跳到主要内容

東京大学 情報理工学系研究科 電子情報学専攻 2013年8月実施 専門 第5問

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)

Description

離散信号処理に関する以下の問いに答えよ。

(1) zz を複素変数として、離散信号 x(n)x(n)ZZ 変換の定義 X(z)X(z) を示せ。ただし、n<0n<0 のとき x(n)=0x(n)=0 とする。

(2) x(n)x(n)mm だけずらした信号 x(nm)x(n-m)ZZ 変換 X(z)X'(z) を導出過程を示した上で求めよ。

(3) 下図に示す離散時間システムの応答を考える。システムの内部状態を示す状態変数 q(n)q(n) を用いて、本システムを連立差分方程式で表せ。

(4) (3) の差分方程式の ZZ 変換を示せ。ただし、q(n)q(n)ZZ 変換を Q(z)Q(z)、初期値を q(1)=q0q(-1)=q_0 とする。

(5) (3) と (4) の結果を用いて、入力 x(n)x(n) がゼロの場合のゼロ入力応答 y(n)y(n) を求めよ。

(6) 初期値を q0=0q_0=0 とし、下記の単位ステップ信号 u(n)u(n) を入力とした場合の単位ステップ応答 y(n)y(n) を求めよ。

u(n)={1n0,0n<0.u(n)=\begin{cases}1&n\ge0,\\0&n<0.\end{cases}

Kai

(1)

X(z)=n=0x(n)zn\boxed{X(z)=\sum_{n=0}^{\infty}x(n)z^{-n}}

と定義する。zz はこの級数が収束する領域に取る。

(2)

m0m\ge0 のとき、k=nmk=n-m とおけば、k<0k<0x(k)=0x(k)=0 より

X(z)=n=0x(nm)zn=zmk=mx(k)zk=zmX(z).X'(z)=\sum_{n=0}^{\infty}x(n-m)z^{-n} =z^{-m}\sum_{k=-m}^{\infty}x(k)z^{-k} =\boxed{z^{-m}X(z)}.

前進 m=r<0m=-r<0 の場合は、片側 ZZ 変換なので

X(z)=zr[X(z)k=0r1x(k)zk].X'(z)=z^r\left[X(z)-\sum_{k=0}^{r-1}x(k)z^{-k}\right].

(3)

遅延器の出力は q(n1)q(n-1) だから、

q(n)=x(n)+aq(n1),y(n)=bq(n)+q(n1).\boxed{q(n)=x(n)+a q(n-1),\qquad y(n)=b q(n)+q(n-1)}.

(4)

Z{q(n1)}=z1Q(z)+q0\mathcal Z\{q(n-1)\}=z^{-1}Q(z)+q_0

より、

(1az1)Q(z)=X(z)+aq0,Y(z)=(b+z1)Q(z)+q0.\boxed{(1-a z^{-1})Q(z)=X(z)+a q_0},\qquad \boxed{Y(z)=(b+z^{-1})Q(z)+q_0}.

(5)

X(z)=0X(z)=0 とすると

Q(z)=aq01az1,Y(z)=(ab+1)q01az1.Q(z)=\frac{a q_0}{1-a z^{-1}},\qquad Y(z)=\frac{(ab+1)q_0}{1-a z^{-1}}.

したがって、

y(n)=(ab+1)anq0(n0).\boxed{y(n)=(ab+1)a^n q_0\quad(n\ge0)}.

(6)

q0=0q_0=0 より q(n)=k=0nakq(n)=\sum_{k=0}^{n}a^k である。したがって、n0n\ge0 に対し

y(n)={b+1(ab+1)an1a,a1,b(n+1)+n,a=1.\boxed{ y(n)=\begin{cases} \displaystyle\frac{b+1-(ab+1)a^n}{1-a},&a\ne1,\\[2mm] b(n+1)+n,&a=1. \end{cases}}

実際、y(0)=by(0)=b である。