Trasformata zeta

In analisi funzionale la trasformata zeta è una trasformata integrale che permette di trasformare una funzione discreta in una funzione più semplice, utilizzata principalmente nella teoria dei segnali.

Storia

Il concetto di trasformata zeta era già noto a Laplace, ma fu reintrodotto nel 1947 da W. Hurewicz come mezzo utile a risolvere equazioni alle differenze lineari a coefficienti costanti. Il termine "trasformata zeta" fu coniato successivamente, nel 1952, da Ragazzini e Zadeh, ricercatori della Columbia University. Il nome potrebbe esser derivato dall'idea che la lettera "z" sia somigliante a una lettera "s" campionata/digitalizzata, ove "s" è la lettera spesso usata per indicare la variabile indipendente nella trasformata di Laplace. Un'altra possibile origine è la presenza della lettera "Z" in entrambi i nomi Ragazzini e Zadeh. Questa nomenclatura diverge dall'usanza adottata in ambito scientifico, in cui si associa un metodo o un teorema col nome del principale sviluppatore. La terza probabile origine risiede nel dominio dei segnali discreti, che è solito essere ℤ o un suo sottoinsieme.

Definizione

Trasformata unilatera

Sia x[n] una successione di numeri complessi, indicizzata con n∈ℕ. La sua trasformata unilatera è definita come la serie formale di potenze complesse

X(z)=𝒵{x[n]}=∑n=0∞x[n]z−n, per z∈ℂ.

In teoria dei segnali questa definizione è utilizzata per valutare la trasformata della risposta all'impulso unitario di un sistema causale tempo-discreto. Solitamente, in tale ambito la successione x[n] rappresenta il campionamento regolare di un segnale f:ℝ→ℂ causale (i.e. f è nulla per tempi negativi), in corrispondenza dei tempi della forma t=nτ. Il passo di campionamento τ>0 è fissato. In altre parole

x[n]=f(nτ), per ogni n∈ℕ.

Regione di convergenza

La regione di convergenza è la parte di piano complesso dove la serie che definisce la trasformata della funzione converge:

ROC={z∈ℂ:|∑n=0∞x[n]z−n|<∞}

La serie converge per valori di z in modulo maggiori del raggio di convergenza R, definito tramite il criterio della radice come:

R=lim supn→∞|x[n]|n

Di applicazione meno generale è il criterio del rapporto, poiché esso richiede che i termini siano diversi da zero a partire da un n arbitrario in poi. Nondimeno, spesso è più agevole calcolare il limite tramite tale criterio piuttosto che utilizzando quello della radice. Nel caso entrambi i limiti esistano, essi coincidono. Non bisogna tuttavia prendere il reciproco del limite superiore, in quanto la trasformata zeta unilatera è una serie di potenze con esponente negativo.

Trasformata bilatera

Talvolta, può essere utile definire la trasformata di una successione x[n] indicizzata su n∈ℤ. In tal caso, la sua trasformata bilatera è definita come la serie formale di potenze

X(z)=𝒵{x[n]}=∑n=−∞∞x[n]z−n

dove di nuovo z è complesso.

Formula di inversione

L'espressione della trasformata inversa, che può essere ottenuta utilizzando il teorema integrale di Cauchy, è la seguente:

x[n]=𝒵−1{X(z)}=12πj∮CX(z)zn−1dz,n∈ℕ.

dove C è un percorso antiorario chiuso che è situato nella regione di convergenza di X(z) e circonda l'origine del piano. La formula precedente diventa particolarmente utile quando X(z) ammette un'estensione a tutto il piano complesso, tranne al più un numero finito di singolarità isolate z1,…,zℓ. Infatti, in tal caso si può fare appello al Teorema dei Residui ed ottenere

x[n]=∑j=1ℓRes(X(z)zn−1,zj), per ogni n∈ℕ

Inoltre, nel caso in cui le singolarità isolate z1,…,zℓ siano dei poli, il calcolo dei residui nella formula precedente risulta particolarmente agevole, usando la formula

Res(X(z)zn−1,zj)=1(mj−1)!limz→zjdmj−1dzmj−1(X(z)zn−1(z−zj)mj)

ove mj è l'ordine del polo zj.

Un caso di particolare importanza si presenta quando C è la circonferenza unitaria. In tal caso la trasformata zeta inversa assume la forma della trasformata di Fourier discreta inversa:

x[n]=12π∫−π+πX(ejω)ejωndω. 

Proprietà

Dominio del tempo Dominio Z Dimostrazione ROC
Notazione x[n]=𝒵−1{X(z)} X(z)=𝒵{x[n]} ROC: r2<|z|<r1 
Linearità a1x1[n]+a2x2[n]  a1X1(z)+a2X2(z)  X(z)=∑n=−∞∞(a1x1[n]+a2x2[n])z−n=a1∑n=−∞∞x1[n]z−n+a2∑n=−∞∞x2[n]z−n=a1X1(z)+a2X2(z) Almeno la regione di intersezione di ROC1 e ROC2
Espansione temporale x(k)[n]={x[r],n=rk0,n≠rk

r intero

X(zk)  Xk(z)=∑n=−∞∞xk[n]z−n=∑r=−∞∞x[r]z−rk=∑r=−∞∞x[r](zk)−r=X(zk) r1/k
Traslazione temporale x[n−k] z−kX(z) Z{x[n−k]}=∑n=0∞x[n−k]z−n

Posto j=n−k si ha:
∑n=0∞x[n−k]z−n=∑j=−k∞x[j]z−(j+k)=∑j=−k∞x[j]z−jz−k =z−k∑j=−k∞x[j]z−j =z−k∑j=0∞x[j]z−j
essendo x[β]=0 se β<0. Da cui:
z−k∑j=0∞x[j]z−j=z−kX(z)

ROC, eccetto z=0  se k>0 e z=∞ se k<0 
Segnali periodici x[n+m]=x[n] X(z)=zmzm−1∑k=0m−1x[k]zk
Scalatura nel dominio z anx[n]  X(a−1z)  Z{anx[n]}=∑n=−∞∞anx(n)z−n=∑n=−∞∞x(n)(a−1z)−n=X(a−1z) |a|r2<|z|<|a|r1 
Inversione temporale x[−n]  X(z−1)  𝒵{x(−n)}=∑n=−∞∞x(−n)z−n =∑m=−∞∞x(m)zm =∑m=−∞∞x(m)(z−1)−m =X(z−1) 1r1<|z|<1r2 
Coniugazione complessa x∗[n]  X∗(z∗)  Z{x∗(n)}=∑n=−∞∞x∗(n)z−n =∑n=−∞∞[x(n)(z∗)−n]∗ =[∑n=−∞∞x(n)(z∗)−n ]∗=X∗(z∗) ROC
Parte reale Re⁡{x[n]}  12[X(z)+X∗(z∗)] ROC
Parte immaginaria Im⁡{x[n]}  12j[X(z)−X∗(z∗)] ROC
Differenziazione nx[n]  −zdX(z)dz Z{nx(n)}=∑n=−∞∞nx(n)z−n =z∑n=−∞∞nx(n)z−n−1 =−z∑n=−∞∞x(n)(−nz−n−1) =−z∑n=−∞∞x(n)ddz(z−n) =−zdX(z)dz ROC
Convoluzione x1[n]∗x2[n]  X1(z)X2(z)  𝒵{x1(n)∗x2(n)}=𝒵{∑l=−∞∞x1(l)x2(n−l)} =∑n=−∞∞[∑l=−∞∞x1(l)x2(n−l)]z−n =∑l=−∞∞x1(l)∑n=−∞∞x2(n−l)z−n] =[∑l=−∞∞x1(l)z−l][∑n=−∞∞x2(n)z−n] =X1(z)X2(z) Almeno la regione di intersezione di ROC1 e ROC2
Cross-correlazione rx1,x2=x1∗[−n]∗x2[n]  Rx1,x2(z)=X1∗(1/z∗)X2(z)  Almeno la regione di intersezione di ROC of X1(1/z∗) e X2(z)
Prima differenza x[n]−x[n−1]  (1−z−1)X(z)  Almeno la regione di intersezione di ROC of X1(z) e |z|>0
Accumulazione ∑k=−∞nx[k]  11−z−1X(z) ∑n=−∞∞∑k=−∞nx[k]⋅z−n=∑n=−∞∞(x[n]+x[n−1]+x[n−2]⋯x[−∞])z−n=X[z](1+z−1+z−2+z−3⋯)=X[z]∑j=0∞z−j=X[z]11−z−1
Moltiplicazione x1[n]x2[n]  1j2π∮CX1(v)X2(zv)v−1dv  -
Teorema di Parseval ∑n=−∞∞x1[n]x2∗[n]  1j2π∮CX1(v)X2∗(1v∗)v−1dv 

Teorema del valore iniziale e del valore finale

Analogamente alla trasformata di Laplace, anche per la trasformata zeta si possono enunciare due teoremi che permettono di conoscere il valore iniziale e il valore finale del campionamento partendo dalla sua trasformata.

Il teorema del valore iniziale afferma che:

x[0]=limz→∞X(z) 

se x[n] è causale (ovvero nulla per n negativi).

Se la successione x[n] ammette limite finito, allora X(z) è una funzione analitica all'esterno del disco di raggio 1 centrato nell'origine e il teorema del valore finale afferma che:

x[∞]=limℝ∋z→1+(z−1)X(z) 

Il risultato è falso senza l'ipotesi che x[n] ammetta limite, come si vede facilmente prendendo la successione x[n]=(−1)n, la cui trasformata zeta è data da

X(z)=zz+1

Trasformata di alcune funzioni notevoli

Siano:

Funzione, x[n]Trasformata Z, X(z)ROC
δ[n]1ogni z
δ[n−n0]z−n0z≠0
u[n]11−z−1|z|>1
e−αnu[n]11−e−αz−1|z|>|e−α|
−u[−n−1]11−z−1|z|<1
nu[n]z−1(1−z−1)2|z|>1
−nu[−n−1]z−1(1−z−1)2|z|<1
n2u[n]z−1(1+z−1)(1−z−1)3|z|>1
−n2u[−n−1]z−1(1+z−1)(1−z−1)3|z|<1
n3u[n]z−1(1+4z−1+z−2)(1−z−1)4|z|>1
−n3u[−n−1]z−1(1+4z−1+z−2)(1−z−1)4|z|<1
anu[n]11−az−1|z|>|a|
−anu[−n−1]11−az−1|z|<|a|
nanu[n]az−1(1−az−1)2|z|>|a|
−nanu[−n−1]az−1(1−az−1)2|z|<|a|
n2anu[n]az−1(1+az−1)(1−az−1)3|z|>|a|
−n2anu[−n−1]az−1(1+az−1)(1−az−1)3|z|<|a|
cos⁡(ω0n)u[n]z2−zcos⁡(ω0)z2−2zcos⁡(ω0)+1|z|>1
sin⁡(ω0n)u[n]zsin⁡(ω0)z2−2zcos⁡(ω0)+1|z|>1
ancos⁡(ω0n)u[n]z2−azcos⁡(ω0)z2−2azcos⁡(ω0)+a2|z|>|a|
ansin⁡(ω0n)u[n]azsin⁡(ω0)z2−2azcos⁡(ω0)+a2|z|>|a|

Relazione con la trasformata di Laplace

Lo stesso argomento in dettaglio: Trasformata di Laplace.

La trasformata zeta unilatera è la trasformata di Laplace di un segnale campionato in modo ideale con la sostituzione:

z =def esT 

dove T=1/fs  è il periodo di campionamento, con fs la frequenza di campionamento (misurata in campioni per secondo o in hertz).

Sia:

ΔT(t) =def ∑n=0∞δ(t−nT)

un treno di impulsi e sia:

xq(t)=def x(t)ΔT(t)=x(t)∑n=0∞δ(t−nT)=∑n=0∞x(nT)δ(t−nT)=∑n=0∞x[n]δ(t−nT)

la rappresentazione tempo-continua del segnale x[n] =def x(nT) ottenuto campionando x(t). La trasformata di Laplace di xq(t) è data da:

Xq(s)=∫0−∞xq(t)e−stdt=∫0−∞∑n=0∞x[n]δ(t−nT)e−stdt=∑n=0∞x[n]∫0−∞δ(t−nT)e−stdt=∑n=0∞x[n]e−nsT

Si tratta della definizione della trasformata zeta unilatera della funzione tempo-discreta x[n] , ovvero:

X(z)=∑n=0∞x[n]z−n

con la sostituzione z←esT. Confrontando le ultime due relazioni si ottiene quindi la relazione tra la trasformata zeta unilatera e la trasformata di Laplace del segnale campionato:

Xq(s)=X(z)|z=esT

Relazione tra il piano s e il piano z

Per quanto detto la variabile s può essere riscritta utilizzando la rappresentazione rettangolare come:

z=esT=eTσejTω=eTσejT(ω+2kπT)k∈ℝ

L'ultima identità deriva dal fatto che l'esponenziale complesso è una funzione periodica di periodo i2π.

Da questa relazione si possono fare alcune considerazioni importanti

  • ogni punto sul piano s la cui parte immaginaria differisce di un multiplo intero della pulsazione di campionamento viene trasformato nello stesso punto sul piano z
  • ogni punto sul piano s appartenente al semipiano negativo viene trasformato in un punto interno alla circonferenza di raggio 1 poiché |z|=eTσ
  • ogni punto sul piano s appartenente al semipiano positivo viene trasformato in un punto esterno alla circonferenza di raggio unitario
  • ogni punto appartenente all'asse immaginario viene trasformato in un punto sulla circonferenza di raggio unitario

In virtù di queste considerazioni ha senso definire anche una striscia primaria e più strisce complementari nel piano s. La striscia primaria comprende tutti i numeri complessi con parte immaginaria compresa tra ±jωs/2, le strisce complementari si ottengono, a partire da quella primaria, per traslazione verticale di un multiplo intero della pulsazione di campionamento. Per quanto detto è possibile far corrispondere ogni punto del piano z con un punto della striscia primaria.

Al pari di quanto avviene nel piano s è possibile, anche nel piano z, tracciare dei luoghi a δ e ω costante.

Campionamento

Si consideri un segnale tempo-continuo x(t), la cui trasformata è:

L{x(t)}≡X(s)≡∫0∞x(t)e−stdt

Se x(t) è campionato uniformemente con un treno di impulsi in modo da ottenere un segnale discreto x∗[k]=x(kT) (supponendo il processo ideale), allora può essere rappresentato come:

x∗[k]=x(kT)=∑k=0∞x(t)δ(t−kT)

dove T è l'intervallo di campionamento. In tale contesto la trasformata di Laplace è data da:

L{x(kT)}=X∗(s)=∫0∞∑k=0∞x(t).δ(t−kT)e−stdt=∑k=0∞x∗(k).z−k,z=esTL{x(kT)}|s=ln⁡(z)T=X∗(s)|s=ln⁡(z)T=Z{x∗(k)}

Trasformata di Fourier a tempo discreto

Lo stesso argomento in dettaglio: Trasformata di Fourier a tempo discreto.

La trasformata di Fourier a tempo discreto è un caso particolare della trasformata zeta:

X(z)=∑n=−∞∞x[n]z−n

che si ottiene ponendo z=eiω. Dal momento che |eiω|=1, la trasformata di Fourier a tempo discreto è la valutazione della trasformata zeta sul cerchio unitario nel piano complesso.

Modello autoregressivo a media mobile

Lo stesso argomento in dettaglio: Modello autoregressivo a media mobile.

Un sistema basato sul modello autoregressivo a media mobile è rappresentato dall'equazione:

∑p=0Ny[n−p]αp=∑q=0Mx[n−q]βq 

dove entrambi i membri possono essere divisi per α0 , se è diversa da zero, normalizzando α0=1 . In questo modo l'equazione assume la forma:

y[n]=∑q=0Mx[n−q]βq−∑p=1Ny[n−p]αp

Tale scrittura consente di visualizzare il fatto che l'uscita al tempo attuale y[n] è funzione del valore dell'uscita y[n−p] a un tempo precedente, dell'ingresso attuale x[n] e dei precedenti valori x[n−q] . Considerando la trasformata zeta della precedente equazione, dalle proprietà di linearità e traslazione temporale si ha:

Y(z)∑p=0Nz−pαp=X(z)∑q=0Mz−qβq 

che può essere scritta in modo da evidenziare la funzione di trasferimento:

H(z)=Y(z)X(z)=∑q=0Mz−qβq∑p=0Nz−pαp=β0+z−1β1+z−2β2+⋯+z−MβMα0+z−1α1+z−2α2+⋯+z−NαN

Dal teorema fondamentale dell'algebra il numeratore ha M radici, corrispondenti agli zeri di H, e il denominatore ha N radici, corrispondenti ai poli di H. Riscrivendo la funzione di trasferimento in modo da evidenziare questo fatto si ha:

H(z)=(1−q1z−1)(1−q2z−1)⋯(1−qMz−1)(1−p1z−1)(1−p2z−1)⋯(1−pNz−1) 

dove qk  è il k-esimo zero e pk  il k-esimo polo. Se il sistema descritto da H(z)  è pilotato dal segnale X(z)  allora l'uscita è data da Y(z)=H(z)X(z).

Note

  1. ↑ E. R. Kanasewich, Time sequence analysis in geophysics, 3rd, University of Alberta, 1981, pp. 185–186, ISBN 978-0-88864-074-1.
  2. ↑ J. R. Ragazzini and L. A. Zadeh, The analysis of sampled-data systems, in Trans. Am. Inst. Elec. Eng., vol. 71, II, 1952, pp. 225-234.
  3. ↑ Cornelius T. Leondes, Digital control systems implementation and computational techniques, Academic Press, 1996, p. 123, ISBN 978-0-12-012779-5.

Bibliografia

Voci correlate

Collegamenti esterni

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