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)t2h(t)t1

Đầu vào x(t) = 2·e−6tu(t) được đưa vào một hệ có h(t) = e−1tu(t). Tìm đầu ra y(2) tại t = 2 s.

x(t) = 2·e−6tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Tích chập và hệ LTIKhó
δ(t)y′ + 1y = 2xh(t)

Một hệ tuân theo y′(t) + 1·y(t) = 2·x(t). Tìm đáp ứng xung của nó tại t = 0,5 s, h(0,5).

y′ + 1y = 2xt = 0,5 s
h(0.5) =
3.Biến đổi LaplaceTrung bình
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Tìm f(t) cho F(s) = 60/(s(s + 3)(s + 6)) bằng phân thức riêng, và tính f(0,1).

F(s) = 60/(s(s + 3)(s + 6))t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Biến đổi LaplaceKhó
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Giải y″ + 7y′ + 12y = 0 với y(0) = −5 và y′(0) = −5 bằng biến đổi Laplace, và tìm y(0,25).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = −5y′(0) = −5t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)3

Một hệ có hàm truyền G(s) = 90/(s² + 8s + 30) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm tần số riêng ωn theo rad/s.

G(s) = 90/(s² + 8s + 30)
ωn = rad/s
6.Đáp ứng bướcKhó
t (s)y(t)115 %

Một hệ bậc hai không có điểm không phải có đáp ứng bước với độ vọt lố 15 %. Tìm hệ số tắt dần ζ.

%OS = 15 %
ζ =
7.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
vin​C = 47 nFR = 4,7 kΩvout​

bộ lọc thông cao RC trong hình có R = 4,7 kΩ, C = 47 nF. Một tín hiệu vào hình sin 140 Hz được đặt vào. Tìm độ khuếch đại |H| = |vout/vin| theo dB.

R = 4,7 kΩC = 47 nFf = 140 Hz
|H| = dB
8.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 6/(s(s + 2)). Tìm độ dự trữ pha PM theo độ.

L(s) = 6/(s(s + 2))
PM = °

3Dung dịch

1.Tích chập và hệ LTI

Đáp số: y(2) = 0,05413

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).

Tích phân chập

y(t) = 2e−1t∫₀ᵗ e−(6 − 1)τ dτ = 2(e−1t − e−6t)/(5)

Tính giá trị

y(2) = 2·(0,1353 − 6,144 × 10⁻⁶)/(5) = 0,05413

Đáp số

y(2) = 0,05413
2.Tích chập và hệ LTI

Đáp số: h(0.5) = 1,213

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)|.

Hàm truyền

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 1)

Đáp ứng xung

h(t) = 2·e−1tu(t)
h(0,5) = 2·e−0,5 = 1,213

Đáp số

h(0,5) = 1,213
3.Biến đổi Laplace

Đáp số: f(0.1) = 0,2239

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 thức riêng

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 6)
A = 60/(3·6) = 3,333
B = 60/((−3)·3) = −6,667
C = 60/((−6)·(−3)) = 3,333

Biến đổi ngược

f(t) = 3,333 − 6,667·e−3t + 3,333·e−6t

Tính giá trị

f(0,1) = 3,333 − 6,667·e−3·0,1 + 3,333·e−6·0,1 = 0,2239

Đáp số

f(0,1) = 0,2239
4.Biến đổi Laplace

Đáp số: y(0.25) = −4,452

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).

Biến đổi phương trình

s²Y − (−5)s − (−5) + 7(sY − (−5)) + 12Y = 0
Y(s) = (−5s − 40)/((s + 3)(s + 4))

Phân thức riêng

A = −25/1 = −25
B = −20/(−1) = 20

Kết quả

y(t) = −25·e−3t + 20·e−4t
y(0,25) = −4,452

Đáp số

y(0,25) = −4,452

Kiểm tra: y(0) = A + B = −5.

5.Đáp ứng bước

Đáp số: ωn = 5,477 rad/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 = 30 → ωₙ = 5,477 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5,477) = 0,7303

Kết quả

ωₙ = 5,477 rad/s

Đáp số

ωn = 5,477 rad/s
6.Đáp ứng bước

Đáp số: ζ = 0,5169

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).

Hệ số cản

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 1,897/√(9,87 + 3,599) = 0,5169

Đáp số

ζ = 0,5169
7.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: |H| = −14,39 dB

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 góc

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·4,7 × 10⁻⁸) = 4527 rad/s
fc = 720,5 Hz → f/fc = 140/720,5 = 0,1943

Độ khuếch đại

|H| = 0,1943/√(1 + 0,1943²) = 0,1907
20·log₁₀(0,1907) = −14,39 dB

Đáp số

|H| = −14,39 dB
8.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: PM = 43,88 °

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 + 4ω² − 36 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·36))/2 = 4,325
ωc = 2,08 rad/s

Độ dự trữ pha

∠L(jωc) = −90° − atan(2,08/2) = −136,1°
PM = 180° + ∠L = 43,88°

Đáp số

PM = 43,88°

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