2. Linear Transformations and Matrices
1.1 Continuous - Time & Discrete-time
Continuous-time signal: $x(t)$, $t \in \mathbb{R}$
Discrete-time signal: $x[n]$, $n \in \mathbb{Z}$
ex) RC circuit
[회로도: 전압원 $v_s(t)$가 저항 $R$과 커패시터 $C$에 직렬로 연결됨. 출력 전압 $v_c(t)$는 커패시터 양단에서 측정.]
$Z_R = R$
$Z_C = \frac{1}{j\omega C}$
Note
$\omega$ : 입력신호의 주파수 $(rad/s)$
$f$ : 초당회전 횟수 $(Hz)$
Recall
In capacitor, $f \rightarrow ?$ … $2\pi f = \omega$.
$f=0 \rightarrow Z_C = \infty$, open circuit ($V_c = V_s$)
$f=\infty \rightarrow Z_C = 0$, short circuit
Transfer Function:
\[\frac{V_c(j\omega)}{V_s(j\omega)} = H(j\omega) = \frac{\frac{1}{j\omega C}}{R+\frac{1}{j\omega C}} = \frac{1}{1+j\omega RC}\]Magnitude:
\[|H(j\omega)| = \frac{1}{\sqrt{1+\omega^2(RC)^2}}\]1.1.2 Signal energy & Power
Definition
Continuous-time signal
$Energy = \int_{t_1}^{t_2} x(t) ^2 dt$ $E_{\infty} = \lim_{T \rightarrow \infty} \int_{-T}^{T} x(t) ^2 dt$
Discrete-time signal
$Energy = \sum_{n=n_1}^{n_2} x[n] ^2$ $E_{\infty} = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x[n] ^2$
Definition (Power)
$Power = \frac{1}{t_2 - t_1} \int_{t_1}^{t_2} x(t) ^2 dt$ $P_{\infty} = \lim_{T \rightarrow \infty} \frac{1}{2T} \int_{-T}^{T} x(t) ^2 dt$
Discrete: $P = \frac{1}{2N+1} \sum_{n=-N}^{N} x[n] ^2$ $P_{\infty} = \lim_{N \rightarrow \infty} \frac{1}{2N+1} \sum_{n=-N}^{N} x[n] ^2$
Remark
If $P_{\infty} \neq 0 \Rightarrow E_{\infty} = \infty$
If $E_{\infty} < \infty \Rightarrow P_{\infty} = 0$
1.2 Transformation of indep. variable
(1) Time Shift
\[x[n] \mapsto x[n - n_0] \quad (n_0 \text{만큼 shift})\]if $n_0 > 0$: delay (과거신호)
if $n_0 < 0$: advance (미래신호)
(2) Time Reversal
\[x[n] \mapsto x[-n]\]- $n=0$ 대칭 (카세트 reverse)
(3) Time Scaling
$x[t] \mapsto x[2t]$ : 2배 빠르게 (compressed)
$x[t] \mapsto x[\frac{1}{2}t]$ : 느리게 (expanded)
to consider combined transformations… (순서 중요)
1.2.2 Periodic signals
Definition
If for $\forall t$ s.t.
\[x(t) = x(t+T)\]$x(t)$ is periodic signal.
$\Rightarrow x(t) = x(t+T)$ 를 만족하는 양수 $T$가 존재한다.
- Fundamental Period: 주기 $T$ 중 최솟값 $T_0$.
Note
Fundamental frequency: 주파수 중에 가장 작은 주파수 $\omega_0$.
Is constant signal periodic?
- $\rightarrow$ Yes, by definition. but no $T_0$ (undefined).
1.2.3 Even & Odd signal
Def)
Even signal: $x(-t) = x(t)$ (y축 대칭)
Odd signal: $x(-t) = -x(t)$ (원점 대칭)
$\rightarrow$ We can decompose signal.
\[Ev\{x(t)\} = \frac{x(t) + x(-t)}{2}\] \[Od\{x(t)\} = \frac{x(t) - x(-t)}{2}\] \[\Rightarrow x(t) = Ev\{x(t)\} + Od\{x(t)\}\]1.3 Exponential & Sinusoidal signal
\[x(t) = C e^{at} \quad (C, a \in \mathbb{C})\]i) If $C, a \in \mathbb{R}$
$a > 0$: Growing exponential
$a < 0$: Decaying exponential
ii) If $a$ is pure imaginary number, $a = j\omega_0$
\[x(t) = e^{j\omega_0 t} = \cos(\omega_0 t) + j\sin(\omega_0 t)\](Euler’s Formula)
Ex) Find $T$ of periodic $e^{j\omega_0 t}$
\[e^{j\omega_0 t} = e^{j\omega_0 (t+T)}\] \[e^{j\omega_0 t} = e^{j\omega_0 t} \cdot e^{j\omega_0 T}\] \[\Rightarrow e^{j\omega_0 T} = 1\] \[\Rightarrow j\omega_0 T = j2\pi n\] \[\therefore \omega_0 T = 2\pi n \quad \text{or} \quad T = \frac{2\pi}{|\omega_0|} \cdot n\]Fundamental period $T_0 = \frac{2\pi}{ \omega_0 }$ 자연계에는 복소수가 없지만 계산 편의를 위해 복소수 signal 사용.
- $\hookrightarrow$ 실제 측정값은 real part. $Re{x(t)} = \frac{x(t) + x^*(t)}{2}$
Energy & Power of Periodic Signal:
\[E_{period} = \int_{0}^{T_0} |e^{j\omega_0 t}|^2 dt = \int_{0}^{T_0} 1 dt = T_0\] \[P_{period} = \frac{1}{T_0} \cdot E_{period} = 1\]Harmonically related exponentials
Def) 어떤 양수 주파수 $\omega_0$의 정수배 집합.
\[\phi_k(t) = e^{jk\omega_0 t}, \quad k = 0, \pm 1, \pm 2, \dots\]Ex 1.5)
\[x(t) = e^{j3t} + e^{j2t}\](Change to one cosine function)
\[= e^{j2.5t} (e^{j0.5t} + e^{-j0.5t})\](conjugate 관계)
\[= e^{j2.5t} (2 \cos(0.5t))\] \[= 2 e^{j2.5t} \cos(0.5t)\]Generalized complex-exponential signals
\[C, a \in \mathbb{C}\] \[C = |C| e^{j\theta}, \quad a = r + j\omega_0\] \[x(t) = C \cdot e^{at}\] \[= |C| e^{j\theta} \cdot e^{(r + j\omega_0)t}\] \[= |C| e^{rt} \cdot e^{j\theta} \cdot e^{j\omega_0 t}\] \[= |C| e^{rt} \cdot e^{j(\omega_0 t + \theta)}\] \[= |C| e^{rt} (\cos(\omega_0 t + \theta) + j\sin(\omega_0 t + \theta))\][그래프: 진동하며 진폭이 지수적으로 커지는 파형]
$ C e^{rt}$: 진폭 (Envelope) $\omega_0$: 주파수 (Frequency)
- $\theta$: phase offset
Discrete-time Signal
\[x[n] = C \cdot \alpha^n\](physically meaningful even if $\alpha < 0$)
다음을 관찰하자.
$x[n] = \cos(\frac{2\pi}{12} n) \Rightarrow N_0 = 12$
$x[n] = \cos(\frac{8\pi}{31} n) \Rightarrow N_0 = 31$
$x[n] = \cos(\frac{1}{6} n) \Rightarrow N_0 = \frac{2\pi}{1/6} = 12\pi \dots \notin \mathbb{Z}$ (periodic 하지 않음)
- discrete signal 에서는 $\omega_0 = 2\pi \times (\frac{m}{N})$ 꼴이어야만 periodic 하다.
Periodicity properties of discrete-time complex exponentials
Continuous-time signal 에서는 $\cos(\omega_0 t)$
주파수는 $\omega_0$이고, $\sim \infty$까지 의미가 있다.
$\Rightarrow \omega_0$가 다르면 신호의 의미가 다르다.
$\Rightarrow$ 음수 주파수는 회전 방향이 반대이다.
Discrete-time signal 의 경우는 $\cos(\omega_0 n)$
가장 낮은 주파수: $0$ (or $2\pi, \dots$)
가장 높은 주파수: $\pi$ (or $3\pi, \dots$)
$\pi \sim 2\pi$ 까지는 주파수가 증가해도 주기가 길어지는 효과 (Aliasing).
물리적인 의미는 $0$부터 $\pi$까지.
Discrete-time signal fundamental period
\[e^{j\omega_0 n} = e^{j\omega_0 (n + N_0)}\] \[e^{j\omega_0 n} = e^{j\omega_0 n} \cdot e^{j\omega_0 N_0}\] \[\Rightarrow e^{j\omega_0 N_0} = 1\] \[\Rightarrow \omega_0 N_0 = 2\pi m \quad (m \text{ is integer})\] \[N_0 = \frac{2\pi}{|\omega_0|} \cdot m\]- 이것이 정수가 되는 $m$을 찾아 계산.
ex) $x[n] = \cos(\frac{8\pi}{31} n)$
\[\omega_0 = \frac{8\pi}{31}\] \[N = \frac{2\pi}{(8\pi/31)} m = \frac{31}{4} m\]For $N$ to be integer, let $m=4$.
$\therefore N_0 = 31$.
Harmonically related periodic exponentials (공통주기 N)
\[\phi_k[n] = e^{jk(\frac{2\pi}{N})n}, \quad k = 0, \pm 1, \dots\]$\Rightarrow$ 어느 순간 같은 신호가 나올 것이다.
proof)
\[\phi_{k+N}[n] = e^{j(k+N)\frac{2\pi}{N}n}\] \[= e^{jk \frac{2\pi}{N} n} \cdot e^{j N \frac{2\pi}{N} n}\]이때 $e^{j 2\pi n} = 1$
\[= \phi_k[n] \cdot 1 = \phi_k[n]\]$\Rightarrow$ $N$개의 서로 다른 harmonically related periodic exponentials 존재.
1.4 Unit Impulse & Unit step function
(1) Unit Impulse (Discrete)
\[\delta[n] = \begin{cases} 0 & n \neq 0 \\ 1 & n = 0 \end{cases}\](2) Unit Step (Discrete)
\[u[n] = \begin{cases} 0 & n < 0 \\ 1 & n \ge 0 \end{cases}\]Thm (Relationships):
$\delta[n] = u[n] - u[n-1]$
$u[n] = \sum_{k=0}^{\infty} \delta[n-k] = \sum_{m=-\infty}^{n} \delta[m]$
Properties:
$x[n]\delta[n] = x[0]\delta[n]$ ($n=0$ 에서의 sampling)
$x[n]\delta[n - n_0] = x[n_0]\delta[n - n_0]$ ($n=n_0$에서의 sampling)
How about continuous-time?
(1) Unit step
\[u(t) = \begin{cases} 0 & t < 0 \\ 1 & t > 0 \end{cases}\](Undefined at $t=0$, 이런 함수는 없으니 근사하자)
(2) Unit Impulse
\[\delta(t) = \frac{du(t)}{dt}\][그림: 폭 $\Delta$, 높이 $1/\Delta$ 인 사각형 펄스 $\delta_{\Delta}(t)$]
$\delta(t) \approx \delta_\Delta(t)$
넓이가 1로 일정, 적분시 값은 1이다.
$\delta(t) = \lim_{\Delta \to 0} \delta_\Delta(t)$
$\int_{-\infty}^{\infty} \delta(t) dt = 1$
What do $u(t)$ and $\delta(t)$ mean?
Note:
\[u(t) = \int_{-\infty}^{t} \delta(\tau) d\tau = \int_{\infty}^{0} \delta(t-\sigma) (-d\sigma) \quad (\text{subst } \sigma = t-\tau)\] \[u(t) = \int_{0}^{\infty} \delta(t-\sigma) d\sigma\]Properties:
$x(t)\delta(t) = x(0)\delta(t)$ ($t=0$ 에서의 신호만 남음)
$x(t)\delta(t - t_0) = x(t_0)\delta(t - t_0)$ ($t=t_0$ 에서의 sampling)
Sifting Property:
\[\int_{-\infty}^{\infty} x(\tau) \delta(t - \tau) d\tau = x(t)\](어차피 $\tau=t$ 일 때만 값을 가진다)
\[= x(t) \int_{-\infty}^{\infty} \delta(t-\tau) d\tau = x(t)\]
Doublet (Derivative of Impulse):
\[\delta'(t) := \frac{d\delta(t)}{dt}\]By convolution property, $\int_{-\infty}^{\infty} x(\tau) \delta(t - \tau) d\tau = x(t)$
Let $\tau’ = t - \tau$:
\[\frac{d}{dt} \int_{-\infty}^{\infty} x(t - \tau') \delta(\tau') d\tau'\] \[= [x(t-\tau')\delta(\tau')]_{-\infty}^{\infty} - \int_{-\infty}^{\infty} x(t-\tau') \delta'(\tau') d\tau'\](Integration by parts)
\[= \int_{-\infty}^{\infty} x(t-\tau') \delta'(\tau') d\tau'\](디렉 델타가 1번 미분)
\[\frac{dx(t)}{dt} = \int_{-\infty}^{\infty} x(t-\tau') \delta'(\tau') d\tau'\]Generalize:
\[\frac{d^n x(t)}{dt^n} = \int_{-\infty}^{\infty} x(t - \tau') \delta^{(n)}(\tau') d\tau'\]: 자기자신보다 다른 signal 과 결합할 때 의미가 있다.
Q. How can I prove $\frac{d^{2}x(t)}{dt^{2}} = \int_{-\infty}^{\infty} x(t-\tau’) \delta^{(2)}(\tau’) d\tau’$ ?
1.5 Continuous-Time and Discrete-Time systems
Continuous: $x(t) \to \boxed{\text{System}} \to y(t)$
Discrete: $x[n] \to \boxed{\text{System}} \to y[n]$
Ex 1.11 Simulation
Model: $\dot{y}(t) + ay(t) = bx(t)$
Approximate derivative: $\dot{y}(t) \approx \frac{y(t) - y(t-h)}{h}$
\[\frac{y(t) - y(t-h)}{h} + a y(t-h) = b x(t)\] \[y(t) = (1 - ha) y(t-h) + hb x(t)\]Convert to discrete ($t \to n$, $t-h \to n-1$):
\[y[n] = (1 - ha) y[n-1] + hb x[n]\]$y(t-h) \approx y[n-1]$ : 한 sample 이전의 값. 미소 시간 전만큼의 값.
근사 가능!
1.6 Basic System Properties
(1) Memory
Memoryless system:
Ex: $y[n] = 2x[n] - x^2[n]$
Ex: $y(t) = Re(x(t))$ 등. 해당시간의 input에만 영향을 받음.
System with Memory:
Ex: $y[n] = \sum_{k=-\infty}^{n} x[k]$
Ex: $y(t) = x(t) + x(t+1)$ 등. 과거나 미래 입력을 고려.
Ex: $y(t) = \frac{1}{C} \int_{-\infty}^{t} i(\tau) d\tau$
(2) Invertibility
Invertible system:
\[x[n] \to \boxed{S} \to y[n] \to \boxed{S^{-1}} \to x[n]\]If distinct inputs lead to distinct outputs.
Non-invertible system:
Ex: $y[n] = 0$
Ex: $y(t) = x^2(t)$ 등.
(3) Causality
Causal System: 출력이 입력의 현재와 과거 값에 의해서 결정된다. (non-anticipative).
Non-causal System: 미래값에 의해 결정.
Note
All memoryless systems are causal.
Almost all real-life continuous systems are causal.
Discrete-time systems do not have to be causal. (Just wait. 모든 sample을 미리 받은 후 실행).
Ex) $y[n] = \frac{1}{2M+1} \sum_{k=-M}^{M} x[n-k]$ (Moving Average)
(4) Stability
[그림: (상단) 진자 운동 - 안정, (하단) 역진자 - 불안정]
“BIBO”: Bounded Input, Bounded Output.
유한한 입력 $\rightarrow$ 유한한 출력.
Ex: $y(t) = e^{x(t)}$
| i) $\forall | x(t) | < B \Rightarrow | y(t) | = | e^{x(t)} | \le e^{ | x(t) | } < e^B < \infty$ |
| ii) $\exists t$ s.t. $ | x(t) | < B \dots$ (내용 끊김, 불안정 조건 반례에 대한 언급으로 추정됨) |
(5) Time Invariance
\[x(t) \to \boxed{S} \to y(t)\] \[x(t - t_0) \to \boxed{S} \to y(t - t_0) \quad \text{for } \forall t_0\]$\therefore t_0$ delay $\rightarrow$ 출력도 $t_0$ delay : 언제 실험하든 같은 결과.
Diagram:
$x(t) \xrightarrow{\text{Shift}} x(t-t_0) \xrightarrow{\text{Sys}} Y_1$
$x(t) \xrightarrow{\text{Sys}} y(t) \xrightarrow{\text{Shift}} y(t-t_0)$
(6) Linearity
Additivity: $x_1[n] + x_2[n] \to y_1[n] + y_2[n]$
Homogeneity: $a x_1[n] \to a y_1[n]$
보이는 법: $x[n]$ 대신에 $a x_1[n] + b x_2[n]$ 넣기