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本章のまとめ

2026年10月15日4分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第9章 周波数応答と位相特性 — 極零配置から読む

AI 生成・木下が未勉強

信号処理論入門 第9章 §9.6 ★★★ 極零作図と位相三分類(最小/線形/全域通過)を1枚に

周波数応答は単位円上での H(z)H(z) の値であり、その振幅は零点/極からの距離の積の比、位相は偏角の和の差で作図から読める。振幅が同じでも位相は何通りもあり、零点を単位円のどちらへ置くかで最小位相・最大位相・線形位相・全域通過が決まる。

事項要点(式)使い所・注意
周波数応答因果安定系は ROC が単位円を含むので H(ejΩ)=∑nh[n]e−jΩn=DTFT[h[n]]H(\mathrm{e}^{\mathrm{j}\Omega})=\sum_n h[n]\mathrm{e}^{-\mathrm{j}\Omega n}=\mathrm{DTFT}[h[n]]正弦波入力の振幅・位相の変わり方。Ω∈[0,π]\Omega\in[0,\pi] だけで足りる(下の偶奇性)
四つの量振幅 ∣H∣\left\vert H\right\vert、位相 arg⁡H\arg H、位相遅延 −arg⁡H-\arg H、群遅延 τg=− ⁣d ⁣dΩarg⁡H(ejΩ)\tau_g=-\dfrac{\mathop{}\!\mathrm{d}}{\mathop{}\!\mathrm{d}\Omega}\arg H(\mathrm{e}^{\mathrm{j}\Omega})位相遅延=正弦波の遅れ、群遅延=波束(包絡線)の遅れ。混同注意
実係数の対称性H(e−jΩ)=H∗(ejΩ)H(\mathrm{e}^{-\mathrm{j}\Omega})=H^*(\mathrm{e}^{\mathrm{j}\Omega}) より振幅は偶関数・位相は奇関数。極零は実軸上か共役対実差分方程式なら自動。Ω∈[0,π]\Omega\in[0,\pi] の検討で全体が決まる根拠
極零作図法∣H∣=零点からの距離の積極からの距離の積\left\vert H\right\vert =\dfrac{\text{零点からの距離の積}}{\text{極からの距離の積}}、arg⁡H=零点偏角の和−極偏角の和\arg H=\text{零点偏角の和}-\text{極偏角の和}零点に近づくと谷(円上なら 00)、極に近づくと山。原点の極は振幅に効かず位相に −Ω-\Omega(見落とし注意)
最小/最大位相零点が全て円内=最小位相 HmH_m、全て円外=最大位相 HM=z−QHm(z−1)H_M=z^{-Q}H_m(z^{-1})(係数逆順・零点は鏡像 1/zk∗1/z_k^*)両者は振幅同一、arg⁡HM=−QΩ−arg⁡Hm\arg H_M=-Q\Omega-\arg H_m で常に HMH_M が遅い。極は安定で円内固定ゆえ分類は零点だけで
線形位相HmHMH_mH_M は係数対称(相反多項式)で arg⁡=−QΩ\arg=-Q\Omega、群遅延 =Q=Q 一定。h[n]h[n] が偶/奇対称全周波数が等しく QQ 遅れ波形歪みなし。鏡像対の零点。FIR でのみ厳密(極があると対称性と安定が両立せず)
全域通過HAP=HMHmH_{\mathrm{AP}}=\dfrac{H_M}{H_m} で ∣HAP∣≡1\left\vert H_{\mathrm{AP}}\right\vert \equiv1。1次 z−1−α1−αz−1\dfrac{z^{-1}-\alpha}{1-\alpha z^{-1}}(極 α\alpha・零点 1/α1/\alpha、鏡像対)振幅を変えず位相だけ遅らせる=位相補償・等化器
混合位相の分解円外の零点 cc を 1/c‾1/\overline c へ反射:H=Hmin⁡⋅AH=H_{\min}\cdot A、A=1∣c∣z−cz−1/c‾A=\dfrac{1}{\left\vert c\right\vert }\dfrac{z-c}{z-1/\overline c}。鏡像で振幅不変 ∣ejΩ−1/c‾∣=1∣c∣∣ejΩ−c∣\left\vert \mathrm{e}^{\mathrm{j}\Omega}-1/\overline c\right\vert =\frac{1}{\left\vert c\right\vert }\left\vert \mathrm{e}^{\mathrm{j}\Omega}-c\right\vert零点が内外に分かれる系は混合位相。振幅は Hmin⁡H_{\min} が担い、余分な遅れは AA が担う。円外零点1個で一周 −2π-2\pi(平均群遅延 +1+1)。
位相の総変化(即答則)Δarg⁡H∣02π=2π(Nzin−Npin)\Delta\arg H\big|_0^{2\pi}=2\pi(N_z^{\text{in}}-N_p^{\text{in}})、平均群遅延 =Npin−Nzin=N_p^{\text{in}}-N_z^{\text{in}}数えるのは単位円内の零点・極だけ(円外は行って戻るので 00)。位相概形の端点検算に使う。原点の極の数え落としに注意

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