Isyarat dan Sistem: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 8 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Konvolusi & sistem LTI

Konvolusi diskret
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Konvolusi selanjar
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Panjang dan hasil tambah
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Mula, tamat dan luas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Langkah ke dalam e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistem tertib pertama
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekursi tertib pertama
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoid melalui h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitud siri Fourier
segi empat ±A: 4A/(kπ), k ganjil; segi tiga ±A: 8A/(π²k²), k ganjil; rentetan denyut: A·D dan (2A/(kπ))|sin kπD|

Kaedah

  1. Lakarkan kedua-dua isyarat dan catat di mana setiap satu bukan sifar.
  2. Balikkan h dan gelongsorkannya: bagi setiap masa output, cari julat di mana kedua-dua isyarat bertindih.
  3. Darab dan tambah (diskret) atau darab dan kamirkan (selanjar) pada pertindihan itu sahaja.
  4. Semak hasilnya: output bermula pada hasil tambah masa mula, berakhir pada hasil tambah masa tamat, dan luas atau hasil tambahnya ialah hasil darab luas atau hasil tambah input.

2Soalan latihan

1.Konvolusi & sistem LTISederhana
x(t)t−21h(t)t−10

Isyarat x(t) bukan sifar hanya antara t = −2 s dan t = 1 s, dan h(t) hanya antara t = −1 s dan t = 0 s. Cari masa tend y(t) = x(t) ∗ h(t) berakhir.

x: −2 … 1 sh: −1 … 0 s
tend = s
2.Konvolusi & sistem LTISukar
δ(t)y′ + 2y = 10xh(t)

Sistem mematuhi y′(t) + 2·y(t) = 10·x(t). Cari sambutan impulsnya pada t = 0.2 s, h(0.2).

y′ + 2y = 10xt = 0.2 s
h(0.2) =
3.Transformasi LaplaceSederhana
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

Cari f(t) bagi F(s) = (5s + 38)/(s² + 10s + 25) dan nilaikan f(0.4).

F(s) = (5s + 38)/(s² + 10s + 25)t = 0.4 s
f(0.4) =
4.Transformasi LaplaceSukar
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

Selesaikan y″ + 7y′ + 10y = 0 dengan y(0) = 10 dan y′(0) = 3 menggunakan transformasi Laplace, dan cari y(0.25).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 10y′(0) = 3t = 0.25 s
y(0.25) =
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 52/(s² + 7s + 52) dan menerima input langkah unit. Kutubnya ialah s = σ ± jωd. Cari bahagian nyata σ.

G(s) = 52/(s² + 7s + 52)
σ =
6.Sambutan langkahSukar
k = 400 N/mc = 16 N·s/mm = 1 kgF = 20 Nx(t)

Jisim m = 1 kg tergantung pada spring k = 400 N/m dengan peredam likat c = 16 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pada keadaan rehat dalam keseimbangan, daya malar F = 20 N dikenakan secara tiba-tiba. Cari nisbah redaman ζ.

m = 1 kgk = 400 N/mc = 16 N·s/mF = 20 N
ζ =
7.Plot Bode dan marginSederhana
vin​R = 10 kΩC = 4.7 nFvout​

penapis laluan rendah RC yang ditunjukkan mempunyai R = 10 kΩ, C = 4.7 nF. Input sinusoid 17 kHz dikenakan. Cari gandaan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 10 kΩC = 4.7 nFf = 17 kHz
|H| = dB
8.Plot Bode dan marginSukar
|H| (dB)0.10.1111010100100−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Gelung suap balik unit mempunyai fungsi pindah gelung terbuka L(s) = 140/(s(s + 10)). Cari margin fasa PM dalam darjah.

L(s) = 140/(s(s + 10))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: tend = 1 s

Konvolusi selanjar: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Balikkan h, gelongsorkan ke kedudukan t dan kamirkan hasil darab bahagian yang bertindih. Untuk isyarat kausal kamiran berjalan dari 0 hingga t. Keputusan berguna: luas y ialah luas x darab luas h; jika x berlangsung dari t₁ hingga t₂ dan h dari t₃ hingga t₄, y berlangsung dari t₁ + t₃ hingga t₂ + t₄. Untuk h(t) = e−atu(t) dan langkah setinggi A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Mula dan tamat

tstart = −2 + (−1) = −3 s
tend = 1 + 0 = 1 s

Jawapan

tend = 1 s

Jawapan

tend = 1 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: h(0.2) = 6.703

Sambutan impuls dan siri Fourier: sambutan impuls h(t) menerangkan sistem LTI dengan lengkap: bagi y′ + a·y = b·x ia ialah h(t) = b·e−atu(t), dan bagi y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ia ialah h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoid cos ωt melaluinya dengan gandaan |H(jω)| dan fasa ∠H(jω), dengan H ialah transformasi Fourier bagi h. Isyarat berkala ialah hasil tambah harmonik pada k/T: gelombang segi empat ±A hanya mempunyai harmonik ganjil dengan amplitud 4A/(kπ), gelombang segi tiga berpuncak A mempunyai 8A/(π²k²), dan rentetan denyut setinggi A dengan kitar tugas D mempunyai min A·D dan harmonik (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Fungsi pindah

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 2)

Sambutan dedenyut

h(t) = 10·e−2tu(t)
h(0.2) = 10·e−0.4 = 6.703

Jawapan

h(0.2) = 6.703
3.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.4) = 1.38

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt menukarkan terbitan kepada pendaraban dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan piawai: 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), dan anjakan s → s + σ mendarabkan fungsi masa dengan e−σt. Untuk menyongsangkan F(s) nisbah, pecahkan kepada pecahan separa: reja bagi kutub ringkas p ialah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorem nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), sah hanya apabila semua kutub s·F(s) terletak dalam separuh satah kiri. Teorem nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Faktorkan penyebut

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

Pecahan separa

5s + 38 = 5(s + 5) + 13
F(s) = 5/(s + 5) + 13/(s + 5)²

Transformasi songsang

f(t) = 5·e−5t + 13·t·e−5t
f(0.4) = (5 + 13·0.4)·e−5·0.4 = 1.38

Jawapan

f(0.4) = 1.38
4.Transformasi Laplace

Jawapan: y(0.25) = 8.519

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt menukarkan terbitan kepada pendaraban dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan piawai: 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), dan anjakan s → s + σ mendarabkan fungsi masa dengan e−σt. Untuk menyongsangkan F(s) nisbah, pecahkan kepada pecahan separa: reja bagi kutub ringkas p ialah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorem nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), sah hanya apabila semua kutub s·F(s) terletak dalam separuh satah kiri. Teorem nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformasikan persamaan

s²Y − 10s − 3 + 7(sY − 10) + 10Y = 0
Y(s) = (10s + 73)/((s + 2)(s + 5))

Pecahan separa

A = 53/3 = 17.67
B = 23/(−3) = −7.667

Keputusan

y(t) = 17.67·e−2t − 7.667·e−5t
y(0.25) = 8.519

Jawapan

y(0.25) = 8.519

Semak: y(0) = A + B = 10.

5.Sambutan langkah

Jawapan: σ = −3.5

Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Bandingkan dengan bentuk piawai

Penyebut mesti sepadan dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 52 → ωₙ = 7.211 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7.211) = 0.4854

Keputusan

σ = −ζωₙ = −7/2 = −3.5

Jawapan

σ = −3.5
6.Sambutan langkah

Jawapan: ζ = 0.4

Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Frekuensi tabii dan nisbah redaman

ωₙ = √(k/m) = √(400/1) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 16/(2·√(400·1)) = 0.4

Keputusan

ζ = 0.4

Jawapan

ζ = 0.4
7.Plot Bode dan margin

Jawapan: |H| = −14.18 dB

Sambutan frekuensi: gantikan s = jω dalam fungsi pindah. Magnitud dalam desibel ialah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa ialah hasil tambah sudut faktor pengatas tolak sudut faktor penyebut. Penapis RC atau RL peringkat pertama mempunyai frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); penapis laluan rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Dalam plot Bode asimptot (garis lurus) setiap kutub membengkokkan magnitud ke bawah sebanyak 20 dB/dekad pada frekuensi sudutnya, setiap sifar membengkokkannya ke atas sebanyak 20 dB/dekad, dan pengamir 1/s memberi −20 dB/dekad pada semua frekuensi. Lintasan gandaan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Lintasan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin gandaan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Gelung tertutup stabil apabila kedua-dua margin positif.

Frekuensi sudut

ωc = 1/(RC) = 1/(10000·4.7 × 10⁻⁹) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 17000/3386 = 5.02

Gandaan

|H| = 1/√(1 + 5.02²) = 0.1954
20·log₁₀(0.1954) = −14.18 dB

Jawapan

|H| = −14.18 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawapan: PM = 45.19 °

Sambutan frekuensi: gantikan s = jω dalam fungsi pindah. Magnitud dalam desibel ialah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa ialah hasil tambah sudut faktor pengatas tolak sudut faktor penyebut. Penapis RC atau RL peringkat pertama mempunyai frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); penapis laluan rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Dalam plot Bode asimptot (garis lurus) setiap kutub membengkokkan magnitud ke bawah sebanyak 20 dB/dekad pada frekuensi sudutnya, setiap sifar membengkokkannya ke atas sebanyak 20 dB/dekad, dan pengamir 1/s memberi −20 dB/dekad pada semua frekuensi. Lintasan gandaan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Lintasan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin gandaan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Gelung tertutup stabil apabila kedua-dua margin positif.

Lintasan gandaan

ω⁴ + 100ω² − 19600 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·19600))/2 = 98.66
ωc = 9.933 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(9.933/10) = −134.8°
PM = 180° + ∠L = 45.19°

Jawapan

PM = 45.19°

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems