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)t25h(t)t1

Xung x(t) = 5 với 0 ≤ t < 2 s (bằng không ở nơi khác) được đưa vào một hệ có h(t) = e−2tu(t). Tìm đầu ra y(2,5) tại t = 2,5 s, sau khi xung đã kết thúc.

x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−2tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
2.Tích chập và hệ LTIKhó
u[n]0,5+y[n]0,8·z⁻¹+

Một hệ tuân theo y[n] = 0,8·y[n − 1] + 0,5·x[n] và bắt đầu từ trạng thái nghỉ. Đầu vào là bước nhảy đơn vị x[n] = u[n]. Tìm y[5].

y[n] = 0,8y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.Biến đổi LaplaceTrung bình
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

F(s) = 18/(s² + 4s + 3). Biến đổi ngược của nó có dạng f(t) = A·e−t + B·e−3t. Tìm hệ số A bằng phân thức riêng.

F(s) = 18/(s² + 4s + 3)
A =
4.Biến đổi LaplaceKhó
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Một hệ thống tuân theo y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t), với y(0) = 2 và y′(0) = 0. Tại t = 0 một đầu vào bước u(t) = 2 được đặt vào. Dùng biến đổi Laplace để tìm y(0,4).

y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)1tp​ = ?

Một hệ có hàm truyền G(s) = 4/(s² + 3s + 4) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm thời gian đỉnh tp của đáp ứng bước.

G(s) = 4/(s² + 3s + 4)
tp = s
6.Đáp ứng bướcKhó
R(s)+230s(s + 16)G(s)C(s)−

Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = 230/(s(s + 16)). Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước vòng kín, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 230/(s(s + 16))
ts = s
7.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
vin​L = 100 mHC = 0,1 µFR = 100 Ωvout​

Trong bộ lọc thông dải RLC nối tiếp trong hình, đầu ra lấy trên R = 100 Ω, với L = 100 mH và C = 0,1 µF. Tìm tần số trung tâm (cộng hưởng) f0 theo Hz.

R = 100 ΩL = 100 mHC = 0,1 µF
f0 = Hz
8.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 22/(s(s + 1)(s + 5)). Tìm độ dự trữ biên GM theo dB.

L(s) = 22/(s(s + 1)(s + 5))
GM = dB

3Dung dịch

1.Tích chập và hệ LTI

Đáp số: y(2.5) = 0,9029

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).

Đầu ra ở cuối xung

y(2) = (5/2)(1 − e−4) = 2,454

Suy giảm sau xung

y(2,5) = 2,454·e−2·0,5 = 0,9029

Đáp số

y(2,5) = 0,9029
2.Tích chập và hệ LTI

Đáp số: y[5] = 1,845

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)|.

Lặp

y[0] = 0,5
y[1] = 0,9
y[2] = 1,22
y[3] = 1,476
y[4] = 1,681
y[5] = 1,845

Kết quả

y[5] = 0,5·(1 − (0,8)6)/(1 − 0,8) = 1,845

Đáp số

y[5] = 1,845
3.Biến đổi Laplace

Đáp số: A = 9

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 + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 3)

Quy tắc che

Nhân với (s + 1) và đặt s = −1: số hạng B biến mất.

A = 18/(s + 3) |s = −1 = 18/2 = 9

Đáp số

A = 9
(B = −9, nên f(t) = 9·e−t − 9·e−3t)
4.Biến đổi Laplace

Đáp số: y(0.4) = 2,347

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

(s² + 5s + 4)·Y(s) = 2s + 10 + 16/s
Y(s) = (2s² + 10s + 16)/(s(s + 1)(s + 4))

Phân thức riêng

A = 16/(1·4) = 4
B = 8/((−1)·3) = −2,667
C = 8/((−4)·(−3)) = 0,6667

Kết quả

y(t) = 4 − 2,667·e−t + 0,6667·e−4t
y(0,4) = 2,347

Đáp số

y(0,4) = 2,347

Kiểm tra: y(0) = A + B + C = 2.

5.Đáp ứng bước

Đáp số: tp = 2,375 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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2) = 0,75

Kết quả

ωd = 2·√(1 − 0,75²) = 1,323 rad/s → tp = π/ωd = 2,375 s

Đáp số

tp = 2,375 s
6.Đáp ứng bước

Đáp số: ts = 0,5 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).

Hàm truyền vòng kín

T(s) = 230/(s² + 16s + 230): ωₙ = 15,17 rad/s, ζ = 0,5275

Thời gian xác lập

ζωₙ = 16/2 = 8
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,5 s

Đáp số

ts = 0,5 s

Với vòng này ζωₙ = a/2 bất kể K bằng bao nhiêu: tăng K làm tăng độ vọt lố nhưng không rút ngắn thời gian xác lập.

7.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: f0 = 1592 Hz

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 cộng hưởng

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1592 Hz

Đáp số

f0 = 1592 Hz
8.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: GM = 2,694 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 cắt pha

(ω/1)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(1·5) = 2,236 rad/s

Độ lớn tại tần số cắt pha

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 25)) = K/(1·5·(1 + 5)) = K/30

Độ dự trữ biên

GM = 20·log₁₀(30/22) = 2,694 dB

Đáp số

GM = 2,694 dB

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