitleşir. Gerçekten de fark-denklemleriyle gösterilen sistem modeli z-dönüşümü ile üzerindeü-ze-rin-de kolaylıkla işlem yapılabilecek cebrik denklemlere dönüşür. Örneğin, ayrık-zamanlı sistemin giriş ve çıkış işaretleri arasındaki konvolüsyon bağıntısı, uygun z-dönüşümlerinin çarpımıyla gerçekleştirilir.
3.2. z-dönüşümünün Tanımı 7 3.2 z-dönüşümünün TANIMI x(n) dizisinin z-dönüşümü X(z) = x(n)z n (3.1) olarak tanımlanır [1]. n= Burada z karmaşık (kompleks) değerli bir değişkeni göstermektedir. (3.1) deki z-dönüşümü sadece X(z) nin yakınsak olduğu z değerleri için tanımlanır. x(n) dizisinin z-dönüşümü bazen de basitleştirilmiş bir notasyonla X(z) = Z[x(n)] (3.2) x(n) X(z) (3.3)
8 Bölüm 3. z-dönüşümü şeklinde gösterilebilir. Z[ ], z-dönüşümüne ilişkin dönüşüm kuralını gösteren matematiksel bir operatördür.
3.2. z-dönüşümünün Tanımı 9 Yakınsaklık Bölgesi Tüm dizilerin z-dönüşümü yakınsak değildir. Diğer bir deyişle, tüm z değerleri için z-dönüşümü yakınsak olmaz. Verilen herhangi bir dizinin z-dönüşümünün yakınsak olduğu z değerlerinin karmaşık düzlemde oluşturduğu küme, o dönüşümünö-nü-şü-mün yakınsaklık bölgesi olarak adlandırılır. Düzenli yakınsaklık, dizinin mutlak değerlerinin toplamının sonlu olmasını gerektirir. Yani, x(n)z n < (3.4) n=
10 Bölüm 3. z-dönüşümü Yakınsaklık bölgesi Şekil 3.1 Mümkün olan yakınsaklık bölgesi formları: a) Sağ taraflı dizi; b) Sol taraflı dizi; c) İki taraflı dizi. eşitsizliğini sağlayan tüm z-değerleri yakınsaklık bölgesini oluşturur. serisidir. (3.1) de tanımlanan z-dönüşümü X(z) bir Laurent Kompleks değişkenler teorisinden bilindiği üzere, bir
3.2. z-dönüşümünün Tanımı 11 Laurent serisinin yakınsaklık bölgesi R, halka şeklindedir. Yani, halkanın iç ve dış yarıçapı r 1 ve r 2 olarak verilirse, r 1 < z < r 2 yakınsaklık bölgesi olan R halkasını gösterir. x(n) dizisinin + ve daki davranışına göre r 1 ve r 2 sınır değerleri belirlenir. Bu halka içerisinde X(z), z nin analitik bir fonksiyonudur. Bu nedenle, X(z) nin kutupları ve tekil noktaları R bölgesi dışındadır. Eğer n < 0 için x(n) = 0 ise, (3.1) de z nin sadece negatif üstel kuvvetleri bulunur. Bu durumda, r 2 = olur. Yakınsaklık bölgesi R, r 1 yarıçaplı bir çemberin dışı olur ve z > r 1 şeklinde gösterilir. Eğer n > 0 için x(n) = 0 ise, (3.1) de z nin sadece pozitif üstel
12 Bölüm 3. z-dönüşümü kuvvetleri bulunur. Bu durumda, r 1 = 0 olup, yakınsaklık bölgesi R { z < r 2 } bir çemberin içinde kalan bölgedir. Şekil 3.1 de karşılaşılabilecek yakınsaklık bölgeleri gösterilmiştir. Aşağıdaki bölümde bu konuya ilişkin örnekler verilecektir.
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 13 Im[z] z-düzlemi 0 G r 1 r 2 z 0 Re[z] Şekil 3.2 X(z) nin z-düzlemindeki analitiklik bölgesi. 3.3 z-dönüşümünün ÖZELLİKLERİ z-dönüşümünün özelliklerini bir dizi teorem yardımıyla açıklayacağız. Önce Laurent teoremini ve sonuçlarını inceleyelim.
14 Bölüm 3. z-dönüşümü X(z) nin iki polinomun oranı biçiminde z nin rasyonel bir fonksiyonu olması en çok karşılaşılan durumdur. Pay polinomun kökleri X(z) yi sıfır yapacağından X(z) nin sıfırları olarak adlandırılır. Payda polinomunun kökleri olan z değerlerinde ise X(z) nin değeri sonsuz olacağından, X(z) nin kutupları olarak adlandırılır. Yakınsaklık tanımından dolayı kutuplar yakınsaklık bölgesi dışında olmalıdır. Yani, X(z) = n= x(n)z n = A(z) B(z) (3.5) gösteriliminde, A(z) = 0 denkleminin kökleri sıfırları, B(z) = 0 ın kökleri ise kutupları oluşturacaktır.
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 15 Kutuplar payda polinomu B(z) nin kökleri dışında, z = 0 veya z = da bulunabilir. Yukarıdaki tanımları ve özellikleri göstermek için aşağıdaki örnekleri inceleyelim.
16 Bölüm 3. z-dönüşümü rnek 3.1 x(n) = δ(n) dizisinin z-dönüşümü X(z) = δ(n)z n = 1 (3.6) olur. n= Yakınsaklık bölgesi 0 z olduğundan X(z) tüm z-düzleminde yakınsaktır. Şekil 3.4 te X(z) = 1 için yakınsaklık bölgesi gösterilmektedir.
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 17 Im[z] z-düzlemi 0 Re[z] Şekil 3.3 x(n) = δ(n) birim impuls dizisi için yakınsaklık bölgesi. rnek 3.2 Sağ taraflı üstel x(n) = a n u(n) dizisi için z-dönüşümü ( X(z) = a n z n = ) az 1 n (3.7) n=0 n=0
18 Bölüm 3. z-dönüşümü yazılır. Burada az 1 < 1 için seri yakınsak olur ve 1 X(z) = 1 az = z (3.8) 1 z a olarak bulunur. az 1 < 1 koşulundan z > a yazılabilir. Şekil 3.5 te gösterildiği gibi yakınsaklık bölgesi a yarıçaplı dairenin dışında kalan bölgedir. X(z) nin z = 0 da bir sıfırı ve z = a da bir kutbu vardır.
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 19 Yakınsaklık bölgesi : sıfır :kutup Şekil 3.4 x(n) = a n u(n) dizisi için sıfır-kutup diyagramı ve yakınsaklık bölgesi. rnek 3.3 Sol taraflı bir diziye örnek olarak aşağıdaki diziyi ele alalım. x(n) = 0, n 0 için (3.9)
20 Bölüm 3. z-dönüşümü x(n) nin z-dönüşümü için yazılabilir. X(z) = 1 n= = 1 = 1 b n z n = b n z n n=0 ( b 1 z ) n n=0 b n z n n=1 (3.10) Eğer b 1 z < 1 veya z < b ise (3.12) deki seri yakınsar. Yani 1 X(z) = 1 1 b 1 z = b 1 z 1 b 1 z = z b + z = z z b (3.11)
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 21 Im[z] Yakınsaklık bölgesi z-düzlemi z=0 z=a Re[z] : sıfır : kutup Şekil 3.5 x(n) = b n u( n 1) dizisi için sıfır-kutup diyagramı ve yakınsaklık bölgesi. olarak bulunur. Şekil 3.6 da görüleceği gibi yakınsaklık bölgesi b yarıçaplı dairenin içinde kalan alandır.
22 Bölüm 3. z-dönüşümü Aıklama 3.1 Son iki örnekteki dizilere ait z-dönüşümlerinin incelenmesinden, sadece z-dönüşümünün sıfırları ve kutupları yardımıyla dizileri belirlemenin mümkün olmadığı görülmektedir. Gerçekten a = b olması halinde, (3.10) ve (3.13) den sağ ve sol taraflı dizilerin z-dönüşümleri aynı olmaktadır. Farklı olan özellik ise yakınsaklık bölgeleridir. O halde, diziyi belirlerken z-dönüşümünün yanısıra yakınsaklık bölgesi de verilmelidir. Dizinin sağ veya sol taraflı olarak belirtilmesi durumunda da yakınsaklık bölgesi dolaylı olarak verilmiş olur.
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 23 rnek 3.4 İki taraflı diziye örnek olarak x(n) = a n, b n, n 0 için n < 0 için (3.12) dizisinin z-dönüşümünü bulalım. X(z) = x(n)z n = n= 1 b n z n + (3.13) a n z n n= n=0
24 Bölüm 3. z-dönüşümü (3.10) ve (3.13) de az 1 < 1 ve b 1 z < 1 koşullarının sağlanması durumunda (3.13), X(z) = z z b + z z a = z( 2z a b ) (3.14) (z a)(z b) şeklinde yazılabilir. Yakınsaklık bölgesi Şekil 3.7 deki gibi yarıçapları a ve b olan halka içindedir. Yani, a < b ise, a < z < b yakınsaklık bölgesidir. Çok kullanılan z-dönüşüm çiftleri Tablo 3.1 de gösterilmiştir.
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 25 Tablo 3.1 Standart z-dönüşümleri Dizi z-dönüşümü Yakınsaklık Aralığı δ(n) 1 tüm z δ(n m), m > 0 z m z < 0 δ(n + m), m > 0 z m z < u(n) u( n 1) a n u(n) a n u( n 1) u(n) cos nθ u(n) sin nθ u(n)r n cos nθ u(n)r n sin nθ 1 1 z 1 z > 1 1 1 z 1 z < 1 1 1 az 1 z > a 1 1 az 1 z < a 1 (cos θ)z 1 1 2(cos θ)z 1 + z 2 z > 1 (sin θ)z 1 1 2(sin θ)z 1 + z 2 z > 1 1 r(cos θ)z 1 1 2r(cos θ)z 1 + r 2 z 2 z > r r(sin θ)z 1 1 2r(sin θ)z 1 + r 2 z 2 z > r
26 Bölüm 3. z-dönüşümü Im[z] Yakınsaklık bölgesi z-düzlemi z=0 z=a z=b Re[z] z a+b 2 : sıfır : kutup Şekil 3.6 x(n) = a n u(n) b n u( n 1) dizisi için sıfır-kutup diyagramı ve yakınsaklık bölgesi.
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 27 Teorem 3.1 (Doğrusallık). x 1 (n) ve x 2 (n) herhangi iki dizi ve z-dönüşümleri Z [ x 1 (n) ] = X 1 (z) (3.15) Z [ x 2 (n) ] = X 2 (z) (3.16) olarak verilsin. a ve b herhangi iki sabit katsayı ise X 3 (z) = Z [ ax 1 (n) + bx 2 (n) ] = ax 1 (z) + bx 2 (z) (3.17) olarak elde edilir.
28 Bölüm 3. z-dönüşümü Tanıt. Z [ ax 1 (n) + bx 2 (n) ] [ = ax1 (n) + bx 2 (n) ] z n = a n= x 1 (n)z n + b x 2 (n)z n n= n= = ax 1 (z) + bx 2 (z) (3.18)
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 29 X 3 (z) nin yakınsaklık bölgesi en azından X 1 (z) ve X 2 (z) nin yakınsaklık bölgelerinin arakesitini kapsar. Yani, R x3 ( R x1 R x2 ) (3.19) R x1 ve R x2 nin sınırında bulunan bir kutbun, (3.17) toplamı sonucu ortaya çıkan bir sıfır ile yokedilmesi durumunda R x3 yakınsaklık bölgesi R x1 R x2 den daha geniş olur.
30 Bölüm 3. z-dönüşümü Teorem 3.2 (Öteleme). a) Z[x(n + m)] = z m X(z) (3.20) Eğer x(n) dizisi sağ taraflı ise, yani n < 0 için x(n) = 0 olursa, pozitif m tamsayısı için aşağıdaki özelliklerin bulunduğu gösterilebilir. b) Z [ x(n + m)] = z m {X(z) m 1 k=0 x(k)z k } (3.21)
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 31 c) Z[x(n m)] = z m X(z) (3.22) Tanıt. (a) Z[x(n + m)] = x(n + m)z n n= = z m x(n + m)z (n+m n= = z m x(k)z (k = z m X(z) k=
32 Bölüm 3. z-dönüşümü Tanıt. (b) Z[x(n + m)] = x(n + m)z n n=0 = z m x(n + m)z (n+m) n=0 = z m x(k)z k k=m [ = z m x(k)z k k=0 = z m [X(z) m 1 k=0 m 1 k=0 x(k)z k ] x(k)z k ]
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 33 Tanıt. (c) n < 0 için x(n) = x(n m) = 0 olduğundan Teorem 3.3(a) uygulanırsa, Z[x(n m)] = z m X(z) elde edilir. Ötelenmiş x(n m) dizisi ile orijinal x(n) dizisinin yakınsaklık bölgeleri aynıdır. Ancak, z = 0 veya z = noktası yakınsaklık bölgesi dışında olabilir. Birim gecikme durumunda m = 1 dir. (3.22) bağıntısından Z[x(n 1)] = z 1 X(z) (3.23)
34 Bölüm 3. z-dönüşümü bulunur. (3.23) de X(z), z 1 ile çarpılmıştır. Bu z 1 çarpanına birim gecikme operatörü adı verilir. Benzer şekilde, birim ilerleme durumunda Z[x(n + 1)] = zx(z) (3.24) olur.
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 35 rnek 3.5 a) Geciktirilmiş impuls dizisi, x(n) = δ(n m) için, X(z) = Z[δ(n m)] = z m (3.25) bulunur. 0 < z yakınsaklık bölgesidir. z = 0 da X(z) yakınsamaz. b) İlerletilmiş impuls dizisi, x(n) = δ(n + m) için, X(z) = Z[δ(n + m)] = z m (3.26) bulunacaktır. X(z), z = da yakınsamadığından yakınsaklık bölgesi 0 z < olur.
36 Bölüm 3. z-dönüşümü Teorem 3.3 (Karmaşık Türev). Z[nx(n)] = z dx(z) dz (3.27) Tanıt. Z[nx(n)] = z n= z d dz n= nx(n)z n = z [ x(n) d dz (z n ) n= ] x(n)(z n ) n= x(n)( n)z n 1 = z dx(z) dz X(z) ve Z[nx(n)] nin yakınsaklık bölgeleri aynıdır. (3.28)
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 37 rnek 3.6 na n n 0 için x(n) = ( (3.29) 0 n < 0 için dizisinin z-dönüşümünü Teorem 3.4 yardımıyla bulalım. (3.2) den hatırlarsak, a n z n = n=0 z z a Örnek (3.30) olur. (3.28) dan Z[na n u(n)] = z d { z } = z ( a) dz z a (z a) = za (3.31) 2 (z a) 2 elde edilir. (3.29) ve (3.31) ün karşılaştırılmasından yakınsaklık bölgelerinin değişmediği görülmektedir.
38 Bölüm 3. z-dönüşümü Teorem 3.4 (Gerçel konvolüsyon). [ Z k= ] x(k)h(n k) = X(z)H(z) (3.32) veya [ Z k= ] x(n k)h(k) = X(z)H(z) (3.33)
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 39 Tanıt. [ Z k= ] x(k)h(n k) = = = n= k= k= n= x(k)z k x(n)z n = X(z)H(z) x(k)h(n k)z n n= n= h(n k)z (n k) h(n)z n (3.34) X(z)H(z) nin yakınsaklık bölgesi X(z) ve H(z) nin yakınsaklık bölgelerinin arakesitini kapsar. Yani, R R x R h olur.
40 Bölüm 3. z-dönüşümü Aıklama 3.2 Herhangi iki dizinin konvolüsyonu sonucu elde edilecek dizinin z-dönüşümünün, dizilerin z-dönüşümlerinin çarpımı olduğu gerçel konvolüsyon teoreminden anlaşılmaktadır. Benzer şekilde, iki dizinin çarpımının z-dönüşümü dizilerin z-dönüşümlerinin kompleks konvolüsyonu olduğu gösterilebilir. Yani, Z[x(n)] = X(z), Z[y(n)] = Y(z) ise, Z[x(n)y(n)] = 1 ( z X(ν)Y ν 2πj Γ ν) 1 dν (3.35) olur. (3.35) deki çizgisel integralde Γ, X(ν) ve Y(z/ν) için ortak yakınsaklık bölgesinde yer alan bir konturu göstermektedir.
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 41 Teorem 3.5 (İlk Değer Teoremi). Eğer x(n) nedensel bir dizi ise (x(n) = 0, n < 0), x(0) = lim z X(z) (3.36) Tanıt. lim X(z) = lim z z x(n)z n n=0 = x(0) + lim z x(n)z n = x(0) n=1 (3.37)
42 Bölüm 3. z-dönüşümü Teorem 3.6 (Son Değer Teoremi). Nedensel x(n) dizisinin z-dönüşümü X(z) olsun. (z 1)X(z) nin yakınsaklık bölgesi z = 1 i kapsıyor ise, lim n x(n) = lim z 1 (1 z 1 )X(z) (3.38) Tanıt. {x(k) x(k 1)}z k = lim n k=1 {x(k) x(k 1)}z k = k=1 n {x(k) x(k 1)}z k (3.39) k=1 x(k)z k k=1 x(k 1)z k k=1 = (1 z 1 )X(z) x(0) (3.40)
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 43 yazılabilir. (3.39) ve (3.40) den (1 z 1 )X(z) x(0) = lim n n {x(k) x(k 1)}z k (3.41) k=1
44 Bölüm 3. z-dönüşümü elde edilir. z = 1, (1 z 1 )X(z) nin yakınsaklık bölgesi içinde ise, (3.41) denkleminin her iki tarafının z 1 limiti alınır. n lim(1 z 1 )X(z) x(0) = lim lim {x(k) x(k 1)}z k z 1 n z 1 k=1 n = lim {x(k) x(k 1)} n Böylece, lim n k=1 = lim n {x(n) x(0)} = lim n x(n) x(0) (3.42) x(n) = lim z 1 (1 z 1 )X(z) (3.43)
3.3. z-dönüşümünün Özellikleri 45 olarak elde edilir.
46 Bölüm 3. z-dönüşümü Teorem 3.7 (Parseval Teoremi). [x(n)] 2 = 1 2πj n= C X(z)X(z 1 )z 1 dz (3.44) C uygun olarak seçilmiş bir konturu göstermektedir. Tanıt. (3.35) bağıntısında x(n) = y(n) ve z = 1 için [x(n)] 2 = 1 X(ν)X(ν 1 )ν 1 dν (3.45) 2πj elde edilir. n= Γ z-dönüşümünün diğer özellikleri Problem 3.1 de verilmektedir.
3.4. Ters z-dönüşümü 47 3.4 TERS z-dönüşümü Cauchy integral teoremi [2] yardımıyla ters z-dönüşümünü elde etmek mümkündür. Bu önemli teoremi şöyle tanımlayabiliriz. x(n) = 1 1, k = 0 için z k 1 dz = (3.46) 2πj C 0, k = 0 için (3.46) bağıntısında C orijini çevreleyen saat ibresinin ters yönünde kapalı bir konturu göstermektedir. z-dönüşümü ilişkisi aşağıda verilmektedir. X(z) = x(n)z n (3.47) n=
48 Bölüm 3. z-dönüşümü (3.47) un her iki tarafını z k 1 ile çarparak X(z) nin yakınsaklık bölgesi içinde orijini çevreleyen C konturu üzerinde integrali alınırsa, 1 2πj C X(z)z k 1 dz = 1 2πj C n= x(n)z n+k 1 dz (3.48) elde edilir. Toplam ve integrasyon yer değiştirirse 1 X(z)z k 1 dz = x(n) 1 z n+k 1 dz (3.49) 2πj 2πj C n= bulunur. Halbuki, (3.46) deki Cauchy integral teoreminden, 1 1, n = k için z n+k 1 dz = 2πj C 0, n = k için C (3.50)
3.4. Ters z-dönüşümü 49 olduğu bilinmektedir. (3.49) ve (3.50) den ters z-dönüşüm bağıntısı olarak ] x(k) = Z [X(z) 1 = 1 X(z)z k 1 dz (3.51) 2πj C bulunur. C saat ibresinin ters yönünde orjini çevreleyen kapalı bir kontur olup, X(z) nin yakınsaklık bölgesi içindedir. Burada, (3.47) ve (3.51) bağıntıları birlikte z-dönüşüm çiftini oluştururlar. Ters z-dönüşümü hesaplanırken (3.51) deki kontur integralinin yerine pratikte daha basit olan yöntemler kullanılır. Şimdi, bu alternatif metodları inceleyelim.
50 Bölüm 3. z-dönüşümü 3.4.1 Rezidü Metodu Cauchy rezidü teoremi yardımıyla, z-dönüşümü X(z) = A(z) B(z) = A(z) K (z p i ) m i i=1 (3.52) biçiminde olan rasyonel fonksiyonların, (3.51) deki kontur integrali hesaplanabilir. (3.52) de p i kutbunun m i katlı olduğu görülmektedir. Cauchy rezidü teoremine göre, x(k) = 1 X(z)z k 1 dz 2πj C K X(z)z k 1 teriminin C konturu içindeki = tüm kutuplarına ait rezidüler k=1 (3.53)
3.4. Ters z-dönüşümü 51 m katlı p kutbunun rezidüsü { } X(z)z n 1 1 = d m 1 dz m 1 { (z p) m X(z)z n 1} (3.54) res z=p (m 1)! lim z p bağıntısıyla bulunur. p kutbunun tek katlı olması durumunda res z=p şeklinde yazılabilir. { X(z)z n 1 ) } { = lim } (z p)x(z)z n 1 (3.55) z p
52 Bölüm 3. z-dönüşümü rnek 3.7 1 X(z) = 1 az 1, z > a (3.56) olarak verilen z-dönüşümünün tersini rezidü teorimini kullanarak bulalım. x(n) = 1 X(z)z n 1 dz 2πj C = 1 z n 1 (3.57) 2πj C 1 az 1dz Şekil 3.5 te görüldüğü gibi C sadece z = a da yer alan tek bir kutbu çevrelemektedir. n 0 için x(n) değerleri { x(n) = res } X(z)z n 1 z=a { z = lim (z a) n 1 } = a n, n 0 için z a 1 az 1 (3.58)
3.4. Ters z-dönüşümü 53 olarak bulunur. n < 0 için ise X(z)z n 1 in z = 0 da n ye bağlı olarak birden çok kutbu vardır. Örneğin, n = 1 için z = a ve z = 0 daki rezidüleri toplayalım. (3.58) da n = 1 konularak, } } x( 1) = lim {(z a) z 1 1 + lim {z z 1 1 z a 1 az 1 z 0 1 az 1 = a 1 a 1 = 0 (3.59) Benzer şekilde, n = 2, 3,... içinde rezidülerin toplamı sıfırdır. O halde, bulunur. (3.58) ve (3.60) den sonuç olarak x(n) = 0, n < 0 için (3.60) x(n) = a n u(n) (3.61)
54 Bölüm 3. z-dönüşümü elde edilir.
3.4. Ters z-dönüşümü 55 3.4.2 Kuvvet Serileri A) Eğer z-dönüşümü z nin kuvvet serisi şeklinde verilmişse, istenen dizinin n. elemanı x(n) nin z n teriminin katsayısı olduğu gözlenir. Yani, z-dönüşümü polinomu biçimindedir. X(z) = n= x(n)z n (3.62) Ancak, X(z) (3.62) deki gibi verilmeyip kapalı formda verilmiş ise uygun seri açılımı yazılır.
56 Bölüm 3. z-dönüşümü rnek 3.8 X(z) = log(1 + az 1 ), a < z (3.63) Kapalı formunda verilen z-dönüşümünün tersini seriye açarak bulalım. log(1 + w), w < 1 için Taylor serisine açılımını hatırlarsak, ( 1) log(1 + w) = n+1 w n, w < 1 (3.64) n n=1 yazılır. Bu sonucu (3.63) de kullanırsak, X(z) = log(1 + az 1 ( 1) ) = n+1 a n z n (3.65) n n=1
3.4. Ters z-dönüşümü 57 x(n) (3.65) den bulunabilir. ( 1) n+1an x(n) = n, n 1 için 0, n < 1 için veya elde edilir. x(n) = ( a)n n (3.66) u(n 1) (3.67)
58 Bölüm 3. z-dönüşümü rnek 3.9 X 1 (z) = 2 + 3z 1 + 4z 2 ve X 2 (z) = 3 + 4z 1 + 5z 2 + 6z 3 olarak verimiş olsun. X 3 (z) = X 1 (z)x 2 (z) yi belirleyiniz. zm. Bu iki dizinin ters z-dönüşümleri x 1 (n) = {2, 3, 4} ve x 2 (n) = {3, 4, 5, 6} olarak bulunur. z-dönüşümünün gerçel konvolüsyon özelliğini kullanırsak, bu iki dizinin konvolüsyonu olan dizi, aradığımız çarpım polinomunun katsayılarını verecektir. MATLAB kullanılarak x1=[2 3 4]; x2=[3 4 5 6]; x3=conv(x1,x2);
3.4. Ters z-dönüşümü 59 Böylece olarak bulunur. X 3 (z) = 6 + 17z 1 + 34z 2 + 43z 3 + 38z 4 + 24z 5 B) Diğer bir ters z-dönüşümü yönteminde ise rasyonel formdaki z-dönüşümlerinden bölme işlemi sonucu kuvvet serisi bulunur.
60 Bölüm 3. z-dönüşümü rnek 3.10 (3.56) de verilen X(z) nin kuvvet serisi biçiminde yazılabilmesi için aşağıdaki bölme işlemi yapılır. X(z) nin yakınsaklık bölgesi a yarıçaplı dairenin dışında olduğu için x(n) dizisi sağ taraflıdır. O halde, bölüm sonucu z 1 in kuvvetleri cinsinden bir seri elde edilir. Bölme işlemi yapılarak
3.4. Ters z-dönüşümü 61 z nin negatif kuvvetleri şöyle bulunur: 1+az 1 +a 2 z 2 +a 3 z 3 +... 1 az 1) 1 1 az 1 az 1 az 1 a 2 z 2 a 2 z 2 a 2 z 2 a 3 z 3 a 3 z 3.
62 Bölüm 3. z-dönüşümü veya 1 1 az 1 = 1 + az 1 + a 2 z 2 + a 3 z 3 +... (3.68) x(n) = a n u(n) (3.69) bulunur.
3.4. Ters z-dönüşümü 63 rnek 3.11 Yakınsaklık bölgesi farklı olan X(z) = 1 1 az 1, z < a (3.70) z-dönüşümünü ele alalım. z = 0 noktası yakınsaklık bölgesi içindedir. O halde, z = 0 da X(z) sınırlıdır. Buradan, n 0 için x(n) = 0 olacağı ve dizinin sol taraflı olduğu anlaşılır. Bölme işlemiyle z nin pozitif kuvvetleri bulunur. Önce X(z) = 1 1 az = z 1 z a (3.71)
64 Bölüm 3. z-dönüşümü yazılır. Buradan, a + z ) a 1 z a 2 z 2 a 3 z 3... z z a 1 z 2 a 1 z 2 a 1 z 2 a 2 z 3 a 2 z 3 a 2 z 3 a 3 z 3 a 3 z 3.
3.4. Ters z-dönüşümü 65 elde edilir. Böylece, bulunur. x(n) = a n u( n 1) (3.72)
66 Bölüm 3. z-dönüşümü rnek 3.12 Payının derecesi paydanın derecesinden daha büyük olan aşağıdaki z-dönüşümünün tersini bölme işlemiyle bulalım. X(z) = z 2 + 2z 1 + 2, z > 1 (3.73) z 1 + 1 Bölme işlemi sonucu, X(z) = 2 + z 2 z 3 + z 4 z 5 +... (3.74)
3.4. Ters z-dönüşümü 67 elde edilir. O halde, 0, n < 0 x(n) = 2, n = 0 0, n = 1 (3.75) bulunur. (3.75) den ( 1) n, n 2 x(n) = δ(n) + δ(n 1) + ( 1) n u(n) (3.76) yazılabilir. C) Rasyonel formda verilen z-dönüşümünün tersinin bulunmasında Jury [4,5] tarafından formüle edilen aşağıdaki
68 Bölüm 3. z-dönüşümü yöntem kullanılabilir. Buna göre, olarak verilmiş ise, X(z) = b(0) + b(1)z 1 +... + b(n)z n 1 + a(1)z 1 +... + a(n)z n (3.77) X(z) = x(0) + x(1)z 1 + x(2)z 2 +... + x(n)z n +... (3.78) Kuvvet serisinin katsayıları, x(0) = b(0) = 1 (3.79) x(1) = 1 a(1) b(0) b(1) = b(1) a(1)b(0) = 2 (3.80)
3.4. Ters z-dönüşümü 69 1 a(1) a(2) x(1) = 0 1 a(1) = 3 (3.81) b(0) b(1) b(2) 1 a(1) a(2) a(3) 0 1 a(1) a(2) x(1) = = 0 0 1 a(1) 4 (3.82) b(0) b(1) b(2) b(3) determinantları yardımıyla bulunur. Ayrıca, bu determinantlar özyineli (rekürsif) olarak da hesaplanabilir. 1 = x(0) = b(0) (3.83)
70 Bölüm 3. z-dönüşümü n n+1 = x(n) = b(n) n+1 i a(i), n = 1, 2,... (3.84) i=1 n n+1+k = n+1+k i a(i), k > n için (3.85) i=1 (3.83) ve (3.85) deki işlemler bir bilgisayar algoritması yardımıyla kolaylıkla programlanabilir.
3.4. Ters z-dönüşümü 71 3.4.3 Kısmi Kesirlere Açılım z-dönüşümü X(z) nin, iki polinomun oranı şeklinde rasyonel biçiminde olması durumunda bu yöntem kullanılır. Eğer, pay polinomunun derecesi paydanın derecesinden daha küçük ve kutupların tamamı birinci dereceden ise, ve X(z) = A(z) B(z) = X 1(z) + X 2 (z) +... = N k=1 X k (z) (3.86) x(n) = x 1 (n) + x 2 (n) +... = N x k (n) (3.87) k=1
72 Bölüm 3. z-dönüşümü yazılabilir. X 1 (z), X 2 (z),... tek kutuplu z-dönüşümleridir. z-dönüşümünün doğrusallık özelliğinden N x(n) = Z 1 [X(z)] = Z 1 [X k (z)] (3.88) elde edilir. p k, X(z) nin tek katlı kutuplarını gösterdiğine göre N R X(z) = k, z > r (3.89) 1 p k z 1 k=1 formunda yazılabilir. Ayrıca her bir terimin ters z-dönüşümü bir üstel dizi olacağından, X(z) nin ters z-dönüşümü Tablo 3.1 den N x(n) = R k p n k u(n) (3.90) olarak elde edilir. k=1 k=1
3.4. Ters z-dönüşümü 73 rnek 3.13 Aşağıdaki X(z) fonksiyonunu tersini bulalım. z X(z) = ( )( ) (3.91) z 1 2 z 1 4 X(z) önce kısmi kesirlerine ayrılır. X(z) = 2 z 1 2 1 z 1 4 = 2z 1 z 1 1 1 2z 1 1 1 4 z 1 (3.89) ve (3.90) den faydalanarak ( 1 ) n 1u(n ( 1 ) n 1u(n x(n) = 2 1) 1) [ 2 4 (1 n ( 1 ) n ] = 4 u(n 1) 2) 4 bulunur. (3.92) (3.93)
74 Bölüm 3. z-dönüşümü Aıklama 3.3 Eğer payın derecesi paydanın derecesinden büyük ise, önce bölme işlemi, sonra kesirlere açılım işlemi gerçekleştirilir. Buna göre, pay polinomu A(z) nin derecesi M ve payda polinomu B(z) nin derecesi N olsun. Ayrıca, kutupların yine basit ve tek katlı olduklarını varsayalım. O halde açılım, X(z) = A(z) B(z) = a 0 + a 1 z 1 + + a M z M b 0 + b 1 z 1 + + b N z N = c M N z M N + c M N 1 z M N 1... + c 1 z + c 0 + R(z) B(z) M N N = c k z k R + k 1 p k z 1 k=0 k=1 }{{} M N (3.94)
3.4. Ters z-dönüşümü 75 olur. Burada c k değerleri bölüm sonucu bulunur. R(z) ise derecesi M = N 1 olan kalan polinomudur. R(z)/B(z) kısmi kesirlere açılabilir. (3.89) ve (3.94) dan X(z) nin tersi M N N x(n) = c j δ(n j) + R k p n k u(n) (3.95) j=1 olarak elde edilir. R k ları bulmak için k=1 bağıntısı kullanılır. R k = lim z pk (z p k )X(z) (3.96) MATLAB de residuez komutu kullanılarak rasyonel bir z-dönüşümü ifadesinin rezidüleri ve kalan polinomu bulunabilir. X(z) nin (3.94) da olduğu şekilde iki polinomun bölümü olduğunu
76 Bölüm 3. z-dönüşümü varsayalım. Bu pay ve payda polinomlarının katsayıları z 1 in artan kuvvetlerine göre dizilmiş olsun ve a ile b vektörleri bu katsayıları belirtsin. Bu halde [R,p,c]=residuez(a,b) komutu X(z) için rezidüleri, kutupları ve doğrudan katsayıları (c k ) verecektir. Sütun vektörü R rezidüleri, sütun vektörü p kutupları, satır vektörü c ise doğrudan katsayıları içermektedir. Eğer çok katlı kutuplar varsa çıkış vektörleri buna göre düzenlenecektir. Eğer aynı komutu [a,b]=residuez(r,p,c) şeklinde üç giriş ve iki çıkış olarak kullanırsak, bu kez kısmi kesir açılımından bölüm şeklindeki gösterilime geri dönüş sağlanır.
3.4. Ters z-dönüşümü 77 rnek 3.14 X(z) = 1 1.7z 1 + 0.95z 2 0.15z 3 1 0.8z 1 + 0.15z 2 fonksiyonunun kısmi kesir açılımını MATLAB kullanarak bulalım. a=[1-1.7 0.95-0.15]; b=[1-0.8 0.15]; [R,p,c]=residuez(a,b) R = p = c = 0.5000-0.5000 0.5000 0.3000 1-1
78 Bölüm 3. z-dönüşümü Böylece X(z) = olarak elde ederiz. 1 1 2 1 1 2 2 z 1 1 10 3 + 1 z 1 z 1
3.4. Ters z-dönüşümü 79 3.4.4 Fark-Denklemi Çözümü Verilen z-dönüşümü sayısal bir süzgecin transfer fonksiyonu olarak düşünülebilir. Öteleme teoreminden yararlanarak bu transfer fonksiyonuna karşı düşen fark denklemi bulunur. Bulunacak olan impuls cevabı ters z-dönüşümünü verir. Sayısal bir bilgisayar yardımıyla fark denkleminin çözümü kolaylıkla programlanabileceğinden bu yöntem özel bir önem taşır. Aşağıdaki basit örnek üzerinde bu tekniği inceleyelim.
80 Bölüm 3. z-dönüşümü rnek 3.15 Aşağıdaki F(z) nin tersini bulalım. F(z) = z z + 1/2 (3.97) F(z) transfer fonksiyonu biçiminde yazılabilir. Giriş işareti x(n) ve çıkış işareti y(n) nin z-dönüşümleri sırasıyla X(z) ve Y(z) olsun. O halde, Y(z) X(z) = z z + 1/2 (3.98) ve zy(z) + 1 Y(z) = zx(z) (3.99) 2
3.4. Ters z-dönüşümü 81 yazılabilir. (3.99) denkleminin her iki tarafı z ye bölünerek, Y(z) = 1 2 z 1 Y(z) + X(z) (3.100) elde edilir. (3.100) ye karşı düşen fark denklemi ise y(n) = 1 y(n 1) + x(n) (3.101) 2 olur. Sistemin başlangıç koşulları sıfır varsayılarak x(n) = δ(n) giriş işaret için çıkış aşağıdaki gibi 5 aşamada hesaplanabilir. (3.97) un impuls cevabı Şekil 3.8 de görülmektedir.
82 Bölüm 3. z-dönüşümü (1) (2) (3) (4) (5) n x(n) y(n 1) (1/2)y(n 1) y(n) = (2) (4) 0 1 (ilk koşul) 0 (ilk koşul) 0 1 1 0 1 1/2-1/2 2 0-1/2-1/4 1/4 3 0 1/4 1/8-1/8 4 0-1/8-1/16 1/16 5 0 1/16 1/32-1/32 6 0-1/32-1/64 1/64
3.4. Ters z-dönüşümü 83 1 y(n) 0 1 +0.25 3 2-0.125 +0.0625 4 n -0.5 Şekil 3.7 Ters z-dönüşümü: y(n) = Z 1 [ z z+0.5].
84 Bölüm 3. z-dönüşümü REFERANSLAR 1. E. I. Jury, Theory and Application of the Z-transform Method, John Wiley, New York, 1964. 2. J. W. Brown ve R.V. Churchill, Complex Variables and Applications, McGraw-Hill, New York, 1996. 3. A. Antoniou, Digital Filters: Analysis and Design, McGraw-Hill, New York 1970.
3.4. Ters z-dönüşümü 85 4. E. I. Jury, A New Formulation For Inverse Z-transformation, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, December, 1975. 5. E. I. Jury, Inverse and Stability of Dynamic Systems, John Wiley, New York, 1974.
86 Bölüm 3. z-dönüşümü PROBLEMLER 3.1 Aşağıdaki işaretlerin z-dönüşümlerini ve yakınsaklık bölgesini bulunuz. a) x(n = (1/2) n u(n) b) x(n) = (1/2) n u( n) c) x(n) = e n u( n + 1) d) x(n) = a n
Problemler 87 3.2 h(n) = Ar n cos(nω 0 T + θ)u(n) dizisinin z-dönüşümü H(z) yi bulunuz. 0 < r < 1 için sıfır-kutup diyagramını çiziniz ve yakınsaklık bölgesini gösteriniz. 3.3 Sonlu-sürekli x(n) = a n[ u(n) u(n N) ] dizisinin z-dönüşümü X(z) yi bulunuz. Yakınsaklık bölgesini belirlerken sıfır ve kutuplarına dikkat ediniz. 3.4 x(n) karmaşık değerli bir dizi olduğuna göre, x(n) nin z-dönüşümü X(z) nin aşağıdaki özelliklerini gösteriniz. ( kompleks eşleniği göstermektedir.) a) Z[x (n)] = X (z )
88 Bölüm 3. z-dönüşümü b) Z[x( n)] = X(z 1 ) [ c) Z Re { x(n) }] [ ] = (1/2) X(z) + X (z ) [ d) Z Im { x(n) }] [ ] = (1/2j) X(z) X (z ) 3.5 y(n) = x 2 (n) dizisinin z-dönüşümünü, x(n) nin z-dönüşümü X(z) cinsinden belirleyiniz. 3.6 Deterministik x(n) dizisi için özilişki fonksiyonu r(n) = x(k)x (k + n) k= olarak tanımlanır. Buna göre, a) R(z) yi X(z) cinsinden bulunuz. b) R(z) nin yakınsaklık bölgesi nasıldır?
Problemler 89 c) Yakınsaklık bölgesi birim daireyi ( z = 1) kapsıyorsa, enerji spektrumu R(e jω ) nın, R(e jω ) = X(e jω ) 2 olduğunu gösteriniz. d) (3.45) de verilen Parseval ilişkisini kullanarak toplam enerji E = r(0) ı, R(e jω ) cinsinden yazınız. Kontur integralini birim daire üzerinde alınız. 3.7 H(z) nin aşağıdaki durumları için h(n) yi bulunuz. a) R h {z = 0} b) R h {z = 1} H(z) = 2 z 1 1 z 1 0.75z 2
90 Bölüm 3. z-dönüşümü c) R h {z = } 3.8 h(n) nin z-dönüşümü olduğuna göre, H(z) = z 1 z 2 1 + z 1, z > 1 a) Sıfır ve kutuplarını z-düzleminde gösteriniz b) Tüm n değerleri için h(n) yi bulunuz. c) Bu süzgeç kararlı mıdır?
Problemler 91 3.9 Sağ taraflı x(n) dizisinin z-dönüşümü 3.10 olarak verildiğine göre, X(z) = 1 z + 2 a) n iken x(n) yi bulunuz. Son-değer teoremini kullanabilir misiniz? b) x(0) nedir? (z + 2)(z 2) X(z) = (z 1)(z 2 + 0.2z + 0.8) için n iken x(n) yi bulunuz. Son-değer teoremini kullanabilir misiniz?
92 Bölüm 3. z-dönüşümü 3.11 Aşağıdaki fark-denklemi ile ifade edilen nedensel süzgecin impuls cevabını ve transfer fonksiyonunu bulunuz. y(n) + 3y(n 1) + 2y(n 2) = 3x(n 1) + x(n 2) 3.12 Aşağıdaki z-dönüşümleri için nedensel ters z-dönüşümlerini rezidü teoremini kullanarak bulunuz. 2z a) X(z) = 2 2z 2 2z + 1 1 b) X(z) = (z 0.8) 4 6z c) X(z) = (2z 2 + 2z + 1)(3z 1) 3.13 Aşağıdaki z-dönüşümleri için nedensel ters z-dönüşümlerini kısmi kesirlere açılım metodunu kullanarak bulunuz.
Problemler 93 (z 1) a) X(z) = 2 z 2 0.1z 0.56 4z b) X(z) = 2 (2z + 1)(2z 2 2z + 1) 3.14 Aşağıdaki X(z) nin nedensel ters z-dönüşümünü bölme işlemi ile bulunuz. X(z) = z(z2 + 4z + 1) (z 1) 4 3.15 Aşağıda verilen dizilerin farklı yakınsaklık bölgelerine, fakat aynı z-dönüşümüne sahip olduklarını gösteriniz. a) x 1 (n) = 6((0.5) n (0.3) n )u(n) b) x 2 (n) = 6(0.5) n u( n 1) 6(0.3) n u(n) c) x 3 (n) = 6((0.3) n (0.5) n )u( n 1)
94 Bölüm 3. z-dönüşümü 3.16 X(z), x(n) = 0.3 n u(n) dizisinin z-dönüşümünü belirtsin. a) X(z 2 ) nin ters z-dönüşümünü X(z) yi hesaplamadan bulunuz. b) (1 + z 1 )X(z 2 ) nin ters z-dönüşümünü X(z) yi hesaplamadan bulunuz. 3.17 Aşağıda verilen z-dönüşümleri için ters z-dönüşümünü bulunuz. a) Y 1 (z) = b) Y 2 (z) = z(z 1) (z + 1)(z + 1 3 ), z < 1 3 z(z 1) (z + 1)(z + 1 3 ), 1 3 < z < 1
Problemler 95 c) Y 3 (z) = z(z 1) (z + 1)(z + 3 1 1 < z ),
96 Bölüm 3. z-dönüşümü MATLAB UYGULAMALARI M3.1 X(z) = 1 (1 0.4z 1 )(1 0.6z 1 )(1 0.8z 1 ), z > 0.8 fonksiyonunun ters z-dönüşümünü MATLAB ve kısmi kesir açılımını kullanarak hesaplayınız (İpucu: b vektörünü bulmak için MATLAB in poly komutundan faydalanabilirsiniz). M3.2 Aşağıda verilen polinom işlemlerinin sonuçlarını MATLAB de conv komutunu kullanarak hesaplayınız.
Problemler 97 a) (1 3z 1 + 2z 2 2z 4 )(z 1 z 2 + 3z 4 ) b) (z 3 + 2z 1 2z 3 )(z 1 + 3z 2 ) M3.3 Aşağıda verilen transfer fonksiyonunun köklerini bulunuz ve z-düzleminde çiziniz. Bunun için MATLAB de roots ve zplane komutlarını kullanabilirsiniz. H(z) = 1 + 1 3 z 1 + 1 4 z 2 + 1 5 z 3 + 1 6 z 4