8장. 푸리에 변환의 성질

푸리에 해석 · 푸리에 변환

심화 · 약 45분 · 연습문제 6 · 그림 2

요약

선형성, 시간 이동, 변조, 스케일링, 켤레와 대칭, 쌍대성, 미분, 합성곱, 파세발과 플랑셰렐, 상관, 성질의 조합

신호를 옮기면, 늘이면, 미분하면, 곱하면 주파수 쪽에서는 무슨 일이 생길까요? 이 장의 성질들(선형성, 이동, 척도, 미분, 합성곱, 파세발)은 푸리에 변환을 실제로 쓰는 계산 규칙입니다.

“시간 영역에서 이런 조작을 하면 주파수 영역에서 무슨 일이 일어나는가”의 목록입니다. 각 성질은 한두 줄의 치환이나 부분적분으로 증명됩니다. 이 장 전체에서 x(t)⟷FX(ω)x(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} X(\omega), y(t)⟷FY(ω)y(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} Y(\omega)라 합니다.

8.1 선형성

정리 8.1. αx(t)+βy(t)⟷FαX(ω)+βY(ω)\alpha x(t) + \beta y(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \alpha X(\omega) + \beta Y(\omega)입니다.

적분이 선형이기 때문입니다. 신호를 쉬운 조각으로 나눠 따로 변환한 뒤 더해도 됩니다.

8.2 시간 이동

정리 8.2.

x(t−t0)⟷Fe−jωt0X(ω)x(t - t_0) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} e^{-j\omega t_0}X(\omega)

증명. s=t−t0s = t - t_0으로 치환하면 ∫x(t−t0)e−jωt dt=∫x(s)e−jω(s+t0) ds=e−jωt0X(ω)\int x(t - t_0)e^{-j\omega t}\, dt = \int x(s)e^{-j\omega(s + t_0)}\, ds = e^{-j\omega t_0}X(\omega)입니다. ■\blacksquare

∣e−jωt0∣=1|e^{-j\omega t_0}| = 1이므로 크기 스펙트럼은 변하지 않고 위상에 −ωt0-\omega t_0가 더해집니다. 지연은 주파수에 비례하는 위상 지연, 즉 선형 위상입니다. 직관은 이렇습니다. t0t_0만큼 늦추는 것은 주파수 ω\omega인 성분에게는 ωt0\omega t_0라디안만큼 회전이 덜 된 것입니다. 빠른 성분일수록 같은 시간 동안 더 많이 돕니다.

8.3 주파수 이동과 변조

정리 8.3.

ejω0tx(t)⟷FX(ω−ω0),x(t)cos⁡ω0t⟷F12X(ω−ω0)+12X(ω+ω0)e^{j\omega_0 t}x(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} X(\omega - \omega_0), \qquad x(t)\cos\omega_0 t \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \tfrac{1}{2}X(\omega - \omega_0) + \tfrac{1}{2}X(\omega + \omega_0)

증명. ∫x(t)ejω0te−jωt dt=∫x(t)e−j(ω−ω0)t dt=X(ω−ω0)\int x(t)e^{j\omega_0 t}e^{-j\omega t}\, dt = \int x(t)e^{-j(\omega - \omega_0)t}\, dt = X(\omega - \omega_0)입니다. 둘째 식은 cos⁡ω0t=12(ejω0t+e−jω0t)\cos\omega_0 t = \frac{1}{2}(e^{j\omega_0 t} + e^{-j\omega_0 t})와 선형성에서 나옵니다. ■\blacksquare

시간 이동과 정확히 짝을 이룹니다. 한 영역에서의 이동은 다른 영역에서 복소지수 곱입니다. 사인파를 곱하면 스펙트럼이 통째로 ±ω0\pm\omega_0로 옮겨 갑니다(그림 8.1). 라디오가 음성(수 kHz)을 수백 kHz에서 수 GHz의 반송파에 싣는 원리(변조)이고, 삼각함수의 곱을 합으로 바꾸는 공식의 일반화입니다.

위 왼쪽은 종 모양 신호 x(t), 위 오른쪽은 원점에 봉우리가 있는 스펙트럼입니다. 아래 왼쪽은 cos ω₀t를 곱해 빠르게 진동하는 신호, 아래 오른쪽은 봉우리가 절반 높이로 ±ω₀에 하나씩 옮겨 간 스펙트럼입니다.

그림 8.1. 변조. 위: 신호와 그 스펙트럼. 아래: cos⁡ω0t\cos\omega_0 t를 곱한 신호와 스펙트럼. 스펙트럼이 절반 높이로 ±ω0\pm\omega_0에 복사됩니다.

8.4 시간 스케일링

정리 8.4. 실수 a≠0a \ne 0에 대해

x(at)⟷F1∣a∣X(ωa)x(at) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \frac{1}{|a|}X\left(\frac{\omega}{a}\right)

입니다.

증명. s=ats = at로 치환하면(1장 1.6절의 확대 치환) ∫x(at)e−jωt dt=1∣a∣∫x(s)e−j(ω/a)s ds\int x(at)e^{-j\omega t}\, dt = \frac{1}{|a|}\int x(s)e^{-j(\omega/a)s}\, ds입니다. ■\blacksquare

∣a∣>1|a| > 1이면 시간축이 압축되고 주파수축은 늘어납니다. 시간에서 좁으면 주파수에서 넓습니다. 녹음을 2배속으로 틀면 길이는 절반, 모든 주파수는 2배(한 옥타브 위)가 됩니다. 사각 펄스와 가우스 함수에서 본 현상의 일반 원리이며 불확정성 원리(13장)의 정성적인 꼴입니다. a=−1a = -1이면 시간 반전 x(−t)⟷FX(−ω)x(-t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} X(-\omega)입니다.

시간 이동, 스케일, 변조를 바꾸면 크기 스펙트럼과 위상 스펙트럼 중 바뀌는 것이 다릅니다

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8.5 켤레와 대칭

정리 8.5. x(t)∗⟷FX(−ω)∗x(t)^* \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} X(-\omega)^*입니다.

증명. ∫x(t)∗e−jωt dt=(∫x(t)ejωt dt)∗=X(−ω)∗\int x(t)^*e^{-j\omega t}\, dt = \left(\int x(t)e^{j\omega t}\, dt\right)^* = X(-\omega)^*입니다. ■\blacksquare

따름정리 8.6.

  1. xx가 실수   ⟺  \iff X(−ω)=X(ω)∗X(-\omega) = X(\omega)^* (켤레 대칭). 이때 Re⁡X\operatorname{Re} X와 ∣X∣|X|는 우함수, Im⁡X\operatorname{Im} X와 ∠X\angle X는 기함수입니다.
  2. xx가 실수 우함수이면 XX는 실수 우함수입니다.
  3. xx가 실수 기함수이면 XX는 순허수 기함수입니다.

증명. (1) x=x∗x = x^*이면 변환도 같으므로 X(ω)=X(−ω)∗X(\omega) = X(-\omega)^*입니다. (2) 시간 반전 성질에서 x(−t)=x(t)x(-t) = x(t)이면 X(−ω)=X(ω)X(-\omega) = X(\omega)이고, (1)과 합치면 X=X∗X = X^*입니다. (3)도 같습니다. ■\blacksquare

실수 신호를 우함수 부분과 기함수 부분으로 나누면 x=xe+xox = x_e + x_o, 그 변환이 각각 Re⁡X\operatorname{Re} X와 jIm⁡Xj\operatorname{Im} X입니다. 직접 보면 X(ω)=∫x(t)cos⁡ωt dt−j∫x(t)sin⁡ωt dtX(\omega) = \int x(t)\cos\omega t\, dt - j\int x(t)\sin\omega t\, dt에서 cos은 우함수 부분만, sin은 기함수 부분만 집어냅니다.

8.6 쌍대성

변환식과 역변환식은 2π2\pi와 지수의 부호만 다릅니다. 그래서 변환쌍 하나를 알면 시간과 주파수의 역할을 바꾼 변환쌍이 하나 더 나옵니다.

정리 8.7 (쌍대성). x(t)⟷FX(ω)x(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} X(\omega)이면

X(t)⟷F2π x(−ω)X(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} 2\pi\, x(-\omega)

입니다.

증명. 역변환식 x(t)=12π∫X(ω)ejωt dωx(t) = \frac{1}{2\pi}\int X(\omega)e^{j\omega t}\, d\omega에서 tt를 −t-t로 바꾸면 2πx(−t)=∫X(ω)e−jωt dω2\pi x(-t) = \int X(\omega)e^{-j\omega t}\, d\omega입니다. 여기서 글자 tt와 ω\omega를 맞바꾸면 2πx(−ω)=∫X(t)e−jωt dt2\pi x(-\omega) = \int X(t)e^{-j\omega t}\, dt입니다. 우변은 함수 X(t)X(t)의 푸리에 변환입니다. ■\blacksquare

예제 8.8 (sinc의 변환). rect⁡(t/τ)⟷F2sin⁡(ωτ/2)ω\operatorname{rect}(t/\tau) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \frac{2\sin(\omega\tau/2)}{\omega}에 쌍대성을 적용하면

2sin⁡(tτ/2)t⟷F2πrect⁡(−ω/τ)=2πrect⁡(ω/τ)\frac{2\sin(t\tau/2)}{t} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} 2\pi\operatorname{rect}(-\omega/\tau) = 2\pi\operatorname{rect}(\omega/\tau)

입니다. τ=2W\tau = 2W로 놓고 2π2\pi로 나누면

sin⁡Wtπt⟷Frect⁡(ω2W)={1(∣ω∣<W)0(∣ω∣>W)\frac{\sin Wt}{\pi t} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \operatorname{rect}\left(\frac{\omega}{2W}\right) = \begin{cases} 1 & (|\omega| < W) \\ 0 & (|\omega| > W) \end{cases}

입니다. 시간 영역의 sinc는 주파수 영역에서 ∣ω∣<W|\omega| < W만 통과시키는 사각형입니다. 이상적인 저역통과 필터(low-pass filter)이고, 표본화 정리(11장)의 주인공입니다.

예제 8.9. e−a∣t∣⟷F2aa2+ω2e^{-a|t|} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \frac{2a}{a^2 + \omega^2}에서 2aa2+t2⟷F2πe−a∣ω∣\frac{2a}{a^2 + t^2} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} 2\pi e^{-a|\omega|}, 즉 1a2+t2⟷Fπae−a∣ω∣\frac{1}{a^2 + t^2} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \frac{\pi}{a}e^{-a|\omega|}입니다. 직접 적분하려면 복소해석이 필요한 계산이 공짜로 나왔습니다.

쌍대성 때문에 모든 성질이 짝으로 나타납니다. 시간 이동과 주파수 이동, 시간 미분과 주파수 미분, 합성곱과 곱이 짝입니다.

8.7 미분

정리 8.10 (시간 미분). xx가 미분가능하고 x(±∞)=0x(\pm\infty) = 0이면

x′(t)⟷FjωX(ω),일반적으로x(n)(t)⟷F(jω)nX(ω)x'(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} j\omega X(\omega), \qquad \text{일반적으로} \quad x^{(n)}(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} (j\omega)^nX(\omega)

입니다.

증명. 부분적분하면 ∫x′(t)e−jωt dt=[x(t)e−jωt]−∞∞+jω∫x(t)e−jωt dt=jωX(ω)\int x'(t)e^{-j\omega t}\, dt = \Big[x(t)e^{-j\omega t}\Big]_{-\infty}^{\infty} + j\omega\int x(t)e^{-j\omega t}\, dt = j\omega X(\omega)입니다. ■\blacksquare

역변환식을 tt로 미분해도 같은 결과가 보입니다. ddtejωt=jωejωt\frac{d}{dt}e^{j\omega t} = j\omega e^{j\omega t}이므로 각 주파수 성분에 jωj\omega가 곱해집니다. 미분은 주파수 영역에서 jωj\omega를 곱하는 것입니다. 이 성질의 결과는 다음과 같습니다.

  • 미분방정식이 대수방정식이 됩니다(10장).
  • 미분은 고주파를 ∣ω∣|\omega|배로 키웁니다(잡음에 민감한 이유). j=ejπ/2j = e^{j\pi/2}이므로 모든 성분의 위상을 90∘90^\circ 앞당깁니다.
  • xx가 nn번 미분가능하고 x(n)∈L1x^{(n)} \in L^1이면 ∣ωnX(ω)∣|\omega^nX(\omega)|가 유계이므로 ∣X(ω)∣≤C/∣ω∣n|X(\omega)| \le C/|\omega|^n입니다. 매끄러울수록 스펙트럼이 빨리 줄어듭니다.

정리 8.11 (주파수 미분). t x(t)t\, x(t)가 절대적분가능하면

t x(t)⟷FjdXdω,일반적으로tnx(t)⟷FjndnXdωnt\, x(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} j\frac{dX}{d\omega}, \qquad \text{일반적으로} \quad t^nx(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} j^n\frac{d^nX}{d\omega^n}

입니다.

증명. 라이프니츠 규칙(1장 정리 1.20)으로 X′(ω)=∫(−jt)x(t)e−jωt dtX'(\omega) = \int(-jt)x(t)e^{-j\omega t}\, dt입니다. 양변에 jj를 곱합니다. ■\blacksquare

예제 8.12. te−a∣t∣⟷Fjddω2aa2+ω2=−4jaω(a2+ω2)2te^{-a|t|} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} j\frac{d}{d\omega}\frac{2a}{a^2 + \omega^2} = \frac{-4ja\omega}{(a^2 + \omega^2)^2}입니다. 실수 기함수의 변환이 순허수 기함수인 것과 맞습니다.

따름정리 8.13 (모멘트).

∫−∞∞x(t) dt=X(0),∫−∞∞t x(t) dt=jX′(0),x(0)=12π∫−∞∞X(ω) dω\int_{-\infty}^{\infty}x(t)\, dt = X(0), \qquad \int_{-\infty}^{\infty}t\, x(t)\, dt = jX'(0), \qquad x(0) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(\omega)\, d\omega

한 영역의 원점에서의 값은 다른 영역의 전체 넓입니다. 검산에 유용합니다.

8.8 합성곱

정의 8.14. xx와 hh의 합성곱(convolution)은

(x∗h)(t)=∫−∞∞x(τ) h(t−τ) dτ(x * h)(t) = \int_{-\infty}^{\infty}x(\tau)\, h(t - \tau)\, d\tau

입니다.

4장의 순환 합성곱의 연속판입니다. hh를 τ\tau만큼 민 h(t−τ)h(t - \tau)들을 무게 x(τ)x(\tau)로 더한 것입니다. 계산법과 물리적 의미는 10장에서 자세히 다룹니다. 치환으로 x∗h=h∗xx * h = h * x (교환법칙), 또 (x∗h)∗g=x∗(h∗g)(x * h) * g = x * (h * g), x∗(h+g)=x∗h+x∗gx * (h + g) = x * h + x * g가 성립합니다.

정리 8.15 (합성곱 정리).

(x∗h)(t)⟷FX(ω) H(ω)(x * h)(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} X(\omega)\, H(\omega)

증명. x,h∈L1x, h \in L^1이라 합시다. 적분 순서를 바꾸고(1장의 푸비니 정리 1.19) 안쪽 적분에 시간 이동 성질을 씁니다.

∫−∞∞[∫−∞∞x(τ)h(t−τ) dτ]e−jωt dt=∫−∞∞x(τ)[∫−∞∞h(t−τ)e−jωt dt]dτ=∫−∞∞x(τ)e−jωτH(ω) dτ=X(ω)H(ω)\int_{-\infty}^{\infty}\left[\int_{-\infty}^{\infty}x(\tau)h(t - \tau)\, d\tau\right]e^{-j\omega t}\, dt = \int_{-\infty}^{\infty}x(\tau)\left[\int_{-\infty}^{\infty}h(t - \tau)e^{-j\omega t}\, dt\right]d\tau = \int_{-\infty}^{\infty}x(\tau)e^{-j\omega\tau}H(\omega)\, d\tau = X(\omega)H(\omega)

■\blacksquare

DFT의 합성곱 정리(4장 정리 4.13)와 증명이 한 줄씩 대응합니다. 시간 영역의 합성곱은 주파수 영역의 곱입니다. 푸리에 변환이 공학에서 쓰이는 가장 큰 이유입니다.

예제 8.16. rect⁡(t/τ)∗rect⁡(t/τ)=τtri⁡(t/τ)\operatorname{rect}(t/\tau) * \operatorname{rect}(t/\tau) = \tau\operatorname{tri}(t/\tau)다(10장 그림 10.1에서 계산합니다). 변환하면 (τsinc⁡ωτ2π)2=τ⋅τsinc⁡2ωτ2π\left(\tau\operatorname{sinc}\frac{\omega\tau}{2\pi}\right)^2 = \tau \cdot \tau\operatorname{sinc}^2\frac{\omega\tau}{2\pi}로 7장 정리 7.6과 일치합니다.

정리 8.17 (곱의 변환).

x(t) y(t)⟷F12π(X∗Y)(ω)=12π∫−∞∞X(ν) Y(ω−ν) dνx(t)\, y(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \frac{1}{2\pi}(X * Y)(\omega) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(\nu)\, Y(\omega - \nu)\, d\nu

증명. y(t)=12π∫Y(ν)ejνt dνy(t) = \frac{1}{2\pi}\int Y(\nu)e^{j\nu t}\, d\nu를 대입하면 ∫x(t)y(t)e−jωt dt=12π∫Y(ν)(∫x(t)e−j(ω−ν)t dt)dν=12π∫Y(ν)X(ω−ν) dν\int x(t)y(t)e^{-j\omega t}\, dt = \frac{1}{2\pi}\int Y(\nu)\left(\int x(t)e^{-j(\omega - \nu)t}\, dt\right)d\nu = \frac{1}{2\pi}\int Y(\nu)X(\omega - \nu)\, d\nu입니다. ■\blacksquare

합성곱 정리의 쌍대입니다. 변조 성질은 이것의 특수한 경우이고, 신호를 유한 시간만 관측하는 것(창을 곱하는 것)이 스펙트럼을 흐리게 만드는 이유도 이 정리입니다(11장).

8.9 파세발 등식과 플랑셰렐 정리

정리 8.18.

∫−∞∞x(t) y(t)∗ dt=12π∫−∞∞X(ω) Y(ω)∗ dω,∫−∞∞∣x(t)∣2 dt=12π∫−∞∞∣X(ω)∣2 dω\int_{-\infty}^{\infty}x(t)\, y(t)^*\, dt = \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}X(\omega)\, Y(\omega)^*\, d\omega, \qquad \int_{-\infty}^{\infty}|x(t)|^2\, dt = \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}|X(\omega)|^2\, d\omega

증명. x(t)=12π∫X(ω)ejωt dωx(t) = \frac{1}{2\pi}\int X(\omega)e^{j\omega t}\, d\omega를 대입하고 순서를 바꿉니다.

∫x(t)y(t)∗ dt=12π∫X(ω)[∫y(t)∗ejωt dt]dω=12π∫X(ω)[∫y(t)e−jωt dt]∗dω\int x(t)y(t)^*\, dt = \frac{1}{2\pi}\int X(\omega)\left[\int y(t)^*e^{j\omega t}\, dt\right]d\omega = \frac{1}{2\pi}\int X(\omega)\left[\int y(t)e^{-j\omega t}\, dt\right]^*d\omega

■\blacksquare

내적으로 쓰면 ⟨x,y⟩=12π⟨X,Y⟩\langle x, y \rangle = \frac{1}{2\pi}\langle X, Y \rangle입니다. 푸리에 변환은 (상수 2π2\pi를 빼면) 내적과 에너지를 보존합니다. 유니터리 변환이라는 뜻이고, 유한차원의 정리 3.21, 급수의 정리 5.12와 같은 사실입니다. 관례 (B)에서는 상수 없이 ∫∣x∣2 dt=∫∣X^(f)∣2 df\int|x|^2\, dt = \int|\hat{X}(f)|^2\, df입니다.

∣X(ω)∣2|X(\omega)|^2을 에너지 스펙트럼 밀도라 합니다. 신호 에너지 중 주파수 대역 [ω1,ω2][\omega_1, \omega_2]에 든 양은(실수 신호이면 음의 주파수 쪽까지 합쳐) 1π∫ω1ω2∣X∣2 dω\frac{1}{\pi}\int_{\omega_1}^{\omega_2}|X|^2\, d\omega입니다.

예제 8.19. x=rect⁡(t/2)x = \operatorname{rect}(t/2)이면 X=2sin⁡ωωX = \frac{2\sin\omega}{\omega}이고 ∫∣x∣2 dt=2\int|x|^2\, dt = 2입니다. 파세발 등식에서 12π∫4sin⁡2ωω2 dω=2\frac{1}{2\pi}\int\frac{4\sin^2\omega}{\omega^2}\, d\omega = 2, 즉

∫−∞∞sin⁡2ωω2 dω=π\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\sin^2\omega}{\omega^2}\, d\omega = \pi

입니다.

예제 8.20. x=e−a∣t∣x = e^{-a|t|}이면 ∫∣x∣2 dt=∫e−2a∣t∣ dt=1a\int|x|^2\, dt = \int e^{-2a|t|}\, dt = \frac{1}{a}이고, 이것이 12π∫4a2(a2+ω2)2 dω\frac{1}{2\pi}\int\frac{4a^2}{(a^2 + \omega^2)^2}\, d\omega와 같아야 합니다. 따라서

∫−∞∞dω(a2+ω2)2=π2a3\int_{-\infty}^{\infty}\frac{d\omega}{(a^2 + \omega^2)^2} = \frac{\pi}{2a^3}

입니다.

참고 8.21 (플랑셰렐 정리). 위 증명은 xx, XX가 절대적분가능하다고 가정했습니다. 플랑셰렐 정리는 더 강하게, 푸리에 변환이 L2(R)L^2(\mathbb{R}) 전체에서 L2(R)L^2(\mathbb{R}) 전체로 가는 유니터리 연산자(상수배 제외)로 확장된다고 말합니다. 유한 에너지 신호는 모두 유한 에너지 스펙트럼을 가지고 그 역도 성립합니다.

8.10 상관

정의 8.22. xx와 yy의 상호상관(cross-correlation)은 rxy(τ)=∫−∞∞x(t+τ) y(t)∗ dtr_{xy}(\tau) = \int_{-\infty}^{\infty}x(t + \tau)\, y(t)^*\, dt이고, 자기상관(autocorrelation)은 rxx(τ)r_{xx}(\tau)입니다.

rxy(τ)r_{xy}(\tau)는 xx를 τ\tau만큼 당긴 것과 yy의 내적입니다. 두 신호가 얼마나 닮았는지를 어긋남 τ\tau의 함수로 잽니다. 레이더나 GPS가 반사 신호의 지연을 찾는 방법입니다.

정리 8.23 (위너–힌친). rxy(τ)⟷FX(ω)Y(ω)∗r_{xy}(\tau) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} X(\omega)Y(\omega)^*입니다. 특히 rxx(τ)⟷F∣X(ω)∣2r_{xx}(\tau) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} |X(\omega)|^2입니다.

증명. y~(t)=y(−t)∗\tilde{y}(t) = y(-t)^*라 하면 rxy(τ)=∫x(s)y(s−τ)∗ ds=∫x(s)y~(τ−s) ds=(x∗y~)(τ)r_{xy}(\tau) = \int x(s)y(s - \tau)^*\, ds = \int x(s)\tilde{y}(\tau - s)\, ds = (x * \tilde{y})(\tau)다(s=t+τs = t + \tau로 치환). 켤레와 시간 반전 성질에서 y~⟷FY(ω)∗\tilde{y} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} Y(\omega)^*이므로 합성곱 정리가 결과를 줍니다. ■\blacksquare

자기상관의 푸리에 변환이 에너지 스펙트럼 밀도입니다. 잡음처럼 위상이 의미 없는 신호의 스펙트럼을 정의하고 추정하는 출발점입니다.

8.11 성질 요약과 종합 예제

성질 시간 영역 주파수 영역
선형성 αx+βy\alpha x + \beta y αX+βY\alpha X + \beta Y
시간 이동 x(t−t0)x(t - t_0) e−jωt0X(ω)e^{-j\omega t_0}X(\omega)
주파수 이동 ejω0tx(t)e^{j\omega_0 t}x(t) X(ω−ω0)X(\omega - \omega_0)
변조 x(t)cos⁡ω0tx(t)\cos\omega_0 t 12X(ω−ω0)+12X(ω+ω0)\frac{1}{2}X(\omega - \omega_0) + \frac{1}{2}X(\omega + \omega_0)
스케일링 x(at)x(at) 1∣a∣X(ω/a)\frac{1}{\lvert a\rvert}X(\omega/a)
시간 반전 x(−t)x(-t) X(−ω)X(-\omega)
켤레 x(t)∗x(t)^* X(−ω)∗X(-\omega)^*
쌍대성 X(t)X(t) 2πx(−ω)2\pi x(-\omega)
시간 미분 x(n)(t)x^{(n)}(t) (jω)nX(ω)(j\omega)^nX(\omega)
주파수 미분 tnx(t)t^nx(t) jnX(n)(ω)j^nX^{(n)}(\omega)
합성곱 (x∗y)(t)(x * y)(t) X(ω)Y(ω)X(\omega)Y(\omega)
곱 x(t)y(t)x(t)y(t) 12π(X∗Y)(ω)\frac{1}{2\pi}(X * Y)(\omega)
상관 ∫x(t+τ)y(t)∗ dt\int x(t + \tau)y(t)^*\, dt X(ω)Y(ω)∗X(\omega)Y(\omega)^*
파세발 ∫xy∗ dt\int xy^*\, dt 12π∫XY∗ dω\frac{1}{2\pi}\int XY^*\, d\omega

예제 8.24 (성질의 조합). x(t)=rect⁡(t−24)cos⁡10tx(t) = \operatorname{rect}\left(\frac{t - 2}{4}\right)\cos 10t의 변환을 구합니다. 구간 0<t<40 < t < 4에서만 켜진 사인파입니다.

  1. rect⁡(t/4)⟷F2sin⁡2ωω\operatorname{rect}(t/4) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \frac{2\sin 2\omega}{\omega}입니다.
  2. 2만큼 이동하면 g(t)=rect⁡(t−24)⟷FG(ω)=e−j2ω2sin⁡2ωωg(t) = \operatorname{rect}(\frac{t - 2}{4}) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} G(\omega) = e^{-j2\omega}\frac{2\sin 2\omega}{\omega}입니다.
  3. 변조하면 X(ω)=12G(ω−10)+12G(ω+10)X(\omega) = \frac{1}{2}G(\omega - 10) + \frac{1}{2}G(\omega + 10), 즉
X(ω)=e−j2(ω−10)sin⁡2(ω−10)ω−10+e−j2(ω+10)sin⁡2(ω+10)ω+10X(\omega) = e^{-j2(\omega - 10)}\frac{\sin 2(\omega - 10)}{\omega - 10} + e^{-j2(\omega + 10)}\frac{\sin 2(\omega + 10)}{\omega + 10}

입니다. 스펙트럼은 ω=±10\omega = \pm 10에 놓인 sinc 봉우리 두 개이고, 각 봉우리의 주엽은 중심에서 ±π/2\pm\pi/2까지입니다. 유한한 시간 동안만 지속되는 사인파는 한 주파수가 아니라 그 주변에 퍼진 대역을 가집니다.

예제 8.25 (역변환을 표에서 찾기). X(ω)=e−j3ω(2+jω)2X(\omega) = \frac{e^{-j3\omega}}{(2 + j\omega)^2}의 역변환을 구합니다. 1(2+jω)2\frac{1}{(2 + j\omega)^2}은 te−2tu(t)te^{-2t}u(t)의 변환(7장 따름정리 7.4)이고, e−j3ωe^{-j3\omega}는 3만큼의 지연이므로 x(t)=(t−3)e−2(t−3)u(t−3)x(t) = (t - 3)e^{-2(t - 3)}u(t - 3)입니다.

연습문제

문제 1 · 확인 문제

6.1. x(t)=e−2∣t−1∣x(t) = e^{-2|t - 1|}의 푸리에 변환을 구합니다. 아래 값을 적습니다.

값 답
X(0)X(0) [?]
∣X(2)∣\lvert X(2) \rvert [?]
∠X(2)\angle X(2) (라디안) [?]
힌트 1

e−2∣t∣⟷F44+ω2e^{-2|t|} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \frac{4}{4 + \omega^2}이고, 1만큼 이동하면 e−jωe^{-j\omega}가 곱해집니다.

정답
1
0.5
-2
풀이

e−2∣t∣⟷F44+ω2e^{-2|t|} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \frac{4}{4 + \omega^2}이고 1만큼 이동하면 X(ω)=4e−jω4+ω2X(\omega) = \frac{4e^{-j\omega}}{4 + \omega^2}입니다. X(0)=1X(0) = 1, ∣X(2)∣=48=0.5|X(2)| = \frac{4}{8} = 0.5, ∠X(2)=−2\angle X(2) = -2 rad다.

문제 2 · 확인 문제

6.3. 코사인 펄스 x(t)=cos⁡(πt)rect⁡(t)x(t) = \cos(\pi t)\operatorname{rect}(t)의 변환을 구합니다. 아래 값을 소수 넷째 자리까지 적습니다.

값 답
X(0)X(0) [?]
X(π)X(\pi) [?]
힌트 1

rect⁡(t)⟷FS(ω)=2sin⁡(ω/2)ω\operatorname{rect}(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} S(\omega) = \frac{2\sin(\omega/2)}{\omega}이고 변조 성질로 X=12S(ω−π)+12S(ω+π)X = \frac{1}{2}S(\omega - \pi) + \frac{1}{2}S(\omega + \pi)입니다.

힌트 2

X(π)X(\pi)는 12S(0)+12S(2π)\frac{1}{2}S(0) + \frac{1}{2}S(2\pi)입니다.

정답
0.6366
0.5
풀이

X=12S(ω−π)+12S(ω+π)X = \frac{1}{2}S(\omega - \pi) + \frac{1}{2}S(\omega + \pi)이고 sin⁡ω∓π2=∓cos⁡ω2\sin\frac{\omega \mp \pi}{2} = \mp\cos\frac{\omega}{2}이므로

X(ω)=cos⁡ω2[−1ω−π+1ω+π]=2πcos⁡(ω/2)π2−ω2X(\omega) = \cos\frac{\omega}{2}\left[\frac{-1}{\omega - \pi} + \frac{1}{\omega + \pi}\right] = \frac{2\pi\cos(\omega/2)}{\pi^2 - \omega^2}

입니다. X(0)=2π≈0.6366X(0) = \frac{2}{\pi} \approx 0.6366입니다. X(π)=12S(0)+12S(2π)=12⋅1+0=0.5X(\pi) = \frac{1}{2}S(0) + \frac{1}{2}S(2\pi) = \frac{1}{2} \cdot 1 + 0 = 0.5입니다. rect는 끝에서 불연속이지만 cos⁡πt\cos\pi t가 t=±12t = \pm\frac{1}{2}에서 0이라 코사인 펄스는 연속입니다(꺾임만 있습니다). 그래서 꼬리가 1/ω1/\omega가 아니라 1/ω21/\omega^2으로 줄어듭니다.

문제 3 · 확인 문제

6.4. ∫−∞∞cos⁡ωt1+t2 dt\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\cos\omega t}{1 + t^2}\, dt를 구합니다. ω=1\omega = 1일 때의 값을 소수 넷째 자리까지 적습니다.

힌트 1

예제 8.9에서 11+t2⟷Fπe−∣ω∣\frac{1}{1 + t^2} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \pi e^{-|\omega|}입니다.

정답
1.1557
풀이

예제 8.9에서 11+t2⟷Fπe−∣ω∣\frac{1}{1 + t^2} \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \pi e^{-|\omega|}입니다. 우함수이므로 ∫e−jωt1+t2 dt=∫cos⁡ωt1+t2 dt=πe−∣ω∣\int\frac{e^{-j\omega t}}{1 + t^2}\, dt = \int\frac{\cos\omega t}{1 + t^2}\, dt = \pi e^{-|\omega|}입니다. ω=1\omega = 1이면 π/e≈1.1557\pi/e \approx 1.1557입니다.

문제 4 · 확인 문제

6.6. y(t)=rect⁡(t)∗rect⁡(t/2)y(t) = \operatorname{rect}(t) * \operatorname{rect}(t/2)를 구하고 그 변환을 씁니다. 아래 값을 적습니다.

값 답
y(0)y(0) [?]
y(1)y(1) [?]
y(2)y(2) [?]
∫y(t) dt\int y(t)\, dt [?]
힌트 1

폭 1과 폭 2인 사각 펄스가 겹치는 길이를 따집니다.

정답
1
0.5
0
2
풀이

겹치는 길이를 따지면 사다리꼴입니다. y(t)=1y(t) = 1 (∣t∣≤12|t| \le \frac{1}{2}), y(t)=32−∣t∣y(t) = \frac{3}{2} - |t| (12<∣t∣<32\frac{1}{2} < |t| < \frac{3}{2}), 그 밖에서 0입니다. 그러므로 y(0)=1y(0) = 1, y(1)=0.5y(1) = 0.5, y(2)=0y(2) = 0입니다. 넓이는 1⋅2=21 \cdot 2 = 2다(검산). Y(ω)=2sin⁡(ω/2)ω⋅2sin⁡ωωY(\omega) = \frac{2\sin(\omega/2)}{\omega} \cdot \frac{2\sin\omega}{\omega}입니다.

문제 5 · 확인 문제

6.7. x(t)⟷FX(ω)x(t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} X(\omega)일 때 x(2t−6)x(2t - 6)의 변환은?

  1. 12e−j3ωX(ω2)\frac{1}{2}e^{-j3\omega}X(\frac{\omega}{2})
  2. 12e−j6ωX(ω2)\frac{1}{2}e^{-j6\omega}X(\frac{\omega}{2})
  3. 2e−j3ωX(2ω)2e^{-j3\omega}X(2\omega)
  4. e−j6ωX(2ω)e^{-j6\omega}X(2\omega)
힌트 1

x(2t−6)=x(2(t−3))x(2t - 6) = x(2(t - 3))로 씁니다.

정답
1
풀이

x(2t−6)=x(2(t−3))x(2t - 6) = x(2(t - 3))입니다. 먼저 스케일링으로 x(2t)⟷F12X(ω2)x(2t) \overset{\mathcal{F}}{\longleftrightarrow} \frac{1}{2}X(\frac{\omega}{2}), 그다음 3만큼 이동하면 12e−j3ωX(ω2)\frac{1}{2}e^{-j3\omega}X(\frac{\omega}{2})입니다. 순서를 바꿔 6만큼 이동한 뒤 스케일링해도 12e−j6(ω/2)X(ω2)\frac{1}{2}e^{-j6(\omega/2)}X(\frac{\omega}{2})로 같습니다.

문제 6

6.8. xx가 실수일 때 자기상관 rxx(τ)r_{xx}(\tau)가 우함수이고 τ=0\tau = 0에서 최대임을 보입니다.

힌트 1

최대인 것은 코시–슈바르츠 부등식으로 보입니다. 이동해도 노름은 같습니다.

풀이

실수이면 rxx(−τ)=∫x(t−τ)x(t) dt=∫x(s)x(s+τ) ds=rxx(τ)r_{xx}(-\tau) = \int x(t - \tau)x(t)\, dt = \int x(s)x(s + \tau)\, ds = r_{xx}(\tau)입니다. 코시–슈바르츠 부등식으로 ∣rxx(τ)∣=∣⟨x(⋅+τ),x⟩∣≤∥x∥⋅∥x∥=rxx(0)|r_{xx}(\tau)| = |\langle x(\cdot + \tau), x \rangle| \le \lVert x\rVert \cdot \lVert x\rVert = r_{xx}(0)입니다(이동해도 노름은 같습니다).