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Laplace Transform의 의미
1. 전체 흐름
입력 신호를
로 두고 LTI System에 입력하면 출력은 다음과 같은 형태가 된다.
즉 est라는 신호의 형태는 그대로 유지되고, 시스템의 특성을 나타내는 H(s)만 곱해진다.
2. 용어 정의
2.1 LTI System
LTI System은 Linear Time-Invariant System을 의미한다.
Superposition 성립
시간 이동에 대해 동일한 동특성
LTI System의 impulse response를 h(t)라고 한다.
2.2 est 입력
LTI System에 다음과 같은 입력을 가한다.
여기서 s는 일반적으로 복소수이다.
시스템의 출력은 convolution으로 계산할 수 있다.
x(t-τ)에 est를 대입하면
2.3 Convolution 전개
지수항을 분리하면
따라서
est는 적분 변수 τ와 관계가 없으므로 적분 밖으로 꺼낼 수 있다.
여기서 적분 부분을 H(s)라고 정의하면
최종 출력은
2.4 Laplace Transform
앞에서 나타난
가 바로 impulse response h(t)의 Laplace Transform이다.
2.5 est가 특별한 이유
일반적인 입력 신호는 시스템을 통과하면서 파형의 형태가 변할 수 있다.
그러나 est를 LTI System에 입력하면 출력은
가 된다.
est
H(s)est
입력과 출력에서 est의 형태는 동일하다.
3. 용어 간 관계
| 용어 | 의미 | 관계 |
|---|---|---|
| h(t) | Impulse Response | 시간영역의 시스템 특성 |
| est | LTI System의 고유함수 | 시스템 통과 후에도 형태 유지 |
| H(s) | h(t)의 Laplace Transform | 시스템이 est에 미치는 크기 |
| Convolution | 입력과 impulse response로 출력 계산 | y(t) = h(t) * x(t) |
| Laplace Transform | 시간영역을 s-domain으로 변환 | h(t) → H(s) |
| Transfer Function | s-domain에서 시스템 특성 표현 | H(s) |
핵심 관계
4. 하나의 스토리로 이해하기
Step 1. 시스템의 동특성을 h(t)로 나타낸다
LTI System에 impulse δ(t)를 입력한다.
이때의 출력 h(t)가 시스템의 impulse response이다.
Step 2. 이번에는 est를 입력한다
LTI System의 출력은 convolution으로 계산한다.
Step 3. 지수함수의 성질을 이용한다
따라서
Step 4. 적분 부분을 H(s)라고 정의한다
이것이 h(t)의 Laplace Transform이다.
Step 5. 출력이 매우 단순해진다
입력과 출력에서 est의 형태가 그대로 유지된다.
5. 미분방정식과의 관계
원문에서는 다음 1차 미분방정식을 예로 든다.
입력을
로 둔다.
est는 LTI System의 고유함수이므로 출력도 같은 형태라고 둘 수 있다.
이를 미분하면
원래 미분방정식에 대입하면
양변의 est를 제거하면
따라서
이 시스템에 est를 입력했을 때 출력은
6. 왜 Laplace Transform을 사용하는가?
미분방정식
ẏ + ky = u
대수방정식
(s+k)H(s) = 1
시간영역에서는 미분방정식을 직접 풀어야 한다.
그러나 Laplace Transform을 사용하면 미분 연산을 s에 대한 대수 연산으로 바꿀 수 있다.
7. Convolution과 Laplace Transform의 관계
시간영역에서는 출력이 convolution으로 표현된다.
Laplace Transform을 적용하면 convolution은 단순한 곱셈으로 바뀐다.
h(t) * x(t)
↓ Laplace Transform ↓
s-Domain
H(s)X(s)
8. 핵심 기억 문장
- LTI System에 est를 입력하면 출력은 H(s)est가 된다.
- est는 시스템을 통과해도 형태가 유지되므로 LTI System의 고유함수이다.
- H(s)는 impulse response h(t)의 Laplace Transform이다.
- H(s) = ∫h(t)e-stdt 이다.
- 시간영역의 impulse response h(t)는 s-domain에서 Transfer Function H(s)로 표현된다.
- 미분 연산은 s-domain에서 s의 곱셈으로 바뀐다.
- 시간영역의 Convolution은 s-domain에서 곱셈으로 바뀐다.
9. 최종 암기 구조
↓
Impulse Response
h(t)
↓
est 입력
↓
Convolution
∫h(τ)es(t-τ)dτ
↓
est 분리
↓
est ∫h(τ)e-sτdτ
↓
Laplace Transform
H(s) = ∫h(τ)e-sτdτ
↓
Output
y(t) = H(s)est
↓
Transfer Function
H(s)
LTI System에 est를 입력하면 출력은 같은 형태의 est에 시스템 특성을 나타내는 H(s)가 곱해진 H(s)est가 되며, 이 H(s)는 impulse response h(t)의 Laplace Transform이다. 따라서 Laplace Transform은 시간영역의 시스템 동특성을 s-domain의 대수적인 Transfer Function으로 표현하는 방법이다.