濾波器穩定性與極點


  在數字信號處理種,系統的穩定性是一個很重要的問題,比如說在濾波器的設計種,都要求系統必須穩定,否則是無法實用的。那么如何判斷系統是否穩定呢?

  從定義上說,如果輸入有界,則輸出必定有界的系統是穩定的。從數學上可以推導出,因果系統沖擊響應Z變換的收斂域包含單位元的系統是穩定的。從零點極點的角度,則是系統函數的所有極點都在單位元內的系統是穩定的。如何來理解呢?

  我們先以一個簡單的單極點系統為例來理解系統的穩定性。比如有一個單極點系統:

  H(z)=1/(1-2z-1)

  表示的是如下的信號處理過程:系統當前輸出是當前輸出加上2陪的系統上一個時刻輸出。這個系統是不穩定的,因為當前輸出需要放大上一個時刻的輸出,這也就是說,系統存在自激的過程,直觀上我們就可以很好理解,自激系統是不穩定的。從分析極點的角度看,這個系統的極點為2,在單位圓外,與數學上的分析是一致的。極點在單位圓內的要求,對一階極點而言,實際上就是直觀上要求系統不能自激。

  對於高階極點的情況,由代數知識可知,高階極點可進行分式分解,也就是高階極點可以分解為多個一階極點並聯(並聯串聯都可以構成高階系統),在並聯系統中,只要有一個系統不穩定,整個系統就是不穩定的。這與數學上要求的所有極點都在單位圓內是對應的。對於更一般的即包含零點又包含極點的系統,可以看成一個全零點系統和全極點系統串聯而成,零點和系統的穩定性無關,分析和結論與高階全極點系統完全一致。

  

 


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