HØGSKOLEN - I - STAVANGER. Institutt for elektroteknikk og databehandling

Like dokumenter

EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

y(t) t

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

LØSNINGSFORSLAG TIL SIGNALBEHANDLING 1 JUNI 2010

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

UNIVERSITETET I OSLO

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

STE 6219 Digital signalbehandling Løsning til kontinuasjonseksamen

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra It s learning.

Institutt for elektroteknikk og databehandling

UNIVERSITETET I OSLO

STE 6219 Digital signalbehandling Løsningsforslag

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

Repetisjon: LTI-systemer

UNIVERSITETET I OSLO

Dagens temaer. Definisjon av z-transformasjonen. Tema. Time 5: z-transformasjon og frekvens transformasjon. Fra forrige gang

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

303d Signalmodellering: Gated sinus a) Finn tidsfunksjonen y(t) b) Utfør en Laplace transformasjon og finn Y(s)

Hjelpemidler/hjelpemiddel: D - "Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Enkel kalkulator tillatt."

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

Fasit, Eksamen. INF3440/4440 Signalbehandling 9. desember c 0 + c 1z 1 + c 2z 2. G(z) = 1/d 0 + d 1z 1 + d 2z 2

pdf

UNIVERSITETET I OSLO

Repetisjon: Eksempel. Repetisjon: Aliasing. Oversikt, 26.februar Gitt. Alle signaler. Ettersom. vil alle kontinuerlig-tid signaler.

Uke 9: Diskret Fourier Transform, I

STE 6146 Digital signalbehandling. Løsningsforslag til eksamen avholdt

Bedømmelse: Ved bedømmelse vektlegges oppgavene I, II og III likt.

Sampling ved Nyquist-raten

Hjelpemidler: D Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt, enkel kalkulator tillatt.

Uke 5: Analyse i z- og frekvensdomenet

Case: Analyse av passive elektriske filtre

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

01 Laplace og Z-transformasjon av en forsinket firkant puls.

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

Uke 4: z-transformasjonen

Bruk av tidsvindu. Diskret Fourier-transform. Repetisjon: Fourier-transformene. Forelesning 6. mai 2004

Fasit til midtveiseksamen

Muntlig eksamenstrening

Tidsdomene analyse (kap 3 del 2)

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Uke 4: z-transformasjonen

Uke 10: Diskret Fourier Transform, II

Hjelpemidler: D Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt, enkel kalkulator tillatt.

Dato: Tirsdag 28. november 2006 Lengde på eksamen: 4 timer Tillatte hjelpemidler: Kun standard enkel kalkulator, HP 30S

Uke 4: z-transformasjonen

Eksempel 1. Frekvensene i DFT. Forelesning 13. mai På samme måte har vi at. I et eksempel fra forrige uke brukte vi sekvensen

Eksamensoppgave i TELE2001 Reguleringsteknikk

Kontrollspørsmål fra pensum

UNIVERSITETET I OSLO

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Side 1 av 5

Innhold Oppgaver om AC analyse


Forelesning, 23.februar INF2400 Sampling II. Øyvind Ryan. Februar 2006

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

Tidsdomene analyse (kap 3 del 2)

Forelesning, 17.februar INF2400 Sampling II. Øyvind Ryan. Februar 2005

3UDNWLVN DQYHQGHOVH DY ')7

Forelesning nr.13 INF 1410

UNIVERSITETET I OSLO

Dagens temaer. Tema. Time 6: Analyse i frekvensdomenet. z-transformasjonen. Fra forrige gang. Frekvensrespons funksjonen

Høgskoleni østfold EKSAMEN. Emnekode: Emne: ITD30005 Industriell IT. Dato: Eksamenstid: kl til kl. 1300

Ghost amplitude spectrum. d=6 m V=1500 m/s c= 1

1 Tidsdiskret PID-regulering

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Repetisjon: Spektrum for en sum av sinusoider

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK

Dagens temaer. Endelig lengde data. Tema. Time 11: Diskret Fourier Transform, del 2. Spektral glatting pga endelig lengde data.

c;'1 høgskolen i oslo

UNIVERSITETET I OSLO.

Contents. Oppgavesamling tilbakekobling og stabilitet. 01 Innledende oppgave om ABC tilbakekobling. 02 Innledende oppgave om Nyquist diagram

f(t) F( ) f(t) F( ) f(t) F( )

Bildetransformer Lars Aurdal

Kapittel 5. Frekvensrespons. Beregningavfrekvensresponsfrasignaler. Figur 25 viser sammenhørende inngangssignal og utgangssignal for et system.

Utregning av en konvolusjonssum

UNIVERSITETET I OSLO.

HØGSKOLEN I STAVANGER

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

IIR filterdesign Sverre Holm

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Øving 1 ITD Industriell IT

UNIVERSITETET I OSLO

Midtveiseksamen. INF Digital Bildebehandling

UNIVERSITETET I OSLO

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Dagens temaer. 3 domener. Tema. Time 4: z-transformasjonen. z-dometet; ett av tre domener. Andreas Austeng@ifi.uio.no, INF3470

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

HØGSKOLEN - I - STAVANGER Institutt for elektroteknikk og databehandling EKSAMEN I: TE 559 Signaler og systemer VARIGHET: 5 timer TILLATTE HJELPEMIDLER: Kalkulator, K. Rottmanns formelsamling OPPGAVESETTET BESTÅR AV 15 SIDER MERKNADER: Faglig kontakt under eksamen: Trygve Randen. Oppgave 1 (32 %) I Figur 1 har vi gitt en elektrisk krets som tilføres en inngangsspenning u(t) [V], og hvor vi tar ut en utgangsspenning y(t) [V]. Vi skal undersøke kretsens egenskaper, spesielt med tanke på evnen til å plukke ut (ltrere ut) spesielle frekvenskomponenter i inngangssignalet. a) [4%] Vis at kretsen i Figur 1 beskrives i tidsplanet ved følgende dierensiallikning: y(t)+rc dy(t) dt = u(t) (1) Oppgitt: Strømmen i en kapasitans C er gitt ved i(t) =C dy(t) dt. b) [6%] Finn kretsens overføringsfunksjon (transferfunksjon) H(s), og dens impulsrespons h(t). 1

c) [4%] Undersøk om kretsen utgjør et stabilt system for alle R, C. Svaret må begrunnes. Gi deretter et kort eksempel på hva slags konsekvenser det kan ha hvis et system ikke er stabilt. d) [5%] Finn kretsens frekvensrespons H(!), og skriv opp denne på polar form (det vil si, H(!) =jh(!)je j 6 H(!) ), når R =10 4 og C = 10,6 F. e) [4%] Skisser magnitude-(amplitude-)responsen til kretsen fra og med! = 0 rad/s til! = 1000 rad/s. Kommenter ut fra skissen muligheten for å sende henholdsvis lav- og høyfrekvente signaler gjennom kretsen uten at de dempes. f) [5%] Finn et uttrykk (på så enkel form som mulig) for utgangssignalet y(t) for t 0, når u(t) =e,103t for t 0, og null ellers. Initialbetingelsene skal også være null. g) [4%] Forklar prinsippet du ville valgt for løsning av problemet i forrige punkt dersom initialbetingelsene ikke hadde vært null. Regning er ikke nødvendig! Oppgave 2 (68 %) OBS! Oppgaven består av svært mange underpunkter, men det betyr IKKE at alle svarene bygger på hverandre. Gi derfor ikke opp resten av oppgaven selv om du skulle stå fast på ett eller ere delspørsmål! Vi skal lage et tidsdiskret system for å beregne gjennomsnitts-(middel-) temperaturen over de siste 24 timer, ut fra temperaturmålinger gjort hver 4. time. La u[k] betegne den målte temperaturen, og la y[k] betegne den beregnede gjennomsnittstemperaturen over de siste 24 timer. Anta at målinger og beregninger starter i k = 0, der k betegner punktprøve-nummer, og at initialbetingelsene er null. a) [4%] Sammenhengen mellom u[k] og y[k] vil være gitt ved dieranselikningen y[k] = 1 (u[k]+u[k, 1] + u[k, 2] + u[k, 3] + u[k, 4] + u[k, 5]) (2) 6 Skisser det tilhørende blokkdiagrammet som realiserer denne likningen. b) [8%] Avgjør om systemrealiseringen i a) er 2

lineær tidsinvariant kausal rekursiv Alle svarene må begrunnes kort, helst ut fra betraktning av likningen oppgitt i a). c) [6%] Finn verdiene i systemets impulsrespons h[k] fra og med k =0. d) [8%] Vis at systemets overføringsfunksjon H(z) kan skrives som (Hint: P K,1 k=0 ak = 1,aK 1,a H(z) = 1 6 1, z,6 : (3),1 1, z for alle endelige a og alle endelige heltall K.) Skisser det tilhørende blokkdiagrammet for denne realiseringen av systemet. Ser du noen fordeler eller ulemper ved denne måten å bygge systemet på fremfor strukturen fra a), og i så fall, hvilke? Svaret må begrunnes kort. e) [6%] Finn systemets nullpunkter, poler og modi, og skisser pol-nullpunktdiagrammet. Avgjør om systemet er stabilt (Hint: 1=e j2m for alle m = 0; 1;:::). Svaret må begrunnes kort. f) [6%] Vis at systemets frekvensrespons kan skrives som H(!) = 1 3 (cos(! 2 ) + cos(3! 2 ) + cos(5! 2 )) e,j 5 2! (4) der! er normalisert vinkelfrekvens. (Hint: Husk Eulers likninger!) Forklar videre hvilken sammenheng det er mellom fysisk frekvens f i Hz og den normaliserte vinkelfrekvensen!. Hva blir punktprøvings- (samplings-)frekvensen f s i Hz for systemet i denne oppgaven? Hva blir de raskeste temperatursvingningene (høyeste fysiske frekvens målt i Hz) vi klarer å gjenskape korrekt ut fra målinger gjort med denne f s? Alle svarene må begrunnes kort. g) [6%] Benytt det oppgitte uttrykket for H(!) til å skissere systemets magnitude-(amplitude-)respons for! 2 [0;]. Avgjør ut fra skissen om systemet har lav-, høy- eller båndpass-karakter. Gi deretter et kort fysisk argument for hvorvidt konklusjonen din synes å være rimelig. 3

h) [6%] For tre spesielle normaliserte vinkelfrekvenser vil det være slik at dersom u[k] har energi ulik null bare på (en eller ere av) disse frekvensene, vil vi få gjennomsnittstemperaturen y[k] = 0 ut. Identiser de tre normaliserte vinkelfrekvens-verdiene det her er snakk om, og angi hvor disse kan avleses på pol-null-punkt-diagrammet magnitude-(amplitude)-respons-skissen. Prøv også å gi et kort fysisk argument som forklarer hvorfor svaret blir y[k] = 0 når u[k] kun består av disse tre frekvensene. i) [8%] Anta at vi skal beregne verdier i frekvensresponsen H(!) på datamaskin. Forklar kort hvorfor, og hvordan, vi kan bruke den diskrete Fouriertransformen (DFT) til å gjøre dette. Plott verdiene i magnitude- (amplitude-)delen av en slik DFT av lengde N =6 N = 10. (Hint: Oppgaven lar seg løse også uten resultatet fra g), men bruk av dette vil kunne forenkle løsningen mye.) Kommenter resultatene kort med hensyn på mulighetene for visualisering (plotting, fremvisning) av detaljer i magnituden til H(!) ut fra de plottede DFT-verdiene i hvert av de to tilfellene. Hvilken operasjon har vi implisitt utført i tidsplanet for å oppnå resultatet for N = 10? j) [4%] Hva blir den korteste lengden vi kan velge for en DFT for et signal av lengde N = 6,dersom radix-2-fft-algoritmen skal benyttes i beregningen? Hvor stor besvarelse i antall multiplikasjoner får vi ved bruk av denne algoritmen i dette tilfellet, i forhold til å bruke DFT-formelen direkte? Svarene må begrunnes. k) [6%] Finn et matematisk utrykk (på så enkel form som mulig) for gjennomsnittstemperaturen y[k] for k =0; 1;:::når u[k] =10(1+(,0:25) k ) for k = 0; 1;:::, og null ellers. 4

Formelark til bruk ved eksamen 28.05.1996 i emne TE 559 Signaler og systemer Signaler: Periodisk signal: f(t + P )=f(t); kontinuerlig signal; f[k + N] =f[k]; diskret signal: (5) Kompleks eksponential (Eulers formel): f(t) = e j!t = cos!t + j sin!t; kontinuerlig signal; f[k] = e j!k = cos!k + j sin!k; diskret signal: (6) Systemer: Integrator: y(t) = Forsinkelse: Z t,1 u()d (7) y(t) = u(t, ); kontinuerlig system; y[k] = u[k, k 0 ]; diskret system: (8) Superposisjonsprinsippet: f 1 u 1 (t) + 2 u 2 (t)g! f 1 y 1 (t)+ 2 y 2 (t)g; kontinuerlig system; f 1 u 1 [k]+ 2 u 2 [k]g! f 1 y 1 [k]+ 2 y 2 [k]g; diskret system: (9) 5

Totalrespons til lineært system: y(t) = y zi (t) +y zs (t); kontinuerlig system; y[k] = y zi [k] +y zs [k]; diskret system: (10) Tidsinvarians: Initialtilstand x(t 0 )=x 0 og inngang u(t) for t t 0 gir utgang y(t);t t 0 medfører at Initialtilstand x(t 0 + T )=x 0 og inngang u(t) for t t 0 + T gir utgang y(t);t t 0 + (11) T: Tilsvarende for diskrete systemer med t 0 og T lik heltall k 0 ;K: Kausalitet: h(t) = 0 for t<0; kontinuerlig system; h[k] = 0 for k<0; diskret system: (12) Konvolusjon, dieranse- og dierensiallikninger: Impulsrespons: u[k] = [k] medfører y[k] = h[k] for diskrete systemer ([k] er enhetspulsen); u(t) = (t) medfører y(t) = h(t) for kontinuerlige systemer ((t) eren Diracpuls): (13) Diskret konvolusjon: y[k] = i=,1 h[k, i]u[i] =h[k] u[k] (14) 6

Dieranselikning for lineært tidsinvariant diskret system: y[k + N] +a N,1 y[k + N, 1] + + a 1 y[k +1]+a 0 y[k] = b M u[k + M] +b M,1 u[k + M, 1] + + b 1 u[k +1]+b 0 u[k] (15) Kontinuerlig konvolusjon: y(t) = Z 1,1 h(t, ) u()d = u(t) h(t) (16) Dierensiallikning for lineært tidsinvariant kontinuerlig system: y (n) (t)+a n,1 y (n,1) (t)++ a 1 y (1) (t) +a 0 y(t) = b m u (m) (t)+b m,1 u (m,1) (t)++ b 1 u (1) (t)+b 0 u(t) (17) Laplacetransformen og kontinuerlig systemanalyse: Laplacetransformen: F (s) =L[f(t)] = Invers Laplacetransform: Z 1 0, f(t)e,st dt (18) f(t) =L,1 [F (s)] = 1 2j Z c+j1 c,j1 F (s)est ds for t 0 (19) 7

Egenskaper ved Laplacetransformen: Laplacetransform-par: 8

Transferfunksjon for lineært tidsinvariant kontinuerlig system: H(s) = L[h(t)] = Y (s) (initialbetingelser 0) U(s) = N(s) D(s) = b ms m + b m,1 s m,1 + + b 1 s + b 0 s n + a n,1 s n,1 + + a 1 s + a 0 (20) Poler i transferfunksjon (også for diskrete systemer): De p i som gjør at H(p i )=1: (21) Nullpunkter i transferfunksjon (også for diskrete systemer): De z i som gjør at H(z i )=0: (22) Stabilitet av kausalt system: Stabilt system dersom alle poler p i = i + j! i har i < 0: (23) z-transformen og analyse av diskrete systemer: Ensidig z-transform: Invers z-transform: F (z) =Z[f[k]] = k=0 f[k]z,k (24) f[k] =Z,1 [F (z)] = 1 Z F (z)z k,1 dz for k 0: (25) 2j C (C er en lukket kontur i z-planet.) 9

Sammenheng Laplacetransform z-transform: Z[f(kT)] = L[f s (t)]j z=e Ts (26) Egenskaper ved z-transformen: z-transform-par: 10

Transferfunksjon for lineært tidsinvariant kontinuerlig system: H(z) = Z[h[k]] = Y (z) (initialbetingelser 0) U(z) = N(z) D(z) = b mz m + b m,1 z m,1 + + b 1 z + b 0 z n + a n,1 z n,1 + + a 1 z + a 0 (27) Stabilitet av kausalt system: Stabilt system dersom alle poler p i = r i e j i har r i < 1: (28) Frekvensanalyse av kontinuerlige signaler: Fundamentalfrekvens for periodisk signal:! 0 = 2 P (29) Normalisert energi: E 1 = Z 1,1 jf(t)j2 dt (30) Normalisert eekt: P 1 = lim T!1 1 2T Z T,T jf(t)j 2 dt (31) Fourierrekke: f(t) = m=,1 c m e jm! 0t (32) Fourierkoesienter: c m = 1 P Z t0 +P t 0 f(t)e,jm! 0t dt = m + j m (33) 11

Parsevals formel for Fourierrekker: P av = 1 P Z P 0 jf(t)j 2 dt = m=,1 jc m j 2 (34) Fouriertransformen: F (!) = Invers Fouriertransform: Z 1,1 f(t)e,j!t dt for alle! (35) f(t) = 1 Z 1 2 F,1 (!)ej!t d! for alle t (36) Sammenheng Laplacetransform Fouriertransform: F[f(t)] = L[f + (t)]j s=j! + L[f, (,t)]j s=,j! (37) Fouriertransform av periodiske funksjoner: F (!) = m=,1 Parsevals formel for ikkeperiodiske signaler: 2c m (!, m! 0 ) (38) E = Z 1,1 jf(t)j2 dt = 1 2 Konvolusjon og Fouriertransformen: Z 1,1 jf (!)j2 d! (39) Z 1 Y (!) =F[ h(t, )u()d] =H(!)U(!) (40),1 12

Egenskaper ved Fouriertransformen: Frekvensanalyse av diskrete signaler: Normalisert vinkelfrekvens:! =2 f f s (41) Normalisert fundamentalfrekvens for periodisk signal:! 0 = 2 N (42) Normalisert energi: E 1 = k=,1 jf[k]j 2 (43) Normalisert eekt: P 1 = lim T!1 1 2N +1 NX k=,n jf[k]j 2 (44) 13

Tidsdiskret Fourierrekke (DTFS): f[k] = N,1 X m=0 c m e jm! 0k (45) Fourierkoesienter: c m = 1 N N,1 X k=0 f[k]e,jm! 0k = m + j m (46) Parsevals formel for tidsdiskrete Fourierrekker: P av = 1 N N,1 X k=0 jf[k]j 2 = N,1 X m=0 jc m j 2 (47) Tidsdiskret Fouriertransform (DTFT): F (!) =F d [f[k]] = Invers tidsdiskret Fouriertransform: k=,1 f[k]e,j!k for alle! (48) f[k] = 1 Z 2 F (!)e jk! d! for alle k (49) 2 0 Sammenheng z-transform tidsdiskret Fouriertransform: F d [f[k]] = Z[f + [k]]j z=e j! + Z[f, [,k]]j s=e,j! (50) Tidsdiskret Fouriertransform av periodiske funksjoner: F (!) = N,1 X m=0 2c m (!, m! 0 ) (51) 14

Parsevals formel for ikkeperiodiske tidsdiskrete signaler: E = k=,1 Konvolusjon og tidsdiskret Fouriertransform: Y (!) =F[ jf[k]j 2 = 1 Z 2 jf (!)j 2 d! (52) 2 0 i=,1 Egenskaper ved tidsdiskret Fouriertransform: Som i Tabell 6.3. Diskret Fouriertransform (DFT): h[k, i]u[i] =H(!)U(!) (53) F [m] =D[f[k]] = Invers diskret Fouriertransform: N,1 X k=0 f[k]e,j2km=n (54) F [m] =D,1 [F [m]] = 1 N N,1 X m=0 F [m]e j2mk=n (55) 15