2016

Part 1. (40%)

1

线性时不变系统的传递函数 H(s),H(s)=s(s+1)2,ROC: Re{s}>−1.

  1. 求出单位冲激响应 h(t).

    H(s)=1s+1−1(s+1)2
    h(t)=e−t(u(t)−tu(t))
  2. 输入信号为 x(t)=cos⁡(t+30∘),t∈(−∞,∞),求系统输出 y(t).

    输入余弦信号 x(t)=Kcos⁡(ω0t+θ)u(t).

    输出余弦信号 yss(t)=|H(jω0)|Kcos⁡[ω0t+θ+φ(ω0)].

    cos⁡(t+30∘)→cos⁡(t+30∘)u(t)+cos⁡(−t+30∘)u(t)

    第一部分:

    |H(j)|cos⁡(t+30∘+0)+|H(−j)|cos⁡(−t+30∘+0)=12(cos⁡(t+30∘)+cos⁡(−t+30∘))=cos⁡tcos⁡30∘=32cos⁡t

2

一个线性时不变系统,输入 x(t) 和输出 y(t) 通过如下方程给出:

y(t)=∫−∞te−(t−τ)x(τ−3)dτ
  1. 求出此系统的传递函数 H(s).

    y(t)=e−tu(t)⏟因为t−τ≥0∗x(t−3)
    Y(s)=1s+1e−3sX(s)
    H(s)=e−3ss+1
  2. 判断系统是否为因果系统。

    是因果系统,因为 y(t) 只使用了 t−3 之前 x 的信息。

3

x(t) 是周期信号,周期为 2,且为 x(t)=e−t,−1<t<1,求出此信号的傅里叶级数。

傅里叶级数为:

ak=1T∫Tx(t)e−jk(2π/T)tdt
ak=12∫−11e−te−jkπtdt
ak=j1+jkπsin⁡(1+jkπt)

4

求出信号

x(t)=2cos⁡997tsin⁡5tπt

的能量 W.

已知:

cos⁡997t⟷Fπ[δ(ω−997)+δ(ω+997)]:=Y(jω)
sin⁡5tπt⟷F[u(ω+5)−u(ω−5)]:=Z(jω)
X(jω)=22πY(jω)∗Z(jω)
X(jω)={1,992≤ω≤10021,−1002≤ω≤−992
E=12π∫−∞+∞|X(jω)|2dω=10π

5

信号 y(t)=x1(t)x2(t),现对 y(t) 作冲激串采样,以得到

yp(t)=∑−∞+∞y(nT)δ(t−nT)

请给出 y(t) 保证能从 yp(t) 中恢复出来的采样周期 T 的范围。已知:

X1(jω)=0,|ω|>1000πX2(jω)=0,|ω|>2000π
Y(jω)=12πX1(jω)∗X2(jω)

因此 Y(jω) 最高频率为 3000π,采样频率不得低于 6000π,因此:

T≤2π6000=π3000

6

请叙述并证明 Z 变换的时域卷积定理。

时域卷积定理:

x1[n]∗x2[n]⟷ZX1(z)X2(z)
∑n=−∞∞z−n∑k=−∞∞x1[k]x2[n−k]=∑k=−∞∞z−kx1[k]∑(n−k)=−∞∞z−(n−k)x2[n−k]

7

设 f(t) 的傅里叶变换为 F(ω),T 为采样的周期,试计算 ∑n=−∞+∞f(nT)∑n=−∞+∞F(nω1),其中 T=2πω1.

用冲激串 p(t)=∑n=−∞+∞δ(t−nT) 对函数进行采样,在时域内,得:

fp(t)=f(t)⋅p(t)
∑n=−∞+∞f(nT)=∫−∞+∞fp(t)dt=Fp(0)

而在频域内,有:

Fp(jω)=1T∑k=−∞+∞F(j(ω−kω0))
Fp(0)=1T∑k=−∞+∞F(kω1)

因此,分式结果为 1/T.

8

信号 x(n)=1+2ej14πn+4(−1)n+6ej136πn 输入稳定的 LTI 系统,系统的传递函数为 H(ejω),已知 H(ejω) 在 −π≤ω<π 这个 2π 范围内的描述如下:

H(ejω)={e−j2ω,|ω|<10,other

求输出信号 y(n).

因为:

x[n]=12π∫02πX(ejω)ejωndω

因此:

X(ejω)=2π(δ(ω)+2δ(ω−1/4π)+4δ(ω−π)+6δ(ω−1/6π))

经过系统 H,可以滤掉 δ(ω−π) 的部分,并且时移 −2,此时:

y(n)=1+2ej14π(n−2)+6ej136π(n−2)

Part 2. (60%)

1

系统的微分方程 d2y(t)dt2+2dy(t)dt+5y(t)=5u(t),y(0−)=1,dy(0−)dt=1.

  1. 求解微分方程。

    Y(s)=5s(s2+2s+5)=−s−2s2+2s+5+1s
    2(s+1)2+22⟷Le−tsin⁡2t⋅u(t)s+1(s+1)2+22⟷Le−tcos⁡2t⋅u(t)
    yzsr=(−12sin⁡2t−cos⁡2t)e−t⋅u(t)+u(t)
    yzir=(sin⁡2t+cos⁡2t)e−tu(t)
    y(t)=12sin⁡2t⋅e−tu(t)+u(t)
  2. 用积分单元,比例放大单元和求和单元画出实现系统的方框图(直接型)

  3. 求出系统的单位冲激响应 h(t).

2

3

离散时间信号系统的传递函数为 H(z)=1z2−16z−13,已知系统是稳定的。

  1. 写出 H(z) 的收敛域;

    H(z)=66z2−z−2=6(3z−2)(2z+1)

    极点为 2/3 和 −1/2,因为系统是稳定的,所以收敛域为 |z|>2/3.

  2. 求单位冲激响应 h(n),

    H(z)z=6z(3z−2)(2z+1)=Az+B3z−2+C2z+1
    A=−3,B=277,C=247
    H(z)z=−3z+9/7z−23+12/7z+12
    h(n)=−3δ(n)+97(23)nu(n)+127(−12)nu(n)
  3. 求出 h(n) 的离散时间傅里叶变换。

    H(ejω)=1e2jω−16ejω−13

4

已知线性时不变系统的差分方程

y(n)−3y(n−1)+2y(n−2)=x(n)+x(n−2)

已知 x(n)=ε(n),y(0)=1,y(1)=5,分别求出系统的零状态响应和零输入响应。

零输入响应:

y(n)−3y(n−1)+2y(n−2)=0⇒y(n)−2y(n−1)=y(n−1)−2y(n−2)⋯=y(1)−2y(0)=3

递推式为:

y(n)=2y(n−1)+3⇒y(n)+3=2(y(n−1)+3)⇒y(n)+3=2n+2,y(n)=2n+2−3,n≥0
yzir(n)=(2n+2−3)u(n)

零状态响应:

H(ejω)=1+e−2jω1−3e−jω+2e−2jω
X(ejω)=11−e−jω
Y(ejω)=1+e−2jω(1−2e−jω)(1−e−jω)2
Y(ejω)=2311−2e−jω−1311−e−jω+231(1−e−jω)2

因为

nx[n]⟷Fjje−jω(1−e−jω)2=e−jω(1−e−jω)2
(n+1)x[n+1]⟷F1(1−e−jω)2
yzsr(n)=232nu(n)−13u(n)+23(n+1)u(n+1)

5

已知系统的频率响应为 H(jω)={j,−6<ω≤0−j,0<ω<60,other,系统的输入为 x(t)=sin⁡3ttcos⁡5t,求系统响应 y(t).

可知:

sin⁡3tt⟷F{π,|ω|≤30,else:=P(jω)
cos⁡5t⟷Fπ[δ(ω−5)+δ(ω+5)]:=Q(jω)
X(jω)=12πP(jω)∗Q(jω)
y(t)=12π∫26jπ2(e−jωt−ejωt)dω=12∫26sin⁡ωtdω=12[cos⁡2tt−cos⁡6tt]=sin⁡4tsin⁡2tt

6

有一因果线性时不变系统,其输入和输出的方框图如下,

  1. 求关联 y(n) 和 x(n) 的差分方程;

    设中间量为 w(n),则

    W(z)=X(z)+23W(z)z−1−19W(z)z−2
    W(z)=X(z)1−23z−1+19z−2
    Y(z)=W(z)(1−6z−1+8z−2)
    Y(z)X(z)=1−6z−1+8z−21−23z−1+19z−2
    y[n]−23y[n+1]+19y[n+2]=x[n]−6x[n+1]+8x[n+2]
  2. 若系统为零状态,x(n)=δ(n),求出 y(n) 的表达式和 y(4) 的值。

    输入 x[n]⟷Z1.

    此时,

    Y(z)=1−6z−1+8z−21−23z−1+19z−2
    Y(z)z=z2−6z+8z(z2−23z+19)=Az+Bz−13+C(z−13)2=72z+−71z−13+55/3(z−13)2
    y(n)=72δ(n)−71(13)nu[n]+55n(13)nu[n]

    收敛域 |z|>1/3,

    y(4)=14981