Сигнали та системи: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 8 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Згортка та лінійні стаціонарні системи

Дискретна згортка
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Неперервна згортка
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Довжина й сума
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Початок, кінець і площа
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Східчастий сигнал на вході e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Система першого порядку
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Рекурсія першого порядку
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Синусоїда крізь h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Амплітуди ряду Фур’є
прямокутна ±A: 4A/(kπ), непарні k; трикутна ±A: 8A/(π²k²), непарні k; послідовність імпульсів: A·D і (2A/(kπ))|sin kπD|

Метод

  1. Накресліть обидва сигнали й позначте, де кожен з них ненульовий.
  2. Віддзеркаліть h і зсувайте її: для кожного моменту виходу знайдіть діапазон, де обидва сигнали перекриваються.
  3. Перемножуйте й додавайте (дискретно) або перемножуйте й інтегруйте (неперервно) лише на цьому перекритті.
  4. Перевірте результат: вихід починається в суму моментів початку, закінчується в суму моментів завершення, а його площа чи сума дорівнює добутку площ чи сум входів.

2Задачі для практики

1.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t12h(t)t42

Імпульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 2 при 0 ≤ t < 4 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(1,5) при t = 1,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 1,5 s
y(1.5) =
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
u[n]0,5+y[n]−0,5·z⁻¹+

Система описується рівнянням y[n] = −0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[2].

y[n] = −0,5y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−5−10−15−20

F(s) = (2s + 35)/(s² + 9s + 14). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−2t + B·e−7t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (2s + 35)/(s² + 9s + 14)
A =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 6y′ + 8y = 0 при y(0) = 9 і y′(0) = −3 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,5).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 9y′(0) = −3t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 38,5/(s² + 14s + 77) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 38,5/(s² + 14s + 77)
ts = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
+−24 VR = 76 ΩL = 200 mHC = 22 µFvC​

Послідовне RLC-коло з R = 76 Ω, L = 200 mH і C = 22 µF підключають до сходинки 24 V у момент t = 0. Конденсатор незаряджений, і до сходинки струм не тече. Знайдіть власну частоту незагасаючих коливань ωn в rad/s.

R = 76 ΩL = 200 mHC = 22 µFV = 24 V
ωn = rad/s
7.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​R = 4,7 kΩC = 1 nFvout​

RC-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 4,7 kΩ, C = 1 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 140 kHz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.

R = 4,7 kΩC = 1 nFf = 140 kHz
φ = °
8.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9)). Знайдіть підсилення K, що дає запас за підсиленням 10 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9))GM = 10 dB
K =

3Розчини

1.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(1.5) = 4

Неперервна згортка: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Відобразіть h дзеркально, посуньте її в положення t та проінтегруйте добуток частин, що перекриваються. Для причинних сигналів інтеграл береться від 0 до t. Корисні результати: площа y дорівнює площі x, помноженій на площу h; якщо x триває від t₁ до t₂, а h — від t₃ до t₄, то y триває від t₁ + t₃ до t₂ + t₄. Для h(t) = e−atu(t) і східчастого сигналу висотою A маємо y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Перекриття віддзеркаленого імпульсу

h(t − τ) — це імпульс h, віддзеркалений і зсунутий так, що закінчується в τ = t.

τ ∈ [0, 1] → довжина 1 s

Інтеграл

y(1,5) = 2·2·1 = 4

Відповідь

y(1,5) = 4

y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 4 і спадає до 0 при t = 5 s.

2.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y[2] = 0,375

Імпульсна характеристика та ряд Фур’є: імпульсна характеристика h(t) повністю описує лінійну стаціонарну систему: для y′ + a·y = b·x вона має вигляд h(t) = b·e−atu(t), а для y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] — h[n] = b·aⁿu[n]. Синусоїда cos ωt проходить із коефіцієнтом підсилення |H(jω)| і фазою ∠H(jω), де H — перетворення Фур’є функції h. Періодичний сигнал є сумою гармонік на частотах k/T: прямокутна хвиля ±A має лише непарні гармоніки з амплітудами 4A/(kπ), трикутна хвиля з піком A має 8A/(π²k²), а послідовність імпульсів висотою A з коефіцієнтом заповнення D має середнє значення A·D і гармоніки (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Ітерація

y[0] = 0,5
y[1] = 0,25
y[2] = 0,375

Результат

y[2] = 0,5·(1 − (−0,5)3)/(1 − (−0,5)) = 0,375

Відповідь

y[2] = 0,375
3.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 6,2

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Розкладіть знаменник на множники

s² + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)

Правило закривання

Помножте на (s + 2) і покладіть s = −2: доданок із B зникає.

A = (2s + 35)/(s + 7) |s = −2 = 31/5 = 6,2

Відповідь

A = 6,2
(B = −4,2, тож f(t) = 6,2·e−2t − 4,2·e−7t)
4.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.5) = 5,055

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Перетворіть рівняння

s²Y − 9s − (−3) + 6(sY − 9) + 8Y = 0
Y(s) = (9s + 51)/((s + 2)(s + 4))

Простіші дроби

A = 33/2 = 16,5
B = 15/(−2) = −7,5

Результат

y(t) = 16,5·e−2t − 7,5·e−4t
y(0,5) = 5,055

Відповідь

y(0,5) = 5,055

Перевірка: y(0) = A + B = 9.

5.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 0,5714 s

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Порівняйте зі стандартною формою

Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 77 → ωₙ = 8,775 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·8,775) = 0,7977

Результат

ζωₙ = 7 → ts ≈ 4/7 = 0,5714 s

Відповідь

ts = 0,5714 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 476,7 rad/s

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Власна частота й коефіцієнт демпфування

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·2,2 × 10⁻⁵) = 476,7 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (76/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,2) = 0,3985

Результат

ωₙ = 476,7 rad/s

Відповідь

ωn = 476,7 rad/s
7.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: φ = −76,4 °

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Частота зрізу

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·1 × 10⁻⁹) = 212766 rad/s
fc = 33863 Hz → f/fc = 140000/33863 = 4,134

Фаза

φ = − atan(4,134) = −76,4°

Відповідь

φ = −76,4°
8.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: K = 199,2

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Перетин за фазою

(ω/5)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(5·9) = 6,708 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 81)) = K/(5·9·(5 + 9)) = K/630

Потрібне підсилення

630/K = 1010/20 = 3,162
K = 630/3,162 = 199,2

Відповідь

K = 199,2

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