Outline大綱アウトライン
5.1 The z-Transform5.1 z 轉換5.1 z 変換
5.2 Region of Convergence5.2 收斂域5.2 収束領域
5.3 Rational z-Transforms5.3 有理 z 轉換5.3 有理 z 変換
5.4 Properties and Pairs5.4 性質與常用轉換對5.4 性質と変換対
5.5 The Inverse z-Transform5.5 反 z 轉換5.5 逆 z 変換
5.6 Summary5.6 本章總結5.6 まとめ
Exercises習題演習問題
DSP Study Guide · Chapter 5DSP 學習指南 · 第 5 章DSP 学習ガイド · 第 5 章

The z-Transformz 轉換z 変換

The z-transform and its region of convergence, poles and zeros, transform properties, and three routes back to the time domain — the algebraic engine behind LTI system analysis.z 轉換與它的收斂域、零極點、轉換性質,以及回到時域的三條路徑 —— 這是 LTI 系統分析背後的代數引擎。z 変換とその収束領域、極と零点、変換の性質、そして時間領域へ戻る三つの経路 —— LTI システム解析を支える代数的エンジンである。

5.1 The z-Transform5.1 z 轉換5.1 z 変換

5.1.1 Definition and the z-plane5.1.1 定義與 z 平面5.1.1 定義と z 平面

The DTFT of Chapter 3 only exists for sequences that are absolutely (or square) summable — it fails for signals as basic as the unit step $\mu[n]$ or a growing exponential $2^n\mu[n]$. The z-transform generalizes the DTFT by evaluating the sum on a complex variable $z$ instead of on $e^{j\omega}$ only, which buys convergence for a much larger class of sequences and turns difference equations into algebra.

第 3 章的 DTFT 只對絕對可和(或平方可和)的序列存在 —— 連單位步階 $\mu[n]$ 或成長的指數 $2^n\mu[n]$ 這麼基本的訊號都沒辦法處理。z 轉換把 DTFT 推廣了:它不再只在 $e^{j\omega}$ 上求和,而是在複變數 $z$ 上求和,因而讓更大一類的序列得以收斂,也把差分方程式變成了代數運算。

第 3 章の DTFT は絶対可和(あるいは二乗可和)な系列に対してしか存在せず、単位ステップ $\mu[n]$ や増大する指数 $2^n\mu[n]$ ほど基本的な信号ですら扱えない。z 変換は、和を $e^{j\omega}$ の上だけでなく複素変数 $z$ の上で評価することによって DTFT を一般化する。これによってはるかに広いクラスの系列について収束が得られ、差分方程式は代数の問題に変わる。

z-Transform (analysis equation)z 轉換(分析方程式)z 変換(解析式) $$G(z) \;=\; \mathcal{Z}\{g[n]\} \;=\; \sum_{n=-\infty}^{\infty} g[n]\,z^{-n}, \qquad z \in \mathbb{C}$$

We write the pair as $g[n] \overset{\mathcal{Z}}{\longleftrightarrow} G(z)$. Throughout this course the unit step is written $\mu[n]$ (identical to the $u[n]$ used in many textbooks). Since $z$ is a complex number, it is natural to picture $G(z)$ as a function defined over the z-plane: writing $z = re^{j\omega}$, the radius $r=|z|$ and the angle $\omega=\angle z$ play very different roles, as we now see.

這組轉換對寫成 $g[n] \overset{\mathcal{Z}}{\longleftrightarrow} G(z)$。本課程一律把單位步階寫成 $\mu[n]$(和許多教科書用的 $u[n]$ 是同一個東西)。既然 $z$ 是複數,自然就把 $G(z)$ 想成定義在 z 平面上的函數:寫成 $z = re^{j\omega}$ 後,半徑 $r=|z|$ 與角度 $\omega=\angle z$ 扮演的角色非常不同,這一點馬上就會看到。

この変換対を $g[n] \overset{\mathcal{Z}}{\longleftrightarrow} G(z)$ と書く。本講義では単位ステップを一貫して $\mu[n]$ と書く(多くの教科書で用いられる $u[n]$ と同じものである)。$z$ は複素数であるから、$G(z)$ を z 平面の上で定義された関数として思い描くのが自然である。$z = re^{j\omega}$ と書いたとき、半径 $r=|z|$ と角度 $\omega=\angle z$ はまったく異なる役割を果たす。それをこれから見ていく。

Concept — why a power series?
觀念 — 為什麼是冪級數?
考え方 — なぜべき級数なのか?

$G(z)$ is a Laurent series in $z^{-1}$: the coefficient of $z^{-n}$ is exactly the sample $g[n]$. Negative-time samples multiply positive powers of $z$, positive-time samples multiply negative powers. Everything we know about power-series convergence (it converges in rings of the complex plane) transfers directly to the z-transform — that is the origin of all the ROC rules in §5.2.

$G(z)$ 是以 $z^{-1}$ 為變數的洛朗級數(Laurent series):$z^{-n}$ 的係數恰好就是樣本 $g[n]$。負時間的樣本乘上 $z$ 的正次方,正時間的樣本乘上負次方。我們對冪級數收斂性的所有認識(它在複平面的環狀區域內收斂)都可以直接搬到 z 轉換上 —— 這正是 §5.2 所有 ROC 規則的來源。

$G(z)$ は $z^{-1}$ を変数とするローラン級数である:$z^{-n}$ の係数がちょうど標本 $g[n]$ にあたる。負の時間の標本は $z$ の正のべきに、正の時間の標本は負のべきに掛かる。べき級数の収束について知られていること(複素平面の円環領域で収束する)は、そのまま z 変換に移る —— §5.2 の ROC 規則はすべてここから来ている。

5.1.2 Relation to the DTFT5.1.2 與 DTFT 的關係5.1.2 DTFT との関係

Substituting $z = re^{j\omega}$ into the definition:

把 $z = re^{j\omega}$ 代入定義:

定義に $z = re^{j\omega}$ を代入すると:

z-Transform as a DTFT of a weighted sequencez 轉換就是加權序列的 DTFT重み付き系列の DTFT としての z 変換 $$G(re^{j\omega}) \;=\; \sum_{n=-\infty}^{\infty} \big(g[n]\,r^{-n}\big)\,e^{-j\omega n} \;=\; \mathcal{F}\{\,g[n]\,r^{-n}\,\}$$

So the z-transform evaluated on the circle of radius $r$ is the DTFT of $g[n]$ after multiplication by the exponential weight $r^{-n}$. A decaying weight ($r>1$ for right-sided signals) can tame a sequence whose plain DTFT diverges. Two immediate consequences:

所以,在半徑為 $r$ 的圓上求得的 z 轉換,就是 $g[n]$ 先乘上指數權重 $r^{-n}$ 之後的 DTFT。一個會衰減的權重(對右邊訊號而言就是 $r>1$)可以馴服原本 DTFT 發散的序列。這立刻帶來兩個結論:

すなわち、半径 $r$ の円上で評価した z 変換は、指数的な重み $r^{-n}$ を掛けたあとの $g[n]$ の DTFT である。減衰する重み(右側信号であれば $r>1$)は、素の DTFT が発散してしまう系列を飼いならすことができる。ここから直ちに二つの帰結が得られる:

Watch the weight do its job — $g[n]=2^n\mu[n]$
看權重如何發揮作用 — $g[n]=2^n\mu[n]$
重みが働く様子を見る — $g[n]=2^n\mu[n]$

This sequence has no DTFT: $\sum_n 2^n$ diverges outright. But $r^{-n}g[n]=(2/r)^n\mu[n]$ decays as soon as $r>2$, and then its DTFT converges. Partial sums $\sum_{n=0}^{N}2^n r^{-n}e^{-j\omega n}$ at $\omega=0.3\pi$:

這個序列沒有 DTFT:$\sum_n 2^n$ 根本就發散。但只要 $r>2$,$r^{-n}g[n]=(2/r)^n\mu[n]$ 就會衰減,它的 DTFT 也就收斂了。以下是 $\omega=0.3\pi$ 時的部分和 $\sum_{n=0}^{N}2^n r^{-n}e^{-j\omega n}$:

この系列に DTFT は存在しない:$\sum_n 2^n$ はそのまま発散する。しかし $r>2$ でありさえすれば $r^{-n}g[n]=(2/r)^n\mu[n]$ は減衰し、その DTFT は収束する。$\omega=0.3\pi$ における部分和 $\sum_{n=0}^{N}2^n r^{-n}e^{-j\omega n}$ は次のとおり:

$r$$N=10$$N=20$$N=40$$N=80$
$1$ (plain DTFT)$1.3\times10^{3}$$1.3\times10^{6}$$1.4\times10^{12}$$1.5\times10^{24}$diverges
$1.5$$22.1$$382$$1.2\times10^{5}$$1.2\times10^{10}$still diverges
$3$$1.239$$1.230$$1.230$$1.230$converges
$r$$N=10$$N=20$$N=40$$N=80$
$1$(普通 DTFT)$1.3\times10^{3}$$1.3\times10^{6}$$1.4\times10^{12}$$1.5\times10^{24}$發散
$1.5$$22.1$$382$$1.2\times10^{5}$$1.2\times10^{10}$仍然發散
$3$$1.239$$1.230$$1.230$$1.230$收斂
$r$$N=10$$N=20$$N=40$$N=80$
$1$(素の DTFT)$1.3\times10^{3}$$1.3\times10^{6}$$1.4\times10^{12}$$1.5\times10^{24}$発散する
$1.5$$22.1$$382$$1.2\times10^{5}$$1.2\times10^{10}$まだ発散する
$3$$1.239$$1.230$$1.230$$1.230$収束する

The taper has to beat the growth, not merely be present: $r=1.5$ is not enough because $2/1.5>1$. Convergence needs $r>2$, giving $$G(z) = \frac{1}{1-2z^{-1}},\qquad |z|>2$$ and at $r=3,\ \omega=0.3\pi$ the closed form gives $|G|=1.230234$ — the number the partial sums settle on. That set of workable radii is the ROC of §5.2; it is not an extra rule, just the answer to "which weights are strong enough?".

這個衰減因子必須壓得過成長率,不是有就好:$r=1.5$ 不夠,因為 $2/1.5>1$。要收斂就需要 $r>2$,於是 $$G(z) = \frac{1}{1-2z^{-1}},\qquad |z|>2$$ 而在 $r=3,\ \omega=0.3\pi$ 時,封閉式給出 $|G|=1.230234$ —— 正是部分和收斂到的數值。所有可行的半徑構成的集合,就是 §5.2 的收斂域;它不是額外多出來的規則,而是「哪些權重夠強?」這個問題的答案。

この減衰因子は、ただ掛かっていればよいのではなく、成長に打ち勝たなければならない:$r=1.5$ では $2/1.5>1$ なので足りない。収束には $r>2$ が必要で、そのとき $$G(z) = \frac{1}{1-2z^{-1}},\qquad |z|>2$$ となり、$r=3,\ \omega=0.3\pi$ では閉じた形が $|G|=1.230234$ を与える —— 部分和が落ち着く値そのものである。使える半径の集合こそ §5.2 の収束領域であり、余分に付け足された規則ではなく、「どの重みなら十分に強いか?」という問いの答えにほかならない。

DTFTz-Transform
Variable$\omega$ real, $z=e^{j\omega}$ on the unit circle$z$ anywhere in $\mathbb{C}$
Exists forabsolutely / square-summable $g[n]$any exponentially bounded $g[n]$ (with proper ROC)
Periodicityperiodic in $\omega$ with period $2\pi$not periodic; one trip around a circle = one DTFT period
Main usefrequency content, filter responsesolving LCCDEs, poles/zeros, stability/causality analysis
DTFTz 轉換
變數$\omega$ 為實數,$z=e^{j\omega}$ 落在單位圓上$z$ 可以是 $\mathbb{C}$ 中任何一點
存在條件$g[n]$ 絕對可和/平方可和任何指數有界的 $g[n]$(搭配適當的 ROC)
週期性對 $\omega$ 以 $2\pi$ 為週期不具週期性;繞圓一圈=DTFT 的一個週期
主要用途頻率成分、濾波器響應解差分方程式、零極點、因果性與穩定性分析
DTFTz 変換
変数$\omega$ は実数、$z=e^{j\omega}$ は単位円上$z$ は $\mathbb{C}$ のどこでもよい
存在する条件絶対可和/二乗可和な $g[n]$指数的に有界な任意の $g[n]$(適切な ROC を伴う)
周期性$\omega$ について周期 $2\pi$ をもつ周期的ではない;円を一周=DTFT の一周期
主な用途周波数成分、フィルタ応答差分方程式を解く、極と零点、安定性・因果性の解析
Key — DTFT = z-transform on the unit circle
重點 — DTFT 就是單位圓上的 z 轉換
要点 — DTFT は単位円上の z 変換である

$G(e^{j\omega})$ is the slice of $G(z)$ along $|z|=1$. If the ROC of $G(z)$ contains the unit circle, the sequence has a DTFT (and, for an impulse response, the system is BIBO stable). Walking once around the unit circle ($\omega: 0 \to 2\pi$) traces exactly one period of the DTFT.

$G(e^{j\omega})$ 就是 $G(z)$ 沿著 $|z|=1$ 切出來的那一片。只要 $G(z)$ 的 ROC 包含單位圓,這個序列就有 DTFT(若它是脈衝響應,系統也就是 BIBO 穩定的)。沿著單位圓走一圈($\omega: 0 \to 2\pi$),描出的剛好是 DTFT 的一個週期。

$G(e^{j\omega})$ は $|z|=1$ に沿って $G(z)$ を切り取った断面である。$G(z)$ の ROC が単位円を含むなら、その系列には DTFT が存在する(インパルス応答であれば、そのシステムは BIBO 安定である)。単位円を一周すると($\omega: 0 \to 2\pi$)、DTFT のちょうど一周期が描かれる。

5.1.3 The Laplace parallel and the mapping $z=e^{sT}$5.1.3 與拉普拉斯轉換的對應,以及映射 $z=e^{sT}$5.1.3 ラプラス変換との対応と写像 $z=e^{sT}$

The trick of §5.1.2 — multiply by a decaying weight, then take a Fourier transform — is not new with the z-transform. It is exactly what the Laplace transform does in continuous time, and the two are the same idea written for the two kinds of signal.

§5.1.2 的手法 —— 先乘上一個衰減權重,再做傅立葉轉換 —— 並不是 z 轉換才有的。拉普拉斯轉換在連續時間做的正是同一件事;兩者是同一個想法,分別寫給兩種訊號用(同一個想法:先乘上衰減因子讓級數收斂,再做傅立葉轉換)。

§5.1.2 の手口 —— 減衰する重みを掛け、そのあとでフーリエ変換をとる —— は z 変換で初めて現れたものではない。連続時間においてラプラス変換が行っているのはまさに同じことであり、両者は同一の考えを二種類の信号それぞれに向けて書いたものである。

The same construction, twice同一套建構,做了兩次同じ構成を、二度 $$\underbrace{X(s) = \int x(t)\,e^{-st}dt = \int \bigl(x(t)\,e^{-\sigma t}\bigr)e^{-j\Omega t}dt}_{\textstyle \text{Laplace} = \mathcal{F}\{x(t)e^{-\sigma t}\},\quad s=\sigma+j\Omega}$$ $$\underbrace{G(z) = \sum_n g[n]\,z^{-n} = \sum_n \bigl(g[n]\,r^{-n}\bigr)e^{-j\omega n}}_{\textstyle \text{z-transform} = \mathcal{F}\{g[n]\,r^{-n}\},\quad z=re^{j\omega}}$$
Laplace transformz-transform
Complex variable$s = \sigma + j\Omega$$z = r\,e^{j\omega}$
Damping factor$e^{-\sigma t}$$r^{-n}$
Knob that controls decayreal part $\sigma$radius $r$
Where the Fourier transform livesthe $j\Omega$ axis ($\sigma=0$)the unit circle ($r=1$)
Shape of the ROCvertical strip, e.g. $\mathrm{Re}\{s\}>\sigma_0$annulus, e.g. $|z|>r_0$
Causal system is stable whenall poles in the left half-planeall poles inside the unit circle
拉普拉斯轉換z 轉換
複變數$s = \sigma + j\Omega$$z = r\,e^{j\omega}$
阻尼因子$e^{-\sigma t}$$r^{-n}$
控制衰減的旋鈕實部 $\sigma$半徑 $r$
傅立葉轉換住在哪裡$j\Omega$ 軸($\sigma=0$)單位圓($r=1$)
ROC 的形狀垂直帶狀,例如 $\mathrm{Re}\{s\}>\sigma_0$環狀,例如 $|z|>r_0$
因果系統穩定的條件所有極點落在左半平面所有極點落在單位圓內
ラプラス変換z 変換
複素変数$s = \sigma + j\Omega$$z = r\,e^{j\omega}$
減衰因子$e^{-\sigma t}$$r^{-n}$
減衰を制御するつまみ実部 $\sigma$半径 $r$
フーリエ変換が住む場所$j\Omega$ 軸($\sigma=0$)単位円($r=1$)
ROC の形垂直な帯、例えば $\mathrm{Re}\{s\}>\sigma_0$円環、例えば $|z|>r_0$
因果システムが安定となる条件すべての極が左半平面にあるすべての極が単位円の内側にある

The correspondence in the last three rows is not an analogy — it is a genuine change of variable, which sampling makes exact.

最後三列的對應並不只是比喻 —— 它是一個貨真價實的變數代換,而取樣讓這個代換完全精確。

最後の三行の対応は比喩ではない —— 正真正銘の変数変換であり、標本化がその変換を厳密なものにする。

The exact correspondence: $z=e^{sT}$精確的對應關係:$z=e^{sT}$厳密な対応関係:$z=e^{sT}$

Sample a continuous signal at period $T$, so $x[n]=x(nT)$. The Laplace kernel evaluated at the sample instants is $e^{-st}\big|_{t=nT} = e^{-snT} = \bigl(e^{sT}\bigr)^{-n}$, which is precisely the z-transform kernel $z^{-n}$ with

以週期 $T$ 對連續訊號取樣,得到 $x[n]=x(nT)$。把拉普拉斯的核函數在取樣時刻求值:$e^{-st}\big|_{t=nT} = e^{-snT} = \bigl(e^{sT}\bigr)^{-n}$,這恰好就是 z 轉換的核函數 $z^{-n}$,其中

連続時間信号を周期 $T$ で標本化し、$x[n]=x(nT)$ とする。ラプラス変換の核を標本時刻で評価すると $e^{-st}\big|_{t=nT} = e^{-snT} = \bigl(e^{sT}\bigr)^{-n}$ となり、これはまさに z 変換の核 $z^{-n}$ そのものである。ただし

s-plane to z-planes 平面到 z 平面s 平面から z 平面へ $$\boxed{\,z = e^{sT}\,}\qquad\Longrightarrow\qquad r = e^{\sigma T},\qquad \omega = \Omega T$$

So $r^{-n} = e^{-\sigma T n}$ is the continuous damping factor $e^{-\sigma t}$ read off at the sample instants — the two weights of the table above are the same function. The map sends the three regions of the $s$-plane to the three regions of the $z$-plane:

所以 $r^{-n} = e^{-\sigma T n}$ 就是連續時間的阻尼因子 $e^{-\sigma t}$ 在取樣時刻上讀出來的值 —— 上表中的兩個權重其實是同一個函數。這個映射把 $s$ 平面的三個區域送到 $z$ 平面的三個區域:

つまり $r^{-n} = e^{-\sigma T n}$ は、連続時間の減衰因子 $e^{-\sigma t}$ を標本時刻で読み取ったものそのものである —— 上の表の二つの重みは同じ関数なのである。この写像は $s$ 平面の三つの領域を $z$ 平面の三つの領域へ送る:

2026-09-27T11:43:19.624495 image/svg+xml Matplotlib v3.11.1, https://matplotlib.org/ −3 −2 −1 0 1 2 σ s = R e { } − 3 / π T − / π T 0 π T / 3 / π T Ω = I m { } s primary strip − / < Ω ≤ / π T π T s a = − s a j = − + 2 T π stable (LHP) unstable (RHP) ( a )   - p l a n e     v e r t i c a l   l i n e s   = c o n s t s σ — −2.0 −1.5 −1.0 −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 R e { } z −2.0 −1.5 −1.0 −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 I m { } z z e = − a T b o t h     m a r k s   l a n d   h e r e s stable ( b )   - p l a n e     i m a g e s   a r e   c i r c l e s   | | = z z e — σ T r e = − T r e = − 0 . 5 T r = 1 r e = 0 . 5 T
Fig. 5-1 — The map $z=e^{sT}$ (drawn with $T=1$). (a) Vertical lines $\sigma=\text{const}$ in the $s$-plane; the shaded left half-plane is the stable region and the yellow band is the primary strip $-\pi/T<\Omega\le\pi/T$. (b) Their images are circles $|z|=e^{\sigma T}$; the $j\Omega$ axis becomes the unit circle and the left half-plane becomes its interior. The two $\times$ marks in (a), separated by $j2\pi/T$, land on the same point of the $z$-plane — that collapse is aliasing.
圖 5-1 — 映射 $z=e^{sT}$(取 $T=1$ 繪製)。(a) $s$ 平面上 $\sigma=\text{常數}$ 的垂直線;陰影的左半平面是穩定區,黃色帶狀是主帶 $-\pi/T<\Omega\le\pi/T$。(b) 它們的像是圓 $|z|=e^{\sigma T}$;$j\Omega$ 軸變成單位圓,左半平面變成圓內。(a) 中相隔 $j2\pi/T$ 的兩個 $\times$ 落在 $z$ 平面的同一點—— 這個塌縮就是混疊。
図 5-1 — 写像 $z=e^{sT}$($T=1$ として描画)。(a) $s$ 平面における $\sigma=\text{const}$ の垂直線。影をつけた左半平面が安定領域、黄色の帯が主帯 $-\pi/T<\Omega\le\pi/T$ である。(b) それらの像は円 $|z|=e^{\sigma T}$ であり、$j\Omega$ 軸は単位円に、左半平面はその内部になる。(a) にある $j2\pi/T$ だけ離れた二つの $\times$ 印は、$z$ 平面の同じ点に落ちる —— この潰れこそがエイリアシングである。
Example 5-1 — checking the map on a first-order pole
範例 5-1 — 用一階極點驗證這個映射
例題 5-1 — 一次の極で写像を確かめる

Take $x(t)=e^{-at}\mu(t)$ with $a>0$ and sample it at period $T$.

取 $x(t)=e^{-at}\mu(t)$($a>0$),並以週期 $T$ 取樣。

$x(t)=e^{-at}\mu(t)$($a>0$)をとり、周期 $T$ で標本化する。

Continuous. $X(s)=\dfrac{1}{s+a}$, a single pole at $s=-a$ — in the left half-plane, so the system is stable.
連續時間。$X(s)=\dfrac{1}{s+a}$,在 $s=-a$ 有單一極點 —— 位於左半平面,所以系統穩定。
連続時間。$X(s)=\dfrac{1}{s+a}$ であり、$s=-a$ に単一の極をもつ —— 左半平面にあるのでシステムは安定である。
Sampled. $x[n]=e^{-anT}\mu[n]=\bigl(e^{-aT}\bigr)^n\mu[n]$, a right-sided exponential with $\lambda = e^{-aT}$. By Example 5-2, $$X(z)=\frac{1}{1-e^{-aT}z^{-1}},\qquad \text{ROC: } |z|>e^{-aT}$$ so the pole sits at $z=e^{-aT}$.
取樣之後。$x[n]=e^{-anT}\mu[n]=\bigl(e^{-aT}\bigr)^n\mu[n]$,是一個右邊指數序列,$\lambda = e^{-aT}$。由範例 5-2, $$X(z)=\frac{1}{1-e^{-aT}z^{-1}},\qquad \text{ROC:} |z|>e^{-aT}$$ 所以極點落在 $z=e^{-aT}$。
標本化後。$x[n]=e^{-anT}\mu[n]=\bigl(e^{-aT}\bigr)^n\mu[n]$ は右側の指数系列で、$\lambda = e^{-aT}$ である。例題 5-2 により $$X(z)=\frac{1}{1-e^{-aT}z^{-1}},\qquad \text{ROC: } |z|>e^{-aT}$$ となるので、極は $z=e^{-aT}$ に位置する。
Compare. The pole moved from $s=-a$ to $z=e^{-aT}$ — exactly $z=e^{sT}$ evaluated at the pole. Since $a>0$ gives $e^{-aT}<1$, the left-half-plane pole became a pole inside the unit circle: both descriptions call the system stable, as they must. Numerically, with $a=0.7$ and $T=1$: $s=-0.7 \to z=e^{-0.7}=0.4966<1$.
比較。極點從 $s=-a$ 搬到了 $z=e^{-aT}$ —— 正好就是把 $z=e^{sT}$ 代在極點上的結果。因為 $a>0$ 使 $e^{-aT}<1$,左半平面的極點變成了單位圓內的極點:兩種描述都判定系統穩定,本來就該如此。數值上取 $a=0.7$、$T=1$:$s=-0.7 \to z=e^{-0.7}=0.4966<1$。
比較。極は $s=-a$ から $z=e^{-aT}$ へ移った —— まさに $z=e^{sT}$ を極の位置で評価した結果である。$a>0$ であれば $e^{-aT}<1$ だから、左半平面の極は単位円の内側の極になった:二つの記述はともにシステムを安定と判定しており、そうでなければならない。数値で見ると、$a=0.7$、$T=1$ のとき $s=-0.7 \to z=e^{-0.7}=0.4966<1$ である。
Where the parallel breaks — and why aliasing exists
這個對應在哪裡失效 — 以及混疊為何存在
対応が破れる場所 — そしてエイリアシングが存在する理由

The $j\Omega$ axis is an infinite straight line; the unit circle is a closed curve. Since $\omega=\Omega T$, raising $\Omega$ by $2\pi/T$ raises $\omega$ by $2\pi$ and returns you to the same point of the circle:

$j\Omega$ 軸是一條無限長的直線,單位圓卻是一條封閉曲線。由於 $\omega=\Omega T$,$\Omega$ 每增加 $2\pi/T$,$\omega$ 就增加 $2\pi$,於是又回到圓上同一點:

$j\Omega$ 軸は無限に延びる直線であるのに対し、単位円は閉曲線である。$\omega=\Omega T$ であるから、$\Omega$ を $2\pi/T$ だけ増やせば $\omega$ は $2\pi$ 増え、円上の同じ点へ戻ってくる:

$$e^{(s+j2\pi/T)T} = e^{sT}e^{j2\pi} = e^{sT}$$

So $z=e^{sT}$ is many-to-one: every horizontal strip of height $2\pi/T$ in the $s$-plane covers the whole $z$-plane again. That is the geometric statement of two facts met earlier — the DTFT is $2\pi$-periodic in $\omega$, and sampling aliases frequencies that differ by a multiple of the sampling rate. The strip $-\pi/T<\Omega\le\pi/T$ (yellow in Fig. 5-1a) is the one that maps bijectively; everything outside it is a duplicate. Ch. 6 works out the consequences.

所以 $z=e^{sT}$ 是多對一的:$s$ 平面上每一條高度為 $2\pi/T$ 的水平帶,都會把整個 $z$ 平面再覆蓋一次。這就是前面兩件事的幾何說法 —— DTFT 對 $\omega$ 以 $2\pi$ 為週期,而取樣會讓相差取樣率整數倍的頻率混疊。只有 $-\pi/T<\Omega\le\pi/T$ 這一條帶(圖 5-1a 的黃色部分)是一對一映射的,其餘全是複本。後果留待第 6 章處理。

したがって $z=e^{sT}$ は多対一である:$s$ 平面にある高さ $2\pi/T$ の水平な帯は、どれもが $z$ 平面全体をもう一度覆い尽くす。これはすでに出会った二つの事実の幾何学的な言い換えである —— DTFT は $\omega$ について $2\pi$ 周期であり、標本化は標本化周波数の整数倍だけ離れた周波数をエイリアスさせる。一対一に写るのは帯 $-\pi/T<\Omega\le\pi/T$(図 5-1a の黄色の部分)だけで、その外側はすべて複製である。その帰結は第 6 章で扱う。

直觀解釋:為什麼「直線」會變成「圓」(點擊展開)

關鍵只有一個函數:$z=e^{sT}$。把 $s=\sigma+j\Omega$ 代進去拆成兩半:

$$z = \underbrace{e^{\sigma T}}_{\text{大小 } r} \cdot \underbrace{e^{j\Omega T}}_{\text{角度 } \omega}$$
  1. 實部 $\sigma$ 決定半徑。 $\sigma$ 往左(變負)$\to$ $r=e^{\sigma T}$ 變小, 點往圓心靠;$\sigma=0$ $\to$ $r=1$;$\sigma$ 往右 $\to$ 跑到單位圓外。所以「左半平面 = 穩定」和 「單位圓內 = 穩定」講的是同一件事。
  2. 虛部 $\Omega$ 決定角度。 而角度是週期性的:轉了 $2\pi$ 就回到 原點。$\Omega$ 是一條可以無限往上走的直線,但 $\omega=\Omega T$ 一旦超過 $2\pi$ 就繞回來了。

所以「直線變成圓」的代價,就是資訊被摺疊:$s$ 平面上無限多個點擠進 $z$ 平面的 同一個位置。連續時間的頻率可以無限高,離散時間的頻率卻只有 $|\omega|\le\pi$ 這麼一圈可用—— 超過的部分不會消失,而是偽裝成低頻回到圈內。這就是混疊,也是第 6 章取樣定理要處理的 核心問題。

一句話記:$\sigma$ 管遠近,$\Omega$ 管角度;角度會繞圈,所以會混疊。

Aliasing(混疊)— when two analog frequencies become the same sequence混疊(aliasing)— 當兩個類比頻率變成同一個序列エイリアシング(混疊)— 二つのアナログ周波数が同じ系列になるとき

Aliasing means: after sampling, different analog frequencies produce exactly the same discrete sequence, and can no longer be told apart. The word alias means an assumed name — a high-frequency signal shows up under a low frequency's name.

混疊的意思是:取樣之後,不同的類比頻率會產生完全相同的離散序列,再也無法區分。alias 這個字的意思是「化名」—— 高頻訊號頂著低頻的名字出現。

エイリアシングとは、標本化のあとでは異なるアナログ周波数がまったく同じ離散系列を生み、もはや互いを区別できなくなることをいう。alias という語は仮の名を意味する —— 高い周波数の信号が、低い周波数の名を借りて現れるのである。

Take $f_s = 10$ Hz, i.e. $T=0.1$ s, and sample two cosines. At 1 Hz:

取 $f_s = 10$ Hz,也就是 $T=0.1$ 秒,對兩個餘弦波取樣。1 Hz 的訊號:

$f_s = 10$ Hz、すなわち $T=0.1$ s として、二つの余弦波を標本化する。1 Hz では:

$$\cos(2\pi\cdot 1\cdot 0.1n) = \cos(0.2\pi n)$$

At 9 Hz:

9 Hz 的訊號:

9 Hz では:

$$\cos(2\pi\cdot 9\cdot 0.1n) = \cos(1.8\pi n) = \cos(2\pi n - 0.2\pi n) = \cos(0.2\pi n)$$

because $n$ is an integer and $\cos(2\pi n-\theta)=\cos\theta$. The two sample sets are identical; so are those of 11 Hz, 19 Hz, 21 Hz, … Given only $g[n]$, nothing distinguishes a 1 Hz original from a 9 Hz one — the convention is to read it as the lowest candidate, so the 9 Hz signal is mistaken for 1 Hz.

因為 $n$ 是整數,而且 $\cos(2\pi n-\theta)=\cos\theta$。兩組樣本完全相同;11 Hz、19 Hz、21 Hz…… 也都一樣。拿到的若只有 $g[n]$,就沒有任何依據能分辨原訊號是 1 Hz 還是 9 Hz —— 慣例是把它讀成最低的那個候選者,所以 9 Hz 的訊號被誤認成 1 Hz。

$n$ が整数であり、かつ $\cos(2\pi n-\theta)=\cos\theta$ だからである。二組の標本はまったく同一であり、11 Hz、19 Hz、21 Hz … でも同じことが起こる。$g[n]$ だけを与えられたとき、もとが 1 Hz か 9 Hz かを区別する手がかりは何もない —— 慣習として最も低い候補として読むので、9 Hz の信号は 1 Hz と取り違えられる。

The reason is the $2\pi$-periodicity of the digital frequency established just above: since $e^{j(\omega+2\pi)n} = e^{j\omega n}e^{j2\pi n} = e^{j\omega n}$, only the range $-\pi<\omega\le\pi$ is unique. $\Omega$ may be arbitrarily large, but $\omega=\Omega T$ folds back into that one turn of the unit circle. In the frequency domain the same fact reads: sampling replicates the analog spectrum every $\Omega_s = 2\pi/T$. If the signal is narrow enough the copies stay apart and the spectrum survives intact; if its highest frequency exceeds $\Omega_s/2$ the neighbouring copies overlap, and what overlaps is mixed together for good.

原因就是上面剛建立的數位頻率 $2\pi$ 週期性:因為 $e^{j(\omega+2\pi)n} = e^{j\omega n}e^{j2\pi n} = e^{j\omega n}$,只有 $-\pi<\omega\le\pi$ 這一段是唯一的。$\Omega$ 可以任意大,但 $\omega=\Omega T$ 一定會折回單位圓的那一圈之內。在頻域裡,同一件事的說法是:取樣會讓類比頻譜每隔 $\Omega_s = 2\pi/T$ 複製一份。若訊號夠窄,複本彼此分開,頻譜完整保留;若它的最高頻率超過 $\Omega_s/2$,相鄰的複本就會重疊,而重疊的部分從此混在一起再也分不開。

理由は、すぐ上で確かめたディジタル周波数の $2\pi$ 周期性にある:$e^{j(\omega+2\pi)n} = e^{j\omega n}e^{j2\pi n} = e^{j\omega n}$ であるから、一意なのは範囲 $-\pi<\omega\le\pi$ だけである。$\Omega$ はいくらでも大きくできるが、$\omega=\Omega T$ は必ず単位円のその一周の中へ折り返される。周波数領域で同じ事実を述べれば、標本化はアナログスペクトルを $\Omega_s = 2\pi/T$ ごとに複製する、となる。信号が十分に狭ければ複製どうしは離れたままでスペクトルは無傷のまま残るが、最高周波数が $\Omega_s/2$ を超えると隣り合う複製が重なり、重なったものは二度と分けられない形で混ざり合う。

Sampling theorem(取樣定理)
取樣定理
標本化定理(取樣定理)

To avoid aliasing, sample at more than twice the highest frequency present:

要避免混疊,取樣率必須大於訊號最高頻率的兩倍:

エイリアシングを避けるには、含まれる最高周波数の 2 倍より高い周波数で標本化する:

$$f_s > 2f_{\max}$$

$f_s/2$ is the Nyquist frequency. In the example above $f_s=10$ Hz gives a Nyquist frequency of 5 Hz, and the 9 Hz signal is past it — hence the collision. Ch. 6 develops this properly.

$f_s/2$ 稱為 Nyquist 頻率。上面的例子中 $f_s=10$ Hz,Nyquist 頻率是 5 Hz,而 9 Hz 的訊號已經超過它 —— 於是發生碰撞。完整的內容在第 6 章。

$f_s/2$ を ナイキスト周波数という。上の例では $f_s=10$ Hz なのでナイキスト周波数は 5 Hz であり、9 Hz の信号はそれを超えている —— だから衝突が起きた。第 6 章できちんと展開する。

Filter before you sample — never after
要在取樣前濾波 — 取樣後就來不及了
標本化の前に濾波せよ — あとからでは手遅れ

This is the job of the anti-alias filter, the first block of the A/D chain: an analog lowpass that removes everything above $f_s/2$ before the sampler. Once the samples are taken the aliasing has already happened, and no amount of digital processing can undo it.

這正是 抗混疊濾波器(anti-alias filter)的工作,它是 A/D 鏈的第一個方塊:一個類比低通濾波器,在取樣器之前就把 $f_s/2$ 以上的成分全部濾掉。一旦樣本取下來,混疊就已經發生,再多的數位處理也救不回來。

これが アンチエイリアスフィルタの仕事であり、A/D 連鎖の最初のブロックである:標本化器の前で $f_s/2$ を超える成分をすべて取り除くアナログ低域通過フィルタである。いったん標本を取ってしまえばエイリアシングはすでに起きており、どれだけディジタル処理を重ねても元には戻せない。

生活中看得到的混疊(點擊展開)
  • 車輪效應(wagon-wheel effect):影片裡快速旋轉的車輪看起來轉得很慢,甚至倒轉。攝影機每秒拍固定張數,就是一種取樣;車輪轉速超過 Nyquist 頻率,輪輻的角位置就被誤讀成一個低很多的轉速(甚至負的,於是看起來倒轉)。
  • 摩爾紋(moiré pattern):拍攝螢幕或細條紋衣服時出現的波紋,是空間上的混疊。相機感光元件的像素間隔就是空間取樣週期,條紋的空間頻率太高時就折回成一組粗很多的假條紋。

兩個例子的共同點都一樣:取樣器本身不知道自己漏掉了什麼,它只能忠實地報告「最低的那個可能答案」。

5.2 Region of Convergence (ROC)5.2 收斂域(ROC)5.2 収束領域(ROC)

5.2.1 Why the ROC is necessary5.2.1 為什麼一定要指定 ROC5.2.1 なぜ ROC が必要か

The critical question for any $z$: does $\sum_n g[n]z^{-n}$ converge to a finite value? The region of convergence (ROC) $\mathcal{R}_g$ is the set of $z$ for which it does. In general it depends only on $|z|$, so it is always a circular region — the inside of a circle, the outside of a circle, or a ring (annulus).

對任何一個 $z$,關鍵問題都是:$\sum_n g[n]z^{-n}$ 是否收斂到有限值?收斂域(region of convergence,ROC)$\mathcal{R}_g$ 就是使它收斂的所有 $z$ 所成的集合。一般而言這只取決於 $|z|$,所以它永遠是圓形的區域 —— 圓的內部、圓的外部,或是一個圓環。

どんな $z$ についても決定的な問いは同じである:$\sum_n g[n]z^{-n}$ は有限の値に収束するか。収束領域(ROC) $\mathcal{R}_g$ とは、それが収束するような $z$ の集合である。一般にそれは $|z|$ のみに依存するので、つねに円形の領域になる —— 円の内側、円の外側、あるいは円環(annulus)である。

Example 5-2 — Right-sided exponential $g[n] = \lambda^n \mu[n]$
範例 5-2 — 右邊指數序列 $g[n] = \lambda^n \mu[n]$
例題 5-2 — 右側の指数系列 $g[n] = \lambda^n \mu[n]$
Write the sum as a geometric series: $$G(z) = \sum_{n=0}^{\infty} \lambda^n z^{-n} = \sum_{n=0}^{\infty} (\lambda z^{-1})^n = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$
把這個和寫成等比級數: $$G(z) = \sum_{n=0}^{\infty} \lambda^n z^{-n} = \sum_{n=0}^{\infty} (\lambda z^{-1})^n = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$
この和を等比級数として書く: $$G(z) = \sum_{n=0}^{\infty} \lambda^n z^{-n} = \sum_{n=0}^{\infty} (\lambda z^{-1})^n = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$
The geometric series converges iff $|\lambda z^{-1}| < 1$, i.e. $|z| > |\lambda|$. Hence $$\lambda^n \mu[n] \;\overset{\mathcal{Z}}{\longleftrightarrow}\; \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}, \qquad \text{ROC: } |z|>|\lambda| \quad (\text{outside the circle of radius } |\lambda|)$$
等比級數收斂的充要條件是 $|\lambda z^{-1}| < 1$,也就是 $|z| > |\lambda|$。因此 $$\lambda^n \mu[n] \;\overset{\mathcal{Z}}{\longleftrightarrow}\; \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}, \qquad \text{ROC:} |z|>|\lambda| \quad (\text{半徑 } |\lambda| \text{ 的圓外})$$
等比級数が収束するのは $|\lambda z^{-1}| < 1$ のとき、すなわち $|z| > |\lambda|$ のときに限る。したがって $$\lambda^n \mu[n] \;\overset{\mathcal{Z}}{\longleftrightarrow}\; \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}, \qquad \text{ROC: } |z|>|\lambda| \quad (\text{outside the circle of radius } |\lambda|)$$
Example 5-3 — Left-sided exponential $g[n] = -\lambda^n \mu[-n-1]$
範例 5-3 — 左邊指數序列 $g[n] = -\lambda^n \mu[-n-1]$
例題 5-3 — 左側の指数系列 $g[n] = -\lambda^n \mu[-n-1]$
Step 1 — read the summation range off the step. Since $\mu[k]=1$ only for $k\ge0$, the factor $\mu[-n-1]$ is non-zero when $$-n-1\ge 0 \;\Longleftrightarrow\; n\le -1$$ so this signal lives entirely in negative time and the sum runs from $-\infty$ to $-1$: $$G(z) = -\sum_{n=-\infty}^{-1} \lambda^n z^{-n}$$
第 1 步 — 從步階函數讀出求和範圍。因為只有 $k\ge0$ 時 $\mu[k]=1$,所以因子 $\mu[-n-1]$ 不為零的條件是 $$-n-1\ge 0 \;\Longleftrightarrow\; n\le -1$$ 也就是說這個訊號完全活在負時間,求和從 $-\infty$ 跑到 $-1$: $$G(z) = -\sum_{n=-\infty}^{-1} \lambda^n z^{-n}$$
ステップ 1 — ステップ関数から和の範囲を読み取る。$\mu[k]=1$ となるのは $k\ge0$ のときだけなので、因子 $\mu[-n-1]$ が零でないのは $$-n-1\ge 0 \;\Longleftrightarrow\; n\le -1$$ のときである。つまりこの信号は完全に負の時間に住んでおり、和は $-\infty$ から $-1$ まで走る: $$G(z) = -\sum_{n=-\infty}^{-1} \lambda^n z^{-n}$$
Step 2 — substitute $m=-n$ to turn the negative indices positive. The limits flip ($n=-1\Rightarrow m=1$, $n\to-\infty\Rightarrow m\to\infty$) and the summand becomes $\lambda^{-m}z^{m} = (z/\lambda)^m$: $$G(z) = -\sum_{m=1}^{\infty}\Bigl(\frac{z}{\lambda}\Bigr)^{\!m}$$
第 2 步 — 代換 $m=-n$,把負索引變成正的。上下限跟著翻轉($n=-1\Rightarrow m=1$、$n\to-\infty\Rightarrow m\to\infty$),被加項變成 $\lambda^{-m}z^{m} = (z/\lambda)^m$: $$G(z) = -\sum_{m=1}^{\infty}\Bigl(\frac{z}{\lambda}\Bigr)^{\!m}$$
ステップ 2 — $m=-n$ と置換し、負の添字を正に変える。上下限は入れ替わり($n=-1\Rightarrow m=1$、$n\to-\infty\Rightarrow m\to\infty$)、被加算項は $\lambda^{-m}z^{m} = (z/\lambda)^m$ となる: $$G(z) = -\sum_{m=1}^{\infty}\Bigl(\frac{z}{\lambda}\Bigr)^{\!m}$$
Step 3 — sum the geometric series, and read off the ROC. With $q=z/\lambda$, a series starting at $m=1$ gives $\sum_{m\ge1}q^m = q/(1-q)$, valid only for $|q|<1$. That condition is $|z/\lambda|<1$, i.e. $\;|z|<|\lambda|$ — the inside of the circle: $$G(z) = -\frac{z/\lambda}{1-z/\lambda}$$
第 3 步 — 把等比級數加起來,並讀出 ROC。令 $q=z/\lambda$,從 $m=1$ 開始的級數為 $\sum_{m\ge1}q^m = q/(1-q)$,只在 $|q|<1$ 時成立。這個條件就是 $|z/\lambda|<1$,也就是 $\;|z|<|\lambda|$ —— 圓的內部: $$G(z) = -\frac{z/\lambda}{1-z/\lambda}$$
ステップ 3 — 等比級数を和にまとめ、ROC を読み取る。$q=z/\lambda$ とおくと、$m=1$ から始まる級数は $\sum_{m\ge1}q^m = q/(1-q)$ となり、これは $|q|<1$ のときにのみ成り立つ。その条件は $|z/\lambda|<1$、すなわち $\;|z|<|\lambda|$ であり、円の内側である: $$G(z) = -\frac{z/\lambda}{1-z/\lambda}$$
Step 4 — tidy up. Multiply numerator and denominator by $\lambda/z$: $$-\frac{z/\lambda}{1-z/\lambda}\cdot\frac{\lambda/z}{\lambda/z} = \frac{-1}{\lambda/z-1} = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$ $$-\lambda^n \mu[-n-1] \;\overset{\mathcal{Z}}{\longleftrightarrow}\; \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}, \qquad \text{ROC: } |z|<|\lambda| \quad (\text{inside the circle})$$
第 4 步 — 整理一下。分子分母同乘 $\lambda/z$: $$-\frac{z/\lambda}{1-z/\lambda}\cdot\frac{\lambda/z}{\lambda/z} = \frac{-1}{\lambda/z-1} = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$ $$-\lambda^n \mu[-n-1] \;\overset{\mathcal{Z}}{\longleftrightarrow}\; \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}, \qquad \text{ROC:} |z|<|\lambda| \quad (\text{圓的內部})$$
ステップ 4 — 整理する。分子と分母に $\lambda/z$ を掛ける: $$-\frac{z/\lambda}{1-z/\lambda}\cdot\frac{\lambda/z}{\lambda/z} = \frac{-1}{\lambda/z-1} = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$ $$-\lambda^n \mu[-n-1] \;\overset{\mathcal{Z}}{\longleftrightarrow}\; \frac{1}{1-\lambda z^{-1}}, \qquad \text{ROC: } |z|<|\lambda| \quad (\text{inside the circle})$$
Warning — the ROC is part of the answer
注意 — ROC 是答案的一部分
注意 — ROC は答えの一部である

Examples 5-2 and 5-3 produce the same algebraic expression $\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$ for two completely different sequences. A single $G(z)$ formula can describe several sequences with different ROCs. To completely define a z-transform you must specify the ROC — omitting it is the classic exam mistake.

範例 5-2 與 5-3 對兩個完全不同的序列,得到了同一個代數式 $\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$。一個 $G(z)$ 公式可以描述好幾個序列,只是 ROC 不同。要完整定義一個 z 轉換,你必須指明 ROC —— 漏掉它是考試中最典型的錯誤(沒寫 ROC 等於沒寫答案)。

例題 5-2 と 5-3 は、まったく異なる二つの系列に対して同一の代数式 $\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$ を与える。一つの $G(z)$ の式が、ROC の異なる複数の系列を表しうるのである。z 変換を完全に定めるには ROC を必ず指定しなければならない —— それを省くのは試験での典型的な失点である。

SequenceExtends toward$G(z)$ROC
$\lambda^n\mu[n]$ — causal$n\to+\infty$$\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$|z|>|\lambda|$ — outside
$-\lambda^n\mu[-n-1]$ — anti-causal$n\to-\infty$$\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$|z|<|\lambda|$ — inside
序列往哪個方向延伸$G(z)$ROC
$\lambda^n\mu[n]$ — 因果$n\to+\infty$$\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$|z|>|\lambda|$ — 圓外
$-\lambda^n\mu[-n-1]$ — 反因果$n\to-\infty$$\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$|z|<|\lambda|$ — 圓內
系列延びる向き$G(z)$ROC
$\lambda^n\mu[n]$ — 因果的$n\to+\infty$$\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$|z|>|\lambda|$ — 円の外側
$-\lambda^n\mu[-n-1]$ — 反因果的$n\to-\infty$$\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$$|z|<|\lambda|$ — 円の内側

Why the two ROCs point opposite ways follows from the damping picture of §5.1.2: on the circle $|z|=r$ the transform is the DTFT of $g[n]\,r^{-n}$. For a right-sided signal the tail sits at large positive $n$, where $r^{-n}$ shrinks only if $r$ is large — hence $|z|>|\lambda|$. For a left-sided signal the tail sits at large negative $n$, where $r^{-n}=r^{|n|}$ grows unless $r$ is small — hence $|z|<|\lambda|$. Same weight, opposite requirement.

為什麼兩個 ROC 的方向相反,可以從 §5.1.2 的阻尼圖像看出來:在圓 $|z|=r$ 上,轉換就是 $g[n]\,r^{-n}$ 的 DTFT。對右邊訊號,尾巴落在很大的正 $n$,那裡只有 $r$ 夠大時 $r^{-n}$ 才會縮小 —— 所以 $|z|>|\lambda|$。對左邊訊號,尾巴落在很負的 $n$,那裡 $r^{-n}=r^{|n|}$ 反而會變大,除非 $r$ 夠小 —— 所以 $|z|<|\lambda|$。同一個權重,要求卻完全相反(右邊的尾巴要靠大的 $r$ 壓,左邊的尾巴要靠小的 $r$ 壓)。

二つの ROC が互いに逆を向く理由は、§5.1.2 の減衰の描像から従う:円 $|z|=r$ の上で、変換は $g[n]\,r^{-n}$ の DTFT である。右側信号では尾が大きな正の $n$ にあり、そこで $r^{-n}$ が小さくなるのは $r$ が大きいときだけである —— ゆえに $|z|>|\lambda|$ となる。左側信号では尾が大きな負の $n$ にあり、そこでは $r^{-n}=r^{|n|}$ が逆に増大するので、$r$ が小さいのでなければ抑えられない —— ゆえに $|z|<|\lambda|$ となる。同じ重みでありながら、要求は正反対なのである。

Tip — see it numerically
提醒 — 用數值看一遍
ヒント — 数値で確かめる

Take $\lambda=2$, so the two ROCs are $|z|<2$ and $|z|>2$. Evaluating the shared closed form $1/(1-2z^{-1})$ and both defining sums:

取 $\lambda=2$,於是兩個 ROC 分別是 $|z|<2$ 與 $|z|>2$。把共用的封閉式 $1/(1-2z^{-1})$ 與兩個定義式的級數分別求值:

$\lambda=2$ とすれば、二つの ROC はそれぞれ $|z|<2$ と $|z|>2$ である。共通の閉じた式 $1/(1-2z^{-1})$ と、定義となる二つの和をそれぞれ評価すると:

$z$$\dfrac{1}{1-2z^{-1}}$anti-causal sum $-\sum_{n\le-1}$causal sum $\sum_{n\ge0}$
$1.2$  (inside)$-1.5$$-1.500000$$1.4\times10^{89}$ — diverges
$3.0$  (outside)$+3.0$$-8.2\times10^{70}$ — diverges$+3.000000$
$z$$\dfrac{1}{1-2z^{-1}}$反因果級數 $-\sum_{n\le-1}$因果級數 $\sum_{n\ge0}$
$1.2$  (圓內)$-1.5$$-1.500000$$1.4\times10^{89}$ — 發散
$3.0$  (圓外)$+3.0$$-8.2\times10^{70}$ — 發散$+3.000000$
$z$$\dfrac{1}{1-2z^{-1}}$反因果的な和 $-\sum_{n\le-1}$因果的な和 $\sum_{n\ge0}$
$1.2$  (内側)$-1.5$$-1.500000$$1.4\times10^{89}$ — 発散
$3.0$  (外側)$+3.0$$-8.2\times10^{70}$ — 発散$+3.000000$

The one formula is correct in both places — but it is computing a different sequence's transform in each, and exactly one of the two sums converges at any given $z$. That is the ROC doing its job.

同一個公式在兩個地方都是對的 —— 但它在每個地方算的是不同序列的轉換,而且對任一個給定的 $z$,兩個級數中恰好只有一個收斂。這就是 ROC 在發揮作用。

一つの式は両方の場所で正しい —— しかしそれぞれの場所で計算しているのは別々の系列の変換であり、与えられた $z$ に対して二つの和のうちちょうど一方だけが収束する。これが ROC の働きである。

直觀解釋(點擊展開)
z 轉換本質上是一個冪級數,而冪級數「在哪些 $z$ 收斂」取決於訊號往哪個方向延伸:右邊($n\to+\infty$)的尾巴需要 $|z|$ 夠大才能被 $z^{-n}$ 壓下去;左邊($n\to-\infty$)的尾巴需要 $|z|$ 夠小。同一個代數式 $\frac{1}{1-\lambda z^{-1}}$ 配上「圓外」的 ROC 是因果遞減訊號,配上「圓內」的 ROC 卻是反因果訊號。所以 ROC 不是附註,而是答案的一半:它決定了你做反轉換時會得到哪一個時域序列。

What $\lambda$ is, and why it is the pole$\lambda$ 是什麼,又為什麼它就是極點$\lambda$ とは何か、そしてなぜそれが極なのか

$\lambda$ is simply a constant — real or complex — the base of the exponential $\lambda^n$. It is worth pausing on, because a single number controls both what the signal looks like in time and where the transform's pole sits in the $z$-plane.

$\lambda$ 就只是一個常數 —— 可以是實數或複數 —— 是指數 $\lambda^n$ 的底。它值得停下來想一想,因為單單一個數字,同時決定了訊號在時域長什麼樣子,以及轉換的極點落在 $z$ 平面的哪裡。

$\lambda$ は単なる定数であり —— 実数でも複素数でもよい —— 指数 $\lambda^n$ の底である。ここで一度立ち止まる価値がある。たった一つの数が、信号が時間領域でどう見えるかと、変換の極が $z$ 平面のどこに座るかとを同時に決めてしまうからである。

$\lambda$behaviour of $\lambda^n$first few samples
$0.5$exponential decay$1,\;0.5,\;0.25,\;0.125,\dots$
$2$exponential growth$1,\;2,\;4,\;8,\dots$
$-0.5$decay with alternating sign$1,\;-0.5,\;0.25,\;-0.125,\dots$
$1$constant — this is the unit step $\mu[n]$$1,\;1,\;1,\;1,\dots$
$r e^{j\theta}$$r^n e^{j\theta n}$ — oscillation at frequency $\theta$, envelope $r^n$see Fig. 5-2
$\lambda$$\lambda^n$ 的行為前幾個樣本
$0.5$指數衰減$1,\;0.5,\;0.25,\;0.125,\dots$
$2$指數成長$1,\;2,\;4,\;8,\dots$
$-0.5$正負交替的衰減$1,\;-0.5,\;0.25,\;-0.125,\dots$
$1$常數 —— 這就是單位步階 $\mu[n]$$1,\;1,\;1,\;1,\dots$
$r e^{j\theta}$$r^n e^{j\theta n}$ —— 以頻率 $\theta$ 振盪,包絡為 $r^n$見圖 5-2
$\lambda$$\lambda^n$ のふるまい最初の数標本
$0.5$指数的に減衰$1,\;0.5,\;0.25,\;0.125,\dots$
$2$指数的に増大$1,\;2,\;4,\;8,\dots$
$-0.5$符号が交互に変わりながら減衰$1,\;-0.5,\;0.25,\;-0.125,\dots$
$1$定数 —— これがまさに単位ステップ $\mu[n]$ である$1,\;1,\;1,\;1,\dots$
$r e^{j\theta}$$r^n e^{j\theta n}$ —— 周波数 $\theta$ での振動、包絡は $r^n$図 5-2 を参照

The rule of thumb: $|\lambda|$ sets growth or decay ($|\lambda|<1$ decays, $|\lambda|>1$ grows) and $\arg\lambda$ sets the oscillation frequency.

記住一句話:$|\lambda|$ 決定成長還是衰減($|\lambda|<1$ 衰減、$|\lambda|>1$ 成長),$\arg\lambda$ 決定振盪的頻率。

経験則はこうである:$|\lambda|$ が増大か減衰かを決め($|\lambda|<1$ なら減衰、$|\lambda|>1$ なら増大)、$\arg\lambda$ が振動の周波数を決める。

$\lambda$ is the pole
$\lambda$ 就是極點
$\lambda$ こそが極である

Rewrite the transform found in Examples 5-2 and 5-3 by multiplying top and bottom by $z$:

把範例 5-2 與 5-3 得到的轉換,分子分母同乘 $z$ 改寫:

例題 5-2 と 5-3 で得た変換を、分子と分母に $z$ を掛けて書き直す:

$$G(z) = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}} = \frac{z}{z-\lambda}$$

The denominator vanishes at $z=\lambda$, so the pole sits at $z=\lambda$ and the circle $|z|=|\lambda|$ through it is exactly the ROC boundary. The two sequences that share this formula are distinguished by which side of that circle they live on:

分母在 $z=\lambda$ 處為零,所以極點落在 $z=\lambda$,而通過它的圓 $|z|=|\lambda|$ 正好就是 ROC 的邊界。共用這個公式的兩個序列,差別就在於它們住在這個圓的哪一側:

分母は $z=\lambda$ で消えるので、極は $z=\lambda$ に座り、そこを通る円 $|z|=|\lambda|$ がちょうど ROC の境界になる。この式を共有する二つの系列は、その円のどちら側に住んでいるかで区別される:

  • causal $\lambda^n\mu[n]$ — ROC outside the pole, $|z|>|\lambda|$;
  • anti-causal $-\lambda^n\mu[-n-1]$ — ROC inside the pole, $|z|<|\lambda|$.
  • 因果的 $\lambda^n\mu[n]$ —— ROC 在極點之外,$|z|>|\lambda|$;
  • 反因果的 $-\lambda^n\mu[-n-1]$ —— ROC 在極點之內,$|z|<|\lambda|$。
  • 因果的な $\lambda^n\mu[n]$ —— ROC は極の外側、$|z|>|\lambda|$;
  • 反因果的な $-\lambda^n\mu[-n-1]$ —— ROC は極の内側、$|z|<|\lambda|$。

So the pole is not merely where the formula blows up — it is the obstacle the ROC has to avoid, and the reason an ROC is always bounded by circles through poles (§5.2.2, §5.3).

所以極點不只是「公式爆掉的地方」—— 它是 ROC 必須避開的障礙物,也正是 ROC 的邊界永遠是通過極點的圓的原因(§5.2.2、§5.3)。

したがって極は、式が発散する場所であるにとどまらない —— ROC が避けねばならない障害物であり、ROC の境界がつねに極を通る円になる理由でもある(§5.2.2、§5.3)。

Example 5-4 — where $\lambda$ comes from in practice
範例 5-4 — 實務上 $\lambda$ 是從哪裡來的
例題 5-4 — 実際の $\lambda$ はどこから来るのか

In a real system $\lambda$ is not chosen by hand; it falls out of the difference equation. Consider the simplest first-order recursion

在真實系統裡,$\lambda$ 不是我們隨手挑的,而是從差分方程式裡掉出來的。看最簡單的一階遞迴:

実際のシステムでは $\lambda$ は手で選ぶものではなく、差分方程式から自然に落ちてくる。最も単純な一次の再帰を考えよう

$$y[n] = \lambda\,y[n-1] + x[n]$$
Drive it with $x[n]=\delta[n]$ and unroll: $h[0]=1$, $h[1]=\lambda$, $h[2]=\lambda^2,\dots$ — that is, $h[n]=\lambda^n\mu[n]$, the sequence of Example 5-2. Each time step multiplies the stored output by $\lambda$ once more, so $\lambda$ is the system's per-sample memory decay rate.
用 $x[n]=\delta[n]$ 去驅動它並展開:$h[0]=1$、$h[1]=\lambda$、$h[2]=\lambda^2,\dots$ —— 也就是 $h[n]=\lambda^n\mu[n]$,正是範例 5-2 的序列。每走一個時間步,就把儲存的輸出再乘一次 $\lambda$,所以 $\lambda$ 就是系統每個樣本的記憶衰減率。
$x[n]=\delta[n]$ で駆動して展開すると $h[0]=1$、$h[1]=\lambda$、$h[2]=\lambda^2,\dots$ —— すなわち $h[n]=\lambda^n\mu[n]$ であり、例題 5-2 の系列そのものである。1 時間ステップごとに蓄えられた出力にもう一度 $\lambda$ が掛かるので、$\lambda$ はこのシステムの1 標本あたりの記憶の減衰率である。
Transforming with linearity and the time-shift property gives $Y(z)\bigl(1-\lambda z^{-1}\bigr) = X(z)$, hence $$H(z) = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}},\qquad \text{pole at } z=\lambda$$ which is the general LCCDE recipe of §5.4.3 in its smallest case.
用線性性質與時間平移性質做轉換,得到 $Y(z)\bigl(1-\lambda z^{-1}\bigr) = X(z)$,因此 $$H(z) = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}},\qquad \text{極點在 } z=\lambda$$ 這就是 §5.4.3 一般差分方程式做法的最小案例。
線形性と時間シフトの性質を使って変換すると $Y(z)\bigl(1-\lambda z^{-1}\bigr) = X(z)$ が得られ、したがって $$H(z) = \frac{1}{1-\lambda z^{-1}},\qquad \text{pole at } z=\lambda$$ となる。これは §5.4.3 の一般的な差分方程式の手順を、最小の場合に適用したものである。
The system is stable exactly when $|\lambda|<1$ — the pole inside the unit circle — because only then does the ROC $|z|>|\lambda|$ contain $|z|=1$ and the impulse response die away.
系統穩定的充要條件是 $|\lambda|<1$ —— 也就是極點落在單位圓內 —— 因為只有這樣,ROC $|z|>|\lambda|$ 才會包含 $|z|=1$,脈衝響應也才會衰減掉。
システムが安定であるのは $|\lambda|<1$ のとき、かつそのときに限る —— 極が単位円の内側にある場合である。そのときにのみ ROC $|z|>|\lambda|$ が $|z|=1$ を含み、インパルス応答が減衰して消えるからである。
Tip — $\lambda$ is the sampled continuous-time pole
提醒 — $\lambda$ 就是取樣後的連續時間極點
ヒント — $\lambda$ は標本化された連続時間の極である

Continuing the correspondence $z=e^{sT}$ of §5.1.3: sampling $x(t)=e^{-at}\mu(t)$ gives $x[n]=\bigl(e^{-aT}\bigr)^n\mu[n]$, so $$\lambda = e^{-aT}$$ $\lambda$ is the continuous-time pole $s=-a$ carried into the $z$-plane by that map. A faster-decaying continuous pole (larger $a$) gives a smaller $|\lambda|$, i.e. a $z$-plane pole nearer the origin — and a shorter memory. Note that Fig. 5-2 plots this family using the letter $a$ where the examples use $\lambda$; they denote the same quantity.

延續 §5.1.3 的對應 $z=e^{sT}$:對 $x(t)=e^{-at}\mu(t)$ 取樣得到 $x[n]=\bigl(e^{-aT}\bigr)^n\mu[n]$,所以 $$\lambda = e^{-aT}$$ $\lambda$ 就是連續時間的極點 $s=-a$ 被那個映射帶進 $z$ 平面之後的位置。衰減越快的連續極點($a$ 越大)給出越小的 $|\lambda|$,也就是越靠近原點的 $z$ 平面極點—— 記憶也越短。注意圖 5-2 畫這一族時用的字母是 $a$,而範例中用的是 $\lambda$;兩者指的是同一個量。

§5.1.3 の対応 $z=e^{sT}$ を続けよう:$x(t)=e^{-at}\mu(t)$ を標本化すれば $x[n]=\bigl(e^{-aT}\bigr)^n\mu[n]$ となるので $$\lambda = e^{-aT}$$ である。$\lambda$ こそが、連続時間の極 $s=-a$ をその写像によって $z$ 平面へ運び込んだものにほかならない。より速く減衰する連続時間の極($a$ が大きい)はより小さな $|\lambda|$ を与える。すなわち原点により近い $z$ 平面の極となり、記憶も短くなる。なお図 5-2 ではこの族を描くのに文字 $a$ を使っているが、例題では $\lambda$ を使っている。両者は同じ量を指す。

Figure 5-2 shows the family $a^n\mu[n]$ for three values of $a$, together with the location of the corresponding transform's pole at $z=a$. Decaying sequences ($|a|<1$) have their pole inside the unit circle; the growing sequence ($a=1.2$) has it outside — and its DTFT does not exist, although its z-transform does (ROC $|z|>1.2$).

圖 5-2 畫出三個 $a$ 值對應的 $a^n\mu[n]$ 這一族序列,以及各自轉換的極點位置 $z=a$。衰減的序列($|a|<1$)極點落在單位圓內;成長的那個($a=1.2$)落在圓外—— 它的 DTFT 不存在,但 z 轉換仍然存在(ROC 為 $|z|>1.2$)。

図 5-2 は三つの $a$ の値について族 $a^n\mu[n]$ を示し、あわせて対応する変換の極の位置 $z=a$ を示している。減衰する系列($|a|<1$)は極が単位円の内側にあり、増大する系列($a=1.2$)は外側にある —— そしてその DTFT は存在しないが、z 変換は存在する(ROC は $|z|>1.2$)。

2026-06-12T22:21:53.531628 image/svg+xml Matplotlib v3.10.8, https://matplotlib.org/ 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 n 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 a^n u[n] a = 0.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 n 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 a^n u[n] a = 0.9 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 n 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 a^n u[n] a = 1.2 −1 0 1 Re(z) −1.5 −1.0 −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 Im(z) 0.5 0.9 1.2 pole of each transform at z = a
Fig. 5-2 — The family $a^n\mu[n]$ for $a=0.5,\,0.9,\,1.2$ (stem plots) and the pole location $z=a$ of each transform $1/(1-az^{-1})$ relative to the unit circle.
圖 5-2 — $a=0.5,\,0.9,\,1.2$ 的 $a^n\mu[n]$ 族(stem 圖),以及各自轉換 $1/(1-az^{-1})$ 的極點 $z=a$ 相對於單位圓的位置($a>1$ 時極點在單位圓外,DTFT 不存在但 z 轉換仍存在)。
図 5-2 — $a=0.5,\,0.9,\,1.2$ に対する族 $a^n\mu[n]$(茎グラフ)と、各変換 $1/(1-az^{-1})$ の極の位置 $z=a$ の、単位円に対する位置関係。

5.2.2 ROC properties5.2.2 ROC 的性質5.2.2 ROC の性質

Key — facts about ROCs
重點 — 關於 ROC 的幾個事實
要点 — ROC についての事実
  • The ROC is always defined in terms of $|z|$ only → circular regions: inside a circle, outside a circle, or a ring.
  • The ROC is bounded by poles and never contains a pole ($G(z)\to\infty$ there).
  • If the ROC includes the unit circle $|z|=1$, then $g[n]$ has a DTFT (finite-energy/absolutely-summable behavior).
  • A finite-length sequence converges for all $z$ except possibly $z=0$ (if $g[n]\ne 0$ for some $n>0$) and/or $z=\infty$ (if $g[n]\ne 0$ for some $n<0$).
  • The ROC is a single connected region — it is the intersection of the ROCs of all terms making up $g[n]$.
  • ROC 永遠只由 $|z|$ 決定 → 因此是圓形區域:圓內、圓外,或是一個圓環。
  • ROC 以極點為界,而且絕不包含極點(那裡 $G(z)\to\infty$)。
  • 若 ROC 包含單位圓 $|z|=1$,則 $g[n]$ 有 DTFT(能量有限/絕對可和)。
  • 有限長度的序列對所有 $z$ 都收斂,可能的例外只有 $z=0$(當某個 $n>0$ 的 $g[n]\ne 0$ 時)與/或 $z=\infty$(當某個 $n<0$ 的 $g[n]\ne 0$ 時)。
  • ROC 是單一的連通區域 —— 它是構成 $g[n]$ 的所有項各自 ROC 的交集。
  • ROC はつねに $|z|$ だけで定まる → 円形の領域、すなわち円の内側、円の外側、または円環になる。
  • ROC は極によって区切られ、極を決して含まない(そこでは $G(z)\to\infty$ となる)。
  • ROC が単位円 $|z|=1$ を含むなら、$g[n]$ には DTFT が存在する(有限エネルギー/絶対可和のふるまい)。
  • 有限長の系列は、$z=0$(ある $n>0$ で $g[n]\ne 0$ の場合)および/または $z=\infty$(ある $n<0$ で $g[n]\ne 0$ の場合)を除く、すべての $z$ で収束する。
  • ROC は単一の連結領域である —— それは $g[n]$ を構成するすべての項の ROC の共通部分である。

5.2.3 Sidedness and ROC shape5.2.3 單雙邊性與 ROC 的形狀5.2.3 片側性と ROC の形

Each pole $\lambda$ of a rational $G(z)$ contributes a term whose ROC is either outside $|z|=|\lambda|$ (right-sided term) or inside (left-sided term). The overall ROC tells you the sidedness of $g[n]$:

有理 $G(z)$ 的每個極點 $\lambda$ 都貢獻一項,其 ROC 不是在 $|z|=|\lambda|$ 之外(右邊項),就是在之內(左邊項)。整體的 ROC 就告訴你 $g[n]$ 的單雙邊性:

有理な $G(z)$ の各極 $\lambda$ は一つの項を寄与し、その項の ROC は $|z|=|\lambda|$ の外側(右側の項)か内側(左側の項)かのいずれかである。全体の ROC は $g[n]$ の片側性を教えてくれる:

Sequence typeROC shapeIncludes
Right-sided, e.g. $\lambda^n\mu[n]$$|z| > r_{\max}$ — outside the outermost pole$z=\infty$ if causal
Left-sided, e.g. $-\lambda^n\mu[-n-1]$$|z| < r_{\min}$ — inside the innermost pole$z=0$ if anticausal
Two-sidedring $r_1 < |z| < r_2$ between two polesneither $0$ nor $\infty$
Finite-lengthentire plane except possibly $z=0$ and/or $z=\infty$—
序列型態ROC 形狀是否包含
右邊序列,例如 $\lambda^n\mu[n]$$|z| > r_{\max}$ —— 最外側極點之外若為因果則含 $z=\infty$
左邊序列,例如 $-\lambda^n\mu[-n-1]$$|z| < r_{\min}$ —— 最內側極點之內若為反因果則含 $z=0$
雙邊序列兩極點之間的圓環 $r_1 < |z| < r_2$$0$ 與 $\infty$ 都不含
有限長度整個平面,可能除去 $z=0$ 與/或 $z=\infty$—
系列の型ROC の形含むもの
右側系列、例えば $\lambda^n\mu[n]$$|z| > r_{\max}$ —— 最も外側の極の外因果的なら $z=\infty$
左側系列、例えば $-\lambda^n\mu[-n-1]$$|z| < r_{\min}$ —— 最も内側の極の内反因果的なら $z=0$
両側系列二つの極に挟まれた円環 $r_1 < |z| < r_2$$0$ も $\infty$ も含まない
有限長$z=0$ および/または $z=\infty$ を除いた平面全体—
2026-06-12T22:21:53.729143 image/svg+xml Matplotlib v3.10.8, https://matplotlib.org/ −1 0 1 −1 0 1 right-sided: |z| > 0.7 −1 0 1 −1 0 1 left-sided: |z| < 1.3 −1 0 1 −1 0 1 two-sided: 0.7 < |z| < 1.3
Fig. 5-3 — The three ROC shapes for infinite-length sequences (shaded), with poles marked ×: right-sided → outside the outermost pole; left-sided → inside the innermost pole; two-sided → an annulus between poles. Dashed black circle = unit circle.
圖 5-3 — 無限長序列的三種 ROC 形狀(陰影處),極點以 × 標出:右邊序列 → 最外側極點之外;左邊序列 → 最內側極點之內;雙邊序列 → 兩極點之間的圓環。黑色虛線圓為單位圓。
図 5-3 — 無限長系列における三つの ROC の形(影の部分)。極は × で示す:右側系列 → 最も外側の極の外;左側系列 → 最も内側の極の内;両側系列 → 極と極の間の円環。黒い破線の円は単位円である。

5.2.4 ROC intersections: four cases5.2.4 ROC 的交集:四種情況5.2.4 ROC の交わり:四つの場合

Consider a transform with two poles $\lambda_1,\lambda_2$ where $|\lambda_1| < 1 < |\lambda_2|$ and no ROC specified:

考慮一個有兩個極點 $\lambda_1,\lambda_2$ 的轉換,其中 $|\lambda_1| < 1 < |\lambda_2|$,而且沒有指定 ROC:

二つの極 $\lambda_1,\lambda_2$(ただし $|\lambda_1| < 1 < |\lambda_2|$)をもち、ROC が指定されていない変換を考える:

Two-pole example雙極點範例二極の例 $$G(z) = \frac{1}{1-\lambda_1 z^{-1}} + \frac{1}{1-\lambda_2 z^{-1}}, \qquad |\lambda_1| < 1 < |\lambda_2|$$

Why an intersection at all? Because $G(z)$ is a sum of two terms, each with its own convergence region. The sum converges only where both terms converge, so:

為什麼要取交集?因為 $G(z)$ 是兩項的和,每一項都有自己的收斂區域。只有在兩項都收斂的地方,和才會收斂,所以:

そもそもなぜ共通部分をとるのか。$G(z)$ が二つの項の和であり、各項がそれぞれ自分の収束領域をもつからである。和が収束するのは両方の項が収束する場所だけなので:

ROC of a sum和的 ROC和の ROC $$\mathrm{ROC}_G = \mathrm{ROC}_1 \cap \mathrm{ROC}_2$$

Each term may independently correspond to a right-sided or a left-sided sequence, so there are 4 possible sequences/ROCs, and the overall ROC is the intersection of each term's ROC:

每一項都可以各自對應到右邊或左邊序列,所以總共有 4 種可能的序列/ROC 組合,而整體的 ROC 就是各項 ROC 的交集:

各項は互いに独立に右側系列にも左側系列にも対応しうるので、4 通りの系列/ROC があり、全体の ROC は各項の ROC の共通部分になる:

Case$\lambda_1$ term$\lambda_2$ termOverall ROCResulting $g[n]$
1right-sidedright-sided$|z|>|\lambda_2|$$(\lambda_1^n + \lambda_2^n)\,\mu[n]$ — right-sided
2left-sidedleft-sided$|z|<|\lambda_1|$$-(\lambda_1^n + \lambda_2^n)\,\mu[-n-1]$ — left-sided
3right-sidedleft-sided$|\lambda_1|<|z|<|\lambda_2|$$\lambda_1^n\mu[n] - \lambda_2^n\mu[-n-1]$ — two-sided
4left-sidedright-sided$|z|<|\lambda_1| \,\cap\, |z|>|\lambda_2| = \varnothing$no valid z-transform
情況$\lambda_1$ 項$\lambda_2$ 項整體 ROC對應的 $g[n]$
1右邊右邊$|z|>|\lambda_2|$$(\lambda_1^n + \lambda_2^n)\,\mu[n]$ — 右邊序列
2左邊左邊$|z|<|\lambda_1|$$-(\lambda_1^n + \lambda_2^n)\,\mu[-n-1]$ — 左邊序列
3右邊左邊$|\lambda_1|<|z|<|\lambda_2|$$\lambda_1^n\mu[n] - \lambda_2^n\mu[-n-1]$ — 雙邊序列
4左邊右邊$|z|<|\lambda_1| \,\cap\, |z|>|\lambda_2| = \varnothing$z 轉換不存在(無交集)
場合$\lambda_1$ の項$\lambda_2$ の項全体の ROC得られる $g[n]$
1右側右側$|z|>|\lambda_2|$$(\lambda_1^n + \lambda_2^n)\,\mu[n]$ — 右側系列
2左側左側$|z|<|\lambda_1|$$-(\lambda_1^n + \lambda_2^n)\,\mu[-n-1]$ — 左側系列
3右側左側$|\lambda_1|<|z|<|\lambda_2|$$\lambda_1^n\mu[n] - \lambda_2^n\mu[-n-1]$ — 両側系列
4左側右側$|z|<|\lambda_1| \,\cap\, |z|>|\lambda_2| = \varnothing$有効な z 変換は存在しない

Only Case 3 yields an ROC containing the unit circle, so only that choice corresponds to a stable (absolutely summable) sequence with a DTFT.

只有情況 3 的 ROC 包含單位圓,所以也只有這個選擇對應到穩定(絕對可和)、而且有 DTFT 的序列。

単位円を含む ROC が得られるのは場合 3 だけであり、したがって安定(絶対可和)で DTFT をもつ系列に対応するのも、その選び方だけである。

為什麼要探討交集?四個組合怎麼算出來的(點擊展開)

每一項各有兩種可能。由 §5.2.1 的 Example 5-2/5-3,同一個式子 $\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$ 可以對應兩種完全不同的序列:

序列ROC
因果:$\lambda^n\mu[n]$$|z|>|\lambda|$(圓外)
反因果:$-\lambda^n\mu[-n-1]$$|z|<|\lambda|$(圓內)

$\lambda_1$ 與 $\lambda_2$ 各有兩種選擇,所以一共 $2\times2=4$ 種組合——上表的四個 case 就是這樣來的。每一種組合再把兩個 ROC 取交集,就得到「Overall ROC」那一欄。

看圖理解第 3 種組合。已知 $|\lambda_1|<1<|\lambda_2|$:

  • $\lambda_1^n\mu[n]$($|\lambda_1|<1$):往右($n\to+\infty$)衰減。
  • $-\lambda_2^n\mu[-n-1]$($|\lambda_2|>1$):$n$ 往負方向時 $\lambda_2^n$ 越來越小,所以往左($n\to-\infty$)也是衰減。

兩邊都衰減,序列絕對可和,這就是四種裡唯一穩定的組合,交集 $|\lambda_1|<|z|<|\lambda_2|$ 是一個真正含單位圓的圓環。反過來看第 4 種:$\lambda_1$ 項往左發散、$\lambda_2$ 項往右發散,兩邊都爆掉,找不到任何半徑 $r=|z|$ 能同時壓住兩側,所以交集是空集合。

那麼,探討交集的目的是什麼?

  1. 同一個 $G(z)$ 可以對應好幾個不同的序列。代數式完全一樣,只要 ROC 不同,反轉換出來的 $g[n]$ 就不同。投影片標註「no ROC specified」正是在提醒:只寫 $G(z)$ 而不指定 ROC,答案是不唯一的。
  2. 有些組合根本不成立。交集可能是空集合(case 4),這時該組合不是合法的 z 轉換對——不是「算起來比較難」,而是不存在。
  3. ROC 的形狀直接告訴你系統性質。圓外($|z|>r$)→ 右邊序列,含 $z=\infty$ 時為因果;圓內($|z|<r$)→ 左邊序列;圓環 → 雙邊序列;含單位圓 → 穩定、DTFT 存在。所以取完交集就等於一次判定了因果性與穩定性。
  4. 這就是 ROC 的一般規則的來源。ROC 必定是由極點界出來的圓環(或圓內、圓外),而且內部不能包含任何極點(§5.2.2)。多項相加時,就是把各項的圓環取交集——交集仍然是圓環,這也解釋了為什麼 ROC 的形狀只有那幾種(§5.2.3)。
Warning — two-sided exponential has no z-transform
注意 — 雙邊指數序列沒有 z 轉換
注意 — 両側指数系列に z 変換は存在しない

The sequence $g[n] = \alpha^n$ for all $n$ ($-\infty < n < \infty$) splits as $\alpha^n\mu[n] + \alpha^n\mu[-n-1]$, requiring $|z|>|\alpha|$ and $|z|<|\alpha|$ simultaneously. There is no overlap, so the z-transform does not exist — the sum converges for no $z$ at all.

對所有 $n$($-\infty < n < \infty$)都有 $g[n] = \alpha^n$ 的序列,可以拆成 $\alpha^n\mu[n] + \alpha^n\mu[-n-1]$,於是同時要求 $|z|>|\alpha|$ 且 $|z|<|\alpha|$。兩者沒有交集,所以 z 轉換不存在 —— 這個級數對任何 $z$ 都不收斂。

すべての $n$($-\infty < n < \infty$)について $g[n] = \alpha^n$ となる系列は $\alpha^n\mu[n] + \alpha^n\mu[-n-1]$ に分かれ、$|z|>|\alpha|$ かつ $|z|<|\alpha|$ を同時に要求する。重なりは存在しないので z 変換も存在しない —— この和はどの $z$ でも収束しないのである。

5.3 Rational z-Transforms, Poles and Zeros5.3 有理 z 轉換、極點與零點5.3 有理 z 変換、極と零点

5.3.1 Rational and factored forms5.3.1 有理式與因式分解形式5.3.1 有理形と因数分解形

$G(z)$ can in principle be any function of $z$, but in DSP the important class is rational z-transforms — ratios of polynomials in $z^{-1}$. By convention they are expressed in powers of $z^{-1}$, which matches the transform definition and (as §5.4.3 shows) is reminiscent of LCCDE expressions:

原則上 $G(z)$ 可以是 $z$ 的任何函數,但在 DSP 裡重要的是有理 z 轉換—— 也就是 $z^{-1}$ 的多項式之比。習慣上會以 $z^{-1}$ 的冪次來表示,這既符合轉換的定義,也(如 §5.4.3 所示)與差分方程式的形式相呼應:

$G(z)$ は原理的には $z$ の任意の関数でよいが、DSP で重要なのは有理 z 変換、すなわち $z^{-1}$ の多項式の比である。慣習としてそれらは $z^{-1}$ のべきで表される。これは変換の定義とよく合い、(§5.4.3 で見るように)差分方程式の表現を思わせる形でもある:

Rational z-transform有理 z 轉換有理 z 変換 $$G(z) = \frac{P(z)}{D(z)} = \frac{p_0 + p_1 z^{-1} + \cdots + p_{M-1}z^{-(M-1)} + p_M z^{-M}}{d_0 + d_1 z^{-1} + \cdots + d_{N-1}z^{-(N-1)} + d_N z^{-N}}$$

Factoring numerator and denominator exposes the roots:

把分子與分母因式分解,就能把根顯露出來:

分子と分母を因数分解すれば、根が姿を現す:

Factored form — zeros $\xi_\ell$ and poles $\lambda_\ell$因式分解形式 — 零點 $\xi_\ell$ 與極點 $\lambda_\ell$因数分解形 — 零点 $\xi_\ell$ と極 $\lambda_\ell$ $$G(z) = \frac{p_0}{d_0}\,\frac{\displaystyle\prod_{\ell=1}^{M}\big(1-\xi_\ell z^{-1}\big)}{\displaystyle\prod_{\ell=1}^{N}\big(1-\lambda_\ell z^{-1}\big)} = z^{N-M}\,\frac{p_0\displaystyle\prod_{\ell=1}^{M}\big(z-\xi_\ell\big)}{d_0\displaystyle\prod_{\ell=1}^{N}\big(z-\lambda_\ell\big)}$$
逐項讀懂因式分解形式(點擊展開)

1. 第一個等號:把多項式拆成根。$P(z)$ 與 $D(z)$ 都是 $z^{-1}$ 的多項式,因式定理讓它們各自寫成一串一次因子的乘積。每一個分子因子 $\bigl(1-\xi_\ell z^{-1}\bigr)$ 在 $z=\xi_\ell$ 時為零,整個 $G(z)$ 跟著為零,所以 $\xi_\ell$ 就是零點;剩下的常數全部收進前面的增益 $p_0/d_0$。

2. 分母因子與時域的對應。這裡的 $\lambda$ 就是上一題的 $\lambda$(§5.2 的 $\lambda^n\mu[n]$)。每一個分母因子 $\dfrac{1}{1-\lambda_\ell z^{-1}}$ 經過部分分式展開(§5.5.1)後,都對應時域中的一項 $\lambda_\ell^{\,n}$。所以極點決定了訊號由哪些指數序列組成:$|\lambda_\ell|$ 決定該項是衰減還是發散,$\arg\lambda_\ell$ 決定它振盪多快。

3. 第二個等號:改寫成 $z$ 的形式。利用

$$1-\zeta z^{-1} = \frac{z-\zeta}{z}$$

$M$ 個分子因子相乘得到 $\prod_\ell (z-\xi_\ell)\big/ z^{M}$,$N$ 個分母因子相乘得到 $\prod_\ell (z-\lambda_\ell)\big/ z^{N}$。相除後分母的 $z^{-N}$ 翻上來:

$$G(z) = \frac{z^{N}\,p_0 \prod_{\ell=1}^{M}(z-\xi_\ell)}{z^{M}\,d_0 \prod_{\ell=1}^{N}(z-\lambda_\ell)} = z^{N-M}\,\frac{p_0 \prod_{\ell=1}^{M}(z-\xi_\ell)}{d_0 \prod_{\ell=1}^{N}(z-\lambda_\ell)}$$

這個形式的好處是:所有零點與極點都直接讀成 $z$ 的值,而多出來的 $z^{N-M}$ 正好說明了下面那句「若 $N>M$ 則在 $z=0$ 有 $N-M$ 個零點;若 $M>N$ 則在 $z=0$ 有 $M-N$ 個極點」——原點的零/極點並不是額外的假設,而是這個冪次自己帶出來的。

5.3.2 Pole–zero diagram and the z-plane surface5.3.2 零極點圖與 z 平面曲面5.3.2 極零点配置図と z 平面上の曲面

The pole–zero diagram plots the ×'s and ○'s together with the unit circle. Up to the overall gain $p_0/d_0$, it completely determines a rational $G(z)$, and with the ROC shading added it completely determines $g[n]$. Picturing $|G(z)|$ as a surface over the z-plane: poles are tent-poles pushing the surface up to infinity, zeros pin it down to the floor. The DTFT $|G(e^{j\omega})|$ is the height profile measured while walking along the unit circle.

零極點圖(pole–zero diagram)把 × 與 ○ 連同單位圓一起畫出來。除了整體增益 $p_0/d_0$ 之外,它完全決定了一個有理的 $G(z)$;再加上 ROC 的陰影,就完全決定了 $g[n]$。把 $|G(z)|$ 想成 z 平面上的一張曲面:極點是把曲面頂到無限高的帳篷桿,零點則把它釘在地板上。DTFT $|G(e^{j\omega})|$ 就是沿著單位圓走一圈時量到的高度剖面。

極零点配置図は、× と ○ を単位円とともに描いたものである。全体ゲイン $p_0/d_0$ を別にすれば、この図は有理な $G(z)$ を完全に決定し、さらに ROC の影を加えれば $g[n]$ まで完全に決定する。$|G(z)|$ を z 平面上に張られた曲面として思い描こう:極は曲面を無限の高さまで押し上げるテントの支柱であり、零点はそれを床に釘付けにする。DTFT $|G(e^{j\omega})|$ は、単位円に沿って歩きながら測った高さの断面図である。

Figure 5-4 carries that sentence out literally. Panel (a) is the whole input — a handful of ×'s and ○'s. Panel (b) is what you get by evaluating $G(z)$ at every point of the plane and plotting $20\log_{10}|G(z)|$ as a height. Panel (c) discards everything except the wall standing over the circle $|z|=1$, and panel (d) unrolls that wall against $\omega$ — at which point it is just the magnitude response you would plot with freqz. Nothing is computed in step (c) or (d) that was not already fixed in step (a): that is the whole claim of this section.

圖 5-4 就是把上面那句話照字面做一遍。(a) 是全部的輸入 —— 幾個 × 與 ○ 而已。(b) 是把 $G(z)$ 在平面上每一點求值,再把 $20\log_{10}|G(z)|$ 當成高度畫出來的結果。(c) 把其他都丟掉,只留下立在圓 $|z|=1$ 上的那道牆;(d) 把那道牆沿 $\omega$ 攤平—— 到這一步,它就只是你用 freqz 會畫出來的振幅響應。(c) 與 (d) 沒有算出任何在 (a) 就尚未決定的東西:這正是本節要講的全部。

図 5-4 はその一文を文字どおりに実行したものである。パネル (a) が入力のすべて —— ひと握りの × と ○ にすぎない。パネル (b) は $G(z)$ を平面の各点で評価し、$20\log_{10}|G(z)|$ を高さとして描いたものである。パネル (c) は円 $|z|=1$ の上に立つ壁以外をすべて捨て、パネル (d) はその壁を $\omega$ に沿って展開する —— その時点でそれは、freqz で描くであろう振幅応答そのものである。(c) や (d) では、(a) の段階ですでに決まっていなかったものは何一つ計算されていない:それがこの節の主張のすべてである。

2026-09-27T15:02:59.256160 image/svg+xml Matplotlib v3.11.1, https://matplotlib.org/
Fig. 5-4 — From a pole–zero diagram to a frequency response, for $G(z)$ with poles at $0.78$ and $0.72e^{\pm j0.45}$ (×) and zeros at $-1.7$ and $0.85e^{\pm j2.3}$ (○). (a) the diagram; (b) $20\log_{10}|G(z)|$ as a height over the whole plane — the poles raise a peak, the zeros sink a well; (c) only the wall over $|z|=1$ survives; (d) that wall unrolled against $\omega$ is the magnitude response, a lowpass. The display gain is normalised and the surface is clipped to $[-40,+35]$ dB so that the peak and the well stay on the page.
圖 5-4 — 從零極點圖到頻率響應:$G(z)$ 的極點在 $0.78$ 與 $0.72e^{\pm j0.45}$(×),零點在 $-1.7$ 與 $0.85e^{\pm j2.3}$(○)。(a) 零極點圖;(b) 把 $20\log_{10}|G(z)|$ 當成整個平面上的高度 —— 極點頂起山峰、零點壓出凹谷;(c) 只留下立在 $|z|=1$ 上的那道牆;(d) 把那道牆沿 $\omega$ 攤平,就是振幅響應,一個低通(極點抬高低頻、零點壓低高頻)。顯示增益已正規化,曲面裁切在 $[-40,+35]$ dB,好讓山峰與凹谷都留在畫面內。
図 5-4 — 極零点配置図から周波数応答へ。$G(z)$ は $0.78$ と $0.72e^{\pm j0.45}$ に極(×)を、$-1.7$ と $0.85e^{\pm j2.3}$ に零点(○)をもつ。(a) 配置図;(b) 平面全体にわたる高さとしての $20\log_{10}|G(z)|$ —— 極が峰を持ち上げ、零点が谷を沈める;(c) $|z|=1$ の上の壁だけが残る;(d) その壁を $\omega$ に沿って展開したものが振幅応答であり、低域通過である。表示ゲインは正規化してあり、峰と谷が画面に収まるよう曲面は $[-40,+35]$ dB で切り詰めてある。
從零極點圖到 z 平面曲面:逐步拆解(點擊展開)

第 1 步:從零極點寫回 $G(z)$。有了零點 $\xi_\ell$ 與極點 $\lambda_\ell$,就能用 §5.3.1 的因式分解形式寫出

$$G(z) = K\,\frac{\prod_{\ell}(z-\xi_\ell)}{\prod_{\ell}(z-\lambda_\ell)}$$

(這裡把 $p_0/d_0$ 和原點的 $z^{N-M}$ 都併入常數 $K$ 與因式中。)注意零極點圖沒有記錄增益 $K$,所以 $K$ 只影響曲面的整體高低,不影響形狀——這就是上文「up to the overall gain」那句話的意思。

第 2 步:在 z 平面上每一點求值。在 z 平面取一整片網格點(本圖範圍是 $\mathrm{Re}\{z\},\,\mathrm{Im}\{z\}$ 各從 $-2$ 到 $2$),每一點代入 $G(z)$ 算出一個複數,再取其大小 $|G(z)|$。這裡用到的是「$G(z)$ 是複變數 $z$ 的複函數」這個事實:它在整個平面上都有定義,不只是在單位圓上。

第 3 步:把大小畫成高度。縱軸取 $20\log_{10}|G(z)|$,也就是分貝(dB)。用對數刻度是因為極點附近的值會大到爆掉、零點附近會小到趨近 0,線性刻度根本畫不出來。

用幾何來理解曲面的形狀。取大小之後,因式分解式變成一堆距離的乘除:

$$|G(z)| = |K|\,\frac{\prod_\ell |z-\xi_\ell|}{\prod_\ell |z-\lambda_\ell|}$$

$|z-\xi_\ell|$ 是 $z$ 到零點的距離,$|z-\lambda_\ell|$ 是 $z$ 到極點的距離。於是:

  • 靠近極點 ×:分母的距離趨近 $0$,$|G|\to\infty$,曲面形成尖峰。圖 (b) 中那根往上衝的「帳篷柱」就是 (a) 裡靠近 $z=1$ 的三個極點。
  • 靠近零點 ○:分子的距離趨近 $0$,$|G|\to 0$,在對數刻度下是 $-\infty$ dB,曲面形成深坑。圖 (b) 左側往下凹的地方就是 (a) 裡左邊的三個零點。
  • 遠離所有零極點:各項距離都差不多,比值變化平緩,曲面接近一片平原。

面板 (c)(d):只沿著單位圓切下來。圖 (c) 只保留曲面在單位圓 $|z|=1$ 上的高度。因為單位圓上 $z=e^{j\omega}$,這條曲線就是 §5.1.2 說的 DTFT——頻率響應 $|G(e^{j\omega})|$:

  • $z=1$ 對應 $\omega=0$(直流)。它離那三個極點最近,所以曲線在這裡最高。
  • $z=-1$ 對應 $\omega=\pi$(最高頻)。它離極點最遠、離零點最近,所以曲線在這裡最低。

因此這組零極點配置是一個低通濾波器:低頻被極點抬起來,高頻被零點壓下去。把 (c) 沿著 $\omega$ 攤平就得到 (d),也就是平常看到的振幅響應圖。這正是下一節 §5.3.3「幾何求值」要精確化的東西。

補充:為什麼極點與零點成對出現?投影片在極點旁註明「cpx conj for real $g[n]$」。當 $g[n]$ 是實數序列時,$P(z)$ 與 $D(z)$ 的係數全是實數,而實係數多項式的複數根必定以共軛對出現($a\pm jb$)。所以零極點圖、以及圖 (b) 的整個曲面,都會對實軸上下對稱——(a) 裡那兩對斜放的 × 和 ○ 就是這個原因。反過來說,若你在設計時單獨放了一個複數極點而沒有放它的共軛,做出來的 $g[n]$ 一定是複數序列。

符號註記:本章沿用 $\xi_\ell$ 表示零點,投影片寫作 $\zeta_\ell$,兩者是同一個東西。

5.3.3 Geometric evaluation of the DTFT5.3.3 用幾何方法求 DTFT5.3.3 DTFT の幾何学的評価

Writing each factor at $z = e^{j\omega}$ as a vector difference gives a purely geometric recipe:

把 $z = e^{j\omega}$ 處的每個因子寫成向量差,就得到一個純幾何的做法:

$z = e^{j\omega}$ における各因子をベクトルの差として書けば、純粋に幾何学的な手順が得られる:

Geometric magnitude evaluation用幾何方式求振幅幾何学的な振幅の評価 $$\big|G(e^{j\omega})\big| = \left|\frac{p_0}{d_0}\right|\, \frac{\displaystyle\prod_{\ell=1}^{M}\big|e^{j\omega}-\xi_\ell\big|}{\displaystyle\prod_{\ell=1}^{N}\big|e^{j\omega}-\lambda_\ell\big|} = |K|\,\frac{\prod(\text{distances to zeros})}{\prod(\text{distances to poles})}$$

As $e^{j\omega}$ slides along the unit circle, the magnitude response peaks when it passes close to a pole (small denominator distance) and dips when it passes near a zero. Figure 5-5 demonstrates this for a resonator with poles at $0.9e^{\pm j\pi/4}$: the magnitude has a sharp peak near $\omega = \pi/4$.

當 $e^{j\omega}$ 沿著單位圓滑動時,只要靠近某個極點(分母的距離變小),振幅響應就出現峰值;靠近某個零點時則出現谷值。圖 5-5 以極點在 $0.9e^{\pm j\pi/4}$ 的共振器示範:振幅在 $\omega = \pi/4$ 附近有個尖峰。

$e^{j\omega}$ が単位円に沿って滑っていくとき、極の近くを通れば(分母側の距離が小さくなるので)振幅応答は峰をなし、零点の近くを通れば谷をなす。図 5-5 は $0.9e^{\pm j\pi/4}$ に極をもつ共振器でこれを示す:振幅は $\omega = \pi/4$ の近くで鋭い峰をもつ。

2026-06-12T22:21:53.889786 image/svg+xml Matplotlib v3.10.8, https://matplotlib.org/ −1 0 1 Re(z) −1.5 −1.0 −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 Im(z) (2) e^jω poles at 0.9e^±jπ/4, double zero at z = 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ω / π 0 1 2 3 4 5 6 7 |H(e^jω)| ω = π/4 magnitude response (peak near pole angle)
Fig. 5-5 — Geometric evaluation: poles at $0.9e^{\pm j\pi/4}$ (×) and a double zero at the origin (○). The green segments are the pole-to-$e^{j\omega}$ distance vectors; as $e^{j\omega}$ passes near the pole, the distance shrinks and $|H(e^{j\omega})|$ peaks near $\omega=\pi/4$.
圖 5-5 — 幾何求值:極點在 $0.9e^{\pm j\pi/4}$(×),原點有一個二重零點(○)。綠色線段是極點到 $e^{j\omega}$ 的距離向量;當 $e^{j\omega}$ 經過極點附近時距離變小,$|H(e^{j\omega})|$ 就在 $\omega=\pi/4$ 附近出現峰值(頻率響應在靠近極點的角度出現峰值,靠近零點的角度出現谷值)。
図 5-5 — 幾何学的評価:極は $0.9e^{\pm j\pi/4}$(×)、原点に二重零点(○)がある。緑の線分は極から $e^{j\omega}$ までの距離ベクトルである。$e^{j\omega}$ が極の近くを通ると距離が縮み、$|H(e^{j\omega})|$ は $\omega=\pi/4$ の付近で峰をなす。
Tip — read filters off the pole–zero plot
提醒 — 直接從零極點圖讀出濾波器類型
ヒント — 極零点配置図からフィルタの型を読み取る

Poles near the unit circle at angle $\omega_0$ → resonance/passband near $\omega_0$. Zeros on the unit circle at $\omega_1$ → a null at $\omega_1$. Poles clustered near $z=1$ (DC) → lowpass; near $z=-1$ ($\omega=\pi$) → highpass. MATLAB's zplane(b,a) draws this diagram directly from the coefficient vectors.

極點靠近單位圓、角度在 $\omega_0$ → 在 $\omega_0$ 附近出現共振/通帶。零點落在單位圓上、角度 $\omega_1$ → 在 $\omega_1$ 處出現凹陷(null)。極點聚集在 $z=1$(直流)附近 → 低通;聚集在 $z=-1$($\omega=\pi$)附近 → 高通。MATLAB 的 zplane(b,a) 可以直接用係數向量畫出這張圖。

角度 $\omega_0$ の位置で単位円に近い極 → $\omega_0$ 付近の共振/通過域。$\omega_1$ の位置で単位円上にある零点 → $\omega_1$ におけるヌル。$z=1$(直流)の近くに集まった極 → 低域通過;$z=-1$($\omega=\pi$)の近く → 高域通過。MATLAB の zplane(b,a) は係数ベクトルから直接この図を描いてくれる。

5.4 z-Transform Properties and Common Pairs5.4 z 轉換的性質與常用轉換對5.4 z 変換の性質と代表的な変換対

5.4.1 Common z-transform pairs5.4.1 常見的 z 轉換對5.4.1 代表的な z 変換対

$g[n]$$G(z)$ROC
$\delta[n]$$1$all $z$
$\delta[n-m]$$z^{-m}$all $z$ except $0$ ($m>0$) or $\infty$ ($m<0$)
$\mu[n]$$\dfrac{1}{1-z^{-1}}$$|z|>1$
$\alpha^n\mu[n]$$\dfrac{1}{1-\alpha z^{-1}}$$|z|>|\alpha|$
$-\alpha^n\mu[-n-1]$$\dfrac{1}{1-\alpha z^{-1}}$$|z|<|\alpha|$
$n\alpha^n\mu[n]$$\dfrac{\alpha z^{-1}}{(1-\alpha z^{-1})^2}$$|z|>|\alpha|$
$r^n\cos(\omega_0 n)\,\mu[n]$$\dfrac{1-r\cos(\omega_0)\,z^{-1}}{1-2r\cos(\omega_0)\,z^{-1}+r^2z^{-2}}$$|z|>r$
$r^n\sin(\omega_0 n)\,\mu[n]$$\dfrac{r\sin(\omega_0)\,z^{-1}}{1-2r\cos(\omega_0)\,z^{-1}+r^2z^{-2}}$$|z|>r$
$g[n]$$G(z)$ROC
$\delta[n]$$1$所有 $z$
$\delta[n-m]$$z^{-m}$所有 $z$,但 $m>0$ 時不含 $0$、$m<0$ 時不含 $\infty$
$\mu[n]$$\dfrac{1}{1-z^{-1}}$$|z|>1$
$\alpha^n\mu[n]$$\dfrac{1}{1-\alpha z^{-1}}$$|z|>|\alpha|$
$-\alpha^n\mu[-n-1]$$\dfrac{1}{1-\alpha z^{-1}}$$|z|<|\alpha|$
$n\alpha^n\mu[n]$$\dfrac{\alpha z^{-1}}{(1-\alpha z^{-1})^2}$$|z|>|\alpha|$
$r^n\cos(\omega_0 n)\,\mu[n]$$\dfrac{1-r\cos(\omega_0)\,z^{-1}}{1-2r\cos(\omega_0)\,z^{-1}+r^2z^{-2}}$$|z|>r$
$r^n\sin(\omega_0 n)\,\mu[n]$$\dfrac{r\sin(\omega_0)\,z^{-1}}{1-2r\cos(\omega_0)\,z^{-1}+r^2z^{-2}}$$|z|>r$
$g[n]$$G(z)$ROC
$\delta[n]$$1$すべての $z$
$\delta[n-m]$$z^{-m}$$0$($m>0$)または $\infty$($m<0$)を除くすべての $z$
$\mu[n]$$\dfrac{1}{1-z^{-1}}$$|z|>1$
$\alpha^n\mu[n]$$\dfrac{1}{1-\alpha z^{-1}}$$|z|>|\alpha|$
$-\alpha^n\mu[-n-1]$$\dfrac{1}{1-\alpha z^{-1}}$$|z|<|\alpha|$
$n\alpha^n\mu[n]$$\dfrac{\alpha z^{-1}}{(1-\alpha z^{-1})^2}$$|z|>|\alpha|$
$r^n\cos(\omega_0 n)\,\mu[n]$$\dfrac{1-r\cos(\omega_0)\,z^{-1}}{1-2r\cos(\omega_0)\,z^{-1}+r^2z^{-2}}$$|z|>r$
$r^n\sin(\omega_0 n)\,\mu[n]$$\dfrac{r\sin(\omega_0)\,z^{-1}}{1-2r\cos(\omega_0)\,z^{-1}+r^2z^{-2}}$$|z|>r$

The two sinusoidal pairs are each the sum of two complex-exponential terms with poles at $re^{\pm j\omega_0}$ — a conjugate pole pair. Real sequences always have poles and zeros in conjugate pairs (or on the real axis).

這兩個弦波轉換對,各自都是兩個複指數項的和,極點在 $re^{\pm j\omega_0}$ —— 也就是一組共軛極點對。實數序列的極點與零點永遠成共軛對出現(或落在實軸上)。

二つの正弦波の変換対は、いずれも $re^{\pm j\omega_0}$ に極をもつ二つの複素指数項の和である —— すなわち共役な極の対である。実数系列の極と零点は、つねに共役な対をなして(あるいは実軸上に)現れる。

5.4.2 z-Transform properties5.4.2 z 轉換的性質5.4.2 z 変換の性質

With $g[n] \leftrightarrow G(z)$ (ROC $\mathcal{R}_g$) and $h[n] \leftrightarrow H(z)$ (ROC $\mathcal{R}_h$):

設 $g[n] \leftrightarrow G(z)$(ROC 為 $\mathcal{R}_g$)、$h[n] \leftrightarrow H(z)$(ROC 為 $\mathcal{R}_h$):

$g[n] \leftrightarrow G(z)$(ROC は $\mathcal{R}_g$)および $h[n] \leftrightarrow H(z)$(ROC は $\mathcal{R}_h$)とすると:

Property$g[n]$ side$G(z)$ sideROC
Linearity$\alpha g[n]+\beta h[n]$$\alpha G(z)+\beta H(z)$at least $\mathcal{R}_g\cap\mathcal{R}_h$
Time shift$g[n-n_0]$$z^{-n_0}G(z)$$\mathcal{R}_g$ (except $0/\infty$)
Exponential scaling$\alpha^n g[n]$$G(z/\alpha)$$|\alpha|\,\mathcal{R}_g$
Time reversal$g[-n]$$G(1/z)$$1/\mathcal{R}_g$
Conjugation$g^*[n]$$G^*(z^*)$$\mathcal{R}_g$
Differentiation w.r.t. $z$$n\,g[n]$$-z\,\dfrac{dG(z)}{dz}$$\mathcal{R}_g$ (except $0/\infty$)
Convolution$g[n]\circledast h[n]$$G(z)\,H(z)$at least $\mathcal{R}_g\cap\mathcal{R}_h$
性質$g[n]$ 側$G(z)$ 側ROC
線性$\alpha g[n]+\beta h[n]$$\alpha G(z)+\beta H(z)$至少為 $\mathcal{R}_g\cap\mathcal{R}_h$
時間平移$g[n-n_0]$$z^{-n_0}G(z)$$\mathcal{R}_g$($0/\infty$ 可能例外)
指數加權$\alpha^n g[n]$$G(z/\alpha)$$|\alpha|\,\mathcal{R}_g$
時間反轉$g[-n]$$G(1/z)$$1/\mathcal{R}_g$
取共軛$g^*[n]$$G^*(z^*)$$\mathcal{R}_g$
對 $z$ 微分$n\,g[n]$$-z\,\dfrac{dG(z)}{dz}$$\mathcal{R}_g$($0/\infty$ 可能例外)
摺積$g[n]\circledast h[n]$$G(z)\,H(z)$至少為 $\mathcal{R}_g\cap\mathcal{R}_h$
性質$g[n]$ 側$G(z)$ 側ROC
線形性$\alpha g[n]+\beta h[n]$$\alpha G(z)+\beta H(z)$少なくとも $\mathcal{R}_g\cap\mathcal{R}_h$
時間シフト$g[n-n_0]$$z^{-n_0}G(z)$$\mathcal{R}_g$($0/\infty$ を除く)
指数による重み付け$\alpha^n g[n]$$G(z/\alpha)$$|\alpha|\,\mathcal{R}_g$
時間反転$g[-n]$$G(1/z)$$1/\mathcal{R}_g$
複素共役$g^*[n]$$G^*(z^*)$$\mathcal{R}_g$
$z$ に関する微分$n\,g[n]$$-z\,\dfrac{dG(z)}{dz}$$\mathcal{R}_g$($0/\infty$ を除く)
畳み込み$g[n]\circledast h[n]$$G(z)\,H(z)$少なくとも $\mathcal{R}_g\cap\mathcal{R}_h$
Key — convolution becomes multiplication
重點 — 摺積變成相乘
要点 — 畳み込みは掛け算になる

$y[n] = h[n]\circledast x[n] \;\Longleftrightarrow\; Y(z) = H(z)\,X(z)$, with $\mathcal{R}_y \supseteq \mathcal{R}_h\cap\mathcal{R}_x$. The ROC of $Y$ can be larger than the intersection when a zero of one transform cancels a pole of the other — this is exactly what happens in Homework problem 2.

$y[n] = h[n]\circledast x[n] \;\Longleftrightarrow\; Y(z) = H(z)\,X(z)$,且 $\mathcal{R}_y \supseteq \mathcal{R}_h\cap\mathcal{R}_x$。當其中一個轉換的零點把另一個的極點消掉時,$Y$ 的 ROC 可能比交集還大(極零相消會擴大 ROC)—— 作業第 2 題發生的正是這件事。

$y[n] = h[n]\circledast x[n] \;\Longleftrightarrow\; Y(z) = H(z)\,X(z)$ であり、$\mathcal{R}_y \supseteq \mathcal{R}_h\cap\mathcal{R}_x$ となる。一方の変換の零点が他方の極を打ち消すとき、$Y$ の ROC は共通部分より広くなりうる —— 宿題の問題 2 で起こるのが、まさにこれである。

Example 5-5 — ZT via properties: $g[n] = n\,(0.5)^n\,\mu[n]$
範例 5-5 — 用性質求 z 轉換:$g[n] = n\,(0.5)^n\,\mu[n]$
例題 5-5 — 性質を用いた z 変換:$g[n] = n\,(0.5)^n\,\mu[n]$
Start from the basic pair $(0.5)^n\mu[n] \leftrightarrow \dfrac{1}{1-0.5z^{-1}}$, ROC $|z|>0.5$.
從基本轉換對 $(0.5)^n\mu[n] \leftrightarrow \dfrac{1}{1-0.5z^{-1}}$ 出發,ROC 為 $|z|>0.5$。
基本の変換対 $(0.5)^n\mu[n] \leftrightarrow \dfrac{1}{1-0.5z^{-1}}$(ROC $|z|>0.5$)から出発する。
Apply differentiation: $n\,g_1[n] \leftrightarrow -z\dfrac{d}{dz}\Big[\dfrac{1}{1-0.5z^{-1}}\Big] = -z\cdot\dfrac{-0.5z^{-2}}{(1-0.5z^{-1})^2}$
套用微分性質:$n\,g_1[n] \leftrightarrow -z\dfrac{d}{dz}\Big[\dfrac{1}{1-0.5z^{-1}}\Big] = -z\cdot\dfrac{-0.5z^{-2}}{(1-0.5z^{-1})^2}$
微分の性質を適用する:$n\,g_1[n] \leftrightarrow -z\dfrac{d}{dz}\Big[\dfrac{1}{1-0.5z^{-1}}\Big] = -z\cdot\dfrac{-0.5z^{-2}}{(1-0.5z^{-1})^2}$
Result: $G(z) = \dfrac{0.5z^{-1}}{(1-0.5z^{-1})^2}$, ROC $|z|>0.5$ — matching the $n\alpha^n\mu[n]$ table entry.
結果:$G(z) = \dfrac{0.5z^{-1}}{(1-0.5z^{-1})^2}$,ROC 為 $|z|>0.5$ —— 與表中 $n\alpha^n\mu[n]$ 那一列一致。
結果:$G(z) = \dfrac{0.5z^{-1}}{(1-0.5z^{-1})^2}$、ROC $|z|>0.5$ —— 表の $n\alpha^n\mu[n]$ の行と一致する。
Example 5-6 — ZT of a two-sided sum: $g[n] = (0.5)^n\mu[n] + 2^n\mu[-n-1]$
範例 5-6 — 雙邊和的 z 轉換:$g[n] = (0.5)^n\mu[n] + 2^n\mu[-n-1]$
例題 5-6 — 両側の和の z 変換:$g[n] = (0.5)^n\mu[n] + 2^n\mu[-n-1]$
First term: $\dfrac{1}{1-0.5z^{-1}}$, ROC $|z|>0.5$. Second term: from the left-sided pair, $2^n\mu[-n-1] \leftrightarrow \dfrac{-1}{1-2z^{-1}}$, ROC $|z|<2$.
第一項:$\dfrac{1}{1-0.5z^{-1}}$,ROC 為 $|z|>0.5$。第二項:由左邊序列的轉換對,$2^n\mu[-n-1] \leftrightarrow \dfrac{-1}{1-2z^{-1}}$,ROC 為 $|z|<2$。
第 1 項:$\dfrac{1}{1-0.5z^{-1}}$、ROC $|z|>0.5$。第 2 項:左側系列の変換対から $2^n\mu[-n-1] \leftrightarrow \dfrac{-1}{1-2z^{-1}}$、ROC $|z|<2$。
By linearity: $$G(z) = \frac{1}{1-0.5z^{-1}} - \frac{1}{1-2z^{-1}} = \frac{-1.5z^{-1}}{(1-0.5z^{-1})(1-2z^{-1})}, \qquad 0.5 < |z| < 2$$
由線性性質: $$G(z) = \frac{1}{1-0.5z^{-1}} - \frac{1}{1-2z^{-1}} = \frac{-1.5z^{-1}}{(1-0.5z^{-1})(1-2z^{-1})}, \qquad 0.5 < |z| < 2$$
線形性により: $$G(z) = \frac{1}{1-0.5z^{-1}} - \frac{1}{1-2z^{-1}} = \frac{-1.5z^{-1}}{(1-0.5z^{-1})(1-2z^{-1})}, \qquad 0.5 < |z| < 2$$
The ROC is the ring between the two poles (Case 3 of §5.2.4); it contains the unit circle, so this two-sided sequence has a DTFT.
ROC 是兩個極點之間的圓環(§5.2.4 的情況 3);它包含單位圓,所以這個雙邊序列有 DTFT。
ROC は二つの極に挟まれた円環である(§5.2.4 の場合 3)。それは単位円を含むので、この両側系列には DTFT が存在する。

5.4.3 System function of an LCCDE; causality and stability5.4.3 差分方程式的系統函數;因果性與穩定性5.4.3 差分方程式のシステム関数;因果性と安定性

Apply the z-transform to a general linear constant-coefficient difference equation (LCCDE), using linearity and the time-shift property:

對一般的線性常係數差分方程式(LCCDE)取 z 轉換,用到線性與時間平移兩個性質:

一般の線形定係数差分方程式(LCCDE)に、線形性と時間シフトの性質を用いて z 変換を適用する:

From LCCDE to system function從差分方程式到系統函數差分方程式からシステム関数へ $$\sum_{k=0}^{N} d_k\, y[n-k] = \sum_{k=0}^{M} p_k\, x[n-k] \;\;\Longrightarrow\;\; H(z) = \frac{Y(z)}{X(z)} = \frac{\displaystyle\sum_{k=0}^{M} p_k z^{-k}}{\displaystyle\sum_{k=0}^{N} d_k z^{-k}} = \frac{P(z)}{D(z)}$$

$H(z) = \mathcal{Z}\{h[n]\}$ is the system function / transfer function. The coefficients of the difference equation are read off directly as the coefficients of the rational polynomials — feedback coefficients $d_k$ in the denominator, feed-forward coefficients $p_k$ in the numerator. This is why rational z-transforms are written in powers of $z^{-1}$: each $z^{-k}$ is a delay of $k$ samples.

$H(z) = \mathcal{Z}\{h[n]\}$ 稱為系統函數/轉移函數。差分方程式的係數可以直接讀成有理多項式的係數 —— 回授係數 $d_k$ 在分母,前饋係數 $p_k$ 在分子。這正是有理 z 轉換要寫成 $z^{-1}$ 冪次的原因:每一個 $z^{-k}$ 就是延遲 $k$ 個樣本。

$H(z) = \mathcal{Z}\{h[n]\}$ がシステム関数/伝達関数である。差分方程式の係数は、有理多項式の係数としてそのまま読み取れる —— 帰還係数 $d_k$ が分母に、前向き係数 $p_k$ が分子に現れる。有理 z 変換を $z^{-1}$ のべきで書くのはこのためである:$z^{-k}$ のそれぞれが、$k$ 標本の遅延そのものだからである。

Key — causality and stability from the ROC of H(z)
重點 — 從 H(z) 的 ROC 判斷因果性與穩定性
要点 — H(z) の ROC から因果性と安定性を読む
  • Causal ⟺ $h[n]$ right-sided starting at $n\ge 0$ ⟺ ROC is the exterior of the outermost pole and includes $z=\infty$.
  • Stable ⟺ $\sum_n |h[n]| < \infty$ ⟺ ROC includes the unit circle $|z|=1$.
  • Causal and stable ⟺ all poles strictly inside the unit circle (with ROC outside the outermost pole).
  • 因果 ⟺ $h[n]$ 是從 $n\ge 0$ 開始的右邊序列 ⟺ ROC 是最外側極點之外的區域,而且包含 $z=\infty$。
  • 穩定 ⟺ $\sum_n |h[n]| < \infty$ ⟺ ROC 包含單位圓 $|z|=1$。
  • 既因果又穩定 ⟺ 所有極點都嚴格落在單位圓內(且 ROC 在最外側極點之外)。
  • 因果的 ⟺ $h[n]$ が $n\ge 0$ から始まる右側系列 ⟺ ROC が最も外側の極の外部であり、しかも $z=\infty$ を含む。
  • 安定 ⟺ $\sum_n |h[n]| < \infty$ ⟺ ROC が単位円 $|z|=1$ を含む。
  • 因果的かつ安定 ⟺ すべての極が厳密に単位円の内側にある(ROC は最も外側の極の外部)。
直觀解釋(點擊展開)
因果性與穩定性都寫在 ROC 上:因果 ⇒ $h[n]$ 是右邊序列 ⇒ ROC 在最外圈極點之外;穩定 ⇒ $h[n]$ 絕對可和 ⇒ DTFT 存在 ⇒ ROC 包含單位圓。兩者要同時成立,唯一的辦法是所有極點都落在單位圓內。直覺上:每個極點 $\lambda$ 對因果系統貢獻一項 $\lambda^n\mu[n]$,$|\lambda|<1$ 才會衰減;只要有一個極點在圓上或圓外,脈衝響應就不收斂,系統就不穩定。
那為什麼 DSP 要討論非因果系統?控制系統幾乎只談因果(點擊展開)

真正的分界線不是「DSP 對控制」,而是即時處理(real-time)對離線處理(offline)。

控制系統為什麼幾乎只談因果。控制器是即時運作的:現在要輸出指令,手上只有現在與過去的量測值,不可能用到未來的值。所以控制理論通常直接假設系統因果,使用單邊拉普拉斯轉換或單邊 z 轉換,ROC 也就很少被特別討論——單邊轉換的 ROC 永遠是「某個圓之外」,沒有選擇的餘地。DSP 用的是雙邊 z 轉換,ROC 才成為必須指定的一半答案(§5.2.1)。

DSP 需要非因果的六個理由:

  1. 離線資料可以「看到未來」。處理錄好的音訊、醫學訊號或感測器紀錄時,整段資料都已存在硬碟上。算 $y[5]$ 時直接取用 $x[6]$、$x[7]$ 毫無困難。例如對稱移動平均 $$y[n] = \tfrac{1}{3}\big(x[n-1] + x[n] + x[n+1]\big)$$ 是非因果的,但離線處理完全可行。
  2. 影像的索引根本不是時間。二維影像的 $n$ 是像素位置,沒有「過去」與「未來」之分。模糊、銳化、邊緣偵測都是以像素為中心往兩邊取值,天生非因果。
  3. 零相位濾波。因果濾波器一定帶來相位延遲,會讓波形變形。先正向濾一次、再反向濾一次(MATLAB/SciPy 的 filtfilt)可得到零相位結果——只有離線才做得到。
  4. 理想濾波器本身就是非因果的。理想低通的脈衝響應是 sinc 函數,在 $n<0$ 也有值。實際設計時是先寫出這個非因果的理想響應,再截斷並延遲使它變成因果的。要看懂這個設計流程(第 14 章 FIR 設計),就必須先能處理非因果系統。
  5. 很多數學工具本身是雙邊的。例如自相關 $r_{gg}[\ell]$ 在 $\ell$ 的正負兩側對稱,本質上是雙邊序列。功率頻譜、相關函數這類分析都會碰到非因果序列。
  6. 求反系統時可能非要非因果不可。若系統有零點在單位圓外(非最小相位),其反系統就有極點在單位圓外;此時要讓反系統穩定,唯一的辦法是選擇反因果的 ROC(回到 §5.2.4 的四種組合)。通道等化與反摺積就是這種情形。

補充:延遲可以換來因果性。對有限長度的非因果濾波器,只要延遲足夠的樣本數就能變成因果的。上面的移動平均延遲一個樣本:

$$y[n] = \tfrac{1}{3}\big(x[n-2] + x[n-1] + x[n]\big)$$

代價是輸出晚了一個樣本。所以即時 DSP(通訊接收機、音訊處理)也能使用這類設計,只要能接受這段延遲(latency)。而控制系統對延遲非常敏感——延遲會讓回授迴路趨於不穩定——這也是控制理論更強調因果性的原因之一。

控制系統DSP
處理方式幾乎都是即時即時與離線都有
能否用未來資料不能離線時可以
對延遲的容忍度低(影響迴路穩定性)通常較高
常用的轉換單邊,預設因果雙邊,需要指定 ROC

所以 DSP 探討非因果系統,一方面是因為它真的有用,另一方面是為了讓 z 轉換的理論完整——也就是理解 ROC 如何決定「同一個 $G(z)$ 到底對應哪一個序列」。

5.5 The Inverse z-Transform5.5 反 z 轉換5.5 逆 z 変換

Three practical methods recover $g[n]$ from $G(z)$ + ROC. Method 1 is the formal definition; methods 2 and 3 are the ones actually used by hand.

有三種實用的方法可以從 $G(z)$ 加上 ROC 還原出 $g[n]$。方法 1 是形式上的定義;真正用手算的是方法 2 與 3。

$G(z)$ と ROC から $g[n]$ を取り戻す実用的な方法は三つある。方法 1 は形式的な定義であり、実際に手計算で使われるのは方法 2 と 3 である。

5.5.1 IZT #1 — Contour-integral definition (generalize the IDTFT)5.5.1 反轉換法 #1 — 圍線積分定義(推廣自反 DTFT)5.5.1 逆変換 #1 — 周回積分による定義(逆 DTFT の一般化)

On a circle $z = re^{j\omega}$ inside the ROC, $G(re^{j\omega})$ is the DTFT of $g[n]r^{-n}$. Applying the inverse DTFT to that weighted sequence and changing variables to $z$ gives:

在 ROC 內半徑為 $r$ 的圓 $z = re^{j\omega}$ 上,$G(re^{j\omega})$ 就是 $g[n]r^{-n}$ 的 DTFT。對這個加權序列做反 DTFT,再把變數換成 $z$,就得到:

ROC の内部にある円 $z = re^{j\omega}$ の上で、$G(re^{j\omega})$ は $g[n]r^{-n}$ の DTFT である。この重み付き系列に逆 DTFT を施し、変数を $z$ に変えると次を得る:

Inverse z-transform (synthesis equation)反 z 轉換(綜合方程式)逆 z 変換(合成式) $$g[n] = \frac{1}{2\pi j}\oint_{C} G(z)\, z^{\,n-1}\, dz$$

where $C$ is any counterclockwise closed contour inside the ROC encircling the origin. By the residue theorem this picks out the coefficient of $z^{-n}$ in the Laurent series. The contour integral is rarely computed directly — it justifies the easier methods below.

其中 $C$ 是 ROC 內任何一條圍住原點的逆時針封閉路徑。由留數定理,這個積分挑出的正是洛朗級數中 $z^{-n}$ 的係數。實務上很少直接算這個圍線積分 —— 它的作用是為下面比較好算的方法提供依據。

ここで $C$ は、ROC の内部にあって原点を囲む任意の反時計回りの閉路である。留数定理により、この積分はローラン級数における $z^{-n}$ の係数を取り出す。周回積分を直接計算することはまれである —— その役割は、以下のより易しい方法を正当化することにある。

完整推導:從反 DTFT 到圍線積分(點擊展開)

想法就是利用 §5.1.2 學過的事實:z 轉換就是 $g[n]r^{-n}$ 的 DTFT。所以只要做反 DTFT,再做一次變數代換就行了。

第 1 步:反 DTFT。前面已經知道

$$G(re^{j\omega}) = \sum_{n} \big(g[n]\,r^{-n}\big)\,e^{-j\omega n} = \mathrm{DTFT}\big\{g[n]\,r^{-n}\big\}$$

所以對 $G(re^{j\omega})$ 做反 DTFT(IDTFT),還原出來的就是 $g[n]r^{-n}$:

$$g[n]\,r^{-n} = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} G(re^{j\omega})\,e^{j\omega n}\,d\omega$$

這裡 $r$ 是固定的常數,而且必須選在 ROC 裡面,否則這個 DTFT 根本不存在。

第 2 步:變數代換 $z = re^{j\omega}$。$r$ 固定、只讓 $\omega$ 變化,需要換掉三樣東西。

  • (a) 微分 $d\omega$。對 $z = re^{j\omega}$ 求導:$dz = j\,re^{j\omega}\,d\omega = jz\,d\omega$,所以 $d\omega = \dfrac{dz}{jz}$。
  • (b) 指數 $e^{j\omega n}$。由 $z = re^{j\omega}$ 得 $e^{j\omega} = z/r$,所以 $e^{j\omega n} = \left(\dfrac{z}{r}\right)^{n} = z^{n}\,r^{-n}$。
  • (c) 積分路徑。$\omega$ 從 $-\pi$ 走到 $\pi$ 時,$z = re^{j\omega}$ 沿著半徑 $r$ 的圓逆時針繞一整圈。所以原本的定積分變成沿著圓 $C$ 的封閉路徑積分 $\oint_{C}$。

第 3 步:代入並整理。

$$g[n]\,r^{-n} = \frac{1}{2\pi}\oint_{C} G(z)\,z^{n}\,r^{-n}\,\frac{dz}{jz}$$

把 $\frac{1}{2\pi}$ 和 $\frac{1}{j}$ 合併成 $\frac{1}{2\pi j}$;$z^{n}\cdot z^{-1} = z^{\,n-1}$;$r^{-n}$ 是常數,提到積分外面:

$$g[n]\,r^{-n} = r^{-n}\cdot\frac{1}{2\pi j}\oint_{C} G(z)\,z^{\,n-1}\,dz$$

兩邊的 $r^{-n}$ 消掉,就得到綜合方程式:

$$\boxed{\;g[n] = \frac{1}{2\pi j}\oint_{C} G(z)\,z^{\,n-1}\,dz\;}$$

注意最後的答案裡完全看不到 $r$——只要 $C$ 落在 ROC 內,半徑選多少都得到同一個 $g[n]$,這正是柯西積分定理(路徑可在 ROC 內自由變形)的內容。

積分路徑 $C$ 的條件。$C$ 是以原點為圓心、半徑 $r$ 的圓,取逆時針方向,而且整個圓必須落在 ROC 內。選不同的 ROC,$C$ 所圍住的極點就不同,積出來的 $g[n]$ 也不同——這又一次說明了為什麼 ROC 一定要一起指定(§5.2.1)。

實際上怎麼算。這個積分可以用複變的留數定理(residue theorem)計算:

$$g[n] = \sum \Big[\,C \text{ 所圍住的極點處 } G(z)\,z^{\,n-1} \text{ 的留數}\,\Big]$$

不過在課堂與實務上,更常用的是部分分式展開(§5.5.4):把 $G(z)$ 拆成 $\dfrac{1}{1-\lambda z^{-1}}$ 這類項,再依 ROC 查表還原成 $\lambda^{n}\mu[n]$ 或 $-\lambda^{n}\mu[-n-1]$。這個積分公式主要是理論上的依據,用來保證反轉換確實存在而且唯一。

Warning — the $r^{-n}$ on the second line of the slides
注意 — 投影片第二行的 $r^{-n}$
注意 — スライド 2 行目の $r^{-n}$

On the second line of the derivation on the slides, the left-hand side is still written $g[n]\,r^{-n}$, but the $r^{-n}$ has already disappeared from the right-hand side. By the derivation above, $r^{-n}$ should be cancelled on both sides at once, so the integral on the right of that line is in fact $g[n]$ itself.

投影片推導的第二行,等號左邊仍寫成 $g[n]\,r^{-n}$,但右邊已經沒有 $r^{-n}$ 了。依照上面的推導,$r^{-n}$ 應該在兩邊同時消掉,所以該行右邊的積分結果其實就是 $g[n]$ 本身。

スライドの導出の 2 行目では、左辺はまだ $g[n]\,r^{-n}$ と書かれているが、右辺からは $r^{-n}$ が既に消えている。上の導出に従えば、$r^{-n}$ は両辺で同時に打ち消されるはずであり、その行の右辺の積分の結果は $g[n]$ そのものである。

5.5.2 Inspection(觀察法)5.5.2 觀察法5.5.2 観察法(觀察法)

Recognize table entries. Given $G(z) = \dfrac{1}{1-0.8z^{-1}}$ with ROC $|z|>0.8$, match to $\alpha^n\mu[n] \leftrightarrow \frac{1}{1-\alpha z^{-1}}$ and read off $g[n] = (0.8)^n\mu[n]$. The same $G(z)$ with ROC $|z|<0.8$ instead gives $g[n] = -(0.8)^n\mu[-n-1]$. The ROC decides which pair applies.

就是把表上的項認出來。給定 $G(z) = \dfrac{1}{1-0.8z^{-1}}$、ROC 為 $|z|>0.8$,對照 $\alpha^n\mu[n] \leftrightarrow \frac{1}{1-\alpha z^{-1}}$,直接讀出 $g[n] = (0.8)^n\mu[n]$。同一個 $G(z)$ 若 ROC 改成 $|z|<0.8$,得到的則是 $g[n] = -(0.8)^n\mu[-n-1]$。到底套用哪一個轉換對,由 ROC 決定。

表の項目を見分けるだけの方法である。$G(z) = \dfrac{1}{1-0.8z^{-1}}$ が ROC $|z|>0.8$ とともに与えられたら、$\alpha^n\mu[n] \leftrightarrow \frac{1}{1-\alpha z^{-1}}$ と照合して $g[n] = (0.8)^n\mu[n]$ と読み取る。同じ $G(z)$ でも ROC が $|z|<0.8$ であれば、得られるのは $g[n] = -(0.8)^n\mu[-n-1]$ である。どちらの変換対を当てはめるかは ROC が決める。

5.5.3 IZT #2 — Power series and long division(長除法)5.5.3 反轉換法 #2 — 冪級數與長除法5.5.3 逆変換 #2 — べき級数と長除法(長除法)

Since $G(z) = \sum_n g[n]z^{-n}$, expanding $G(z)$ into a power series in $z^{-1}$ (for a right-sided ROC) or in $z$ (left-sided ROC) reveals the samples one by one. For rational $G(z)$, the expansion is obtained by polynomial long division of the numerator by the denominator.

因為 $G(z) = \sum_n g[n]z^{-n}$,只要把 $G(z)$ 展開成 $z^{-1}$ 的冪級數(右邊序列的 ROC)或 $z$ 的冪級數(左邊序列的 ROC),樣本就會一個一個浮現出來。對有理的 $G(z)$,這個展開就是用分子除以分母做多項式長除法。

$G(z) = \sum_n g[n]z^{-n}$ であるから、$G(z)$ を $z^{-1}$ のべき級数に(右側系列の ROC の場合)、あるいは $z$ のべき級数に(左側系列の ROC の場合)展開すれば、標本が一つずつ姿を現す。有理な $G(z)$ については、この展開は分子を分母で割る多項式の長除法によって得られる。

Example 5-7 — Long division of $H(z) = \dfrac{1+2z^{-1}}{1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2}}$, ROC $|z|>0.6$
範例 5-7 — 對 $H(z) = \dfrac{1+2z^{-1}}{1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2}}$ 做長除法,ROC $|z|>0.6$
例題 5-7 — $H(z) = \dfrac{1+2z^{-1}}{1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2}}$ の長除法、ROC $|z|>0.6$
ROC is outside the outermost pole → right-sided → divide to obtain ascending powers of $z^{-1}$.
ROC 在最外側極點之外 → 右邊序列 → 除出 $z^{-1}$ 的升冪展開。
ROC は最も外側の極の外側 → 右側系列 → $z^{-1}$ の昇べきが出るように割る。
Step 1: $1+2z^{-1} \div (1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2})$ → first quotient term $1$; remainder $1.6z^{-1}+0.12z^{-2}$.
第 1 步:$1+2z^{-1} \div (1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2})$ → 商的第一項為 $1$;餘式為 $1.6z^{-1}+0.12z^{-2}$。
ステップ 1:$1+2z^{-1} \div (1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2})$ → 商の第 1 項は $1$、余りは $1.6z^{-1}+0.12z^{-2}$。
Step 2: next term $1.6z^{-1}$; remainder $(0.12+0.64-0.52\ldots)$ → $-0.52z^{-2}$ term, and so on: $$H(z) = 1 + 1.6z^{-1} - 0.52z^{-2} + 0.4z^{-3} - \cdots$$
第 2 步:下一項是 $1.6z^{-1}$;餘式 $(0.12+0.64-0.52\ldots)$ → 得到 $-0.52z^{-2}$ 這一項,依此類推: $$H(z) = 1 + 1.6z^{-1} - 0.52z^{-2} + 0.4z^{-3} - \cdots$$
ステップ 2:次の項は $1.6z^{-1}$、余りは $(0.12+0.64-0.52\ldots)$ → $-0.52z^{-2}$ の項が出る。以下同様に: $$H(z) = 1 + 1.6z^{-1} - 0.52z^{-2} + 0.4z^{-3} - \cdots$$
Read off $h[n] = \{\,\underline{1},\ 1.6,\ -0.52,\ 0.4,\ \ldots\,\}$ starting at $n=0$. Long division gives numeric samples quickly but no closed form.
從 $n=0$ 開始讀出 $h[n] = \{\,\underline{1},\ 1.6,\ -0.52,\ 0.4,\ \ldots\,\}$。長除法可以很快得到數值樣本,但看不出封閉式。
$n=0$ から始めて $h[n] = \{\,\underline{1},\ 1.6,\ -0.52,\ 0.4,\ \ldots\,\}$ と読み取る。長除法は数値の標本をすばやく与えるが、閉じた形は得られない。

5.5.4 IZT #3 — Partial fractions(部分分式)5.5.4 反轉換法 #3 — 部分分式5.5.4 逆変換 #3 — 部分分数展開(部分分式)

The workhorse method: rearrange $G(z)$ as a sum of terms recognized as simple z-transforms — especially $\dfrac{1}{1-\alpha z^{-1}} \leftrightarrow \alpha^n\mu[n]$ (or its left-sided twin). For $F(z) = \dfrac{P(z)}{\prod_{\ell=1}^{N}(1-\lambda_\ell z^{-1})}$ with order of $P(z)$ less than $N$ and no repeated poles:

這是最常用的主力方法:把 $G(z)$ 重新整理成一堆認得出來的簡單 z 轉換之和 —— 特別是 $\dfrac{1}{1-\alpha z^{-1}} \leftrightarrow \alpha^n\mu[n]$(或它的左邊版本)。對 $F(z) = \dfrac{P(z)}{\prod_{\ell=1}^{N}(1-\lambda_\ell z^{-1})}$,其中 $P(z)$ 的階數小於 $N$ 且沒有重根:

主力となる方法である:$G(z)$ を単純な z 変換として見分けられる項の和に組み替える —— とりわけ $\dfrac{1}{1-\alpha z^{-1}} \leftrightarrow \alpha^n\mu[n]$(あるいはその左側版)の形にする。$P(z)$ の次数が $N$ より小さく、重複する極をもたない $F(z) = \dfrac{P(z)}{\prod_{\ell=1}^{N}(1-\lambda_\ell z^{-1})}$ については:

Partial-fraction expansion and residues部分分式展開與留數部分分数展開と留数 $$F(z) = \sum_{\ell=1}^{N} \frac{\rho_\ell}{1-\lambda_\ell z^{-1}}, \qquad \rho_\ell = \big(1-\lambda_\ell z^{-1}\big)\,F(z)\Big|_{z=\lambda_\ell} \qquad\Longrightarrow\qquad f[n] = \sum_{\ell=1}^{N} \rho_\ell\,(\lambda_\ell)^n\,\mu[n] \;\;\text{(if ROC } |z|>\text{all } |\lambda_\ell|)$$

The residue $\rho_\ell$ is found by covering up the pole's own factor and evaluating everything else at $z=\lambda_\ell$ — the cancelled factor is "dominated" by the remaining terms. Bookkeeping rules:

留數 $\rho_\ell$ 的求法是把該極點自己的因子遮起來,其餘部分代入 $z=\lambda_\ell$ 求值—— 被消掉的因子在極點附近被其餘項「主導」。幾條記帳規則:

留数 $\rho_\ell$ は、その極自身の因子を覆い隠し、残りを $z=\lambda_\ell$ で評価すれば求まる —— 消された因子は残りの項に「支配される」。帳簿づけの規則は次のとおり:

Example 5-8 — Partial fractions on the same $H(z) = \dfrac{1+2z^{-1}}{1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2}}$
範例 5-8 — 對同一個 $H(z) = \dfrac{1+2z^{-1}}{1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2}}$ 用部分分式
例題 5-8 — 同じ $H(z) = \dfrac{1+2z^{-1}}{1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2}}$ を部分分数展開で解く
Factor: $1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2} = (1+0.6z^{-1})(1-0.2z^{-1})$ — poles at $\lambda_1 = -0.6$, $\lambda_2 = 0.2$.
因式分解:$1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2} = (1+0.6z^{-1})(1-0.2z^{-1})$ —— 極點在 $\lambda_1 = -0.6$、$\lambda_2 = 0.2$。
因数分解:$1+0.4z^{-1}-0.12z^{-2} = (1+0.6z^{-1})(1-0.2z^{-1})$ —— 極は $\lambda_1 = -0.6$ と $\lambda_2 = 0.2$ にある。
Residues (cover-up rule): $$\rho_1 = \frac{1+2z^{-1}}{1-0.2z^{-1}}\bigg|_{z=-0.6} = \frac{1+2(-\tfrac{1}{0.6})}{1-0.2(-\tfrac{1}{0.6})} = \frac{-2.333}{1.333} = -1.75, \qquad \rho_2 = \frac{1+2z^{-1}}{1+0.6z^{-1}}\bigg|_{z=0.2} = \frac{1+10}{1+3} = 2.75$$
留數(遮蓋法): $$\rho_1 = \frac{1+2z^{-1}}{1-0.2z^{-1}}\bigg|_{z=-0.6} = \frac{1+2(-\tfrac{1}{0.6})}{1-0.2(-\tfrac{1}{0.6})} = \frac{-2.333}{1.333} = -1.75, \qquad \rho_2 = \frac{1+2z^{-1}}{1+0.6z^{-1}}\bigg|_{z=0.2} = \frac{1+10}{1+3} = 2.75$$
留数(覆い隠し法): $$\rho_1 = \frac{1+2z^{-1}}{1-0.2z^{-1}}\bigg|_{z=-0.6} = \frac{1+2(-\tfrac{1}{0.6})}{1-0.2(-\tfrac{1}{0.6})} = \frac{-2.333}{1.333} = -1.75, \qquad \rho_2 = \frac{1+2z^{-1}}{1+0.6z^{-1}}\bigg|_{z=0.2} = \frac{1+10}{1+3} = 2.75$$
Hence $H(z) = \dfrac{-1.75}{1+0.6z^{-1}} + \dfrac{2.75}{1-0.2z^{-1}}$. With ROC $|z|>0.6$ (causal $h[n]$): $$\boxed{\,h[n] = -1.75\,(-0.6)^n\,\mu[n] + 2.75\,(0.2)^n\,\mu[n]\,}$$
於是 $H(z) = \dfrac{-1.75}{1+0.6z^{-1}} + \dfrac{2.75}{1-0.2z^{-1}}$。ROC 為 $|z|>0.6$(因果的 $h[n]$): $$\boxed{\,h[n] = -1.75\,(-0.6)^n\,\mu[n] + 2.75\,(0.2)^n\,\mu[n]\,}$$
したがって $H(z) = \dfrac{-1.75}{1+0.6z^{-1}} + \dfrac{2.75}{1-0.2z^{-1}}$ となる。ROC $|z|>0.6$(因果的な $h[n]$)のとき: $$\boxed{\,h[n] = -1.75\,(-0.6)^n\,\mu[n] + 2.75\,(0.2)^n\,\mu[n]\,}$$
Check against long division: $h[0]=-1.75+2.75=1$, $h[1]=1.05+0.55=1.6$, $h[2]=-0.63-(-0.11)=-0.52$ … = $\{1,\ 1.6,\ -0.52,\ 0.4,\ldots\}$ — the same as Example 5-7, but now in closed form.
與長除法對照:$h[0]=-1.75+2.75=1$、$h[1]=1.05+0.55=1.6$、$h[2]=-0.63-(-0.11)=-0.52$ … = $\{1,\ 1.6,\ -0.52,\ 0.4,\ldots\}$ —— 和範例 5-7 完全相同,只是現在有了封閉式。
長除法との照合:$h[0]=-1.75+2.75=1$、$h[1]=1.05+0.55=1.6$、$h[2]=-0.63-(-0.11)=-0.52$ … = $\{1,\ 1.6,\ -0.52,\ 0.4,\ldots\}$ —— 例題 5-7 と同じであり、しかも今度は閉じた形で得られている。
2026-06-12T22:21:53.994058 image/svg+xml Matplotlib v3.10.8, https://matplotlib.org/ 0 2 4 6 8 10 n −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 h[n] h[n] = −1.75(−0.6)^n μ[n] + 2.75(0.2)^n μ[n]
Fig. 5-6 — Impulse response of Examples 5-7/5-8: $h[n] = -1.75(-0.6)^n\mu[n] + 2.75(0.2)^n\mu[n]$. The first samples $\{1, 1.6, -0.52, 0.4, \ldots\}$ agree with the long-division expansion; the alternating decay comes from the negative pole at $-0.6$.
圖 5-6 — 範例 5-7/5-8 的脈衝響應:$h[n] = -1.75(-0.6)^n\mu[n] + 2.75(0.2)^n\mu[n]$。前幾個樣本 $\{1, 1.6, -0.52, 0.4, \ldots\}$ 與長除法展開一致;正負交替的衰減來自 $-0.6$ 這個負極點。
図 5-6 — 例題 5-7/5-8 のインパルス応答:$h[n] = -1.75(-0.6)^n\mu[n] + 2.75(0.2)^n\mu[n]$。最初の数標本 $\{1, 1.6, -0.52, 0.4, \ldots\}$ は長除法の展開と一致する。符号が交互に変わる減衰は、$-0.6$ にある負の極から来ている。
Example 5-9 — two simple poles: $F(z) = \dfrac{1}{(1-0.5z^{-1})(1-0.25z^{-1})}$, ROC $|z|>0.5$
範例 5-9 — 兩個單極點:$F(z) = \dfrac{1}{(1-0.5z^{-1})(1-0.25z^{-1})}$,ROC $|z|>0.5$
例題 5-9 — 二つの単純な極:$F(z) = \dfrac{1}{(1-0.5z^{-1})(1-0.25z^{-1})}$、ROC $|z|>0.5$
Residue at $\lambda_1 = 0.5$ (cover up its own factor, then set $z=0.5$, i.e. $z^{-1}=2$): $$\rho_1 = \frac{1}{1-0.25z^{-1}}\bigg|_{z^{-1}=2} = \frac{1}{1-0.5} = \frac{1}{0.5} = 2$$
$\lambda_1 = 0.5$ 處的留數(遮掉它自己的因子,再代入 $z=0.5$,也就是 $z^{-1}=2$): $$\rho_1 = \frac{1}{1-0.25z^{-1}}\bigg|_{z^{-1}=2} = \frac{1}{1-0.5} = \frac{1}{0.5} = 2$$
$\lambda_1 = 0.5$ における留数(自身の因子を覆い隠し、$z=0.5$ すなわち $z^{-1}=2$ とおく): $$\rho_1 = \frac{1}{1-0.25z^{-1}}\bigg|_{z^{-1}=2} = \frac{1}{1-0.5} = \frac{1}{0.5} = 2$$
Residue at $\lambda_2 = 0.25$ (cover up its factor, then set $z^{-1}=4$): $$\rho_2 = \frac{1}{1-0.5z^{-1}}\bigg|_{z^{-1}=4} = \frac{1}{1-2} = \frac{1}{-1} = -1$$
$\lambda_2 = 0.25$ 處的留數(遮掉它的因子,再代入 $z^{-1}=4$): $$\rho_2 = \frac{1}{1-0.5z^{-1}}\bigg|_{z^{-1}=4} = \frac{1}{1-2} = \frac{1}{-1} = -1$$
$\lambda_2 = 0.25$ における留数(その因子を覆い隠し、$z^{-1}=4$ とおく): $$\rho_2 = \frac{1}{1-0.5z^{-1}}\bigg|_{z^{-1}=4} = \frac{1}{1-2} = \frac{1}{-1} = -1$$
Hence $F(z) = \dfrac{2}{1-0.5z^{-1}} - \dfrac{1}{1-0.25z^{-1}}$, and with the ROC outside both poles every term is right-sided: $$\boxed{\,f[n] = \big(2\,(0.5)^n - (0.25)^n\big)\,\mu[n]\,}$$
於是 $F(z) = \dfrac{2}{1-0.5z^{-1}} - \dfrac{1}{1-0.25z^{-1}}$,而 ROC 在兩個極點之外,所以每一項都是右邊序列: $$\boxed{\,f[n] = \big(2\,(0.5)^n - (0.25)^n\big)\,\mu[n]\,}$$
したがって $F(z) = \dfrac{2}{1-0.5z^{-1}} - \dfrac{1}{1-0.25z^{-1}}$ となり、ROC は両方の極の外側なので、どの項も右側系列である: $$\boxed{\,f[n] = \big(2\,(0.5)^n - (0.25)^n\big)\,\mu[n]\,}$$
Check: $f[0] = 2-1 = 1$ and $f[1] = 1-0.25 = 0.75$. Multiplying the two geometric series directly, $(1+0.5z^{-1}+\cdots)(1+0.25z^{-1}+\cdots)$, the coefficient of $z^{-1}$ is $0.5+0.25 = 0.75$ — the same.
檢查:$f[0] = 2-1 = 1$、$f[1] = 1-0.25 = 0.75$。直接把兩個等比級數相乘 $(1+0.5z^{-1}+\cdots)(1+0.25z^{-1}+\cdots)$,$z^{-1}$ 的係數是 $0.5+0.25 = 0.75$ —— 兩種算法一致。
検算:$f[0] = 2-1 = 1$、$f[1] = 1-0.25 = 0.75$ である。二つの等比級数 $(1+0.5z^{-1}+\cdots)(1+0.25z^{-1}+\cdots)$ を直接掛け合わせると、$z^{-1}$ の係数は $0.5+0.25 = 0.75$ となり、同じ値になる。
為什麼 $\rho_\ell$ 就是「留數」?完整說明(點擊展開)

整體流程。部分分式法的精神:任何有理 $F(z)$ 都是「每個極點各出一項」的疊加,而每一項 $\dfrac{\rho_\ell}{1-\lambda_\ell z^{-1}}$ 正是我們最熟悉的指數序列,可以直接查表還原:

$$\frac{\rho_\ell}{1-\lambda_\ell z^{-1}} \;\longrightarrow\; \rho_\ell\,(\lambda_\ell)^{n}\,\mu[n] \qquad\Longrightarrow\qquad f[n] = \sum_{\ell=1}^{N}\rho_\ell\,(\lambda_\ell)^{n}\,\mu[n]$$

這裡一律寫成 $\mu[n]$,是預設 ROC 為 $|z|>\max_\ell|\lambda_\ell|$(因果序列)。若 ROC 不同,落在圓外的那些極點要改成 $-\rho_\ell\lambda_\ell^{\,n}\mu[-n-1]$(見上面第三條規則)。

為什麼 $\rho_\ell$ 的公式成立。以 $\rho_1$ 為例,把展開式兩邊同乘 $(1-\lambda_1 z^{-1})$:

$$(1-\lambda_1 z^{-1})F(z) = \rho_1 + \rho_2\frac{1-\lambda_1 z^{-1}}{1-\lambda_2 z^{-1}} + \rho_3\frac{1-\lambda_1 z^{-1}}{1-\lambda_3 z^{-1}} + \cdots$$

再代入 $z=\lambda_1$。此時 $1-\lambda_1 z^{-1}=0$,右邊除了 $\rho_1$ 以外的每一項都帶著這個因子,全部變成 $0$:

$$\rho_1 = \big(1-\lambda_1 z^{-1}\big)F(z)\Big|_{z=\lambda_1}$$

左邊乘上 $(1-\lambda_1 z^{-1})$ 的作用,就是把 $F(z)$ 分母中那個會變成 $0$ 的因子消掉(投影片寫的 “cancels term in denominator”),這樣代入 $z=\lambda_1$ 時才不會出現 $0/0$。這也就是「遮蓋法」名稱的由來。

“dominates = residue” 是什麼意思。當 $z$ 非常接近某個極點 $\lambda_\ell$ 時,展開式中只有 $\dfrac{\rho_\ell}{1-\lambda_\ell z^{-1}}$ 這一項會趨近無限大,其他項都還是有限值。所以在極點附近

$$F(z) \approx \frac{\rho_\ell}{1-\lambda_\ell z^{-1}}$$

$F(z)$ 的行為由這一項主導(dominates),而 $\rho_\ell$ 就是這個極點的「強度」,稱為留數(residue)。

和 §5.5.1 圍線積分的連結。反轉換的定義式是

$$f[n] = \frac{1}{2\pi j}\oint_{C} F(z)\,z^{\,n-1}\,dz = \sum \Big[\,C \text{ 內極點處 } F(z)z^{\,n-1} \text{ 的留數}\,\Big]$$

而在極點 $\lambda_\ell$ 附近

$$F(z)\,z^{\,n-1} \approx \frac{\rho_\ell}{1-\lambda_\ell z^{-1}}\,z^{\,n-1} = \frac{\rho_\ell\,z^{n}}{z-\lambda_\ell}$$

它在 $z=\lambda_\ell$ 的留數正是 $\rho_\ell\lambda_\ell^{\,n}$——剛好就是 $f[n]$ 裡的那一項。所以部分分式展開和留數定理其實是同一件事,部分分式只是比較好算的版本。

(嚴格說,複變定義的留數是 Laurent 展開中 $1/(z-\lambda)$ 的係數,$F(z)$ 本身在 $\lambda_\ell$ 的留數是 $\rho_\ell\lambda_\ell$。投影片把 $\rho_\ell$ 直接叫做留數是較寬鬆的說法,重點在於它代表該極點的權重。)

投影片上的兩個條件,對應上面的兩條規則。

  • $P(z)$ 的階數最多 $N-1$:$F(z)$ 必須是真分式。若不是,先做長除法把多出來的多項式部分分出來,它在時域對應有限長度的脈衝項 $c_r\delta[n-r]$。
  • 沒有重根極點:若某個極點重複,例如 $(1-\lambda z^{-1})^2$,就要額外加入 $\dfrac{A_k}{(1-\lambda z^{-1})^k}$ 這類項,係數要用微分的方式求,時域中會出現 $n\lambda^{n}$ 這種項。

5.6 Summary5.6 本章總結5.6 まとめ

Definition & DTFT link定義與 DTFT 的連結定義 & DTFT との結びつき
$G(z)=\sum_n g[n]z^{-n}$, $z\in\mathbb{C}$. On $|z|=1$: $G(e^{j\omega})$ = DTFT. $G(re^{j\omega})$ = DTFT of $g[n]r^{-n}$ — the weight $r^{-n}$ buys convergence for non-summable signals.$G(z)=\sum_n g[n]z^{-n}$,$z\in\mathbb{C}$。在 $|z|=1$ 上:$G(e^{j\omega})$ 就是 DTFT。$G(re^{j\omega})$ 則是 $g[n]r^{-n}$ 的 DTFT —— 權重 $r^{-n}$ 讓原本不可和的訊號也能收斂。$G(z)=\sum_n g[n]z^{-n}$、$z\in\mathbb{C}$。$|z|=1$ の上では $G(e^{j\omega})$ が DTFT である。$G(re^{j\omega})$ は $g[n]r^{-n}$ の DTFT であり —— 重み $r^{-n}$ が、可和でない信号にも収束をもたらす。
ROC rulesROC 規則ROC の規則
Always a circular region bounded by poles; never contains a pole. Right-sided → outside outermost pole; left-sided → inside innermost; two-sided → annulus; finite-length → all $z$ (except $0/\infty$). A ZT without ROC is incomplete.永遠是以極點為界的圓形區域,絕不包含極點。右邊序列 → 最外極點之外;左邊序列 → 最內極點之內;雙邊序列 → 圓環;有限長度 → 所有 $z$($0/\infty$ 可能除外)。沒寫 ROC 的 z 轉換是不完整的。つねに極で区切られた円形の領域であり、極を決して含まない。右側系列 → 最も外側の極の外;左側系列 → 最も内側の極の内;両側系列 → 円環;有限長 → すべての $z$($0/\infty$ を除く)。ROC のない z 変換は不完全である。
Essential pairs必背轉換對必ず覚える変換対
$\delta[n]\leftrightarrow 1$; $\alpha^n\mu[n]\leftrightarrow\frac{1}{1-\alpha z^{-1}},\,|z|>|\alpha|$; $-\alpha^n\mu[-n-1]\leftrightarrow$ same formula, $|z|<|\alpha|$; $n\alpha^n\mu[n]\leftrightarrow\frac{\alpha z^{-1}}{(1-\alpha z^{-1})^2}$.$\delta[n]\leftrightarrow 1$;$\alpha^n\mu[n]\leftrightarrow\frac{1}{1-\alpha z^{-1}},\,|z|>|\alpha|$;$-\alpha^n\mu[-n-1]\leftrightarrow$ 同一式,但 $|z|<|\alpha|$;$n\alpha^n\mu[n]\leftrightarrow\frac{\alpha z^{-1}}{(1-\alpha z^{-1})^2}$。$\delta[n]\leftrightarrow 1$;$\alpha^n\mu[n]\leftrightarrow\frac{1}{1-\alpha z^{-1}},\,|z|>|\alpha|$;$-\alpha^n\mu[-n-1]\leftrightarrow$ 同じ式だが $|z|<|\alpha|$;$n\alpha^n\mu[n]\leftrightarrow\frac{\alpha z^{-1}}{(1-\alpha z^{-1})^2}$。
Key properties重要性質主要な性質
Shift → $z^{-n_0}$; $\alpha^n g[n]\to G(z/\alpha)$; $g[-n]\to G(1/z)$; $ng[n]\to -z\,dG/dz$; convolution → product. ROCs intersect (and may grow via pole–zero cancellation).平移 → $z^{-n_0}$;$\alpha^n g[n]\to G(z/\alpha)$;$g[-n]\to G(1/z)$;$ng[n]\to -z\,dG/dz$;摺積 → 相乘。ROC 取交集(並可能因極零相消而變大)。シフト → $z^{-n_0}$;$\alpha^n g[n]\to G(z/\alpha)$;$g[-n]\to G(1/z)$;$ng[n]\to -z\,dG/dz$;畳み込み → 積。ROC は共通部分をとる(極零点の相殺によって広がることもある)。
System function系統函數システム関数
LCCDE $\sum d_k y[n-k]=\sum p_k x[n-k]$ ⟺ $H(z)=P(z)/D(z)$. Causal ⟺ ROC outside outermost pole; stable ⟺ ROC ⊇ unit circle; both ⟺ all poles inside $|z|=1$.差分方程式 $\sum d_k y[n-k]=\sum p_k x[n-k]$ ⟺ $H(z)=P(z)/D(z)$。因果 ⟺ ROC 在最外極點之外;穩定 ⟺ ROC ⊇ 單位圓;兩者皆是 ⟺ 所有極點都在 $|z|=1$ 之內。差分方程式 $\sum d_k y[n-k]=\sum p_k x[n-k]$ ⟺ $H(z)=P(z)/D(z)$。因果的 ⟺ ROC が最も外側の極の外;安定 ⟺ ROC ⊇ 単位円;その両方 ⟺ すべての極が $|z|=1$ の内側。
Inverse z-transform反 z 轉換逆 z 変換
(1) contour integral $\frac{1}{2\pi j}\oint G(z)z^{n-1}dz$ — formal; (2) long division — numeric samples; (3) partial fractions $\sum \rho_\ell/(1-\lambda_\ell z^{-1})$ with cover-up residues — closed form. ROC picks right/left side per pole.(1) 圍線積分 $\frac{1}{2\pi j}\oint G(z)z^{n-1}dz$ —— 形式上的定義;(2) 長除法 —— 得到數值樣本;(3) 部分分式 $\sum \rho_\ell/(1-\lambda_\ell z^{-1})$ 搭配遮蓋法求留數 —— 得到封閉式。每個極點取右邊還是左邊,由 ROC 決定。(1) 周回積分 $\frac{1}{2\pi j}\oint G(z)z^{n-1}dz$ —— 形式的な定義;(2) 長除法 —— 数値としての標本;(3) 覆い隠し法の留数による部分分数展開 $\sum \rho_\ell/(1-\lambda_\ell z^{-1})$ —— 閉じた形。極ごとに右側か左側かは ROC が決める。

Exercises習題演習問題

All three problems of ICE503 DSP Homework #5, restated with complete worked solutions.

ICE503 DSP 作業 #5 的三道題目,重新敘述並附完整解答。(原題的 "LTE/LCCDE" 拼寫依文意更正為 LTI 系統與脈衝響應。)

ICE503 DSP 宿題 #5 の三題すべてを、完全な解答つきで述べ直したものである。

Exercise 1 — Block diagram → H(z), h[n], difference equation習題 1 — 由方塊圖求 H(z)、h[n] 與差分方程式演習 1 — ブロック図 → H(z)、h[n]、差分方程式

Problem: The block diagram of a causal LTI system is shown below.

題目:下圖是一個因果 LTI 系統的方塊圖。

問題:因果的な LTI システムのブロック図を以下に示す。

x[n] v[n] 2 y[n] z⁻¹ 0.45 −0.1 z⁻¹ 0.12
Figure (Ex. 1) — Block diagram of the LTI system (direct form II: feedback taps −0.1, 0.12; feed-forward taps 2, 0.45).
圖(習題 1) — 該 LTI 系統的方塊圖(直接形式 II:回授分接 −0.1、0.12;前饋分接 2、0.45)。
図(演習 1) — この LTI システムのブロック図(直接形 II:帰還タップ −0.1、0.12;前向きタップ 2、0.45)。

(a) Write the rational polynomials of the system $H(z)$.
(b) Use partial fractions to find the impulse response $h[n]$ of this system.
(c) Write the difference equation that characterizes the system with $x[n]$ and $y[n]$.

(a) 寫出此系統 $H(z)$ 的有理多項式。
(b) 用部分分式求出系統的脈衝響應 $h[n]$。
(c) 寫出以 $x[n]$ 與 $y[n]$ 描述此系統的差分方程式。

(a) このシステム $H(z)$ の有理多項式を書け。
(b) 部分分数展開を用いて、このシステムのインパルス応答 $h[n]$ を求めよ。
(c) $x[n]$ と $y[n]$ によってこのシステムを特徴づける差分方程式を書け。

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(a) Label the output of the first adder $v[n]$ (as marked). The two delays produce $v[n-1]$ and $v[n-2]$. Tracing the adders:

(a) 把第一個加法器的輸出標成 $v[n]$(如圖所示)。兩個延遲器分別給出 $v[n-1]$ 與 $v[n-2]$。沿著加法器追下去:

(a) 最初の加算器の出力を $v[n]$ とおく(図に示したとおり)。二つの遅延器が $v[n-1]$ と $v[n-2]$ を生む。加算器をたどっていくと:

$$v[n] = x[n] - 0.1\,v[n-1] + 0.12\,v[n-2], \qquad y[n] = 2\,v[n] + 0.45\,v[n-1]$$

Transforming both (time-shift property):

對兩式取轉換(用時間平移性質):

両式を変換すると(時間シフトの性質を用いる):

$$V(z)\big(1 + 0.1z^{-1} - 0.12z^{-2}\big) = X(z), \qquad Y(z) = \big(2 + 0.45z^{-1}\big)V(z)$$
System function系統函數システム関数 $$H(z) = \frac{Y(z)}{X(z)} = \frac{2 + 0.45z^{-1}}{1 + 0.1z^{-1} - 0.12z^{-2}}, \qquad \text{ROC: } |z| > 0.4 \ \text{(causal)}$$

(b) Factor the denominator: roots of $z^2 + 0.1z - 0.12 = 0$ are $z = \dfrac{-0.1 \pm \sqrt{0.01+0.48}}{2} = \dfrac{-0.1\pm 0.7}{2} = 0.3,\ -0.4$, so

(b) 把分母因式分解:$z^2 + 0.1z - 0.12 = 0$ 的根為 $z = \dfrac{-0.1 \pm \sqrt{0.01+0.48}}{2} = \dfrac{-0.1\pm 0.7}{2} = 0.3,\ -0.4$,因此

(b) 分母を因数分解する:$z^2 + 0.1z - 0.12 = 0$ の根は $z = \dfrac{-0.1 \pm \sqrt{0.01+0.48}}{2} = \dfrac{-0.1\pm 0.7}{2} = 0.3,\ -0.4$ であるから

$$1 + 0.1z^{-1} - 0.12z^{-2} = (1 - 0.3z^{-1})(1 + 0.4z^{-1})$$

Partial fractions $H(z) = \dfrac{\rho_1}{1-0.3z^{-1}} + \dfrac{\rho_2}{1+0.4z^{-1}}$ with cover-up residues:

做部分分式 $H(z) = \dfrac{\rho_1}{1-0.3z^{-1}} + \dfrac{\rho_2}{1+0.4z^{-1}}$,並用遮蓋法求留數:

部分分数展開 $H(z) = \dfrac{\rho_1}{1-0.3z^{-1}} + \dfrac{\rho_2}{1+0.4z^{-1}}$ を、覆い隠し法による留数で求める:

$$\rho_1 = \frac{2+0.45z^{-1}}{1+0.4z^{-1}}\bigg|_{z=0.3} = \frac{2 + 0.45\cdot\frac{10}{3}}{1 + 0.4\cdot\frac{10}{3}} = \frac{3.5}{7/3} = 1.5, \qquad \rho_2 = \frac{2+0.45z^{-1}}{1-0.3z^{-1}}\bigg|_{z=-0.4} = \frac{2 - 1.125}{1 + 0.75} = \frac{0.875}{1.75} = 0.5$$

The system is causal, so both poles take the right-sided pair:

系統是因果的,所以兩個極點都取右邊序列的轉換對:

このシステムは因果的なので、どちらの極も右側系列の変換対をとる:

Impulse response脈衝響應インパルス応答 $$h[n] = 1.5\,(0.3)^n\,\mu[n] \;+\; 0.5\,(-0.4)^n\,\mu[n]$$

Check: $h[0] = 1.5+0.5 = 2$ ✓ (the direct path through gain 2); $h[1] = 1.5(0.3)+0.5(-0.4) = 0.25$, and from the diagram $y[1] = 2v[1] + 0.45v[0] = 2(-0.1)+0.45 = 0.25$ ✓. Both poles ($0.3$, $-0.4$) are inside the unit circle → the causal system is also stable.

檢查:$h[0] = 1.5+0.5 = 2$ ✓(就是經過增益 2 的直通路徑);$h[1] = 1.5(0.3)+0.5(-0.4) = 0.25$,而從方塊圖看 $y[1] = 2v[1] + 0.45v[0] = 2(-0.1)+0.45 = 0.25$ ✓。兩個極點($0.3$、$-0.4$)都在單位圓內 → 這個因果系統同時也是穩定的。

検算:$h[0] = 1.5+0.5 = 2$ ✓(ゲイン 2 を通る直通路である)。$h[1] = 1.5(0.3)+0.5(-0.4) = 0.25$ であり、図からも $y[1] = 2v[1] + 0.45v[0] = 2(-0.1)+0.45 = 0.25$ ✓。二つの極($0.3$、$-0.4$)はともに単位円の内側にある → この因果システムは安定でもある。

(c) Cross-multiplying $Y(z)\big(1+0.1z^{-1}-0.12z^{-2}\big) = X(z)\big(2+0.45z^{-1}\big)$ and inverse-transforming term by term:

(c) 把 $Y(z)\big(1+0.1z^{-1}-0.12z^{-2}\big) = X(z)\big(2+0.45z^{-1}\big)$ 交叉相乘,再逐項做反轉換:

(c) $Y(z)\big(1+0.1z^{-1}-0.12z^{-2}\big) = X(z)\big(2+0.45z^{-1}\big)$ とたすきがけし、項ごとに逆変換すると:

Difference equation差分方程式差分方程式 $$y[n] + 0.1\,y[n-1] - 0.12\,y[n-2] = 2\,x[n] + 0.45\,x[n-1]$$

equivalently $y[n] = -0.1\,y[n-1] + 0.12\,y[n-2] + 2\,x[n] + 0.45\,x[n-1]$.

等價地寫成 $y[n] = -0.1\,y[n-1] + 0.12\,y[n-2] + 2\,x[n] + 0.45\,x[n-1]$。

等価的に $y[n] = -0.1\,y[n-1] + 0.12\,y[n-2] + 2\,x[n] + 0.45\,x[n-1]$ と書ける。

Exercise 2 — System identification from input/output pair習題 2 — 由輸入/輸出對辨識系統演習 2 — 入出力の対によるシステム同定

Problem: When the input to an LTI system is

題目:當某 LTI 系統的輸入為

問題:ある LTI システムへの入力が

$$x[n] = \left(\tfrac{1}{3}\right)^n\mu[n] + 3^n\,\mu[-n-1]$$

the output is

其輸出為

であるとき、その出力は

$$y[n] = 5\left(\tfrac{1}{3}\right)^n\mu[n] - 5\left(\tfrac{3}{4}\right)^n\mu[n]$$

(a) Find the z-transforms of $x[n]$ and $y[n]$, and indicate their ROCs.
(b) Find the rational polynomials of the system $H(z)$, plot the pole(s) and zero(s), and indicate the ROC.
(c) Determine whether the system is causal and stable.
(d) Find the impulse response $h[n]$ of the system.
(e) Write the difference equation that characterizes the system.

(a) 求 $x[n]$ 與 $y[n]$ 的 z 轉換,並標明各自的 ROC。
(b) 求系統 $H(z)$ 的有理多項式,畫出極點與零點,並標出 ROC。
(c) 判斷此系統是否為因果且穩定。
(d) 求系統的脈衝響應 $h[n]$。
(e) 寫出描述此系統的差分方程式。

(a) $x[n]$ と $y[n]$ の z 変換を求め、それぞれの ROC を示せ。
(b) システム $H(z)$ の有理多項式を求め、極と零点を図示し、ROC を示せ。
(c) このシステムが因果的であるか、また安定であるかを判定せよ。
(d) システムのインパルス応答 $h[n]$ を求めよ。
(e) このシステムを特徴づける差分方程式を書け。

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(a) First term of $x[n]$: right-sided pair → $\dfrac{1}{1-\frac{1}{3}z^{-1}}$, ROC $|z|>\frac13$. Second term: $3^n\mu[-n-1] = -\big(-3^n\mu[-n-1]\big)$, the left-sided pair → $\dfrac{-1}{1-3z^{-1}}$, ROC $|z|<3$. By linearity (ring ROC, Case 3):

(a) $x[n]$ 的第一項:右邊序列的轉換對 → $\dfrac{1}{1-\frac{1}{3}z^{-1}}$,ROC 為 $|z|>\frac13$。第二項:$3^n\mu[-n-1] = -\big(-3^n\mu[-n-1]\big)$,用左邊序列的轉換對 → $\dfrac{-1}{1-3z^{-1}}$,ROC 為 $|z|<3$。由線性性質(圓環 ROC,情況 3):

(a) $x[n]$ の第 1 項:右側系列の変換対 → $\dfrac{1}{1-\frac{1}{3}z^{-1}}$、ROC $|z|>\frac13$。第 2 項:$3^n\mu[-n-1] = -\big(-3^n\mu[-n-1]\big)$ なので左側系列の変換対を使って → $\dfrac{-1}{1-3z^{-1}}$、ROC $|z|<3$。線形性により(円環の ROC、場合 3):

$$X(z) = \frac{1}{1-\tfrac{1}{3}z^{-1}} - \frac{1}{1-3z^{-1}} = \frac{(1-3z^{-1}) - (1-\tfrac{1}{3}z^{-1})}{(1-\tfrac{1}{3}z^{-1})(1-3z^{-1})} = \frac{-\tfrac{8}{3}z^{-1}}{(1-\tfrac{1}{3}z^{-1})(1-3z^{-1})}, \qquad \tfrac{1}{3} < |z| < 3$$

Both terms of $y[n]$ are right-sided:

$y[n]$ 的兩項都是右邊序列:

$y[n]$ の二つの項はともに右側系列である:

$$Y(z) = \frac{5}{1-\tfrac{1}{3}z^{-1}} - \frac{5}{1-\tfrac{3}{4}z^{-1}} = \frac{5\big[(1-\tfrac{3}{4}z^{-1})-(1-\tfrac{1}{3}z^{-1})\big]}{(1-\tfrac{1}{3}z^{-1})(1-\tfrac{3}{4}z^{-1})} = \frac{-\tfrac{25}{12}z^{-1}}{(1-\tfrac{1}{3}z^{-1})(1-\tfrac{3}{4}z^{-1})}, \qquad |z| > \tfrac{3}{4}$$

(b) Convolution property: $Y(z) = H(z)X(z)$, so

(b) 由摺積性質 $Y(z) = H(z)X(z)$,所以

(b) 畳み込みの性質により $Y(z) = H(z)X(z)$ であるから

$$H(z) = \frac{Y(z)}{X(z)} = \frac{-\tfrac{25}{12}z^{-1}}{(1-\tfrac{1}{3}z^{-1})(1-\tfrac{3}{4}z^{-1})} \cdot \frac{(1-\tfrac{1}{3}z^{-1})(1-3z^{-1})}{-\tfrac{8}{3}z^{-1}}$$
System function系統函數システム関数 $$H(z) = \frac{25}{32}\,\frac{1-3z^{-1}}{1-\tfrac{3}{4}z^{-1}}, \qquad \text{ROC: } |z| > \tfrac{3}{4}$$

One pole at $z = \frac34$ (×), one zero at $z = 3$ (○). The ROC must be chosen so that $\mathcal{R}_h \cap \mathcal{R}_x \subseteq \mathcal{R}_y$: since $\mathcal{R}_y = |z|>\frac34$ extends only down to the pole at $\frac34$, the ROC of $H$ is $|z|>\frac34$. Note the zero of $H$ at $z=3$ cancels the input pole at $z=3$, which is why $\mathcal{R}_y$ is larger than $\mathcal{R}_x$. Pole–zero plot (matching the MATLAB zplane result of Exercise 3):

一個極點在 $z = \frac34$(×),一個零點在 $z = 3$(○)。ROC 的選擇必須滿足 $\mathcal{R}_h \cap \mathcal{R}_x \subseteq \mathcal{R}_y$:既然 $\mathcal{R}_y = |z|>\frac34$ 只往下延伸到 $\frac34$ 這個極點,$H$ 的 ROC 就是 $|z|>\frac34$。注意 $H$ 在 $z=3$ 的零點把輸入在 $z=3$ 的極點消掉了,這正是 $\mathcal{R}_y$ 比 $\mathcal{R}_x$ 大的原因(極零相消使輸出 ROC 變大)。零極點圖如下(與習題 3 的 MATLAB zplane 結果一致):

極は $z = \frac34$ に一つ(×)、零点は $z = 3$ に一つ(○)ある。ROC は $\mathcal{R}_h \cap \mathcal{R}_x \subseteq \mathcal{R}_y$ を満たすように選ばなければならない:$\mathcal{R}_y = |z|>\frac34$ は $\frac34$ の極までしか内側へ延びないので、$H$ の ROC は $|z|>\frac34$ である。$z=3$ にある $H$ の零点が、入力の $z=3$ の極を打ち消している点に注意せよ。$\mathcal{R}_y$ が $\mathcal{R}_x$ より広いのはそのためである。極零点配置図は次のとおり(演習 3 の MATLAB zplane の結果と一致する):

2026-06-12T22:21:54.093351 image/svg+xml Matplotlib v3.10.8, https://matplotlib.org/ −2 −1 0 1 2 3 Re(z) −2.0 −1.5 −1.0 −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Im(z) H(z): pole 3/4, zero 3, ROC |z| > 3/4 (shaded) pole z = 3/4 zero z = 3
Fig. 5-7 — Pole–zero diagram of $H(z)$: pole at $z=3/4$ (×), zero at $z=3$ (○), ROC $|z|>3/4$ shaded.
圖 5-7 — $H(z)$ 的零極點圖:極點在 $z=3/4$(×)、零點在 $z=3$(○),陰影處為 ROC $|z|>3/4$(綠色區域包含單位圓與無窮遠點)。
図 5-7 — $H(z)$ の極零点配置図:極は $z=3/4$(×)、零点は $z=3$(○)。影をつけた部分が ROC $|z|>3/4$ である。

(c) The ROC is the exterior of the (only, outermost) pole and includes $z=\infty$ → $h[n]$ is right-sided/causal. The ROC $|z|>\frac34$ contains the unit circle → stable. The system is both causal and stable.

(c) ROC 是(唯一也是最外側的)極點之外的區域,而且包含 $z=\infty$ → $h[n]$ 是右邊序列/因果的。ROC $|z|>\frac34$ 包含單位圓 → 穩定。所以系統既因果又穩定(唯一極點 $3/4$ 在單位圓內)。

(c) ROC は(唯一かつ最も外側の)極の外部であり、$z=\infty$ を含む → $h[n]$ は右側系列、すなわち因果的である。ROC $|z|>\frac34$ は単位円を含む → 安定である。このシステムは因果的かつ安定である。

(d) Numerator and denominator have equal order, so first extract the constant. Write $H(z) = c_0 + \dfrac{\rho}{1-\frac34 z^{-1}}$. Matching the $z^{-1}\to\infty$ behavior (ratio of $z^{-1}$ coefficients): $c_0 = \frac{25}{32}\cdot\frac{-3}{-3/4} = \frac{25}{8}$. The residue by cover-up:

(d) 分子與分母階數相同,所以要先把常數項抽出來。寫成 $H(z) = c_0 + \dfrac{\rho}{1-\frac34 z^{-1}}$。比對 $z^{-1}\to\infty$ 的行為($z^{-1}$ 係數之比):$c_0 = \frac{25}{32}\cdot\frac{-3}{-3/4} = \frac{25}{8}$。留數用遮蓋法求得:

(d) 分子と分母の次数が等しいので、まず定数項を取り出す。$H(z) = c_0 + \dfrac{\rho}{1-\frac34 z^{-1}}$ と書く。$z^{-1}\to\infty$ でのふるまい($z^{-1}$ の係数の比)を合わせると $c_0 = \frac{25}{32}\cdot\frac{-3}{-3/4} = \frac{25}{8}$ となる。留数は覆い隠し法で求める:

$$\rho = \left(1-\tfrac{3}{4}z^{-1}\right)H(z)\Big|_{z=3/4} = \tfrac{25}{32}\big(1 - 3\cdot\tfrac{4}{3}\big) = \tfrac{25}{32}(-3) = -\tfrac{75}{32}$$ $$H(z) = \frac{25}{8} - \frac{75/32}{1-\frac{3}{4}z^{-1}} \qquad (\text{check at } z^{-1}=0:\ \tfrac{25}{8}-\tfrac{75}{32} = \tfrac{25}{32} = H(\infty)\ \checkmark)$$
Impulse response脈衝響應インパルス応答 $$h[n] = \frac{25}{8}\,\delta[n] \;-\; \frac{75}{32}\left(\frac{3}{4}\right)^n \mu[n]$$

Check: $h[0] = \frac{25}{8}-\frac{75}{32} = \frac{25}{32}$, which equals $H(z\to\infty)$ ✓.

檢查:$h[0] = \frac{25}{8}-\frac{75}{32} = \frac{25}{32}$,正好等於 $H(z\to\infty)$ ✓。

検算:$h[0] = \frac{25}{8}-\frac{75}{32} = \frac{25}{32}$ であり、これは $H(z\to\infty)$ に等しい ✓。

(e) From $Y(z)\big(1-\frac34 z^{-1}\big) = \frac{25}{32}\big(1-3z^{-1}\big)X(z)$:

(e) 由 $Y(z)\big(1-\frac34 z^{-1}\big) = \frac{25}{32}\big(1-3z^{-1}\big)X(z)$:

(e) $Y(z)\big(1-\frac34 z^{-1}\big) = \frac{25}{32}\big(1-3z^{-1}\big)X(z)$ から:

Difference equation差分方程式差分方程式 $$y[n] - \frac{3}{4}\,y[n-1] = \frac{25}{32}\,x[n] - \frac{75}{32}\,x[n-1]$$

equivalently $y[n] = \frac{3}{4}y[n-1] + \frac{25}{32}x[n] - \frac{75}{32}x[n-1]$.

等價地寫成 $y[n] = \frac{3}{4}y[n-1] + \frac{25}{32}x[n] - \frac{75}{32}x[n-1]$。

等価的に $y[n] = \frac{3}{4}y[n-1] + \frac{25}{32}x[n] - \frac{75}{32}x[n-1]$ と書ける。

Exercise 3 — MATLAB: zplane and freqz習題 3 — MATLAB:zplane 與 freqz演習 3 — MATLAB:zplane と freqz

Problem: For the system $H(z)$ found in Exercise 2(b) (with the difference equation of 2(e)):

題目:對習題 2(b) 求出的系統 $H(z)$(差分方程式見 2(e)):

問題:演習 2(b) で求めたシステム $H(z)$(差分方程式は 2(e) のもの)について:

(a) Use the zplane function to plot the pole(s) and zero(s) of $H(z)$ — the result should match your sketch in 2(b).
(b) Use the freqz function to compute a 100-point frequency-response vector and the corresponding angular-frequency vector, then plot the magnitude and phase responses.

(a) 用 zplane 函數畫出 $H(z)$ 的極點與零點 —— 結果應與 2(b) 手繪的圖一致。
(b) 用 freqz 函數計算 100 點的頻率響應向量與對應的角頻率向量,再畫出振幅響應與相位響應。

(a) zplane 関数を使って $H(z)$ の極と零点を描け —— 結果は 2(b) で描いた図と一致するはずである。
(b) freqz 関数を使って 100 点の周波数応答ベクトルと、対応する角周波数ベクトルを計算し、振幅応答と位相応答を描け。

Click to reveal solution點擊展開解答クリックして解答を表示

From Exercise 2, $H(z) = \dfrac{25}{32}\,\dfrac{1-3z^{-1}}{1-\frac34 z^{-1}}$, so the coefficient vectors of the difference equation are $\texttt{num} = \frac{25}{32}[1,\ -3]$ and $\texttt{den} = [1,\ -\frac34]$ (cleaned-up homework script):

由習題 2,$H(z) = \dfrac{25}{32}\,\dfrac{1-3z^{-1}}{1-\frac34 z^{-1}}$,所以差分方程式的係數向量是 $\texttt{num} = \frac{25}{32}[1,\ -3]$ 與 $\texttt{den} = [1,\ -\frac34]$(整理過的作業程式):

演習 2 より $H(z) = \dfrac{25}{32}\,\dfrac{1-3z^{-1}}{1-\frac34 z^{-1}}$ であるから、差分方程式の係数ベクトルは $\texttt{num} = \frac{25}{32}[1,\ -3]$ と $\texttt{den} = [1,\ -\frac34]$ である(整理した宿題スクリプト):

clc, clear, close all

% H(z) = (25/32)(1 - 3 z^-1) / (1 - (3/4) z^-1)
numerator   = (25/32) * [1, -3];   % feed-forward coefficients p_k
denominator = [1, -3/4];           % feedback coefficients     d_k

%% (a) pole-zero plot
figure;
zplane(numerator, denominator);
grid on;
title('Pole-Zero Plot of H(z)');
set(findobj('type','line'), 'LineWidth', 2)
set(gca, 'FontSize', 20)

%% (b) 100-point frequency response
[H, w] = freqz(numerator, denominator, 100);

figure;
subplot(2,1,1);
plot(w/pi, abs(H), 'm');
title('Magnitude Response');
xlabel('Normalized Frequency (\times\pi rad/sample)');
ylabel('Magnitude');
set(gca, 'FontSize', 20)
set(findobj('type','line'), 'LineWidth', 4)

subplot(2,1,2);
plot(w/pi, angle(H), 'm');
title('Phase Response');
xlabel('Normalized Frequency (\times\pi rad/sample)');
ylabel('Phase (radians)');
set(gca, 'FontSize', 20)
set(findobj('type','line'), 'LineWidth', 4)

(a) zplane(numerator, denominator) places × at $z = 0.75$ and ○ at $z = 3$, exactly as sketched in Fig. 5-7 above.

(a) zplane(numerator, denominator) 會把 × 畫在 $z = 0.75$、○ 畫在 $z = 3$,和上面圖 5-7 手繪的完全一致。

(a) zplane(numerator, denominator) は × を $z = 0.75$ に、○ を $z = 3$ に置く。上の図 5-7 で描いたものとちょうど一致する。

(b) The regenerated 100-point frequency response ($\omega$ from $0$ to $\pi$):

(b) 重新產生的 100 點頻率響應($\omega$ 由 $0$ 到 $\pi$):

(b) 再生成した 100 点の周波数応答($\omega$ は $0$ から $\pi$ まで):

2026-06-12T22:21:55.204823 image/svg+xml Matplotlib v3.10.8, https://matplotlib.org/ 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Normalized Frequency (×π rad/sample) 2 3 4 5 6 Magnitude Magnitude Response 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Normalized Frequency (×π rad/sample) 0 1 2 3 Phase (radians) Phase Response
Fig. 5-8 — 100-point freqz result for $H(z)$. Magnitude falls monotonically from $|H(e^{j0})| = \frac{25}{32}\cdot\frac{-2}{1/4} = 6.25$ at DC to $|H(e^{j\pi})| = \frac{25}{32}\cdot\frac{4}{7/4} \approx 1.79$ at $\omega=\pi$ — a lowpass shape, consistent with the pole on the positive real axis at $z=0.75$.
圖 5-8 — $H(z)$ 的 100 點 freqz 結果。振幅由直流處的 $|H(e^{j0})| = \frac{25}{32}\cdot\frac{-2}{1/4} = 6.25$ 單調下降到 $\omega=\pi$ 處的 $|H(e^{j\pi})| = \frac{25}{32}\cdot\frac{4}{7/4} \approx 1.79$ —— 呈低通形狀,與正實軸上 $z=0.75$ 的極點一致(極點靠近 $z=1$,DC 增益最大)。
図 5-8 — $H(z)$ に対する 100 点の freqz の結果。振幅は直流での $|H(e^{j0})| = \frac{25}{32}\cdot\frac{-2}{1/4} = 6.25$ から、$\omega=\pi$ での $|H(e^{j\pi})| = \frac{25}{32}\cdot\frac{4}{7/4} \approx 1.79$ まで単調に下がる —— 低域通過の形であり、正の実軸上 $z=0.75$ にある極と整合する。

Sanity check by geometry (§5.3.3): at $\omega=0$ the pole distance $|1-0.75|=0.25$ is smallest → maximum gain; at $\omega=\pi$ the distance $|-1-0.75|=1.75$ is largest → minimum pole boost, while the zero at $3$ varies little. The phase is $0$ at $\omega = 0$ and returns to $\pm\pi$-free values smoothly since neither pole nor zero lies on the unit circle. Note $H(e^{j0}) = -6.25 < 0$ (the real zero at $z=3>1$ flips the sign), so the phase starts at $\pi$ rad.

用幾何法做合理性檢查(§5.3.3):在 $\omega=0$ 時,到極點的距離 $|1-0.75|=0.25$ 最小 → 增益最大;在 $\omega=\pi$ 時距離 $|-1-0.75|=1.75$ 最大 → 極點的增幅最小,而位於 $3$ 的零點距離變化不大。相位在 $\omega = 0$ 為 $0$,而且因為極點與零點都不在單位圓上,變化是平滑的、不會出現 $\pm\pi$ 跳變。注意 $H(e^{j0}) = -6.25 < 0$(位於 $z=3>1$ 的實數零點造成符號翻轉),所以相位是從 $\pi$ 弧度開始的。

幾何による妥当性の確認(§5.3.3):$\omega=0$ では極までの距離 $|1-0.75|=0.25$ が最小 → ゲインは最大。$\omega=\pi$ では距離 $|-1-0.75|=1.75$ が最大 → 極による持ち上げは最小となり、一方 $3$ にある零点までの距離はほとんど変わらない。位相は $\omega = 0$ で $0$ であり、極も零点も単位円上にないので $\pm\pi$ の跳びのない値へ滑らかに戻る。$H(e^{j0}) = -6.25 < 0$ である点に注意せよ($z=3>1$ にある実の零点が符号を反転させる)。したがって位相は $\pi$ ラジアンから始まる。