第14章
z変換
この章のねらい
- z変換の定義と、ラプラス変換・DTFT との関係を説明できるようになる
- 差分方程式を z変換して伝達関数 H(z) を求められるようになる
- 部分分数展開による逆 z変換を1問通しで実行できるようになる
14.1 z変換の導入
前章のラプラス変換、たしかに強かったお。でもやる夫が安定かどうか知りたかったのは、第12章のディジタルフィルタだお。あっちは微分方程式じゃなくて差分方程式だから、 も も出てこないお。
だから今度はラプラス変換の離散時間版を作る。それが z変換だ。数列 ()に対して
と定義する。 は複素変数。積分が総和に、 が に置き換わっただけで、骨格はラプラス変換 (13.2) と同じだ。
骨格が同じって言うけど、 と じゃ見た目がだいぶ違うお。どこが対応してるんだお。
いいところを突く。 が連続信号 をサンプリング周期 で標本化したもの、つまり だとしよう。ラプラス変換の核 を標本点 で評価すると だ。ここで
と名前を付ければ、。つまり z変換とは、ラプラス変換の標本点版で、 をひとまとめに と呼んだものなんだ。
なるほどだお。じゃあ 平面の話は、式 (14.2) の翻訳表を通せば全部 平面に持ってこられるってことかお。
そういうことだ。翻訳の目玉をひとつ先に見せておく。、つまり前章で「周波数応答が住んでいる」と言った虚軸は、 に移る。これは複素平面の半径1の円周だ。実際、式 (14.1) で と置くと
これは離散時間フーリエ変換(DTFT)そのものだ。DTFT は z変換を単位円の上で眺めた特殊ケース。「ラプラス変換の虚軸=フーリエ変換」の関係と同じ構図が、円になって現れている。
14.2 逆z変換
ラプラス変換のときは「変換 → 代数 → 逆変換」の3ステップだったお。z変換の逆変換はどうやるんだお。
公式としては複素平面上の周回積分
が定義だ。が、安心しろ、この積分を実際に計算することはこの教材では一度もない。
その宣言、嫌いじゃないお。じゃあ実際はどうするんだお。
実務は2つの読み方で済む。
- べき級数として読む: 定義 (14.1) は だ。つまり を のべき級数に展開できれば、係数を順に読むだけで が出る
- 部分分数に割って対応表を読む: が有理関数なら、簡単な分数の和に割って、各項を既知のペアで逆変換する。ラプラスのときの式 (13.7) と同じ作戦だ
ほとんどの場合は 2 で片付く。その「既知のペア」の代表が、これから作る だ。
14.3 線形差分方程式とz変換
ラプラス変換の必殺技は「微分が 倍」だった。z変換の必殺技はこれだ。
1サンプルの遅延が、 を掛けるだけの操作に化ける。導出は 14.5 節に回して、まず使う。第12章の IIR フィルタを覚えているか。
両辺を z変換しろ。遅延は 倍、それ以外は線形だからそのまま和になる。
えーと、 …。 を左に集めると だから…
お、ラプラスのときの伝達関数と同じ顔のやつが出てきたお。
それがディジタルフィルタの伝達関数 だ。一般の差分方程式でも同じことが起きる。
差分方程式が、 の多項式の比=有理関数にきれいに化ける。分子 には入力側の係数(FIR 部分)、分母 にはフィードバック側の係数が並ぶ。FIR フィルタなら分母が 1 で、 はただの多項式だ。
で、式 (14.7) からインパルス応答は読めるのかお? 第12章で手計算したときは だったお。
読める。等比級数の公式 に を入れてみろ。
さっき言った「べき級数として読む」だ。係数列はまさに 。一般化すれば、逆変換ペアの主役が手に入る。
そして の分母が 0 になる点、つまり極は だ。 なら は減衰し、 なら発散する。第12章の「0.9 はセーフ、1.1 はアウト」の境界線が、 平面の単位円として目に見える形になった。
14.4 逆z変換の実際
極が1個ならわかったお。でも本物のフィルタは式 (14.8) みたいに分母がもっと長いお。そういうときはどうするんだお。
部分分数展開で式 (14.10) の形の和にバラす。これを1問、最後まで通しでやろう。お題はこれだ。
極は と の2つ。これを
と置く。 を決めるには、両辺に元の分母を掛けて
これがどんな でも成り立つように選ぶ。ここでひとつ約束をしておく。 を「ひとつの変数」とみなして部分分数するんだ。 と置き換えて を の有理関数として分解している、と思えばいい。だから次に出てくる「 を代入」も、 という への代入であって、 そのものに妙な値を入れているわけではない(離散版の部分分数展開のコツは付録A.5にまとめた)。楽をするコツは、片方の項が消える点を代入することだ。やってみろ。
ええと、 の項を消したいなら 、つまり を入れるお。すると だから だお。
今度は を入れると だから だお。
正解だ。あとは各項に式 (14.10) を当てるだけ。
無限に続くインパルス応答の全貌が、閉じた式で手に入った。
…本当に合ってるのかお? 検算したいお。
いい習慣だ。式 (14.11) の分母を展開すると 、つまり元の差分方程式は だ。インパルスを入れて直接回すと 、。一方、式 (14.14) は
一致だ。さらに式 (14.14) からは数値以上のことが読める。応答は と の2成分の混合で、すぐ消えるのは前者、しぶとく残って応答の「しっぽ」を支配するのはいちばん単位円に近い極 の方だ。
極の位置を見れば、計算しなくても応答の性格が読めるってことかお。ラプラスのときの「左半平面なら安定」と同じノリだお。
そのノリの離散版を、目で確かめよう。下のデモは共役な極ペア を持つシステムだ。インパルス応答は になる。 と を動かしてみろ。
おお、前章のデモとそっくりの動きだお! あっちは「縦の虚軸を越えたら発散」だったけど、今度は単位円を越えたら発散だお。 が前章の の役で、 が の役だお。
そのとおり。 の翻訳で だから、。「極が左半平面なら安定」は、離散時間では「極が単位円の内側なら安定」になる。これが第12章から引っ張ってきた問いへの最終回答だ。フィルタの分母 の根を求めて、全部単位円の内側にあれば安定。手計算で何十項も回す必要はない。
14.5 なぜ遅延が z^-1 になるのか
最後に宿題を回収してほしいお。式 (14.5)、遅延が 倍になるってやつだお。
定義に放り込むだけだ。1サンプル遅らせた信号 を式 (14.1) に入れて、 と置き換える。
途中で の項を捨てたのは、 で (因果的な信号)としているからだ。 サンプルの遅延なら同じ計算で 倍になる。
ほんとに総和の番号を付け替えただけだお。 が になって、はみ出した が外にこぼれ出てきた、って感じだお。
その「こぼれ出る」感覚で十分だ。仕上げに、2つの章を1枚の対応表にしておこう。
- 連続時間: システムの基本操作は微分。 が微分の固有関数だから、ラプラス変換で「微分 倍」になり、微分方程式が代数方程式 に化けた
- 離散時間: システムの基本操作は遅延。 は遅延の固有関数( で形が変わらない)だから、z変換で「遅延 倍」になり、差分方程式が有理関数 に化けた
道具の見た目は違っても、**「システムの基本操作を、ただの掛け算に変える座標系を選ぶ」**という一つの思想で貫かれている。
- z変換 はラプラス変換の離散時間版。 の関係で結ばれ、DTFT は単位円上()の特殊ケース
- 逆z変換は周回積分が定義だが、実際はべき級数の係数読みか部分分数展開で済ませる
- 遅延の性質 により、差分方程式は有理関数 に化ける。ラプラスの「微分 」と対になる「遅延 」
- 基本ペアは 。複数極は部分分数展開でこの形の和に割る
- 応答のしっぽは単位円にいちばん近い極が支配する
- 安定条件: 極がすべて単位円の内側。 平面の左半平面⇔ 平面の単位円内、虚軸⇔単位円周