대역통과필터의 중심주파수가 실수가 되는 이유 (Circuit Theory, Bandpass Filter, Center Frequency, Resonant Frequency, Transfer Function, Frequency Domain)

질문 요약

대역통과필터에서 중심주파수가 H(jw)의 실수가 되는 이유에 대해 더 알고 싶습니다. 절댓값이 최대가 되는 주파수는 이해가 되지만, 실수가 되는 주파수는 왜 중심주파수가 되는지 궁금합니다.

답변 요약

H(jw)=Ka/{a+j(w-b/w)}에서 분자 Ka는 실수이므로 분모 a+j(w-b/w)가 실수일 때 H(jw)가 실수가 됩니다. 여기서 실수 조건 Im[a+j(w-b/w)]=w-b/w=0을 사용해 |H(jw)|가 최대가 되는 조건과 동일한 중심주파수 wo=√b를 얻게 됩니다. 중심주파수를 구할 때, 크기 최대 조건 대신 H(jw)가 실수인 경우를 사용하는 것이 더 편리한 경우가 있어, 두 가지 정의가 모두 사용되고 있습니다.

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대역통과필터의 중심주파수가 실수가 되는 이유

대역통과필터(Band-pass filter)는 특정 주파수 범위의 신호를 통과시키고, 그 외의 주파수는 감쇠시키는 필터입니다. 이러한 필터는 무선 통신, 오디오 처리, 신호 분석 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 대역통과필터의 가장 중요한 특성 중 하나는 중심주파수(center frequency)입니다. 중심주파수는 필터가 가장 잘 통과시키는 주파수로, 필터의 주파수 응답에서 절댓값이 최대가 되는 지점을 의미합니다.

주파수 응답 함수 $H(j\omega )$를 분석할 때, 중심주파수가 실수 주파수가 되는 이유를 이해하는 것은 매우 중요합니다. 이 글에서는 대역통과필터의 주파수 응답 함수와 중심주파수의 관계를 수학적으로 분석하여 왜 중심주파수가 실수가 되는지 설명하겠습니다.

주파수 응답 함수의 분석

대역통과필터의 주파수 응답 함수는 일반적으로 복소 함수로 표현됩니다. 예를 들어, 주파수 응답 함수가 다음과 같이 주어진다고 가정합니다:

$$H(j\omega )=\frac{Ka}{a+j\left(\frac{\omega -b}{\omega }\right)}$$

여기서 $K$는 이득(gain)을 나타내며, $a$와 $b$는 필터의 특성을 결정하는 상수입니다. 중심주파수를 알아보기 위해, 이 함수의 절댓값과 실수 조건을 분석해야 합니다.

중심주파수의 절댓값과 실수 조건

주파수 응답 함수의 절댓값이 최대가 되는 주파수를 찾기 위해, $H(j\omega )$의 절댓값을 살펴봅시다. 절댓값은 다음과 같이 표현됩니다:

$$|H(j\omega )|=\left|\frac{Ka}{a+j\left(\frac{\omega -b}{\omega }\right)}\right|$$

여기서 절댓값이 최대가 되는 주파수는 필터의 중심주파수인 ${\omega }_o$입니다. 이때, $a+j\left(\frac{\omega -b}{\omega }\right)$의 허수부가 0이 되어야 $H(j\omega )$이 실수가 됩니다. 즉, 다음과 같은 조건을 만족합니다:

$$\text{Im}[a+j\left(\frac{\omega -b}{\omega }\right)]=\frac{\omega -b}{\omega }=0$$

위 식을 풀어보면, $\omega =\sqrt{b}$가 되어 중심주파수 ${\omega }_o$를 찾을 수 있습니다.

실수 조건을 사용하는 이유

중심주파수를 구할 때, 절댓값이 최대가 되는 조건 대신 실수 조건을 사용하는 것이 더 편리할 수 있습니다. 주파수 응답 함수가 실수가 되는 지점을 찾으면, 필터의 특성을 더 쉽게 분석할 수 있습니다. 두 가지 정의가 모두 사용될 수 있는 이유는, 두 조건이 동일한 중심주파수를 제공하기 때문입니다.

대역통과필터에서 중심주파수가 실수가 되는 이유는 이러한 수학적 분석을 통해 설명할 수 있습니다. 필터 설계 및 분석에 있어, 이러한 수학적 특성을 이해하는 것은 매우 중요합니다. 이를 통해 필터의 성능을 최적화하고, 원하는 주파수 대역을 효과적으로 처리할 수 있습니다.

결론

대역통과필터의 중심주파수가 실수가 되는 이유는 주파수 응답 함수의 수학적 특성에서 기인합니다. 중심주파수는 필터의 주파수 응답에서 절댓값이 최대가 되는 주파수이며, 실수 조건을 통해 쉽게 구할 수 있습니다. 이러한 분석은 필터 설계 및 신호 처리에서 매우 중요한 역할을 하며, 다양한 응용 분야에서 효과적으로 사용될 수 있습니다.

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