Tín hiệu và hệ thống: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 8 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Tích chập và hệ LTI

Tích chập rời rạc
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Tích chập liên tục
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Độ dài và tổng
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Bắt đầu, kết thúc và diện tích
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Bước nhảy vào e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Hệ bậc một
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Đệ quy bậc một
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Hàm sin qua h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Biên độ chuỗi Fourier
vuông ±A: 4A/(kπ), k lẻ; tam giác ±A: 8A/(π²k²), k lẻ; chuỗi xung: A·D và (2A/(kπ))|sin kπD|

Phương pháp

  1. Vẽ phác cả hai tín hiệu và ghi chú nơi mỗi tín hiệu khác không.
  2. Lật h và trượt nó: với mỗi thời điểm đầu ra, tìm khoảng mà cả hai tín hiệu chồng lên nhau.
  3. Nhân và cộng (rời rạc) hoặc nhân và lấy tích phân (liên tục) chỉ trên phần chồng lên nhau đó.
  4. Kiểm tra kết quả: đầu ra bắt đầu tại tổng các thời điểm bắt đầu, kết thúc tại tổng các thời điểm kết thúc, và diện tích hoặc tổng của nó là tích các diện tích hoặc tổng của đầu vào.

2Bài tập

1.Tích chập và hệ LTITrung bình
x(t)t210h(t)t14

Xung x(t) = 10 với 0 ≤ t < 2 s được chập với h(t), một tam giác giảm tuyến tính từ 4 tại t = 0 xuống 0 tại t = 1 s. Tìm diện tích Ay dưới y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 10, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 4, h(1) = 0
Ay =
2.Tích chập và hệ LTIKhó
x(t)t (ms)0,5124−4

Một sóng tam giác tăng và giảm tuyến tính giữa −4 và +4 với chu kỳ T = 1 ms. Tìm biên độ c5 của thành phần Fourier của nó tại 5000 Hz.

±4T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =
3.Biến đổi LaplaceTrung bình
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Tìm f(t) cho F(s) = (4s + 37)/(s² + 8s + 16) và tính f(0,2).

F(s) = (4s + 37)/(s² + 8s + 16)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Biến đổi LaplaceKhó
ReIm−1−2−3−4−51

Một hệ thống được mô tả bởi phương trình vi phân y″ + 6y′ + 5y = 5u, với đầu vào u(t) và đầu ra y(t). Tìm hàm truyền G(s) = Y(s)/U(s) của nó (điều kiện ban đầu bằng không) và tính đáp ứng xung g(t) tại t = 0,6 s. Tìm g(0,6).

y″ + 6y′ + 5y = 5ut = 0,6 s
g(0.6) =
5.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)1ts​ = ?

Một hệ có hàm truyền G(s) = 56/(s² + 2s + 56) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 56/(s² + 2s + 56)
ts = s
6.Đáp ứng bướcKhó
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = K/(s(s + 2)). Tìm độ lợi K để đáp ứng bước có độ vọt lố 10 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 10 %
K =
7.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 4

Tìm pha ∠G(jω) của G(s) = 7(s + 3)/(s(s + 11)) tại ω = 4 rad/s, theo độ.

G(s) = 7(s + 3)/(s(s + 11))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
8.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 360/(s(s + 8)). Tìm độ dự trữ pha PM theo độ.

L(s) = 360/(s(s + 8))
PM = °

3Dung dịch

1.Tích chập và hệ LTI

Đáp số: Ay = 40

Tích chập liên tục: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Lật h, trượt nó đến vị trí t và lấy tích phân của tích các phần chồng lên nhau. Với tín hiệu nhân quả, tích phân chạy từ 0 đến t. Một số kết quả hữu ích: diện tích của y bằng diện tích của x nhân diện tích của h; nếu x kéo dài từ t₁ đến t₂ và h từ t₃ đến t₄, thì y kéo dài từ t₁ + t₃ đến t₂ + t₄. Với h(t) = e−atu(t) và một bước nhảy có độ cao A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Diện tích của các đầu vào

∫x dt = 10·2 = 20
∫h dt = ½·1·4 = 2

Diện tích của đầu ra

Ay = 20·2 = 40

Đáp số

Ay = 40
2.Tích chập và hệ LTI

Đáp số: c5 = 0,1297

Đáp ứng xung và chuỗi Fourier: đáp ứng xung h(t) mô tả hoàn toàn một hệ LTI: với y′ + a·y = b·x nó là h(t) = b·e−atu(t), và với y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] nó là h[n] = b·aⁿu[n]. Một hàm cosin cos ωt đi qua với độ lợi |H(jω)| và pha ∠H(jω), trong đó H là biến đổi Fourier của h. Một tín hiệu tuần hoàn là tổng các họa âm tại k/T: sóng vuông ±A chỉ có các họa âm lẻ với biên độ 4A/(kπ), sóng tam giác có đỉnh A có 8A/(π²k²), và chuỗi xung có độ cao A và chu kỳ làm việc D có giá trị trung bình A·D và các họa âm (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Số thứ tự họa âm

f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 5

Biên độ

c5 = 8·4/(π²·5²) = 0,1297

Đáp số

c5 = 0,1297
3.Biến đổi Laplace

Đáp số: f(0.2) = 3,684

Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Phân tích mẫu số thành nhân tử

s² + 8s + 16 = (s + 4)²

Phân thức riêng

4s + 37 = 4(s + 4) + 21
F(s) = 4/(s + 4) + 21/(s + 4)²

Biến đổi ngược

f(t) = 4·e−4t + 21·t·e−4t
f(0,2) = (4 + 21·0,2)·e−4·0,2 = 3,684

Đáp số

f(0,2) = 3,684
4.Biến đổi Laplace

Đáp số: g(0.6) = 0,6238

Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Hàm truyền

G(s) = Y(s)/U(s) = 5/(s² + 6s + 5)

Phân thức riêng

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
A = 1,25, B = −1,25

Đáp ứng xung

g(t) = 1,25·e−t − 1,25·e−5t
g(0,6) = 0,6238

Đáp số

g(0,6) = 0,6238
5.Đáp ứng bước

Đáp số: ts = 4 s

Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).

So sánh với dạng chuẩn

Mẫu số phải khớp với s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 56 → ωₙ = 7,483 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,483) = 0,1336

Kết quả

ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s

Đáp số

ts = 4 s
6.Đáp ứng bước

Đáp số: K = 2,862

Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).

Hàm truyền vòng kín

T(s) = K/(s² + 2s + K)

Hệ số tắt dần từ độ vọt lố

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 0,5912

Độ khuếch đại

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,692 rad/s
K = ωₙ² = 2,862

Đáp số

K = 2,862
7.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: ∠G(jω) = −56,85 °

Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.

Cộng các góc

∠G = atan(4/3) − 90° − atan(4/11) = 53,13° − 90° − 19,98°

Kết quả

∠G(j4) = −56,85°

Đáp số

∠G(jω) = −56,85°
8.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: PM = 23,79 °

Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.

Tần số cắt biên

ω⁴ + 64ω² − 129600 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·129600))/2 = 329,4
ωc = 18,15 rad/s

Độ dự trữ pha

∠L(jωc) = −90° − atan(18,15/8) = −156,2°
PM = 180° + ∠L = 23,79°

Đáp số

PM = 23,79°

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