İşaretler ve Sistemler: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 8 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorularDerse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Evrişim ve LTI sistemler

Ayrık evrişim
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Sürekli evrişim
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Uzunluk ve toplam
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Başlangıç, bitiş ve alan
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t)’ye basamak girişi
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Birinci dereceden sistem
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Birinci dereceden özyineleme
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t)’den geçen sinüs
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Fourier serisi genlikleri
kare ±A: 4A/(kπ), k tek; üçgen ±A: 8A/(π²k²), k tek; darbe katarı: A·D ve (2A/(kπ))|sin kπD|

Yöntem

  1. İki işareti de çizin ve her birinin sıfırdan farklı olduğu yeri not edin.
  2. h’yi çevirip kaydırın: her çıkış zamanı için iki işaretin çakıştığı aralığı bulun.
  3. Yalnızca o çakışma üzerinde çarpıp toplayın (ayrık) veya çarpıp integre edin (sürekli).
  4. Sonucu kontrol edin: çıkış, başlangıç zamanlarının toplamında başlar, bitiş zamanlarının toplamında biter; alanı veya toplamı da girişlerin alanlarının veya toplamlarının çarpımıdır.

2Alıştırma soruları

1.Evrişim ve LTI sistemlerOrta
x(t)t−2−1h(t)t−10

x(t) işareti yalnızca t = −2 s ile t = −1 s arasında, h(t) ise yalnızca t = −1 s ile t = 0 s arasında sıfırdan farklıdır. y(t) = x(t) ∗ h(t) işaretinin süresini (D) bulun.

x: −2 … −1 sh: −1 … 0 s
D = s
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
δ[n]0,5+h[n]0,4·z⁻¹+

Bir sistem y[n] = 0,4·y[n − 1] + 0,5·x[n] denklemine uyar ve durgun başlar. Darbe yanıtı örneğini (h[3]) bulun.

y[n] = 0,4y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−2−4−6−8−10−12−142

F(s) = (s + 13)/(s² + 2s + 10) için f(t)’yi tam kareye tamamlayarak bulun ve f(0,25) değerini hesaplayın.

F(s) = (s + 13)/(s² + 2s + 10)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Bir sistem y″ + 8y′ + 12y = 12·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 5 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 5 basamak girişi uygulanır. y(0,1) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 8y′ + 12y = 12·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 12,5/(s² + 3s + 25)’dır ve birim basamak girişi alıyor. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 12,5/(s² + 3s + 25)
ts = s
6.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)120 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %20 aşım yapmalıdır. Sönüm oranını ζ bulun.

%OS = 20 %
ζ =
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−100−80−60−40−200ω (rad/s)ω = 5

G(s) = 45/((s + 3)(s + 15)) fonksiyonunun ω = 5 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 45/((s + 3)(s + 15))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = K/(s(s + 2)(s + 6))’dır. 6 dB’lik bir kazanç payı veren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 6))GM = 6 dB
K =

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: D = 2 s

Sürekli evrişim: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. h’yi çevirin, t konumuna kaydırın ve çakışan kısımların çarpımını integre edin. Nedensel işaretler için integral 0’dan t’ye kadar alınır. Yararlı sonuçlar: y’nin alanı, x’in alanı çarpı h’nin alanıdır; x, t₁’den t₂’ye ve h, t₃’ten t₄’e kadar sürüyorsa y, t₁ + t₃’ten t₂ + t₄’e kadar sürer. h(t) = e−atu(t) ve A yüksekliğinde bir basamak için y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Başlangıç ve bitiş

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

Cevap

D = 2 s

Cevap

D = 2 s
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: h[3] = 0,032

Darbe yanıtı ve Fourier serisi: h(t) darbe yanıtı bir LTI sistemi tamamen tanımlar: y′ + a·y = b·x için h(t) = b·e−atu(t), y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] için ise h[n] = b·aⁿu[n]’dir. cos ωt sinüsü, |H(jω)| kazancı ve ∠H(jω) fazıyla geçer; burada H, h’nin Fourier dönüşümüdür. Periyodik bir işaret, k/T’deki harmoniklerin toplamıdır: ±A’lık bir kare dalgada yalnızca tek harmonikler vardır ve genlikleri 4A/(kπ)’dir; tepe değeri A olan bir üçgen dalgada 8A/(π²k²), A yüksekliğinde ve D görev oranında bir darbe katarında ise ortalama A·D ve harmonikler (2A/(kπ))·|sin(kπD)|’dir.

Yineleyin

h[0] = 0,5
h[1] = 0,2
h[2] = 0,08
h[3] = 0,032

Sonuç

h[3] = 0,5·(0,4)3 = 0,032

Cevap

h[3] = 0,032
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.25) = 2,693

Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 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); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Tam kareye tamamlayın

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

Payı eşleştirin

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (12/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Ters dönüşüm

f(t) = e−t·(cos 3t + 4·sin 3t)
f(0,25) = e−0,25·(cos(3·0,25) + 4·sin(3·0,25)) = 2,693

Cevap

f(0,25) = 2,693
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.1) = 5

Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 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); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Denklemi dönüştürün

(s² + 8s + 12)·Y(s) = 5s + 40 + 60/s
Y(s) = (5s² + 40s + 60)/(s(s + 2)(s + 6))

Kısmi kesirler

A = 60/(2·6) = 5
B = 0/((−2)·4) = 0
C = 0/((−6)·(−4)) = 0

Sonuç

y(t) = 5
y(0,1) = 5

Cevap

y(0,1) = 5

Kontrol: y(0) = A + B + C = 5.

5.Basamak yanıtı

Cevap: ts = 2,667 s

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Standart biçimle karşılaştırın

Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.

ωₙ² = 25 → ωₙ = 5 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5) = 0,3

Sonuç

ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s

Cevap

ts = 2,667 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,4559

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Sönüm oranı

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 1,609/√(9,87 + 2,59) = 0,4559

Cevap

ζ = 0,4559
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = −6,23 dB

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Büyüklükleri çarpın

|G(j5)| = 45/(√(5² + 3²)·√(5² + 15²)) = 45/(5,831·15,81) = 0,4881

Sonuç

20·log₁₀(0,4881) = −6,23 dB

Cevap

|G(jω)| = −6,23 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: K = 48,11

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Faz kesişimi

(ω/2)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(2·6) = 3,464 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 36)) = K/(2·6·(2 + 6)) = K/96

Gerekli kazanç

96/K = 106/20 = 1,995
K = 96/1,995 = 48,11

Cevap

K = 48,11

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