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)t0.51h(t)t1

펄스 x(t) = 1(0 ≤ t < 0.5 s, 그 밖에서는 0)가 h(t) = e−4tu(t)인 시스템에 가해집니다. 펄스가 끝난 뒤 t = 2 s에서의 출력 y(2)을(를) 구하시오.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−4tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.합성곱과 LTI 시스템어려움
u[n]3+y[n]0.5·z⁻¹+

시스템이 y[n] = 0.5·y[n − 1] + 3·x[n]을 따르며 정지 상태에서 시작합니다. 입력은 단위 계단 x[n] = u[n]입니다. y[2]을(를) 구하시오.

y[n] = 0.5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.라플라스 변환보통
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

부분분수 전개로 F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 4))의 f(t)를 구하고, f(0.3)을(를) 계산하시오.

F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 4))t = 0.3 s
f(0.3) =
4.라플라스 변환어려움
ReIm−1−2−3−4−51

어떤 시스템이 미분방정식 y″ + 6y′ + 5y = 2u′ + 9u으로 기술되며, 입력은 u(t), 출력은 y(t)이다. 전달함수 G(s) = Y(s)/U(s)를 구하고(초기 조건은 0), t = 0.75 s에서 임펄스 응답 g(t)를 계산하시오. g(0.75)을(를) 구하시오.

y″ + 6y′ + 5y = 2u′ + 9ut = 0.75 s
g(0.75) =
5.계단 응답보통
t (s)y(t)2?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 46/(s² + 7s + 23)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

G(s) = 46/(s² + 7s + 23)
%OS = %
6.계단 응답어려움
t (s)y(t)1tp​ = 1 s30 %

영점이 없는 2차 시스템의 계단 응답이 오버슈트 30 %를 보이고 첫 번째 피크가 t = 1 s에서 나타난다. 고유 진동수 ωn을(를) 구하시오.

%OS = 30 %tp = 1 s
ωn = rad/s
7.보드 선도와 여유보통
vin​C = 22 nFR = 1 kΩvout​

그림의 RC 고역 통과 필터은(는) R = 1 kΩ, C = 22 nF을(를) 가집니다. 14 kHz의 정현파 입력이 가해집니다. 이득 |H| = |vout/vin|을 dB로 구하시오.

R = 1 kΩC = 22 nFf = 14 kHz
|H| = dB
8.보드 선도와 여유어려움
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8))이다. 이득 여유 2 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8))GM = 2 dB
K =

3용액

1.합성곱과 LTI 시스템

답: y(2) = 0.0005358

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.

펄스 종료 시점의 출력

y(0.5) = (1/4)(1 − e−2) = 0.2162

펄스 이후의 감쇠

y(2) = 0.2162·e−4·1.5 = 0.0005358

답

y(2) = 0.0005358
2.합성곱과 LTI 시스템

답: y[2] = 5.25

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

y[0] = 3
y[1] = 4.5
y[2] = 5.25

결과

y[2] = 3·(1 − (0.5)3)/(1 − 0.5) = 5.25

답

y[2] = 5.25
3.라플라스 변환

답: f(0.3) = 1.145

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 + 4)
A = 45/(2·4) = 5.625
B = 45/((−2)·2) = −11.25
C = 45/((−4)·(−2)) = 5.625

역변환

f(t) = 5.625 − 11.25·e−2t + 5.625·e−4t

계산하기

f(0.3) = 5.625 − 11.25·e−2·0.3 + 5.625·e−4·0.3 = 1.145

답

f(0.3) = 1.145
4.라플라스 변환

답: g(0.75) = 0.8325

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).

전달함수

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 9)/(s² + 6s + 5)

부분분수 전개

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
A = 1.75, B = 0.25

임펄스 응답

g(t) = 1.75·e−t + 0.25·e−5t
g(0.75) = 0.8325

답

g(0.75) = 0.8325
5.계단 응답

답: %OS = 3.496 %

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 = 23 → ωₙ = 4.796 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4.796) = 0.7298

결과

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3.354 = 3.496 %

답

%OS = 3.496 %
6.계단 응답

답: ωn = 3.364 rad/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.

감쇠비

ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 1.204/√(9.87 + 1.45) = 0.3579

고유 진동수

ωd = π/tp = π/1 = 3.142 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3.142/0.9338 = 3.364 rad/s

답

ωn = 3.364 rad/s
7.보드 선도와 여유

답: |H| = −1.028 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/(1000·2.2 × 10⁻⁸) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 14000/7234 = 1.935

이득

|H| = 1.935/√(1 + 1.935²) = 0.8884
20·log₁₀(0.8884) = −1.028 dB

답

|H| = −1.028 dB
8.보드 선도와 여유

답: K = 127.1

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.

위상 교차

(ω/2)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(2·8) = 4 rad/s

위상 교차 주파수에서의 크기

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 64)) = K/(2·8·(2 + 8)) = K/160

필요한 이득

160/K = 102/20 = 1.259
K = 160/1.259 = 127.1

답

K = 127.1

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