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1、第6章 系統(tǒng)及系統(tǒng)的時(shí)域分析1. 解:由于系統(tǒng)(1)不滿足分解性;系統(tǒng)(2)不滿足零輸入線性;系統(tǒng)(3)不滿足零狀態(tài)線性,故這三個(gè)系統(tǒng)都不是線性系統(tǒng)。 對(duì)于系統(tǒng)(4),如果直接觀察 關(guān)系,似乎系統(tǒng)既不滿足齊次性,也不滿足疊加性。但考慮到令=0時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)為常數(shù),若把它看成是由初始狀態(tài)引起的零輸入響應(yīng)時(shí),系統(tǒng)仍是滿足線性系統(tǒng)條件的,故系統(tǒng)(4)是線性系統(tǒng)。2. 解:(1)已知,設(shè) ,則其零狀態(tài)響應(yīng)為,顯然 ,故該系統(tǒng)是時(shí)不變系統(tǒng)。 (2) 已知,設(shè) ,則其零狀態(tài)響應(yīng)為,顯然 ,故該系統(tǒng)是時(shí)不變系統(tǒng)。3. 解:對(duì)于(1)(4),由于任一時(shí)刻的零狀態(tài)響應(yīng)均與該時(shí)刻以后的輸入無(wú)關(guān),因此都是因果系統(tǒng)。而
2、對(duì)于(5),系統(tǒng)任一時(shí)刻的零狀態(tài)響應(yīng)都與該時(shí)刻以后的激勵(lì)有關(guān)。響應(yīng)在先,激勵(lì)在后,這在物理系統(tǒng)中是不可能的。因此,該系統(tǒng)是非因果的。 (6)也是非因果的,因?yàn)槿绻?, 則有 , 可見(jiàn)在區(qū)間上,即零狀態(tài)出現(xiàn)于激勵(lì)之前,因而該系統(tǒng)是非因果的。4. 解:(1)顯然,無(wú)論激勵(lì)是何種形式的序列,只要它是有界的,那么也是有界的,因果該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(2)若,顯然該激勵(lì)是有界的,但 ,它隨時(shí)間無(wú)限增長(zhǎng),故該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。5. 解: (1)特征方程為:,得特征根:,因而,可設(shè)零輸入響應(yīng)為:代入初始條件得: 聯(lián)立以上兩式,解得 所以,系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)為: (2) 特征方程為:,得特征根: 因而,可設(shè)零輸入響應(yīng)
3、為: 代入初始條件得: 聯(lián)立以上兩式,解得 所以,系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)為: 6. 解:(1) 將代入方程,由于方程右邊沒(méi)有沖激信號(hào)及其導(dǎo)數(shù),所以系統(tǒng)在起始點(diǎn)(從狀態(tài)到狀態(tài))沒(méi)有發(fā)生跳變。 從而可知:(2)將代入方程,由于,即方程右邊有沖激信號(hào),所以系統(tǒng)在起始點(diǎn)(從狀態(tài)到狀態(tài))會(huì)發(fā)生跳變。根據(jù)奇異函數(shù)匹配法的原理,可設(shè):。(注意:這里不代表單位階躍信號(hào),只是借用它表示在點(diǎn)有一個(gè)單位的跳變量。) 從而有:代入原方程可得: 解得: 故 (3)將代入方程,由于,即方程右邊有沖激信號(hào),所以系統(tǒng)在起始點(diǎn)(從狀態(tài)到狀態(tài))會(huì)發(fā)生跳變。 根據(jù)奇異函數(shù)匹配法的原理,可設(shè):從而有:,代入原方程可得:解得:故: ,7.
4、解: (1)求零輸入響應(yīng): 由已知條件有 特征方程: 特征根為: ,故可設(shè)零輸入響應(yīng)(齊次解)為:代入初始條件,并求解得, 故 (2)求零狀態(tài): 依題意,可設(shè)齊次解 ,又由于時(shí),易知是方程的一個(gè)特解。 故零狀態(tài)響應(yīng)為:為了確定待定系數(shù),將代入原方程,有: 根據(jù)奇異函數(shù)匹配法,當(dāng)時(shí),可設(shè):,則: ,代入方程,平衡兩邊相同項(xiàng)的系數(shù)得 故 , 代入表達(dá)式,可解得:, 故 (3)全響應(yīng) ,其中:零輸入響應(yīng)為: 零狀態(tài)響應(yīng)為:自由響應(yīng)為: 強(qiáng)迫響應(yīng)為:8. 解:(1)設(shè)當(dāng)激勵(lì)為時(shí),系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)為、零狀態(tài)響應(yīng)為,則系統(tǒng)全響應(yīng)為: eq oac(,1)系統(tǒng)的初始狀態(tài)保持不變,根據(jù)LTI系統(tǒng)的性質(zhì),當(dāng)激勵(lì)
5、為時(shí)全響應(yīng)為: 聯(lián)立式 eq oac(,1)、 eq oac(,2),可得: eq oac(,3)又知,用經(jīng)典法解式 eq oac(,3)所示的方程,可得 從而,系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)為: (2)由(1)不難看出,系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)所以,根據(jù)卷積積分法,當(dāng)激勵(lì)為時(shí),零狀態(tài)響應(yīng)為:又由于系統(tǒng)的初始狀態(tài)保持不變,所以系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)仍為,故系統(tǒng)的全響應(yīng)為: 9. 解:依題意,對(duì)于初始狀態(tài)為零的LTI系統(tǒng),在激勵(lì)作用下的響應(yīng)為:則在激勵(lì)作用下的響應(yīng)為: 由于,故有:又由已知條件:,從而得: 故該系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)為: 10.解:(1)時(shí)刻,開(kāi)關(guān)位于“1”,電路處于穩(wěn)定狀態(tài),不難得到:, , 從而可知:時(shí)刻
6、,開(kāi)關(guān)自“1”轉(zhuǎn)至“2”,電容電壓和電感電流不會(huì)突變,故有:,而電感電壓要發(fā)生變化,有KVL可知:從而可知: 綜上所述,有: ,(2)時(shí),由KVL可知:方程兩邊求導(dǎo)并將代入,可得: 由于,且時(shí),所以系統(tǒng)微分方程為: 其特征方程為:,得特征根:顯然0是方程的一個(gè)特解,故全響應(yīng)可設(shè)為:代入初始條件,解得: 代入上式,并化簡(jiǎn),得系統(tǒng)的全響應(yīng)為: (3)根據(jù)(2),不難得到,在時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)微分方程為: 其中, ,這可表示為代入系統(tǒng)微分方程,得: 根據(jù)奇異函數(shù)匹配法的原理,可設(shè):從而有:, 代入原方程可得:解得: 故: ,可見(jiàn),與(1)的結(jié)果一致。11. 解:為了求,將已知條件及代入,并化簡(jiǎn)得易知,用“
7、經(jīng)典法”可求得系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)為: 從而進(jìn)一步可以得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為: 12. 解:依題意,不難得到電路的微分方程為: 作用于系統(tǒng)時(shí),對(duì)應(yīng)得到的系統(tǒng)沖激響應(yīng),從而有: 特征方程為:,得特征根: 可設(shè)齊次解:初始狀態(tài): 用奇異函數(shù)匹配法,設(shè),則: 代入方程,得: 解得: 故 ,即 ,從而有又因?yàn)闆_激響應(yīng)中含有分量,故所求沖激響應(yīng)為: 進(jìn)一步可得系統(tǒng)階躍響應(yīng)為:13.解:根據(jù)串、并聯(lián)系統(tǒng)的特點(diǎn),不難得到整個(gè)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為: 14. 解: (1)依題意,可得: 先計(jì)算:由卷積積分的性質(zhì),可得: 故有:也可以寫(xiě)作: 當(dāng)時(shí), 當(dāng)時(shí),(2) 依題意,可得: 當(dāng)時(shí),要,即: 故有: 15. 解:依題意
8、,可得此差分方程為: 且從而,用“經(jīng)典法”不難得到方程的解形如:, 由得,于是有:, 所以,當(dāng)時(shí),得 ,16. 解: (1)利用“卷積和”求LTI離散系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)(2)利用“卷積和”求LTI離散系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)17. 解:方法1:方法2:18. 解:(1)根據(jù)上圖列出差分方程: 整理后得到: (2)單位序列響應(yīng)滿足 由迭代法,可得初始條件: 特征方程為: 特征根為: 可設(shè)單位序列響應(yīng)為:將初始條件代入,得 ,解之,得從而得系統(tǒng)的單位序列響應(yīng)為 進(jìn)一步得系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為(3)激勵(lì)為,系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)為:7 時(shí)域連續(xù)系統(tǒng)的頻域分析1. 解:輸入信號(hào)的頻譜為:b系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為:則輸出信號(hào)的頻譜
9、為: 輸出信號(hào)為: 2. 解:輸入信號(hào)的頻譜為: 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為:則輸出信號(hào)的頻譜為:輸出信號(hào)為:3. 解:由于激勵(lì)是在時(shí)刻接入系統(tǒng)的,故不存在零輸入響應(yīng),即全響應(yīng)就是零狀態(tài)響應(yīng),且是正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。式中,又由于,可得:4. 解:對(duì)微分方程兩邊作傅里葉變換 得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為: 單位沖激響應(yīng)為: 5. 解:對(duì)輸入信號(hào)求傅里葉變換對(duì)單位沖激響應(yīng)求傅里葉變換得到該系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 輸出信號(hào)的頻譜為:對(duì)其求傅里葉反變換得輸出信號(hào) 6. 解:(1)對(duì)微分方程兩邊作傅里葉變換可得頻率響應(yīng) (2)單位沖激響應(yīng)為: (3)當(dāng)輸入為時(shí),則輸出信號(hào)的頻譜為:輸出信號(hào)為: 7. 解:輸出的傅里葉變換為: 則輸入的傅
10、里葉變換為:對(duì)求傅里葉反變換,得: 8. 解:由電路圖可得: 系統(tǒng)函數(shù)為: 欲使系統(tǒng)無(wú)失真?zhèn)鬏斝盘?hào),應(yīng)滿足如下條件: 可見(jiàn),當(dāng)時(shí),可滿足此條件,有 ,所以 9. 解:由電路圖可得: 系統(tǒng)函數(shù)為: 欲使系統(tǒng)無(wú)失真?zhèn)鬏斝盘?hào),應(yīng)滿足如下條件: 可見(jiàn),當(dāng)時(shí),可滿足此條件,有 ,所以 10.解:已知 由于是由2個(gè)頻率的正弦分量組成。頻率為20的分量能通過(guò)該低通濾波器,頻率為40的分量不能通過(guò)。故輸出為: 11. 解:分別討論正弦信號(hào)和非正弦周期信號(hào)的情況。(1)正弦信號(hào) : 若有激勵(lì) 系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)為: 由此可得,LTI系統(tǒng)對(duì)正弦激勵(lì)的響應(yīng)為與激勵(lì)同頻率的正弦量,其振幅為激勵(lì)的振幅與模值的乘積,其相位
11、為激勵(lì)的初相位與相位的和。(2)非正弦周期信號(hào) :若有激勵(lì) 式中,。系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)為:式中,??梢钥闯觯?dāng)周期信號(hào)作用于LTI系統(tǒng)時(shí),其零狀態(tài)響應(yīng)仍為周期信號(hào),周期和相同,且不會(huì)產(chǎn)生新的諧波分量或新的頻率分量。12. 解:對(duì)輸入信號(hào)化簡(jiǎn)得:即輸入信號(hào)包含了三個(gè)頻率成分,以及。由于系統(tǒng)傳輸函數(shù)是截止頻率為120的理想低通濾波器,則只能讓的頻率分量通過(guò),而和無(wú)法通過(guò),故。13. 解:對(duì)輸入信號(hào)求傅里葉變換得:由于 可得:對(duì)其求傅里葉反變換得:可見(jiàn),經(jīng)過(guò)傳輸信號(hào)引起了失真。 第8章 時(shí)域連續(xù)系統(tǒng)的復(fù)頻域分析1. 解: (1)對(duì)方程兩邊取拉普拉斯變換 即 系統(tǒng)響應(yīng)為 (2)對(duì)方程兩邊取拉普拉斯變換
12、即 系統(tǒng)響應(yīng)為2. 解: 對(duì)方程兩邊取拉普拉斯變換即 則則 全響應(yīng)為3. 解: 由圖列寫(xiě)回路方程整理得 將條件代入得 (1)當(dāng)時(shí),所以 (2)當(dāng)時(shí),所以 4. 解: (1) , 系統(tǒng)函數(shù)為所以 由 所以,把初始狀態(tài)代入得 即 將代入得全響應(yīng)為 即 5. 解: 零狀態(tài)響應(yīng)的電路s域模型如題5解圖(a)所示。用分壓公式,則象函數(shù)為 所以 零輸入響應(yīng)的s域模型如題5解圖(b)所示。用節(jié)點(diǎn)法,有 所以 全響應(yīng)為 6.解: 電路初始值 , 運(yùn)算電路圖如題解圖8-6所示。根據(jù)運(yùn)算電路圖計(jì)算得 即 7. 解:(1)系統(tǒng)直接模擬框圖如題7解圖(a)所示。 (2)系統(tǒng)直接模擬框圖如題7解圖(b)所示。8. 解:
13、(1) ) 直接模擬框圖如題8解圖(a)所示。 ) 串聯(lián)(級(jí)聯(lián))模擬框圖如題8解圖(b)所示。 ) 并聯(lián)模擬框圖如題8解圖(c)所示。 (2) 直接模擬框圖如題8解圖(d)所示。 ) 串聯(lián)(級(jí)聯(lián))模擬框圖如題8解圖(e)所示。 ) 并聯(lián)模擬框圖如題8解圖(f)所示。9. 解: 用梅森公式求解。(1)求特征行列式。 先求回路,共4個(gè),分別是 再求兩兩不接觸的回路,有2組,分別是 沒(méi)有3個(gè)以上互不接觸的回路。由此得出(2)前向通路共有2條。第一條:,沒(méi)有與第一條通路不接觸的回路,所以;第二條:,與第二條通路不接觸的回路是,故。(3)用梅森公式求解。 由梅森公式得系統(tǒng)函數(shù)為 10. 解: (a)由電
14、路圖(a)所示得電壓傳輸函數(shù)令得 當(dāng)時(shí), 當(dāng)時(shí),當(dāng)時(shí), 圖(a)所示電路的頻響曲線如題解圖(a)所示。(b)由電路圖圖(b)所示得電壓傳輸函數(shù) 令得 當(dāng)時(shí), 當(dāng)時(shí),當(dāng)時(shí), 圖(b)所示的曲線如題解圖(b)所示。11. 解: (a)由于在虛軸上有單極點(diǎn),所以系統(tǒng)不穩(wěn)地。(b)系統(tǒng)函數(shù)為真分式,極點(diǎn)都在左半平面,所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(c)系統(tǒng)函數(shù)分子分母的階數(shù)相同,極點(diǎn)都在左半平面,所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(d)因?yàn)榉肿拥碾A數(shù)大于分母的階數(shù),沖激響應(yīng)中必含有的導(dǎo)數(shù)項(xiàng),所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。12. 解: R-H(羅斯-霍維茨)陣為 陣列中第一列元素符號(hào)無(wú)變化,由羅斯-霍維茨判據(jù)可知,系統(tǒng)穩(wěn)定,具有4個(gè)負(fù)實(shí)部特征根
15、。R-H陣為 陣列中第一列元素的符號(hào)有改變,且變化了兩次(從6變到,又從變到43),故由羅斯-霍維茨判據(jù)可知,系統(tǒng)不穩(wěn)定,有2個(gè)正實(shí)部特征根,有3個(gè)負(fù)實(shí)部特征根。13. 解: 系統(tǒng)函數(shù)為 由羅斯陣列可知,要使系統(tǒng)穩(wěn)定,應(yīng)有。第9章 時(shí)域離散系統(tǒng)的z域分析1. 解:(1) 對(duì)方程兩邊進(jìn)行z變換得 運(yùn)用部分分式法得 由知,是因果序列,查教材表4-1得 (2) 對(duì)方程兩邊進(jìn)行z變換得 當(dāng)時(shí),運(yùn)用部分分式法得 查教材表4-1得 總結(jié)得到 (3) 對(duì)方程兩邊進(jìn)行z變換得當(dāng)時(shí),運(yùn)用部分分式法得 查教材表4-1得 總結(jié)得到 (4)對(duì)方程兩邊進(jìn)行z變換得當(dāng)時(shí),運(yùn)用部分分式法得 查教材表4-1得 總結(jié)得到 2.
16、解: (1) ,極點(diǎn):,零點(diǎn):設(shè),零極點(diǎn)分布圖如題2解圖(a)所示。已知等于極點(diǎn)矢量的長(zhǎng)度除以零點(diǎn)矢量的長(zhǎng)度,由題2解圖(a)得到 因?yàn)?,所以,故。所以,故是一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)。(2)只有選擇才能使系統(tǒng)因果穩(wěn)定。設(shè),極零點(diǎn)分布圖及收斂域如題2解圖(b)所示。 (a) (b)題2解圖3. 解: (1) 對(duì)方程兩邊進(jìn)行z變換,得 因此 零點(diǎn):=0極點(diǎn):令=0,求出極點(diǎn),=,=,零極點(diǎn)分布圖如題3解圖所示。 題3解圖(2)限定系統(tǒng)是因果的,的收斂域必須包含,即,求出其單位脈沖響應(yīng),。 因?yàn)槭且蚬模榻滩谋?-1得到 (3)限定系統(tǒng)是穩(wěn)定的,的收斂域必須包含單位圓,即,求出其單位脈沖響應(yīng),。由(2)的結(jié)論
17、, 由收斂域得對(duì)應(yīng)的原序列為左邊序列,對(duì)應(yīng)的原序列為右邊序列,查教材表4-1得到4. 解: (1) 對(duì)方程兩邊進(jìn)行z變換,得 因此 因?yàn)閱挝幻}沖響應(yīng)為因果序列,查教材表4-1得 (2) 極點(diǎn)=0.9,零點(diǎn)=-0.9,零極點(diǎn)圖如題4解圖(a)所示,根據(jù)極零點(diǎn)分布定性畫(huà)出的幅度特性如題4解圖(b)所示。(3) (a) (b)題4解圖5. 解:(1)用卷積法求網(wǎng)絡(luò)輸出 = , ,=0 綜上得到 (2)用z變換法求網(wǎng)絡(luò)輸出,利用部分分式法展開(kāi)得由題意知,該系統(tǒng)為因果系統(tǒng),所以系統(tǒng)在之后才有輸出,查教材表4-1得6. 解:梳狀濾波器系統(tǒng)函數(shù)的一般形式為: 其零點(diǎn)為: ,極點(diǎn)為: ,由題意知,要濾出的諧波
18、頻率為: ,相應(yīng)的數(shù)字頻率點(diǎn)為: 根據(jù)梳狀濾波器原理,應(yīng)為的零點(diǎn)頻率,所以 當(dāng)時(shí),;當(dāng)時(shí),。要同時(shí)濾出50Hz及其諧波100Hz的干擾,那么最小取4,所以所設(shè)計(jì)梳狀濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為: 其中的值決定極點(diǎn)的模值,值越接近1,極點(diǎn)越靠近單位圓,梳狀濾波器通帶越平坦,過(guò)渡帶越窄。題6解圖(a)、(b)、(c)分別給出了=0.5、=0.95時(shí)的幅頻特性。題6解圖7. 解:(1)零點(diǎn),全部零點(diǎn)在單位圓內(nèi),所以為最小相位系統(tǒng);(2)零點(diǎn),全部零點(diǎn)在單位圓外,所以為最大相位系統(tǒng);(3)零點(diǎn),一個(gè)零點(diǎn)在單位圓內(nèi),一個(gè)零點(diǎn)在單位圓外,所以為混合相位系統(tǒng);(4)零點(diǎn),一個(gè)零點(diǎn)在單位圓內(nèi),一個(gè)零點(diǎn)在單位圓外,所以為
19、混合相位系統(tǒng)。8.解:已知,其極點(diǎn),零點(diǎn),所以,可以構(gòu)成最小相位系統(tǒng),只能作為全通系統(tǒng)的零點(diǎn),所以全通系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)為:為了滿足=,所以第10章 無(wú)限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)1 .解: 對(duì)差分方程兩邊進(jìn)行變換,得: 所以,系統(tǒng)函數(shù)為:直接型 題1解圖(a)(2)級(jí)聯(lián)型 將的零、極點(diǎn)進(jìn)行因式分解,得 按照上式可以有兩種級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu): 或: 題1解圖(b)(3)并聯(lián)型 將展開(kāi)成部分分式,得 題1解圖(c)2. 解: 由于系統(tǒng)函數(shù)的分子和分母各有兩個(gè)因式,可以有兩種級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)。(1), 題2解圖(a)(2) , 題2解圖(b)3. 解 (1)確定高通濾波器的技術(shù)指標(biāo) 易知3dB截止頻率為: 歸一化邊界
20、頻率為: (2)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)低通濾波器的技術(shù)指標(biāo) (3)設(shè)計(jì)歸一化低通。題目要求采用巴特沃斯類(lèi)型,故: 所以,取,查表得3階巴特沃斯歸一化低通為: (4)將轉(zhuǎn)換成高通濾波器的系統(tǒng)函數(shù) 式中, 4. 解 (1)確定濾波器的技術(shù)指標(biāo) (2)求濾波器階數(shù)和參數(shù)為了滿足指標(biāo)要求,取 (3)求歸一化系統(tǒng)函數(shù) 其中,極點(diǎn)由下式求出:(4)將去歸一化,求得實(shí)際系統(tǒng)函數(shù)其中,。因?yàn)?,所以,。將兩?duì)共軛極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的因子相乘,得到分母為二階因子的形式,其系數(shù)為實(shí)數(shù)。5 . 解 (1) 沖激響應(yīng)不變法 代入, 雙線性變換法 (2) 沖激響應(yīng)不變法 代入, 雙線性變換法 6 . 解 模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為: 的極點(diǎn),根據(jù)
21、沖激響應(yīng)不變法,數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為: 的極點(diǎn)為: , 所以,時(shí),滿足穩(wěn)定條件。定性畫(huà)出數(shù)字濾波器的幅頻特性,如題6解圖所示:題6解圖 易知數(shù)字濾波器近似為低通濾波器。7 . 解 方法1:按題意可寫(xiě)出 故 即 原模擬低通濾波器以為通帶中心,由上式可知,時(shí),對(duì)應(yīng)于,故答案(2)正確。方法2:根據(jù)雙線性變換法的設(shè)計(jì)公式及模擬域低通到高通的頻率變換公式求解。雙線性變換法的設(shè)計(jì)公式為: 當(dāng)時(shí),這時(shí),如果為低通,則亦為低通。如果將變換為高通濾波器: 則可將用雙線性變換法變換成數(shù)字高通:這正是題目中給出的變換關(guān)系,所以數(shù)字濾波器的通帶中心位于,故答案(2)正確。8 .解 (1)沖激響應(yīng)不變法本題要求用巴特沃斯型模擬濾
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