디지털 신호처리

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03.
Z-Transform
주요내용
• z-변환의 정의
• 수렴영역
• z-변환의 성질
• 역 z-변환
• z-변환의 응용
• 라플라스 변환과의 관계
4.1 z-변환의 정의
• 연속시스템의 입출력관계
-. 미분방정식으로 표현
: 푸리에변환이나 라플라스변환을 이용
• 이산시스템의 입출력관계
-. 차분방정식으로 표현
: z-변환을 이용
4.1 z-변환의 정의
• 이산신호 x(n) 의 z-변환 X (z )은 다음과 같이 정의된다
Z [ x(n)]  X ( z ) 

 x ( n) z
n
n  
(Two sided z-transform)
한편, 인과적 시스템일 경우

Z [ x(n)]  X ( z )   x(n) z n
n 0
(One sided z-transform)
4.1 z-변환의 정의
예제 4.1 그림과 같은 이산신호가 주어질 때 각각의 z-변환을 구하라
4.1 z-변환의 정의
(풀이) 그림 4.1(a)의 이산신호 x(n)은
로 표시할 수 있다. z-변환의 정의식을 이용하면
그림 4.1(b)는
로 주어진다. z-변환을 하면 다음과 같이 된다.
4.1 z-변환의 정의
그림 4.1(c)의 경우에는
로 표시할 수 있다. z-변환의 정의식으로부터
로 주어진다. 혹은 임펄스수열을 이용하여 X (z )을 구하여도
마찬가지이다. x(n) 은
로 표시할 수 있다. 임펄스수열의 성질 및 z-변환을 이용하면
4.1 z-변환의 정의
위 예제 4.1을 통하여 다음과 같은 성질을 알 수 있다. 즉,
이 때 z-변환은 일대일 대응관계이므로
Z 1[ Az m ]  A (n  m)
의 관계가 성립
4.1 z-변환의 정의
예제 4.2 스텝수열
의 z-변환을 구하라
(풀이) z-변환의 정의식으로부터
이 된다. 이 전개식은
수렴한다.
은
이거나
일때
4.2 수렴영역
• 수렴영역(Region Of Convergence : ROC)
-. 이산신호
의
변환
은 무한급수이므로
로 될 때 그 합이 유한한 값으로 수렴하지 않으면
의미가 없다
-.
가 수렴하는
의 존재영역을 복소 평면상에
나타낼 때 이것을 수렴영역이라한다
4.2 수렴영역
예제 4.3 이산신호
이
일 때 z-변환을 구하라
(풀이) 정의에 의해
이 수렴하기 위해서는
의 조건을 만족해야 한다
4.2 수렴영역
4.2 수렴영역
예제 4.4 다음 이산신호
의 z 변환과 그 수렴영역을 구하라
(풀이) z 변환의 정의에 의해
이 된다. Euler 공식을 이용하면
(
로 된다.
4.2 수렴영역
이 수렴하기 위해서는
의 수렴 영역을 만족해야 한다. 결국
은
로 된다. 위의 식을 간략히 하면 아래와 같이 된다.
4.2 수렴영역
예제 4.5 다음 이산신호의 z-변환과 그 수렴영역을 구하라
(풀이)
을 다음과 같이 표현할 수 있다
따라서,
는
로 주어진다. 이와 같은 무한급수가 수렴하기 위한 조건은
4.2 수렴영역
4.2 수렴영역
예제 4.6 다음 이산신호의 z-변환과 그 수렴영역을 구하라
(풀이) 예제 4.3과 4.5의
을 중첩한 것으로
이다. 즉, 그림 4.4와 같이 반지름이
반지름이
와 그 수렴영역은
인 원과
인 원 사이의 고리형태가 된다.
4.2 수렴영역
4.2 수렴영역
4.3 z-변환의 성질
1. 선형성(linearity)
a, b가 임의의 상수일 때
이면 다음식이 성립한다
4.3 z-변환의 성질
2. 추이정리(shift property)
일 때, 양의 정수 m에 대해서
가 성립한다
예제 4.7 구형파수열
이 다음과 같이 주어질 때
(풀이) 선형성 및 추이정리로부터 다음과 같이 된다
을 구하라
4.3 z-변환의 성질
3. 지수수열에 의한 곱셈
예제 4.8
의 z-변환을 구하라
(풀이)
로 주어지므로
의 z-변환은 다음과 같다
4.3 z-변환의 성질
4. 미분
예제 4.9 램프(ramp)함수
이 함수를 z-변환하라.
(풀이)
이다.
4.3 z-변환의 성질
5. 초기치 정리
이 정리를 이용하면
값
를 구할 수 있다
에서 역변환을 하지않고 시간영역의 초기
6. 최종치 정리
이 정리를 이용하면 영역에서 직접 시간영역
수 있다
의 최종값을 구할
4.3 z-변환의 성질
7. 컨볼루션
임펄스응답을
의 출력
은
그리고 입력신호를
이라하면, 이 때
로 표시된다. 이러한 컨볼루션의 z-변환은 단순한 곱이 된다
즉,
4.3 z-변환의 성질
표 4.1 z-변환표
4.4 역 z-변환
1. 역 z-변환의 정의
주파수 영역
에서 시간영역
x(n)  Z 1[ x( z )] 
으로 변환하는 것
1
n 1
  X ( z ) z dz
2j
식(4.8)
 는 X (z )의 수렴영역내에
반 시계 방향으로 그린 閉
路이며, X (z )의 모든 극은
그 내부에 포함된다
4.4 역 z-변환
• 유수정리(residue theorem)
-.
이 의 유리함수이며,
의 극이 알려져 있고 동시
에 극이 모두 단극(simple pole)일 경우에 사용
-. 복소 적분을 수행하지 않는다
-. 만약 극
중에서 m차의 중근이 포함된 경우에는
4.4 역 z-변환
예제 4.10 다음 함수
의 역변환을 구하라
(풀이) 유수정리로부터
를 얻는다. 여기서
는 1보다 큰 반경의 원이다. 즉,
수렴영역은 단위 원의 외부로서
원 내부에 있다.
by, 유수정리
과
의
는 모두 단위
4.4 역 z-변환
예제 4.11 다음 함수
의 역변환을 구하라
(풀이) 유수정리로부터
로 된다. 여기서
는 1보다 큰 반경의 원이다.
즉,
의 수렴영역은 단위 원의 외부로서
과
모두 단위 원 내부에 들어 있다. 그러나
의 극은
따라 달라진다. 즉,
일 때는
는
의 값에
4.4 역 z-변환
4.4 역 z-변환
2. 멱급수 전개법
주어진
을 나눗셈을 이용하여 멱급수의 형태로 표시하는 것
이와 같이 멱급수의 형태로 표시하면
Z 1[ Az m ]  A (n  m)
을 이용하여
은
x(n)  a0 (n)  a1 (n  1)  a2 (n  2)  
와 같이 유도할 수 있다
4.4 역 z-변환
4.4 역 z-변환
3. 부분분수 전개법
주어진
가 부분분수로 전개되어
k k
N ( z)
X ( z) 
  i
D( z )
i 1z  zi 로 표시
-. 분모다항식을 인수분해할 때의 근이 단근, 중근 혹은 복소수 근
인가에 따라 미정계수 를 구하는 방법이 달라진다
-. 부분분수의 형태를
에 역 z-변환
로 해서 먼저 분자에 z 를 제거한 후
4.4 역 z-변환
예제 4.13
와 같이 주어질 때 역 z-변환을 구하라
(풀이)
로 두면, 계수는
로 된다. 따라서,
로 주어진다. 표 4.1을 참고하면
4.4 역 z-변환
예제 4.14
일때
을 구하라
(풀이)
로 두고, 계수를 구하여 정리하면
로 된다. 변환표를 참고하면 다음과 같이 된다
4.4 역 z-변환
예제 4.15
일때
(풀이)
여기서,
이다. 따라서
을 구하라
4.5 z-변환의 응용
1. 선형차분방정식의 해
4.5 z-변환의 응용
예제 4.16 다음 1차 차분방정식을 구하라
(풀이) 양변에 z-변환을 취하면
4.5 z-변환의 응용
예제 4. 17 다음 2차 차분방정식의 해를 구하라
(풀이) 주어진 식의 양변을 z-변환하면
로 된다. x(-1)과 x(-2)를 대입하고 정리하면
와 같이 된다. 부분분수 전개법을 이용하면
4.5 z-변환의 응용
2. 이산시스템 입출력 표현
y ( n) 

 x ( k ) h( n  k )  x ( n) * h( n)
k  
4.5 z-변환의 응용
예제 4.18 임펄스응답
입력신호
은
은
로 주어질 때 출력신호
을 구하라
4.5 z-변환의 응용
(풀이) h(n)의 z-변환H(z)는
이고,
이다.
이므로
4.5 z-변환의 응용
• 전달함수(transfer function)
여기서,
라면
4.5 z-변환의 응용
예제 4.19 시스템의 전달함수가
이다. 입력신호를 단위 스텝수열로 했을 때의 시스템 응답을 구하라
(풀이)
이므로
4.5 z-변환의 응용
예제 4.20 차분방정식이
로 주어지는 시스템의 임펄스응답을 구하라
(풀이) 양변에 z-변환하면
4.5 z-변환의 응용
예제 4.21
(풀이)
4.5 z-변환의 응용
3. 시스템의 인과성 및 안정판별
• 인과성
선형 시불변 시스템에서는 입력 x(n)과 출력 y(n) 사이의 관계는
다음과 같은 차분방정식으로 나타낼 수 있다
4.5 z-변환의 응용
식(4.23)
시스템이 인과시스템이 되기 위해서는 위 식에서
만족되어야 한다. 그 이유는 다음과 같다. 가령
의 관계가
일 경우에,
그런데, 인과시스템에서는
이어야 하는데, 위 경우에는 n=-2 및 -1일 때 h(n)은 0이 아닌 값을 갖는다. 따
라서 비인과시스템이 된다. 결국, 인과성을 만족하기위해서는 시스템의 전달
함수
는
의 관계가 성립하여야 한다
4.5 z-변환의 응용
• 안정성
식(4.23)에서
과 같다
단,
이라 가정하면 H(z)의 부분분수 전개는 다음
은 상수이며,
은
의
극이다
식(4.25)
4.5 z-변환의 응용
한편 시스템이 안정되기 위해서는
을 만족해야 하고 식(4.25)에서 h(n)이 발산하지 않기 위해서는
인 것을 알 수 있다.
즉, 전달함수 H(z)의 모든 극이 단위원 내에 있으면, 그 시스템은 안정
하다고 할 수 있다
4.6 라플라스변환과의 관계
T  
4.6 라플라스변환과의 관계
xs (t ) 는 x(t ) 의 임펄스 열로 구성되므로

xs (t )   x(t ) (t  nT )
n  
여기서 x(t )의 값은 t  nT 에서만 정의되므로 실제로는
인과적 시스템, 즉 실현 가능한 시스템을 취급하는 것이라고
하면 t  0 에서는 x(t )  0 으로 된다

xs (t )   x(nT ) (t  nT )
n 0
위의 식을 라플라스변환하면 선형성 및 시간추이의 성질로부터
X s ( s )  x(0)  x(T )e  sT  x(2T )  

  x(nT )e  sT
n 0
4.6 라플라스변환과의 관계
4.6 라플라스변환과의 관계
• s 평면에서 z 평면으로의 사상관계
(1) s평면의 좌반평면은 z평면의 단위원
(2) s평면의
의 내부로 사상된다.
축은 z평면의 단위원상으로 사상된다
(3) s평면의 우반평면은 z평면의 단위원 외부에 사상된다.