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)t1h(t)t1

입력 x(t) = 1·e−3tu(t)가 h(t) = e−5tu(t)인 시스템에 가해집니다. t = 0.25 s에서의 출력 y(0.25)을(를) 구하시오.

x(t) = 1·e−3tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 0.25 s
y(0.25) =
2.합성곱과 LTI 시스템어려움
u[n]4+y[n]0.4·z⁻¹+

시스템이 y[n] = 0.4·y[n − 1] + 4·x[n]을 따르며 정지 상태에서 시작합니다. 입력은 단위 계단 x[n] = u[n]입니다. y[3]을(를) 구하시오.

y[n] = 0.4y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3.라플라스 변환보통
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (5s + 23)/(s² + 6s + 8)이다. 이것의 역변환은 f(t) = A·e−2t + B·e−4t 꼴이다. 부분분수 전개로 계수 A을(를) 구하시오.

F(s) = (5s + 23)/(s² + 6s + 8)
A =
4.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

어떤 시스템이 y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t)을(를) 따르며, y(0) = 6, y′(0) = 0이다. t = 0에서 계단 입력 u(t) = 4가 가해진다. 라플라스 변환으로 y(0.3)을(를) 구하시오.

y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.3 s
y(0.3) =
5.계단 응답보통
t (s)y(t)0.5?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 14.5/(s² + 8s + 29)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

G(s) = 14.5/(s² + 8s + 29)
%OS = %
6.계단 응답어려움
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = K/(s(s + 10))이다. 계단 응답의 오버슈트가 20 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 20 %
K =
7.보드 선도와 여유보통
vin​R = 10 ΩL = 100 mHvout​

그림의 RL 고역 통과 필터은(는) R = 10 Ω, L = 100 mH을(를) 가집니다. 8 Hz의 정현파 입력이 가해집니다. 이득 |H| = |vout/vin|을 dB로 구하시오.

R = 10 ΩL = 100 mHf = 8 Hz
|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 + 6)(s + 9))이다. 이득 여유 15 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 9))GM = 15 dB
K =

3용액

1.합성곱과 LTI 시스템

답: y(0.25) = 0.09293

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.

합성곱 적분

y(t) = 1e−5t∫₀ᵗ e−(3 − 5)τ dτ = 1(e−5t − e−3t)/(−2)

계산하기

y(0.25) = 1·(0.2865 − 0.4724)/(−2) = 0.09293

답

y(0.25) = 0.09293
2.합성곱과 LTI 시스템

답: y[3] = 6.496

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] = 4
y[1] = 5.6
y[2] = 6.24
y[3] = 6.496

결과

y[3] = 4·(1 − (0.4)4)/(1 − 0.4) = 6.496

답

y[3] = 6.496
3.라플라스 변환

답: A = 6.5

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).

분모 인수분해

s² + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 4)

가리기 규칙

(s + 2)를 곱하고 s = −2을 대입하세요. B항은 사라집니다.

A = (5s + 23)/(s + 4) |s = −2 = 13/2 = 6.5

답

A = 6.5
(B = −1.5이므로 f(t) = 6.5·e−2t − 1.5·e−4t)
4.라플라스 변환

답: y(0.3) = 8.594

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 + 8s + 12)·Y(s) = 6s + 48 + 192/s
Y(s) = (6s² + 48s + 192)/(s(s + 2)(s + 6))

부분분수 전개

A = 192/(2·6) = 16
B = 120/((−2)·4) = −15
C = 120/((−6)·(−4)) = 5

결과

y(t) = 16 − 15·e−2t + 5·e−6t
y(0.3) = 8.594

답

y(0.3) = 8.594

확인: y(0) = A + B + C = 6.

5.계단 응답

답: %OS = 3.065 %

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 = 29 → ωₙ = 5.385 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5.385) = 0.7428

결과

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3.485 = 3.065 %

답

%OS = 3.065 %
6.계단 응답

답: K = 120.3

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.

폐루프 전달함수

T(s) = K/(s² + 10s + K)

오버슈트로 구하는 감쇠비

ζ = −ln(0.2)/√(π² + ln²(0.2)) = 0.4559

이득

ωₙ = 10/(2ζ) = 10.97 rad/s
K = ωₙ² = 120.3

답

K = 120.3
7.보드 선도와 여유

답: |H| = −6.953 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 = R/L = 10/0.1 = 100 rad/s
fc = 15.92 Hz → f/fc = 8/15.92 = 0.5027

이득

|H| = 0.5027/√(1 + 0.5027²) = 0.4491
20·log₁₀(0.4491) = −6.953 dB

답

|H| = −6.953 dB
8.보드 선도와 여유

답: K = 144

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/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7.348 rad/s

위상 교차 주파수에서의 크기

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

필요한 이득

810/K = 1015/20 = 5.623
K = 810/5.623 = 144

답

K = 144

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