在我们的实验室(我们的实验室与我们的讲座不同步)期间,通过 MATLAB 中滤波器的零极点图生成向我介绍了滤波器中极点和零点的概念。直到在我们的讲座中提到极点使方程无穷大(或其分母为零),而零点使分子为零的根时,我才明白它的重要性。我仍然不能完全掌握极点和零点是什么。有人可以对什么是极点和零点给出一个直观而简单的解释吗?非常感激。
什么是极点和零点?
取 b 非零的方程 b/(xc)。当 x 接近 c 时,该比率变为无穷大。所以 c 是一个极点的位置(图中高而尖的东西)。
取 c 非零的方程 (xb)/c。当 x 接近 b 时,该比率变为零。所以 b 是通常称为“零”的东西的位置。
您不仅可以使用标量 x 执行此操作,还可以使用复数 x 执行此操作,因此极点和零点的域将位于(复)平面上而不是直线上。
如果该比率代表有关滤波器响应的某些信息,则当输入处于或接近响应“零”时,它可能会说滤波器输出处于或接近于零。当 x 接近极点时,可能会发生坏事(当被要求提供无限安培时,电源开始冒烟,数学运算产生 NaN 或定点溢出等)
为了补充其他好的答案,我发现以下图形有助于获得更好的直观理解,更具体地说是传递函数的极点和零点。
(更新:我也刚刚看到@Endolith 的另一个类似的帖子,非常好:极点与频率响应的关系)
下面是左半平面有两个极点的低通滤波器的传递函数,由滤波器脉冲响应的拉普拉斯变换给出。这是一个模拟系统,但可以对 z 域而不是 s 域中的数字系统进行等效描述。
左边的图是我们在引入极点和零点时看到的典型图表,显示它们在 s 平面上的位置,注意极点是 s 的值,它使方程 X(s) 趋于无穷大,而零是使方程 X(s) 变为零的 s 值。所以是的,这个特定的系统在无穷远处也有两个零,因为 s 的这些值确实使方程变为零。
右侧是一个 3D 图,显示了复平面上所有 s 值的 X(s) 大小。有趣的是,这是唯一一个由这样的多项式比率得出的图,因此我们仅从极点和零点位置完全描述了它!因此,在这种情况下,这个表面上的每个点都可以简单地从给定的两个极点位置进行通信。
值得注意的是,我们经常对滤波器或系统的频率响应感兴趣。s 是复平面上允许有实部和虚部的输入。具体而言,当 s 是 a 仅具有恒定虚数值时,我们描述的是恒定频率。轴的切片将显示滤波器的幅度响应,如上图右上角所示(等效于傅里叶变换的幅度)滤波器的脉冲响应)。
上面的 3D 图形中没有显示的是“收敛区域”,它显示了 s 的所有值,其中拉普拉斯变换收敛到一个有限值,具体取决于系统是因果系统还是反因果系统。
网络(黑匣子)的传递函数通常是具有分子和分母多项式的有理函数。根据高斯代数基本定理,多项式也可以写成多项式零点的乘积。因此,分母多项式的零点创建了传递函数的极点(1 / 零 = 无穷大 -> 极点)。分子多项式的零点是传递函数的零点。
首先,您应该将 z 平面视为一组复指数信号。如果,则对应的离散信号. 如果,这是一个衰减信号。
其次,极点和零点用于描述 IIR 系统,即具有反馈的系统。
零很容易:如果系统在,这意味着一个信号定义为在 z 平面上将通过反馈回路并与自身严格异相求和,从而导致零输出。极点有点棘手:如果系统在,这意味着一个系统将产生这个信号,而不是它受到干扰和自由移动。显然,如果系统有一个用于增加信号的极点(),它是不稳定的。设计滤波器时,应放置零点以抑制不需要的频率。极点的放置使得
- 它们消除了零点对要通过的频率的影响
- 过滤器保持稳定