下采样器的Z变换


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在本文或多速率过滤中,作者建立了以下数学关系。令为下采样器的输出,使得yD

yD[n]=x[Mn]

其中是下采样因子。换句话说,我们保留原始信号的每个样本。然后作者继续陈述以下内容:MM

...的z变换由yD[n]

YD[z]=1M∑k=0M−1X[z1/MWk]

其中是点离散傅里叶变换内核,即 。WkMe(−j2πk)/M

我们如何从前一种表达转到后者?DFT和Z变换之间允许这种过渡的关系是什么?

Answers:


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这种推导是一个棘手的过程。之前建议的方法存在缺陷。让我先演示一下;那么我会给出正确的解决方案。

我们希望将下采样信号的转换与原始信号的转换相关联。ZYD(z)=Z{x[Mn]}ZX(z)=Z{x[n]}

错误的方法

可以想到的只是将下采样信号的表达式插入 -transform 的表达式中:Z

YD(z)=∑n=−∞+∞x[Mn]z−n

变量似乎很明显:n′=Mn

YD(z)=∑n′∈MZx[n′]z−n′/M

但是,重要的是要认识到,即使新的总和索引仍然从到,总和现在仍超过M个整数中的1。换一种说法,n′−∞∞

n′∈MZ={...,−2M,−M,0,M,2M,...},

而 -transform 的定义需要Z

n∈{...,−2,−1,0,1,2,...}。

由于这不再是,因此我们无法编写:Z

YD(z)=X(z1/M)

正确的方式

让我们首先将“辅助”脉冲信号为:tM[n]

tM[n]=∑k=−∞+∞δ[n−kM]={1:n∈MZ0:n∉MZ

此功能是在一个每的样品,以及零其他地方。M1M

等价地,脉冲序列函数可以写成:

tM[n]=1M∑k=0M−1ej2πkn/M

证明:我们需要分别考虑情况和: Ñ ∉ 中号žn∈MZn∉MZ

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
在,n∉MZ

现在让我们回到寻找下采样器的转换的原始问题:Z

YD(z)=∑n=−∞+∞x[Mn]z−n

我们应用替换,请记住,这使求和仅在M的整数倍上进行:n′=Mn

YD(z)=∑n′∈MZx[n′]z−n′/M

现在,我们可以使用上述脉冲函数将其安全地重写为所有的总和:n∈Z

YD(z)=∑n=−∞+∞tM[n]x[n]z−n/M

使用上述公式将脉冲列函数作为指数的有限和,我们得到:

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

右边的总和是所有整数的总和,因此是有效的变换,依据。因此,我们可以这样写:Zz′=e−j2πk/Mz1/M

YD(z)=1M∑k=0M−1X(e−j2πk/Mz1/M)

这是下采样器的的公式。Z


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非常好。在阅读以上我的较早答案时,我还注意到了与您相同的缺陷。
— 杰森R

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我以前没有看过这种记法。但是,这似乎是有道理的。的 -downsampler是由下式定义:M

yD[n]=x[Mn]

其变换由以下公式定义:z

YD(z)=∑n=−∞∞yD[n]z−n=∑n=−∞∞x[Mn]z−n

应用变量的变化,令。由于求和范围扩展到无穷大,因此不受其变化的影响。n′=Mn

YD(z)=∑n′=−∞∞x[n′]z−n′/M

这看起来类似于本身的变换。回想一下它的定义为:zx[n]

X(z)=∑n=−∞∞x[n]z−n

通过检查,我们可以得出和的变换之间的以下关系:zx[n]yD[n]

YD(z)=X(z1/M)

因此,下采样器输出的变换密切相关的输入信号,这是可以预料的变换。在频域中,这导致信号频率内容的倍拉伸。zzM

但是,如何从上面的方程式转到本文中引用的方程式?它仅根据给出的定义,而我们得出的表达式是的函数。因此,对于要评估的的特定值,您首先要计算(即取的根),然后将其代入。然而,所有非零具有不同第根:YD(z)zz1/MzYD(z)z1/MMzX(z)z∈CMM

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

={rp, rpW, rpW2, … , rpWM−1}

其中是您的问题中引用的DFT内核值,是我定义为复数值第个主根:Wkej2πk/MrpMz

rp=|z|Mej∠zM

也就是说,的主要第根通过转换获得到极坐标的形式,取的第根大小S(其是实数),除以'通过的角度。结果值以极性形式表示。zMrpzMzzMrp

为什么要解决所有这些麻烦?因为,如前所述,从的域到的域的映射不是一对一的。我现在开始挥手。对于任何特定的值您想评价对,有在对应点,你可以映射到。因此,的这个点中的每一个都贡献了的对应值。然后,您得到的总和如纸张所示:YD(z)X(z1/M)zYD(z)MX(z1/M)MX(z1/M)YD(z)

YD(z)=1M∑k=0M−1X(rp(z)Wk)

其中指的是我之前显示的第个主根计算。实际上,您可以选择的第个根中的任意一个作为主要根;我选择此定义是因为它是最直接的。如果您要正确严格地推导这种关系,我相信是由于的导数而来的。rp(z)MzM1Mz1/M

用数学家的话来说,我相信这将被称为功能的组合。,其中和。为了展开的函数组合物和写入作为的函数的只,你会砍的域成是一个对一组块,反转的功能在这些间隔,然后总和具有适当比例因子的结果。在给定原始随机变量的pdf的情况下,我已经使用了此技术来计算随机变量的函数的概率分布函数(例如,在给定,得出的pdff (z )= X (z )g (z )= z 1 / M Y D(z )z Y D(z )√YD(z)=f(g(z))f(z)=X(z)g(z)=z1/MYD(z)zYD(z) XXX的pdf),但这项技术的名称使我无所适从。


很好的答案。
— Spacey 2012年

谢谢。任何有执照的数学家都会对我进行描述的尝试感到畏缩(我显然是工程师)。我认为不是很清楚,但是也许其他人可以提出更清晰的解释,或者也许我会想到一种更好的说法。
— 杰森·R

我了解上半部分,但对我而言一切都变得模糊。
— Spacey 2012年

如果有机会,我应该重写下半部分。实际上,这只是用于推导两个函数组成的表达式的标准技术。我需要回忆起如何做的细节。
— 杰森·R
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