컨볼루션의 성질
컨볼루션에도 곱셈처럼 순서를 바꾸거나 묶는 규칙이 있을까? 있다면 그 규칙은 시스템을 잇는 방법과 어떻게 이어질까?
교환·결합·분배·항등
컨볼루션에는 곱셈과 비슷한 성질이 있다. 차례로 commutative, associative, distributive, identity라고 부른다.
교환:결합:분배:항등:x∗h=h∗x(x∗h1)∗h2=x∗(h1∗h2)x∗(h1+h2)=x∗h1+x∗h2x∗δ=x
각 성질은 시스템을 연결하는 방법과 대응한다. 교환법칙은 입력과 임펄스 응답의 역할을 바꿔도 출력이 같다는 뜻이다. 그래서 계산할 때 둘 중 편한 쪽을 뒤집으면 된다. 결합법칙은 LTI 시스템 두 개를 직렬로 이으면 임펄스 응답이 h1∗h2인 시스템 하나와 같다는 뜻이다. 교환법칙과 합치면 직렬로 이은 LTI 시스템은 순서를 바꿔도 된다. 분배법칙은 두 시스템을 병렬로 놓고 출력을 더하면 임펄스 응답이 h1+h2인 시스템 하나와 같다는 뜻이다. 항등은 sifting 성질 그 자체이다.
x∗δ(t)=∫−∞∞x(τ)δ(t−τ)dτ=x(t)
같은 계산으로 이동한 임펄스와의 컨볼루션은 이동이 된다: x∗δ(t−t0)=x(t−t0). 임펄스 응답이 δ(t−t0)인 시스템은 t0만큼 늦추는 지연기이다.
직접 유도해 보기. 교환법칙이 성립함을 보여라.
풀이
(x∗h)(t)=∫x(τ)h(t−τ)dτ에서 σ=t−τ로 치환한다. dτ=−dσ이고, τ가 −∞→∞로 갈 때 σ는 ∞→−∞로 간다. 적분 방향을 바꾸면 부호가 다시 바뀐다.
∫−∞∞x(τ)h(t−τ)dτ=∫−∞∞h(σ)x(t−σ)dσ=(h∗x)(t)
같은 방법으로 다른 성질도 얻는다. 예를 들어 출력의 미분은 한쪽 신호만 미분해 컨볼루션한 것과 같다.
dtd(x∗h)(t)=(x∗dtdh)(t)=(dtdx∗h)(t)
직접 유도해 보기. 이 미분 성질을 보여라.
풀이
dtd∫x(τ)h(t−τ)dτ에서 t를 품은 인자는 h(t−τ)뿐이므로 미분은 그 인자에만 걸린다. 결과는 ∫x(τ)h′(t−τ)dτ=(x∗h′)(t)이다. 교환법칙으로 h∗x에서 시작하면 (h∗x′)(t)=(x′∗h)(t)도 얻는다. 적분과 미분의 순서를 바꿀 수 있는 신호(보통 다루는 조각별로 매끄러운 신호)에서 성립한다.
면적 성질
손으로 푼 컨볼루션이 맞는지 적분을 다시 하지 않고 확인할 수 있을까?
출력의 면적은 입력의 면적과 임펄스 응답의 면적을 곱한 것이다.
∫−∞∞y(t)dt=∫−∞∞x(τ)[∫−∞∞h(t−τ)dt]dτ=∫−∞∞x(τ)[h의 면적]dτ=[x의 면적]×[h의 면적]
첫 줄에서 적분 순서를 바꾸었다. 안쪽 적분은 h를 τ만큼 옮긴 함수의 면적이므로 τ와 상관없이 h의 면적과 같다. 적분 순서를 바꾸려면 두 신호의 면적이 유한해야 한다. 정확히는 ∫∣x∣dt와 ∫∣h∣dt가 유한해야 한다. u(t)나 정현파처럼 면적이 유한하지 않은 신호에는 이 성질을 쓸 수 없다. 예를 들어 u(t)∗e−tu(t)=(1−e−t)u(t)는 면적이 무한하다.
예제 1에서 쓸 쌍으로 확인한다. 폭 1, 높이 1인 사각 펄스의 면적은 1이고 e−2tu(t)의 면적은 ∫0∞e−2tdt=21이다. 따라서 출력의 면적은 21이어야 한다. 다음 예제 1의 답도 이 값을 만족한다. 손으로 푼 컨볼루션은 이렇게 면적으로 검산한다.
임펄스 응답이 h1, h2인 LTI 시스템을 직렬로 이었다. 전체 시스템의 임펄스 응답을 고르라.
- (가) h1(t)h2(t)
- (나) 어느 시스템이 앞에 오는지에 따라 달라서 하나로 정할 수 없다.
- (다) h1∗h2
- (라) h1+h2
풀이
답 (다) h1∗h2
- (가) 같은 시각의 값끼리 곱한 것이다. 시스템을 이으면 곱이 아니라 컨볼루션이 된다.
- (나) 교환법칙 때문에 h1∗h2=h2∗h1이다.
- (라) 두 시스템을 병렬로 놓고 출력을 더할 때의 임펄스 응답이다.
첫 시스템의 출력은 x∗h1이고, 둘째 시스템을 지나면 (x∗h1)∗h2이다. 결합법칙으로 이것은 x∗(h1∗h2)이므로 전체 임펄스 응답은 h1∗h2이다. 교환법칙까지 쓰면 두 시스템의 순서를 바꿔도 출력이 같다.
다음 문장이 참인지 거짓인지 고르라. "dtd(x∗h)=dtdx∗dtdh이다."
- 참
- 거짓
풀이
답 거짓
- 참 미분은 한쪽에만 걸린다. 두 신호를 모두 미분하면 출력을 두 번 미분한 것이 된다.
dtd(x∗h)=x∗dtdh=dtdx∗h이다. 적분 ∫x(τ)h(t−τ)dτ에서 t를 품은 인자는 h(t−τ) 하나뿐이기 때문이다. 예를 들어 x=h=u(t)이면 x∗h=tu(t)이고 그 미분은 u(t)이다. 두 신호를 모두 미분하면 δ∗δ=δ가 되어 다르다.