신호 및 시스템: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 8개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

합성곱과 LTI 시스템

이산 합성곱
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
연속 합성곱
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
길이와 합
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
시작, 끝, 면적
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t)에 대한 계단 입력
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
1차 시스템
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
1차 점화식
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t)를 통과하는 정현파
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
푸리에 급수 진폭
구형파 ±A: 4A/(kπ), 홀수 k; 삼각파 ±A: 8A/(π²k²), 홀수 k; 펄스열: A·D와 (2A/(kπ))|sin kπD|

방법

  1. 두 신호를 모두 스케치하고 각각 0이 아닌 구간을 표시하세요.
  2. h를 뒤집어 밀어 보세요. 각 출력 시각마다 두 신호가 겹치는 구간을 찾습니다.
  3. 그 겹치는 구간에서만 곱해 더하세요(이산) 또는 곱해 적분하세요(연속).
  4. 결과를 확인하세요. 출력은 시작 시각의 합에서 시작해 끝 시각의 합에서 끝나며, 면적이나 합은 입력의 면적이나 합의 곱입니다.

2연습 문제

1.합성곱과 LTI 시스템보통
x(t)t03h(t)t12

신호 x(t)는 t = 0 s와 t = 3 s 사이에서만, h(t)는 t = 1 s와 t = 2 s 사이에서만 0이 아닙니다. y(t) = x(t) ∗ h(t)의 지속 시간 D을(를) 구하시오.

x: 0 … 3 sh: 1 … 2 s
D = s
2.합성곱과 LTI 시스템어려움
δ[n]4+h[n]0.6·z⁻¹+

시스템이 y[n] = 0.6·y[n − 1] + 4·x[n]을 따르며 정지 상태에서 시작합니다. 임펄스 응답의 샘플 h[3]을(를) 구하시오.

y[n] = 0.6y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.라플라스 변환보통
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

부분분수 전개로 F(s) = 60/(s(s + 2)(s + 6))의 f(t)를 구하고, f(0.3)을(를) 계산하시오.

F(s) = 60/(s(s + 2)(s + 6))t = 0.3 s
f(0.3) =
4.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

어떤 시스템이 y″ + 7y′ + 12y = 24·u(t)을(를) 따르며, y(0) = 6, y′(0) = 0이다. t = 0에서 계단 입력 u(t) = 10가 가해진다. 라플라스 변환으로 y(0.2)을(를) 구하시오.

y″ + 7y′ + 12y = 24·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.2 s
y(0.2) =
5.계단 응답보통
t (s)y(t)0.5

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 16.5/(s² + 8s + 33)이고 단위 계단 입력을 받는다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.

G(s) = 16.5/(s² + 8s + 33)
ζ =
6.계단 응답어려움
k = 200 N/mc = 20 N·s/mm = 2 kgF = 50 Nx(t)

질량 m = 2 kg이 스프링 k = 200 N/m과 점성 댐퍼 c = 20 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 50 N이 갑자기 가해진다. 변위가 가장 커지는 시간 tp을(를) 구하시오.

m = 2 kgk = 200 N/mc = 20 N·s/mF = 50 N
tp = s
7.보드 선도와 여유보통
vin​C = 100 nFR = 22 kΩvout​

그림의 RC 고역 통과 필터은(는) R = 22 kΩ, C = 100 nF을(를) 가집니다. 220 Hz의 정현파 입력이 가해집니다. 이득 |H| = |vout/vin|을 dB로 구하시오.

R = 22 kΩC = 100 nFf = 220 Hz
|H| = dB
8.보드 선도와 여유어려움
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 35/(s(s + 10))이다. |L(jω)| = 1인 이득 교차 주파수 ωc을(를) 구하시오.

L(s) = 35/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3용액

1.합성곱과 LTI 시스템

답: D = 4 s

연속 합성곱: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. h를 뒤집어 위치 t까지 밀고 겹치는 부분의 곱을 적분합니다. 인과 신호에서는 적분 구간이 0에서 t까지입니다. 유용한 결과: y의 면적은 x의 면적과 h의 면적의 곱입니다. x가 t₁부터 t₂까지, h가 t₃부터 t₄까지 지속되면 y는 t₁ + t₃부터 t₂ + t₄까지 지속됩니다. h(t) = e−atu(t)이고 높이 A의 계단 입력이면 y(t) = (A/a)(1 − e−at)입니다.

시작과 끝

tstart = 0 + 1 = 1 s
tend = 3 + 2 = 5 s

답

D = 4 s

답

D = 4 s
2.합성곱과 LTI 시스템

답: h[3] = 0.864

임펄스 응답과 푸리에 급수: 임펄스 응답 h(t)는 LTI 시스템을 완전히 기술합니다. y′ + a·y = b·x에서는 h(t) = b·e−atu(t)이고, y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n]에서는 h[n] = b·aⁿu[n]입니다. 정현파 cos ωt는 이득 |H(jω)|와 위상 ∠H(jω)를 받으며 통과합니다. 여기서 H는 h의 푸리에 변환입니다. 주기 신호는 k/T의 고조파들의 합입니다. ±A의 구형파는 홀수 고조파만 가지며 진폭이 4A/(kπ)이고, 최댓값 A의 삼각파는 8A/(π²k²), 높이 A이고 듀티비 D인 펄스열은 평균이 A·D이며 고조파가 (2A/(kπ))·|sin(kπD)|입니다.

반복 계산

h[0] = 4
h[1] = 2.4
h[2] = 1.44
h[3] = 0.864

결과

h[3] = 4·(0.6)3 = 0.864

답

h[3] = 0.864
3.라플라스 변환

답: f(0.3) = 1.297

라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

부분분수 전개

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 6)
A = 60/(2·6) = 5
B = 60/((−2)·4) = −7.5
C = 60/((−6)·(−4)) = 2.5

역변환

f(t) = 5 − 7.5·e−2t + 2.5·e−6t

계산하기

f(0.3) = 5 − 7.5·e−2·0.3 + 2.5·e−6·0.3 = 1.297

답

f(0.3) = 1.297
4.라플라스 변환

답: y(0.2) = 8.138

라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

방정식 변환하기

(s² + 7s + 12)·Y(s) = 6s + 42 + 240/s
Y(s) = (6s² + 42s + 240)/(s(s + 3)(s + 4))

부분분수 전개

A = 240/(3·4) = 20
B = 168/((−3)·1) = −56
C = 168/((−4)·(−1)) = 42

결과

y(t) = 20 − 56·e−3t + 42·e−4t
y(0.2) = 8.138

답

y(0.2) = 8.138

확인: y(0) = A + B + C = 6.

5.계단 응답

답: ζ = 0.6963

계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.

표준형과 비교하기

분모가 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 일치해야 합니다.

ωₙ² = 33 → ωₙ = 5.745 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5.745) = 0.6963

결과

ζ = 0.6963

답

ζ = 0.6963
6.계단 응답

답: tp = 0.3628 s

계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.

고유 진동수와 감쇠비

ωₙ = √(k/m) = √(200/2) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 20/(2·√(200·2)) = 0.5

결과

ωd = 8.66 rad/s
tp = π/ωd = 0.3628 s

답

tp = 0.3628 s
7.보드 선도와 여유

답: |H| = −0.4459 dB

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

차단 주파수

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·1 × 10⁻⁷) = 454.5 rad/s
fc = 72.34 Hz → f/fc = 220/72.34 = 3.041

이득

|H| = 3.041/√(1 + 3.041²) = 0.95
20·log₁₀(0.95) = −0.4459 dB

답

|H| = −0.4459 dB
8.보드 선도와 여유

답: ωc = 3.322 rad/s

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

이득 교차

ω⁴ + 100ω² − 1225 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·1225))/2 = 11.03
ωc = 3.322 rad/s

답

ωc = 3.322 rad/s

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