信號與系統 — Oppenheim, Willsky(第二版)Signals & Systems — Oppenheim, Willsky (2nd Edition)信号とシステム — Oppenheim, Willsky(第2版)
第 1–10 章:核心理論與練習題Chapters 1–10: Key Theory & Practice Problems第 1–10 章:主要理論と演習問題
第 1 章:信號與系統Chapter 1: Signals and Systems第 1 章:信号とシステム
核心觀念Key Concepts重要概念
- 連續時間(CT)信號:Continuous-Time (CT) Signals:連続時間(CT)信号: 對時間 $t$ 的每一個值都有定義,記為 $x(t)$。Defined for every value of time $t$, denoted $x(t)$.時間 $t$ のすべての値に対して定義され、$x(t)$ と表記します。
- 離散時間(DT)信號:Discrete-Time (DT) Signals:離散時間(DT)信号: 僅在 $n$ 為整數時才有定義,記為 $x[n]$。Defined only at integer values of $n$, denoted $x[n]$.$n$ が整数の場合にのみ定義され、$x[n]$ と表記します。
- 信號能量與功率:Signal Energy and Power:信号のエネルギーと電力:
$$E_\infty = \int_{-\infty}^{\infty} |x(t)|^2\,dt \quad\text{(CT)}, \qquad E_\infty = \sum_{n=-\infty}^{\infty} |x[n]|^2 \quad\text{(DT)}$$$$P_\infty = \lim_{T\to\infty} \frac{1}{2T}\int_{-T}^{T} |x(t)|^2\,dt \quad\text{(CT average power)}$$
- 自變數的變換:Transformations of Independent Variable:独立変数の変換:
- 時間平移:$x(t - t_0)$ 向右平移 $t_0$Time shift: $x(t - t_0)$ shifts right by $t_0$時間シフト:$x(t - t_0)$ は $t_0$ だけ右へ移動
- 時間反轉:$x(-t)$ 對 $t = 0$ 作鏡射Time reversal: $x(-t)$ reflects about $t = 0$時間反転:$x(-t)$ は $t = 0$ を軸に折り返し
- 時間尺度變換:$x(at)$,當 $|a| > 1$ 時壓縮,當 $|a| < 1$ 時擴張Time scaling: $x(at)$, compressed if $|a| > 1$, expanded if $|a| < 1$時間スケーリング:$x(at)$、$|a| > 1$ なら圧縮、$|a| < 1$ なら伸張
- 週期信號:Periodic Signals:周期信号: 對所有 $t$ 皆滿足 $x(t) = x(t + T)$。基本週期 $T_0$ 是最小的正 $T$。$x(t) = x(t + T)$ for all $t$. Fundamental period $T_0$ is the smallest positive $T$.すべての $t$ について $x(t) = x(t + T)$。基本周期 $T_0$ は最小の正の $T$ です。
- 偶部與奇部分解:Even and Odd Decomposition:偶部・奇部への分解:
$$\text{Ev}\{x(t)\} = \tfrac{1}{2}[x(t) + x(-t)], \qquad \text{Od}\{x(t)\} = \tfrac{1}{2}[x(t) - x(-t)]$$
- 複數指數信號:Complex Exponential Signals:複素指数信号:
$$\text{CT: } x(t) = Ce^{st}, \quad s = \sigma + j\omega \qquad\qquad \text{DT: } x[n] = Cz^n, \quad z = re^{j\omega}$$連續時間複數指數信號只要頻率不同就必定不同;離散時間複數指數信號則在頻率上以 $2\pi$ 為週期。CT complex exponentials with distinct frequencies are always distinct. DT complex exponentials are periodic in frequency with period $2\pi$.連続時間の複素指数信号は周波数が異なれば必ず異なります。離散時間の複素指数信号は周波数について周期 $2\pi$ を持ちます。
- 單位脈衝與單位步階:Unit Impulse and Unit Step:単位インパルスと単位ステップ:
$$\text{DT: } \delta[n] = \begin{cases}1, & n=0\\0, & n\ne 0\end{cases}, \quad u[n] = \begin{cases}1, & n\ge 0\\0, & n < 0\end{cases}, \quad \delta[n] = u[n] - u[n-1]$$$$\text{CT: } u(t) = \begin{cases}1, & t>0\\0, & t<0\end{cases}, \quad \delta(t) = \frac{du(t)}{dt}, \quad \int_{-\infty}^{\infty}\delta(t)\,dt = 1$$
- 系統性質:System Properties:システムの性質:
- 無記憶:Memoryless:記憶なし: 輸出只取決於當前的輸入Output depends only on current input出力は現在の入力だけで決まる
- 可逆:Invertible:可逆: 不同的輸入會產生不同的輸出Distinct inputs produce distinct outputs異なる入力は異なる出力を生む
- 因果:Causal:因果的: 輸出只取決於現在與過去的輸入Output depends only on present and past inputs出力は現在と過去の入力だけで決まる
- 穩定(BIBO):Stable (BIBO):安定(BIBO): 有界輸入 $\Rightarrow$ 有界輸出Bounded input $\Rightarrow$ bounded output有界入力 $\Rightarrow$ 有界出力
- 非時變:Time-Invariant:時不変: 輸入的時間平移 $\Rightarrow$ 輸出也有相同的時間平移Time shift in input $\Rightarrow$ same time shift in output入力の時間シフト $\Rightarrow$ 出力も同じ時間シフト
- 線性:Linear:線形: 疊加原理:$T\{ax_1 + bx_2\} = aT\{x_1\} + bT\{x_2\}$Superposition: $T\{ax_1 + bx_2\} = aT\{x_1\} + bT\{x_2\}$重ね合わせ:$T\{ax_1 + bx_2\} = aT\{x_1\} + bT\{x_2\}$
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
計算 $x(t) = e^{-2t}u(t)$ 的總能量。Compute the total energy of $x(t) = e^{-2t}u(t)$.$x(t) = e^{-2t}u(t)$ の全エネルギーを求めなさい。
解答Solution解答
詳細說明Explanation詳しい解説
一般定義。General definition.一般的な定義。 信號能量是振幅平方的積分(或求和):Signal energy is the integral (or sum) of the squared magnitude:信号エネルギーは振幅の 2 乗の積分(または総和)です:
$|\cdot|^2$ 是為了處理複數信號;對實數信號則簡化為 $x^2$。分類如下:The $|\cdot|^2$ handles complex signals; for real signals it reduces to $x^2$. Classification:$|\cdot|^2$ は複素信号に対応するためのもので、実信号では $x^2$ に帰着します。分類は次のとおりです:
- 能量信號Energy signalエネルギー信号:$0 < E < \infty$(例如脈波或衰減指數信號)。: $0 < E < \infty$ (e.g., a pulse or decaying exponential).:$0 < E < \infty$(例:パルスや減衰指数信号)。
- 功率信號Power signal電力信号:$E = \infty$,但平均功率 $P = \lim_{T\to\infty}\frac{1}{2T}\int_{-T}^{T}|x(t)|^2 dt$ 為有限值。: $E = \infty$ but average power $P = \lim_{T\to\infty}\frac{1}{2T}\int_{-T}^{T}|x(t)|^2 dt$ is finite.:$E = \infty$ ですが平均電力 $P = \lim_{T\to\infty}\frac{1}{2T}\int_{-T}^{T}|x(t)|^2 dt$ は有限です。
- 一個信號只會是其中之一(或兩者皆非),不可能同時是兩者。A signal is one or the other (or neither), never both.信号はどちらか一方(あるいはどちらでもない)であり、両方になることはありません。
根據By 帕塞瓦定理Parseval's theoremパーセバルの定理,能量在時域與頻域之間保持守恆:$\int |x(t)|^2 dt = \frac{1}{2\pi}\int |X(\omega)|^2 d\omega$。, energy is preserved between time and frequency domains: $\int |x(t)|^2 dt = \frac{1}{2\pi}\int |X(\omega)|^2 d\omega$.により、エネルギーは時間領域と周波数領域の間で保存されます:$\int |x(t)|^2 dt = \frac{1}{2\pi}\int |X(\omega)|^2 d\omega$。
套用到 $x(t) = e^{-2t}u(t)$。Apply to $x(t) = e^{-2t}u(t)$.$x(t) = e^{-2t}u(t)$ に適用する。 單位步階 $u(t)$ 把積分範圍限制在 $t \ge 0$,此區間內 $x(t) = e^{-2t}$:The unit step $u(t)$ restricts the integral to $t \ge 0$, where $x(t) = e^{-2t}$:単位ステップ $u(t)$ により積分範囲は $t \ge 0$ に限られ、そこでは $x(t) = e^{-2t}$ です:
$E = \tfrac{1}{4}$ J — 為有限值,因此 $x(t)$ 是一個$E = \tfrac{1}{4}$ J — finite, so $x(t)$ is an$E = \tfrac{1}{4}$ J — 有限なので、$x(t)$ は 能量信號energy signalエネルギー信号です.
已知 $x(t)$ 定義於 $0 \le t \le 2$,請畫出 $x(2t - 3)$。Given $x(t)$ defined for $0 \le t \le 2$, sketch $x(2t - 3)$.$0 \le t \le 2$ で定義された $x(t)$ について、$x(2t - 3)$ を描きなさい。
解答Solution解答
步驟 1:把 $t$ 換成 $t-3$:向右平移 3 → $x(t-3)$,定義域為 $[3, 5]$。Step 1: Replace $t$ with $t-3$: shift right by 3 → $x(t-3)$, defined on $[3, 5]$.ステップ 1:$t$ を $t-3$ に置き換える。右へ 3 シフト → $x(t-3)$、定義域は $[3, 5]$。
步驟 2:把 $t$ 換成 $2t$:壓縮為原來的一半 → $x(2t-3)$,其定義條件為 $0 \le 2t-3 \le 2$,亦即 $\frac{3}{2} \le t \le \frac{5}{2}$。Step 2: Replace $t$ with $2t$: compress by factor 2 → $x(2t-3)$, defined when $0 \le 2t-3 \le 2$, i.e., $\frac{3}{2} \le t \le \frac{5}{2}$.ステップ 2:$t$ を $2t$ に置き換える。2 倍に圧縮 → $x(2t-3)$、定義される条件は $0 \le 2t-3 \le 2$、すなわち $\frac{3}{2} \le t \le \frac{5}{2}$。
信號被壓縮為原來的一半,並平移到 $[1.5,\; 2.5]$。The signal is compressed by 2 and shifted to $[1.5,\; 2.5]$.信号は 2 倍に圧縮され、$[1.5,\; 2.5]$ へ移動します。
將 $x(t) = e^{t}u(t)$ 分解成偶部與奇部。Decompose $x(t) = e^{t}u(t)$ into even and odd parts.$x(t) = e^{t}u(t)$ を偶部と奇部に分解しなさい。
解答Solution解答
判斷 $x[n] = \cos\!\left(\frac{6\pi n}{7}\right)$ 是否為週期信號;若是,求其基本週期。Determine if $x[n] = \cos\!\left(\frac{6\pi n}{7}\right)$ is periodic. If so, find the fundamental period.$x[n] = \cos\!\left(\frac{6\pi n}{7}\right)$ が周期的かどうかを判定し、周期的ならば基本周期を求めなさい。
解答Solution解答
$\omega_0 = \frac{6\pi}{7}$。要具有週期性,必須滿足 $\omega_0 N = 2\pi m$:$\omega_0 = \frac{6\pi}{7}$. For periodicity, we need $\omega_0 N = 2\pi m$:$\omega_0 = \frac{6\pi}{7}$。周期的であるためには $\omega_0 N = 2\pi m$ が必要です:
最小的整數 $N$:$m=3 \Rightarrow N=7$。此信號為週期信號,基本週期為 $N=7$。Smallest integer $N$: $m=3 \Rightarrow N=7$. The signal is periodic with fundamental period $N=7$.最小の整数 $N$:$m=3 \Rightarrow N=7$。この信号は周期的で、基本周期は $N=7$ です。
$x(t) = \cos(2t) + \sin(\pi t)$ 是週期信號嗎?Is $x(t) = \cos(2t) + \sin(\pi t)$ periodic?$x(t) = \cos(2t) + \sin(\pi t)$ は周期的でしょうか。
解答Solution解答
$T_1 = \frac{2\pi}{2} = \pi$、$\;T_2 = \frac{2\pi}{\pi} = 2$。兩者之比 $\frac{T_1}{T_2} = \frac{\pi}{2}$ 為無理數。$T_1 = \frac{2\pi}{2} = \pi$, $\;T_2 = \frac{2\pi}{\pi} = 2$. Ratio $\frac{T_1}{T_2} = \frac{\pi}{2}$ is irrational.$T_1 = \frac{2\pi}{2} = \pi$、$\;T_2 = \frac{2\pi}{\pi} = 2$。比 $\frac{T_1}{T_2} = \frac{\pi}{2}$ は無理数です。
由於兩個週期之比為無理數,其和Since the ratio of periods is irrational, the sum is周期の比が無理数なので、和は 不是週期信號not periodic周期的ではありません.
判斷系統 $y(t) = t\cdot x(t)$ 是否為線性。Determine if the system $y(t) = t\cdot x(t)$ is linear.システム $y(t) = t\cdot x(t)$ が線形かどうかを判定しなさい。
解答Solution解答
設 $x_3(t) = ax_1(t)+bx_2(t)$。則:Let $x_3(t) = ax_1(t)+bx_2(t)$. Then:$x_3(t) = ax_1(t)+bx_2(t)$ とおくと:
疊加原理成立 $\Rightarrow$ 此系統為Superposition holds $\Rightarrow$ the system is重ね合わせが成り立つ $\Rightarrow$ このシステムは 線性系統linear線形です.
系統 $y[n] = n\cdot x[n]$ 是非時變的嗎?Is the system $y[n] = n\cdot x[n]$ time-invariant?システム $y[n] = n\cdot x[n]$ は時不変でしょうか。
解答Solution解答
平移輸入:$x_1[n] = x[n-n_0] \Rightarrow y_1[n] = n\,x[n-n_0]$。Shift input: $x_1[n] = x[n-n_0] \Rightarrow y_1[n] = n\,x[n-n_0]$.入力をシフト:$x_1[n] = x[n-n_0] \Rightarrow y_1[n] = n\,x[n-n_0]$。
平移輸出:$y[n-n_0] = (n-n_0)\,x[n-n_0]$。Shift output: $y[n-n_0] = (n-n_0)\,x[n-n_0]$.出力をシフト:$y[n-n_0] = (n-n_0)\,x[n-n_0]$。
由於 $n\,x[n-n_0] \ne (n-n_0)\,x[n-n_0]$,此系統Since $n\,x[n-n_0] \ne (n-n_0)\,x[n-n_0]$, the system is$n\,x[n-n_0] \ne (n-n_0)\,x[n-n_0]$ なので、このシステムは 不是非時變系統not time-invariant時不変ではありません.
判斷 $y(t) = x(t-2)$ 是否 (a) 因果、(b) 穩定。Determine if $y(t) = x(t-2)$ is (a) causal, (b) stable.$y(t) = x(t-2)$ が (a) 因果的か、(b) 安定かを判定しなさい。
解答Solution解答
(a) 時刻 $t$ 的輸出取決於 $x(t-2)$(過去的輸入)。此系統為(a) Output at time $t$ depends on $x(t-2)$ (past input). The system is(a) 時刻 $t$ の出力は $x(t-2)$(過去の入力)に依存します。このシステムは 因果系統causal因果的です.
(b) 若 $|x(t)| \le M$,則 $|y(t)| = |x(t-2)| \le M$。此系統為(b) If $|x(t)| \le M$, then $|y(t)| = |x(t-2)| \le M$. The system is(b) $|x(t)| \le M$ ならば $|y(t)| = |x(t-2)| \le M$ です。このシステムは BIBO 穩定BIBO stableBIBO 安定です.
計算 $x(t) = A\cos(\omega_0 t + \phi)$ 的平均功率。Compute the average power of $x(t) = A\cos(\omega_0 t + \phi)$.$x(t) = A\cos(\omega_0 t + \phi)$ の平均電力を求めなさい。
解答Solution解答
正弦信號的平均功率等於其振幅平方的一半。The average power of a sinusoid is half the square of its amplitude.正弦波の平均電力は振幅の 2 乗の半分です。
對 $y(t) = \int_{-\infty}^{t} x(\tau)\,d\tau$,判斷其線性、非時變性、因果性與穩定性。For $y(t) = \int_{-\infty}^{t} x(\tau)\,d\tau$, determine linearity, time-invariance, causality, and stability.$y(t) = \int_{-\infty}^{t} x(\tau)\,d\tau$ について、線形性・時不変性・因果性・安定性を判定しなさい。
解答Solution解答
線性:Linear:線形: 是 — 積分是線性運算。Yes — integration is linear.はい — 積分は線形演算です。
非時變:Time-Invariant:時不変: 是 — 輸入平移 $t_0$ 會使輸出平移 $t_0$。Yes — shifting input by $t_0$ shifts output by $t_0$.はい — 入力を $t_0$ だけシフトすると出力も $t_0$ だけシフトします。
因果:Causal:因果的: 是 — 積分範圍從 $-\infty$ 到目前時刻 $t$。Yes — integrates from $-\infty$ to present time $t$.はい — $-\infty$ から現在時刻 $t$ まで積分します。
穩定:Stable:安定: 否 — $x(t)=u(t)$(有界)會得到 $y(t)=t\,u(t)$(無界)。No — $x(t)=u(t)$ (bounded) gives $y(t)=t\,u(t)$ (unbounded).いいえ — $x(t)=u(t)$(有界)に対し $y(t)=t\,u(t)$(非有界)となります。
第 2 章:線性非時變系統Chapter 2: Linear Time-Invariant Systems第 2 章:線形時不変システム
核心觀念Key Concepts重要概念
- 摺積和(DT):Convolution Sum (DT):畳み込み和(DT): 任何離散時間信號都可寫成 $x[n] = \sum_k x[k]\,\delta[n-k]$。對線性非時變系統而言:Any DT signal: $x[n] = \sum_k x[k]\,\delta[n-k]$. For LTI systems:任意の離散時間信号は $x[n] = \sum_k x[k]\,\delta[n-k]$。線形時不変システムでは:
$$y[n] = x[n] * h[n] = \sum_{k=-\infty}^{\infty} x[k]\,h[n-k]$$
- 摺積積分(CT):Convolution Integral (CT):畳み込み積分(CT):
$$y(t) = x(t) * h(t) = \int_{-\infty}^{\infty} x(\tau)\,h(t-\tau)\,d\tau$$
- 摺積的性質:Properties of Convolution:畳み込みの性質:
- 交換律:$x*h = h*x$Commutative: $x*h = h*x$交換則:$x*h = h*x$
- 分配律:$x*(h_1+h_2) = x*h_1 + x*h_2$Distributive: $x*(h_1+h_2) = x*h_1 + x*h_2$分配則:$x*(h_1+h_2) = x*h_1 + x*h_2$
- 結合律:$x*(h_1*h_2) = (x*h_1)*h_2$Associative: $x*(h_1*h_2) = (x*h_1)*h_2$結合則:$x*(h_1*h_2) = (x*h_1)*h_2$
- 單位元素:$x[n]*\delta[n] = x[n]$Identity: $x[n]*\delta[n] = x[n]$単位元:$x[n]*\delta[n] = x[n]$
- 由 $h(t)$ 或 $h[n]$ 判斷線性非時變系統的性質:LTI System Properties via $h(t)$ or $h[n]$:$h(t)$ または $h[n]$ から見た線形時不変システムの性質:
- 無記憶:$h[n] = K\delta[n]$Memoryless: $h[n] = K\delta[n]$記憶なし:$h[n] = K\delta[n]$
- 因果:當 $t < 0$ 時 $h(t) = 0$Causal: $h(t) = 0$ for $t < 0$因果的:$t < 0$ のとき $h(t) = 0$
- 穩定:$\int_{-\infty}^{\infty}|h(t)|\,dt < \infty$ 或 $\sum_{n}|h[n]| < \infty$Stable: $\int_{-\infty}^{\infty}|h(t)|\,dt < \infty$ or $\sum_{n}|h[n]| < \infty$安定:$\int_{-\infty}^{\infty}|h(t)|\,dt < \infty$ または $\sum_{n}|h[n]| < \infty$
- 線性常係數微分方程式/差分方程式:Linear Constant-Coefficient Differential/Difference Equations:線形定係数微分方程式・差分方程式:
$$\text{CT: } \sum_{k=0}^{N} a_k \frac{d^k y}{dt^k} = \sum_{k=0}^{M} b_k \frac{d^k x}{dt^k}$$$$\text{DT: } \sum_{k=0}^{N} a_k\, y[n-k] = \sum_{k=0}^{M} b_k\, x[n-k]$$
- 單位步階響應:Unit Step Response:単位ステップ応答: $s(t) = \int_{-\infty}^{t} h(\tau)\,d\tau$, 因此 $h(t) = \dfrac{ds(t)}{dt}$$s(t) = \int_{-\infty}^{t} h(\tau)\,d\tau$, so $h(t) = \dfrac{ds(t)}{dt}$$s(t) = \int_{-\infty}^{t} h(\tau)\,d\tau$、 したがって $h(t) = \dfrac{ds(t)}{dt}$
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
計算 $y[n] = x[n]*h[n]$,其中 $x[n] = \{1, 2, 1\}$、$h[n] = \{1, 1, 1\}$(兩者皆從 $n=0$ 開始)。Compute $y[n] = x[n]*h[n]$ where $x[n] = \{1, 2, 1\}$ and $h[n] = \{1, 1, 1\}$ (both starting at $n=0$).$x[n] = \{1, 2, 1\}$、$h[n] = \{1, 1, 1\}$(いずれも $n=0$ から始まる)のとき $y[n] = x[n]*h[n]$ を求めなさい。
解答Solution解答
當 $n = 0,1,2,3,4$ 時,$y[n] = \{1, 3, 4, 3, 1\}$。$y[n] = \{1, 3, 4, 3, 1\}$ for $n = 0,1,2,3,4$.$n = 0,1,2,3,4$ のとき $y[n] = \{1, 3, 4, 3, 1\}$。
計算 $y(t) = e^{-t}u(t) * u(t)$。Compute $y(t) = e^{-t}u(t) * u(t)$.$y(t) = e^{-t}u(t) * u(t)$ を求めなさい。
解答Solution解答
在 $a \ne b$ 的條件下計算 $y(t) = e^{-at}u(t) * e^{-bt}u(t)$。Compute $y(t) = e^{-at}u(t) * e^{-bt}u(t)$ for $a \ne b$.$a \ne b$ のとき $y(t) = e^{-at}u(t) * e^{-bt}u(t)$ を求めなさい。
解答Solution解答
判斷 $h(t) = e^{2t}u(-t)$ 的系統是否穩定。Determine if the system with $h(t) = e^{2t}u(-t)$ is stable.$h(t) = e^{2t}u(-t)$ をもつシステムが安定かどうかを判定しなさい。
解答Solution解答
積分收斂 $\Rightarrow$The integral converges $\Rightarrow$積分は収束する $\Rightarrow$ 穩定stable安定です.
$h[n] = \left(\frac{1}{3}\right)^n u[n] + \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ 的系統是否為因果且穩定?Is the system with $h[n] = \left(\frac{1}{3}\right)^n u[n] + \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ causal and stable?$h[n] = \left(\frac{1}{3}\right)^n u[n] + \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ をもつシステムは因果的かつ安定でしょうか。
解答Solution解答
因果:Causal:因果的: 當 $n < 0$ 時 $h[n] = 0$(兩項都含 $u[n]$),$\Rightarrow$ 是。$h[n] = 0$ for $n < 0$ (both terms have $u[n]$) $\Rightarrow$ yes.$n < 0$ のとき $h[n] = 0$(どちらの項も $u[n]$ を含む)ので $\Rightarrow$ はい。
穩定:Stable:安定:
兩個線性非時變系統串聯:$h_1(t) = e^{-t}u(t)$ 與 $h_2(t) = e^{-2t}u(t)$。求整體的脈衝響應。Two LTI systems in cascade: $h_1(t) = e^{-t}u(t)$ and $h_2(t) = e^{-2t}u(t)$. Find the overall impulse response.2 つの線形時不変システムの縦続接続:$h_1(t) = e^{-t}u(t)$ と $h_2(t) = e^{-2t}u(t)$。全体のインパルス応答を求めなさい。
解答Solution解答
假設系統為因果,求 $y[n] - \tfrac{1}{2}y[n-1] = x[n]$ 的脈衝響應。Find the impulse response of $y[n] - \tfrac{1}{2}y[n-1] = x[n]$, assuming causality.因果性を仮定して、$y[n] - \tfrac{1}{2}y[n-1] = x[n]$ のインパルス応答を求めなさい。
解答Solution解答
在初始靜止條件下,對 $x[n] = \delta[n]$:For $x[n] = \delta[n]$ with initial rest:初期静止条件のもとで、$x[n] = \delta[n]$ について:
已知 $h(t) = e^{-3t}u(t)$,求單位步階響應 $s(t)$。Given $h(t) = e^{-3t}u(t)$, find the unit step response $s(t)$.$h(t) = e^{-3t}u(t)$ が与えられたとき、単位ステップ応答 $s(t)$ を求めなさい。
解答Solution解答
假設系統為因果,對 $\dfrac{dy}{dt} + 2y(t) = x(t)$ 求 $h(t)$。Find $h(t)$ for $\dfrac{dy}{dt} + 2y(t) = x(t)$, assuming causality.因果性を仮定して、$\dfrac{dy}{dt} + 2y(t) = x(t)$ について $h(t)$ を求めなさい。
解答Solution解答
計算 $y[n] = x[n] * \bigl(\delta[n] + \delta[n-2]\bigr)$,其中 $x[n] = a^n u[n]$。Compute $y[n] = x[n] * \bigl(\delta[n] + \delta[n-2]\bigr)$ where $x[n] = a^n u[n]$.$x[n] = a^n u[n]$ のとき $y[n] = x[n] * \bigl(\delta[n] + \delta[n-2]\bigr)$ を求めなさい。
解答Solution解答
第 3 章:週期訊號的傅立葉級數表示Chapter 3: Fourier Series Representation of Periodic Signals第 3 章:周期信号のフーリエ級数表現
核心觀念Key Concepts重要概念
- 線性非時變系統的特徵函數:Eigenfunctions of LTI Systems:線形時不変システムの固有関数: 若 $x(t) = e^{st}$,則 $y(t) = H(s)\,e^{st}$。複數指數信號是線性非時變系統的特徵函數。If $x(t) = e^{st}$, then $y(t) = H(s)\,e^{st}$. Complex exponentials are eigenfunctions of LTI systems.$x(t) = e^{st}$ ならば $y(t) = H(s)\,e^{st}$。複素指数信号は線形時不変システムの固有関数です。
- 連續時間傅立葉級數:CT Fourier Series:連続時間フーリエ級数: 對週期為 $T$ 的週期信號,$\omega_0 = 2\pi/T$:For a periodic signal with period $T$, $\omega_0 = 2\pi/T$:周期 $T$ の周期信号について、$\omega_0 = 2\pi/T$:
$$x(t) = \sum_{k=-\infty}^{\infty} a_k\, e^{jk\omega_0 t}$$$$a_k = \frac{1}{T}\int_{T} x(t)\, e^{-jk\omega_0 t}\,dt$$
- 離散時間傅立葉級數:DT Fourier Series:離散時間フーリエ級数: 對週期 $N$、$\omega_0 = 2\pi/N$:For period $N$, $\omega_0 = 2\pi/N$:周期 $N$、$\omega_0 = 2\pi/N$ について:
$$x[n] = \sum_{k=\langle N\rangle} a_k\, e^{jk(2\pi/N)n}, \qquad a_k = \frac{1}{N}\sum_{n=\langle N\rangle} x[n]\, e^{-jk(2\pi/N)n}$$
- 收斂性(狄利克雷條件):Convergence (Dirichlet Conditions):収束性(ディリクレ条件): 在一個週期內絕對可積;極大值與極小值的個數有限;不連續點的個數有限。Absolutely integrable over one period; finite maxima/minima; finite discontinuities.1 周期にわたって絶対可積分であること、極大・極小の個数が有限であること、不連続点の個数が有限であること。
- 帕塞瓦關係式:Parseval's Relation:パーセバルの関係式:
$$\frac{1}{T}\int_T |x(t)|^2\,dt = \sum_{k=-\infty}^{\infty}|a_k|^2 \qquad\text{(CT)}$$$$\frac{1}{N}\sum_{n=\langle N\rangle}|x[n]|^2 = \sum_{k=\langle N\rangle}|a_k|^2 \qquad\text{(DT)}$$
- 重要性質:Key Properties:主な性質: 線性;時間平移 $\to$ 相位改變 $a_k e^{-jk\omega_0 t_0}$;實數信號具有共軛對稱性 $a_k = a_{-k}^*$;相乘 $\to$ 係數的摺積。Linearity; time shift $\to$ phase change $a_k e^{-jk\omega_0 t_0}$; conjugate symmetry for real signals $a_k = a_{-k}^*$; multiplication $\to$ convolution of coefficients.線形性、時間シフト $\to$ 位相の変化 $a_k e^{-jk\omega_0 t_0}$、実信号の共役対称性 $a_k = a_{-k}^*$、乗算 $\to$ 係数の畳み込み。
- 頻率響應:Frequency Response:周波数応答: 對週期性輸入,輸出的係數為:$b_k = H(jk\omega_0)\,a_k$。For periodic input, output coefficients: $b_k = H(jk\omega_0)\,a_k$.周期入力に対する出力の係数:$b_k = H(jk\omega_0)\,a_k$。
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
求方波的傅立葉級數係數:當 $|t|<T_1$ 時 $x(t)=1$,當 $T_1<|t|<T/2$ 時 $0$。Find the Fourier series coefficients of a square wave: $x(t)=1$ for $|t|<T_1$, $0$ for $T_1<|t|<T/2$.方形波のフーリエ級数係数を求めなさい:$|t|<T_1$ のとき $x(t)=1$、$T_1<|t|<T/2$ のとき $0$。
解答Solution解答
求 $x(t) = \cos(3t)$ 的傅立葉級數係數。Find the Fourier series coefficients of $x(t) = \cos(3t)$.$x(t) = \cos(3t)$ のフーリエ級数係数を求めなさい。
解答Solution解答
求週期為 $N=4$ 的 $x[n] = \cos(2\pi n/4)$ 的傅立葉級數。Find the Fourier series of $x[n] = \cos(2\pi n/4)$ with period $N=4$.周期 $N=4$ をもつ $x[n] = \cos(2\pi n/4)$ のフーリエ級数を求めなさい。
解答Solution解答
$a_1 = \frac{1}{2}$、$a_3 = a_{-1} = \frac{1}{2}$(因為週期為 4)、$a_0 = a_2 = 0$。$a_1 = \frac{1}{2}$, $a_3 = a_{-1} = \frac{1}{2}$ (since period 4), $a_0 = a_2 = 0$.$a_1 = \frac{1}{2}$、$a_3 = a_{-1} = \frac{1}{2}$(周期が 4 のため)、$a_0 = a_2 = 0$。
以 3.1 的方波、取 $T_1 = T/4$,計算 $\sum|a_k|^2$。Given the square wave from 3.1 with $T_1 = T/4$, compute $\sum|a_k|^2$.3.1 の方形波で $T_1 = T/4$ としたとき、$\sum|a_k|^2$ を求めなさい。
解答Solution解答
若 $x(t)$ 的係數為 $a_k$,求 $y(t) = x(t - t_0)$ 的係數。If $x(t)$ has coefficients $a_k$, find the coefficients of $y(t) = x(t - t_0)$.$x(t)$ の係数が $a_k$ であるとき、$y(t) = x(t - t_0)$ の係数を求めなさい。
解答Solution解答
大小 $|b_k| = |a_k|$ 不變,只有相位改變。Magnitudes $|b_k| = |a_k|$ are unchanged; only phase shifts.大きさ $|b_k| = |a_k|$ は変わらず、位相だけが変化します。
對 $H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega RC}$,求輸入為 $a_k = \frac{\sin(k\pi/2)}{k\pi}$ 的方波時輸出的傅立葉係數。For $H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega RC}$, find the output Fourier coefficients for a square wave input with $a_k = \frac{\sin(k\pi/2)}{k\pi}$.$H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega RC}$ について、$a_k = \frac{\sin(k\pi/2)}{k\pi}$ の方形波を入力したときの出力のフーリエ係数を求めなさい。
解答Solution解答
高階諧波會被低通濾波器衰減。Higher harmonics are attenuated by the lowpass filter.高次の高調波はローパスフィルタによって減衰します。
求 $x[n] = \sum_r \delta[n-rN]$ 的傅立葉級數(週期為 $N$ 的週期性脈衝串)。Find the Fourier series of $x[n] = \sum_r \delta[n-rN]$ (periodic impulse train, period $N$).$x[n] = \sum_r \delta[n-rN]$(周期 $N$ の周期的インパルス列)のフーリエ級数を求めなさい。
解答Solution解答
所有諧波的振幅相同,皆為 $1/N$。All harmonics have equal amplitude $1/N$.すべての高調波が等しい振幅 $1/N$ をもちます。
在 $-T/2 < t < T/2$ 上求 $x(t) = t/T$ 的傅立葉級數。Find the Fourier series of $x(t) = t/T$ for $-T/2 < t < T/2$.$-T/2 < t < T/2$ における $x(t) = t/T$ のフーリエ級数を求めなさい。
解答Solution解答
求以 $N=5$ 為週期的 $x[n]$ 的離散時間傅立葉級數:當 $n=0,1,2$ 時 $x[n]=1$,當 $n=3,4$ 時 $x[n]=0$。Find the DT Fourier series for $x[n]$ periodic with $N=5$: $x[n]=1$ for $n=0,1,2$ and $x[n]=0$ for $n=3,4$.周期 $N=5$ をもつ $x[n]$ の離散時間フーリエ級数を求めなさい:$n=0,1,2$ のとき $x[n]=1$、$n=3,4$ のとき $x[n]=0$。
解答Solution解答
某系統具有 $H(j\omega) = j\omega$。若輸入的係數為 $a_k$,求輸出的係數。A system has $H(j\omega) = j\omega$. If input has coefficients $a_k$, find output coefficients.あるシステムが $H(j\omega) = j\omega$ をもつとします。入力の係数が $a_k$ のとき、出力の係数を求めなさい。
解答Solution解答
此微分器會使高階諧波隨頻率成正比放大。This differentiator amplifies higher harmonics linearly with frequency.この微分器は高次の高調波を周波数に比例して増幅します。
第 4 章:連續時間傅立葉轉換Chapter 4: The Continuous-Time Fourier Transform第 4 章:連続時間フーリエ変換
核心觀念Key Concepts重要概念
- 傅立葉轉換對:Fourier Transform Pair:フーリエ変換対:
$$X(j\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} x(t)\, e^{-j\omega t}\,dt \qquad\text{(Analysis)}$$$$x(t) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty} X(j\omega)\, e^{j\omega t}\,d\omega \qquad\text{(Synthesis)}$$
- 週期信號的傅立葉轉換:FT of Periodic Signals:周期信号のフーリエ変換:
$$x(t) = \sum_k a_k e^{jk\omega_0 t} \;\Longrightarrow\; X(j\omega) = 2\pi\sum_k a_k\,\delta(\omega - k\omega_0)$$
- 重要的轉換對:Key Transform Pairs:主な変換対:
$$e^{-at}u(t) \longleftrightarrow \frac{1}{a+j\omega},\; a>0 \qquad \delta(t) \longleftrightarrow 1 \qquad 1 \longleftrightarrow 2\pi\delta(\omega)$$
- 性質:Properties:性質:
- 時間平移:$x(t-t_0) \longleftrightarrow e^{-j\omega t_0}X(j\omega)$Time shift: $x(t-t_0) \longleftrightarrow e^{-j\omega t_0}X(j\omega)$時間シフト:$x(t-t_0) \longleftrightarrow e^{-j\omega t_0}X(j\omega)$
- 頻率平移:$e^{j\omega_0 t}x(t) \longleftrightarrow X(j(\omega-\omega_0))$Frequency shift: $e^{j\omega_0 t}x(t) \longleftrightarrow X(j(\omega-\omega_0))$周波数シフト:$e^{j\omega_0 t}x(t) \longleftrightarrow X(j(\omega-\omega_0))$
- 微分:$\frac{dx}{dt} \longleftrightarrow j\omega\, X(j\omega)$Differentiation: $\frac{dx}{dt} \longleftrightarrow j\omega\, X(j\omega)$微分:$\frac{dx}{dt} \longleftrightarrow j\omega\, X(j\omega)$
- 摺積:$x*h \longleftrightarrow X\cdot H$Convolution: $x*h \longleftrightarrow X\cdot H$畳み込み:$x*h \longleftrightarrow X\cdot H$
- 相乘:$x\cdot h \longleftrightarrow \frac{1}{2\pi}X*H$Multiplication: $x\cdot h \longleftrightarrow \frac{1}{2\pi}X*H$乗算:$x\cdot h \longleftrightarrow \frac{1}{2\pi}X*H$
- 尺度變換:$x(at) \longleftrightarrow \frac{1}{|a|}X\!\left(\frac{j\omega}{a}\right)$Scaling: $x(at) \longleftrightarrow \frac{1}{|a|}X\!\left(\frac{j\omega}{a}\right)$スケーリング:$x(at) \longleftrightarrow \frac{1}{|a|}X\!\left(\frac{j\omega}{a}\right)$
- 帕塞瓦:$\int|x(t)|^2 dt = \frac{1}{2\pi}\int|X(j\omega)|^2 d\omega$Parseval: $\int|x(t)|^2 dt = \frac{1}{2\pi}\int|X(j\omega)|^2 d\omega$パーセバル:$\int|x(t)|^2 dt = \frac{1}{2\pi}\int|X(j\omega)|^2 d\omega$
- 對偶性:$X(jt) \longleftrightarrow 2\pi\, x(-\omega)$Duality: $X(jt) \longleftrightarrow 2\pi\, x(-\omega)$双対性:$X(jt) \longleftrightarrow 2\pi\, x(-\omega)$
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
對 $x(t) = e^{-3t}u(t)$ 求 $X(j\omega)$。Find $X(j\omega)$ for $x(t) = e^{-3t}u(t)$.$x(t) = e^{-3t}u(t)$ のとき $X(j\omega)$ を求めなさい。
解答Solution解答
對 $x(t) = e^{-|t|}$ 求 $X(j\omega)$。Find $X(j\omega)$ for $x(t) = e^{-|t|}$.$x(t) = e^{-|t|}$ のとき $X(j\omega)$ を求めなさい。
解答Solution解答
已知 $X(j\omega) = 2\pi\delta(\omega) + \pi\delta(\omega-4) + \pi\delta(\omega+4)$,求 $x(t)$。Find $x(t)$ given $X(j\omega) = 2\pi\delta(\omega) + \pi\delta(\omega-4) + \pi\delta(\omega+4)$.$X(j\omega) = 2\pi\delta(\omega) + \pi\delta(\omega-4) + \pi\delta(\omega+4)$ が与えられたとき $x(t)$ を求めなさい。
解答Solution解答
利用傅立葉轉換求 $y(t) = e^{-2t}u(t) * e^{-3t}u(t)$。Find $y(t) = e^{-2t}u(t) * e^{-3t}u(t)$ using Fourier transforms.フーリエ変換を用いて $y(t) = e^{-2t}u(t) * e^{-3t}u(t)$ を求めなさい。
解答Solution解答
求 $y(t) = \frac{dx}{dt}$ 的傅立葉轉換,其中 $x(t) = e^{-t}u(t)$。Find the FT of $y(t) = \frac{dx}{dt}$ where $x(t) = e^{-t}u(t)$.$x(t) = e^{-t}u(t)$ のとき、$y(t) = \frac{dx}{dt}$ のフーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
注意:$y(t) = \delta(t) - e^{-t}u(t)$,與 $\mathcal{F}\{\delta\}=1$ 一致。Note: $y(t) = \delta(t) - e^{-t}u(t)$, consistent with $\mathcal{F}\{\delta\}=1$.注意:$y(t) = \delta(t) - e^{-t}u(t)$ であり、$\mathcal{F}\{\delta\}=1$ と整合します。
計算 $\int_{-\infty}^{\infty}|X(j\omega)|^2\,d\omega$,其中 $X(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega}$。Compute $\int_{-\infty}^{\infty}|X(j\omega)|^2\,d\omega$ where $X(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega}$.$X(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega}$ のとき $\int_{-\infty}^{\infty}|X(j\omega)|^2\,d\omega$ を求めなさい。
解答Solution解答
求下列信號的傅立葉轉換:當 $|t| \le T$ 時 $x(t) = 1$,其餘為 $0$。Find the FT of $x(t) = 1$ for $|t| \le T$, $0$ otherwise.$|t| \le T$ のとき $x(t) = 1$、それ以外は $0$ となる信号のフーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
以 $X(j\omega)$ 表示 $y(t) = x(t)\cos(\omega_c t)$ 的傅立葉轉換。Find the FT of $y(t) = x(t)\cos(\omega_c t)$ in terms of $X(j\omega)$.$X(j\omega)$ を用いて $y(t) = x(t)\cos(\omega_c t)$ のフーリエ変換を表しなさい。
解答Solution解答
乘上 $\cos$ 會把頻譜平移到 $\pm\omega_c$(振幅調變)。Multiplying by $\cos$ shifts the spectrum to $\pm\omega_c$ (amplitude modulation).$\cos$ を掛けるとスペクトルが $\pm\omega_c$ へ移動します(振幅変調)。
$H(j\omega) = \frac{1}{2+j\omega}$,輸入為 $x(t) = e^{-t}u(t)$。求 $y(t)$。$H(j\omega) = \frac{1}{2+j\omega}$, input $x(t) = e^{-t}u(t)$. Find $y(t)$.$H(j\omega) = \frac{1}{2+j\omega}$、入力は $x(t) = e^{-t}u(t)$。$y(t)$ を求めなさい。
解答Solution解答
求 $x(t) = \sum_{n=-\infty}^{\infty}\delta(t - nT)$ 的傅立葉轉換。Find the FT of $x(t) = \sum_{n=-\infty}^{\infty}\delta(t - nT)$.$x(t) = \sum_{n=-\infty}^{\infty}\delta(t - nT)$ のフーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
週期為 $T$ 的脈衝串,其傅立葉轉換是週期為 $\omega_s = 2\pi/T$ 的脈衝串。The FT of an impulse train with period $T$ is an impulse train with period $\omega_s = 2\pi/T$.周期 $T$ のインパルス列のフーリエ変換は、周期 $\omega_s = 2\pi/T$ のインパルス列になります。
第 5 章:離散時間傅立葉轉換Chapter 5: The Discrete-Time Fourier Transform第 5 章:離散時間フーリエ変換
核心觀念Key Concepts重要概念
- 離散時間傅立葉轉換對:DTFT Pair:離散時間フーリエ変換対:
$$X(e^{j\omega}) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x[n]\, e^{-j\omega n} \qquad\text{(Analysis)}$$$$x[n] = \frac{1}{2\pi}\int_{2\pi} X(e^{j\omega})\, e^{j\omega n}\,d\omega \qquad\text{(Synthesis)}$$
- 重要性質:Key property:重要な性質: $X(e^{j\omega})$ 對 $\omega$ 恆為週期函數,週期為 $2\pi$。$X(e^{j\omega})$ is always periodic in $\omega$ with period $2\pi$.$X(e^{j\omega})$ は $\omega$ について常に周期 $2\pi$ をもちます。
- 常見的轉換對:Common Pairs:代表的な変換対:
$$a^n u[n] \;\longleftrightarrow\; \frac{1}{1-ae^{-j\omega}}, \quad |a|<1 \qquad\qquad \delta[n] \;\longleftrightarrow\; 1$$
- 性質:Properties:性質:
- 時間平移:$x[n-n_0] \longleftrightarrow e^{-j\omega n_0}X(e^{j\omega})$Time shift: $x[n-n_0] \longleftrightarrow e^{-j\omega n_0}X(e^{j\omega})$時間シフト:$x[n-n_0] \longleftrightarrow e^{-j\omega n_0}X(e^{j\omega})$
- 頻率平移:$e^{j\omega_0 n}x[n] \longleftrightarrow X(e^{j(\omega-\omega_0)})$Frequency shift: $e^{j\omega_0 n}x[n] \longleftrightarrow X(e^{j(\omega-\omega_0)})$周波数シフト:$e^{j\omega_0 n}x[n] \longleftrightarrow X(e^{j(\omega-\omega_0)})$
- 摺積:$x*h \longleftrightarrow X\cdot H$Convolution: $x*h \longleftrightarrow X\cdot H$畳み込み:$x*h \longleftrightarrow X\cdot H$
- 差分:$x[n]-x[n-1] \longleftrightarrow (1-e^{-j\omega})X(e^{j\omega})$Differencing: $x[n]-x[n-1] \longleftrightarrow (1-e^{-j\omega})X(e^{j\omega})$差分:$x[n]-x[n-1] \longleftrightarrow (1-e^{-j\omega})X(e^{j\omega})$
- 時間擴張:$x_{(k)}[n] \longleftrightarrow X(e^{jk\omega})$Time expansion: $x_{(k)}[n] \longleftrightarrow X(e^{jk\omega})$時間伸張:$x_{(k)}[n] \longleftrightarrow X(e^{jk\omega})$
- 帕塞瓦:$\sum|x[n]|^2 = \frac{1}{2\pi}\int_{2\pi}|X(e^{j\omega})|^2\,d\omega$Parseval: $\sum|x[n]|^2 = \frac{1}{2\pi}\int_{2\pi}|X(e^{j\omega})|^2\,d\omega$パーセバル:$\sum|x[n]|^2 = \frac{1}{2\pi}\int_{2\pi}|X(e^{j\omega})|^2\,d\omega$
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
對 $x[n] = (0.5)^n u[n]$ 求 $X(e^{j\omega})$。Find $X(e^{j\omega})$ for $x[n] = (0.5)^n u[n]$.$x[n] = (0.5)^n u[n]$ のとき $X(e^{j\omega})$ を求めなさい。
解答Solution解答
當 $0 \le n \le 4$ 時 $x[n] = 1$,其餘為 $0$;求 $X(e^{j\omega})$。Find $X(e^{j\omega})$ for $x[n] = 1$ for $0 \le n \le 4$, else $0$.$0 \le n \le 4$ のとき $x[n] = 1$、それ以外は $0$ のとき、$X(e^{j\omega})$ を求めなさい。
解答Solution解答
若當 $|\omega| \le W$ 時 $X(e^{j\omega}) = 1$、當 $W < |\omega| \le \pi$ 時 $0$,求 $x[n]$。Find $x[n]$ if $X(e^{j\omega}) = 1$ for $|\omega| \le W$, $0$ for $W < |\omega| \le \pi$.$|\omega| \le W$ のとき $X(e^{j\omega}) = 1$、$W < |\omega| \le \pi$ のとき $0$ であるとき、$x[n]$ を求めなさい。
解答Solution解答
這就是理想低通濾波器的反離散時間傅立葉轉換。This is the inverse DTFT of an ideal lowpass filter.これは理想ローパスフィルタの逆離散時間フーリエ変換です。
求 $y[n] = (0.5)^n u[n] * (0.25)^n u[n]$。Find $y[n] = (0.5)^n u[n] * (0.25)^n u[n]$.$y[n] = (0.5)^n u[n] * (0.25)^n u[n]$ を求めなさい。
解答Solution解答
若 $X(e^{j\omega}) = \frac{1}{1-0.5e^{-j\omega}}$,求 $x[n-3]$ 的離散時間傅立葉轉換。If $X(e^{j\omega}) = \frac{1}{1-0.5e^{-j\omega}}$, find the DTFT of $x[n-3]$.$X(e^{j\omega}) = \frac{1}{1-0.5e^{-j\omega}}$ のとき、$x[n-3]$ の離散時間フーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
求 $\sum_{n=-\infty}^{\infty}|(0.8)^n u[n]|^2$。Find $\sum_{n=-\infty}^{\infty}|(0.8)^n u[n]|^2$.$\sum_{n=-\infty}^{\infty}|(0.8)^n u[n]|^2$ を求めなさい。
解答Solution解答
對 $|a|<1$ 求 $x[n] = a^{|n|}$ 的離散時間傅立葉轉換。Find the DTFT of $x[n] = a^{|n|}$ for $|a|<1$.$|a|<1$ のとき、$x[n] = a^{|n|}$ の離散時間フーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
對 $y[n] - 0.5y[n-1] = x[n] + x[n-1]$ 求 $H(e^{j\omega})$。Find $H(e^{j\omega})$ for $y[n] - 0.5y[n-1] = x[n] + x[n-1]$.$y[n] - 0.5y[n-1] = x[n] + x[n-1]$ のとき $H(e^{j\omega})$ を求めなさい。
解答Solution解答
$|H(e^{j0})| = 2/0.5 = 4$、$|H(e^{j\pi})| = 0/1.5 = 0$,$\Rightarrow$ 為低通濾波器。$|H(e^{j0})| = 2/0.5 = 4$, $|H(e^{j\pi})| = 0/1.5 = 0$ $\Rightarrow$ lowpass filter.$|H(e^{j0})| = 2/0.5 = 4$、$|H(e^{j\pi})| = 0/1.5 = 0$ であり、$\Rightarrow$ ローパスフィルタです。
求 $u[n]$ 的離散時間傅立葉轉換。Find the DTFT of $u[n]$.$u[n]$ の離散時間フーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
由於 $u[n]$ 不是絕對可和,因此在 $\omega=0$ 處含有一個脈衝。Includes an impulse at $\omega=0$ since $u[n]$ is not absolutely summable.$u[n]$ は絶対総和可能でないため、$\omega=0$ にインパルスを含みます。
$y[n] = \sum_{k=-\infty}^{n} x[k]$。求 $H(e^{j\omega})$。$y[n] = \sum_{k=-\infty}^{n} x[k]$. Find $H(e^{j\omega})$.$y[n] = \sum_{k=-\infty}^{n} x[k]$。$H(e^{j\omega})$ を求めなさい。
解答Solution解答
這是積分在離散時間中的對應運算。The DT analogue of integration.積分に対応する離散時間の演算です。
第 6 章:信號與系統的時域與頻域特性Chapter 6: Time and Frequency Characterization of Signals and Systems第 6 章:信号とシステムの時間・周波数特性
核心觀念Key Concepts重要概念
- 大小與相位:Magnitude-Phase:振幅と位相: $H(j\omega) = |H(j\omega)|\,e^{j\angle H(j\omega)}$。輸出:$|Y|=|H||X|$、$\angle Y = \angle H + \angle X$。$H(j\omega) = |H(j\omega)|\,e^{j\angle H(j\omega)}$. Output: $|Y|=|H||X|$, $\angle Y = \angle H + \angle X$.$H(j\omega) = |H(j\omega)|\,e^{j\angle H(j\omega)}$。出力:$|Y|=|H||X|$、$\angle Y = \angle H + \angle X$。
- 線性相位:Linear Phase:線形位相: $H(j\omega) = |H(j\omega)|\,e^{-j\omega t_d}$ 代表純延遲 $t_d$,不產生失真。$H(j\omega) = |H(j\omega)|\,e^{-j\omega t_d}$ means pure delay $t_d$ with no distortion.$H(j\omega) = |H(j\omega)|\,e^{-j\omega t_d}$ は歪みのない純粋な遅延 $t_d$ を意味します。
- 群延遲:Group Delay:群遅延:
$$\tau(\omega) = -\frac{d\,\angle H(j\omega)}{d\omega}$$
- 波德圖:Bode Plots:ボード線図: 以 dB 表示的 $20\log_{10}|H(j\omega)|$ 對 $\log\omega$ 作圖。$20\log_{10}|H(j\omega)|$ in dB vs $\log\omega$.$20\log_{10}|H(j\omega)|$ を dB で $\log\omega$ に対して描いたもの。
- 位於 $-a$ 的一階極點:在 $\omega=a$ 以上為 $-20$ dB/decadeFirst-order pole at $-a$: $-20$ dB/decade above $\omega=a$$-a$ の 1 次極:$\omega=a$ より上で $-20$ dB/decade
- 位於 $-a$ 的一階零點:在 $\omega=a$ 以上為 $+20$ dB/decadeFirst-order zero at $-a$: $+20$ dB/decade above $\omega=a$$-a$ の 1 次零点:$\omega=a$ より上で $+20$ dB/decade
- 理想濾波器:Ideal Filters:理想フィルタ: 脈衝響應為 sinc 函數(非因果)。截止越陡峭 $\Leftrightarrow$ 時域響應延伸得越久。Impulse response is sinc (non-causal). Sharp cutoff $\Leftrightarrow$ infinite time response.インパルス応答は sinc 関数(非因果的)です。遮断が急峻 $\Leftrightarrow$ 時間応答は無限に続きます。
- 二階系統:Second-Order System:2 次システム:
$$H(j\omega) = \frac{\omega_n^2}{\omega_n^2 - \omega^2 + 2j\zeta\omega_n\omega}$$
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
畫出 $H(j\omega) = \dfrac{10(j\omega+1)}{(j\omega+10)(j\omega+100)}$ 的波德大小圖。Sketch the Bode magnitude plot for $H(j\omega) = \dfrac{10(j\omega+1)}{(j\omega+10)(j\omega+100)}$.$H(j\omega) = \dfrac{10(j\omega+1)}{(j\omega+10)(j\omega+100)}$ のボード線図(振幅)を描きなさい。
解答Solution解答
直流增益:$H(0) = \frac{10}{1000} = 0.01 = -40$ dB。DC gain: $H(0) = \frac{10}{1000} = 0.01 = -40$ dB.直流ゲイン:$H(0) = \frac{10}{1000} = 0.01 = -40$ dB。
位於 $\omega=1$ 的零點:$+20$ dB/dec。位於 $\omega=10$ 的極點:合成後為平坦。位於 $\omega=100$ 的極點:$-20$ dB/dec。Zero at $\omega=1$: $+20$ dB/dec. Pole at $\omega=10$: net flat. Pole at $\omega=100$: $-20$ dB/dec.$\omega=1$ の零点:$+20$ dB/dec。$\omega=10$ の極:合成すると平坦。$\omega=100$ の極:$-20$ dB/dec。
在 $\omega=1$ 之前維持 $-40$dB 平坦,於 $\omega=10$ 上升到 $-20$dB,平坦至 $\omega=100$,之後以 $-20$dB/dec 下降。Flat at $-40$dB until $\omega=1$, rises to $-20$dB at $\omega=10$, flat to $\omega=100$, then $-20$dB/dec.$\omega=1$ までは $-40$dB で平坦、$\omega=10$ で $-20$dB まで上昇し、$\omega=100$ まで平坦、その後 $-20$dB/dec。
求截止頻率為 $\omega_c$、增益為 1 的理想低通濾波器的 $h(t)$。Find $h(t)$ for an ideal lowpass filter with cutoff $\omega_c$ and unit gain.遮断周波数 $\omega_c$、ゲイン 1 の理想ローパスフィルタについて $h(t)$ を求めなさい。
解答Solution解答
非因果(當 $t<0$ 時 $h(t)\ne 0$),因此理想濾波器無法實現。Non-causal ($h(t)\ne 0$ for $t<0$), so ideal filters are not realizable.非因果的($t<0$ で $h(t)\ne 0$)であるため、理想フィルタは実現できません。
RC 濾波器:$R=1\,\text{k}\Omega$、$C=1\,\mu\text{F}$。求 3dB 截止頻率。RC filter: $R=1\,\text{k}\Omega$, $C=1\,\mu\text{F}$. Find the 3dB cutoff.RC フィルタ:$R=1\,\text{k}\Omega$、$C=1\,\mu\text{F}$。3dB 遮断周波数を求めなさい。
解答Solution解答
$\omega_n = 10$、$\zeta = 0.1$。求共振頻率與峰值增益。$\omega_n = 10$, $\zeta = 0.1$. Find resonant frequency and peak gain.$\omega_n = 10$、$\zeta = 0.1$。共振周波数とピークゲインを求めなさい。
解答Solution解答
證明當 $|H|=K$ 時,$\angle H(j\omega) = -\alpha\omega$ 不會造成失真。Show that $\angle H(j\omega) = -\alpha\omega$ with $|H|=K$ introduces no distortion.$|H|=K$ をもつ $\angle H(j\omega) = -\alpha\omega$ が歪みを生じないことを示しなさい。
解答Solution解答
輸出只是輸入經過縮放與延遲的複本 — 沒有失真。Scaled, delayed copy of input — no distortion.入力を定数倍して遅延させた複製にすぎません — 歪みはありません。
判斷 $H(e^{j\omega}) = \frac{1}{1-0.9e^{-j\omega}}$ 屬於哪一類濾波器。Classify $H(e^{j\omega}) = \frac{1}{1-0.9e^{-j\omega}}$.$H(e^{j\omega}) = \frac{1}{1-0.9e^{-j\omega}}$ を分類しなさい。
解答Solution解答
低通濾波器Lowpass filterローパスフィルタ ,增益集中在 $\omega=0$ 附近。with gain concentrated near $\omega=0$.であり、ゲインは $\omega=0$ 付近に集中します。
證明對 $H(j\omega) = \frac{j\omega - a}{j\omega + a}$、$a>0$ 而言 $|H(j\omega)| = 1$。Show $|H(j\omega)| = 1$ for $H(j\omega) = \frac{j\omega - a}{j\omega + a}$, $a>0$.$H(j\omega) = \frac{j\omega - a}{j\omega + a}$、$a>0$ について $|H(j\omega)| = 1$ を示しなさい。
解答Solution解答
$y[n] = \frac{1}{M}\sum_{k=0}^{M-1} x[n-k]$,其中 $M=4$。求 $H(e^{j\omega})$。$y[n] = \frac{1}{M}\sum_{k=0}^{M-1} x[n-k]$ with $M=4$. Find $H(e^{j\omega})$.$M=4$ をもつ $y[n] = \frac{1}{M}\sum_{k=0}^{M-1} x[n-k]$。$H(e^{j\omega})$ を求めなさい。
解答Solution解答
低通濾波器,在 $\omega = \pi/2,\;\pi,\; 3\pi/2$ 處有零點凹陷。Lowpass filter with nulls at $\omega = \pi/2,\;\pi,\; 3\pi/2$.$\omega = \pi/2,\;\pi,\; 3\pi/2$ に零点をもつローパスフィルタです。
說明過渡帶寬度與時域振鈴之間的取捨關係。Explain the tradeoff between transition bandwidth and time-domain ringing.遷移帯域幅と時間領域のリンギングとのトレードオフを説明しなさい。
解答Solution解答
過渡帶越陡 $\Rightarrow$ 脈衝響應越長 $\Rightarrow$ 振鈴越明顯。脈衝響應越短 $\Rightarrow$ 過渡帶越寬。這就是時間─頻率的測不準原理。Sharper transition band $\Rightarrow$ longer impulse response $\Rightarrow$ more ringing. Shorter impulse response $\Rightarrow$ wider transition band. This is the time-frequency uncertainty principle.遷移帯域が急峻なほど $\Rightarrow$ インパルス応答は長くなり $\Rightarrow$ リンギングが増えます。インパルス応答が短いほど $\Rightarrow$ 遷移帯域は広くなります。これが時間・周波数の不確定性原理です。
一階系統 $H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega/\omega_c}$。說明上升時間與頻寬之間的關係。First-order system $H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega/\omega_c}$. Relate rise time to bandwidth.1 次システム $H(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega/\omega_c}$。立ち上がり時間と帯域幅の関係を示しなさい。
解答Solution解答
第 7 章:取樣Chapter 7: Sampling第 7 章:サンプリング
核心觀念Key Concepts重要概念
- 取樣定理(奈奎斯特):Sampling Theorem (Nyquist):標本化定理(ナイキスト): 若帶限信號在 $|\omega|>\omega_M$ 時滿足 $X(j\omega)=0$,則在下列條件下可由其取樣值唯一決定:A bandlimited signal with $X(j\omega)=0$ for $|\omega|>\omega_M$ is uniquely determined by its samples if:$|\omega|>\omega_M$ で $X(j\omega)=0$ となる帯域制限信号は、次の条件を満たすとき標本値によって一意に決まります:
$$\omega_s = \frac{2\pi}{T} \ge 2\omega_M \qquad\text{(Nyquist rate)}$$
- 脈衝串取樣:Impulse-Train Sampling:インパルス列標本化:
$$X_s(j\omega) = \frac{1}{T}\sum_{k=-\infty}^{\infty} X(j(\omega - k\omega_s))$$頻譜會以 $\omega_s$ 的整數倍重複出現。Spectrum replicates at multiples of $\omega_s$.スペクトルは $\omega_s$ の整数倍ごとに繰り返されます。
- 重建:Reconstruction:再構成: 截止頻率 $\omega_s/2$、增益 $T$ 的理想低通濾波器:Ideal lowpass with cutoff $\omega_s/2$, gain $T$:遮断周波数 $\omega_s/2$、ゲイン $T$ の理想ローパスフィルタ:
$$x(t) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x(nT)\,\frac{\sin\bigl(\omega_c(t-nT)\bigr)}{\omega_c(t-nT)/\pi}$$
- 混疊:Aliasing:エイリアシング: 若 $\omega_s < 2\omega_M$,頻譜的複本會重疊 — 造成不可逆的失真。If $\omega_s < 2\omega_M$, spectral copies overlap — irreversible distortion.$\omega_s < 2\omega_M$ の場合、スペクトルの複製が重なり — 不可逆な歪みが生じます。
- 零階保持:Zero-Order Hold:ゼロ次ホールド:
$$H_0(j\omega) = T\,e^{-j\omega T/2}\,\frac{\sin(\omega T/2)}{\omega T/2}$$
- 以離散時間處理連續時間信號:DT Processing of CT Signals:連続時間信号の離散時間処理: 當 $|\omega|<\pi/T$ 時 $H_{\text{eff}}(j\omega) = H(e^{j\omega T})$。$H_{\text{eff}}(j\omega) = H(e^{j\omega T})$ for $|\omega|<\pi/T$.$|\omega|<\pi/T$ のとき $H_{\text{eff}}(j\omega) = H(e^{j\omega T})$。
- 抽取/內插:Decimation/Interpolation:間引き/補間: 以 $M$ 倍降取樣,以 $L$ 倍升取樣。Downsampling by $M$, upsampling by $L$.$M$ でダウンサンプリング、$L$ でアップサンプリング。
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
求 $x(t) = 3\cos(50\pi t) + 10\sin(300\pi t) - \cos(100\pi t)$ 的奈奎斯特取樣率。Find the Nyquist rate for $x(t) = 3\cos(50\pi t) + 10\sin(300\pi t) - \cos(100\pi t)$.$x(t) = 3\cos(50\pi t) + 10\sin(300\pi t) - \cos(100\pi t)$ のナイキストレートを求めなさい。
解答Solution解答
$x(t) = \cos(2\pi\cdot 100\,t)$ 以 $f_s = 250$ Hz 取樣。重建後的頻率為何?$x(t) = \cos(2\pi\cdot 100\,t)$ sampled at $f_s = 250$ Hz. Reconstructed frequency?$x(t) = \cos(2\pi\cdot 100\,t)$ を $f_s = 250$ Hz で標本化します。再構成後の周波数は?
解答Solution解答
$f = 100 < f_s/2 = 125$ Hz $\Rightarrow$ 不會發生混疊。重建後的信號:$\cos(2\pi\cdot 100\,t)$。$f = 100 < f_s/2 = 125$ Hz $\Rightarrow$ no aliasing. Reconstructed signal: $\cos(2\pi\cdot 100\,t)$.$f = 100 < f_s/2 = 125$ Hz $\Rightarrow$ エイリアシングなし。再構成された信号:$\cos(2\pi\cdot 100\,t)$。
$x(t) = \cos(2\pi\cdot 300\,t)$ 以 $f_s = 500$ Hz 取樣。會出現什麼頻率?$x(t) = \cos(2\pi\cdot 300\,t)$ sampled at $f_s = 500$ Hz. What frequency appears?$x(t) = \cos(2\pi\cdot 300\,t)$ を $f_s = 500$ Hz で標本化します。どの周波数が現れますか。
解答Solution解答
當 $|\omega| > 1000\pi$ 時 $X(j\omega) = 0$。最大的 $T$ 是多少?$X(j\omega) = 0$ for $|\omega| > 1000\pi$. Maximum $T$?$|\omega| > 1000\pi$ のとき $X(j\omega) = 0$。$T$ の最大値は?
解答Solution解答
取樣值:$x[0]=1,\;x[1]=0,\;x[2]=-1,\;x[3]=0$,其中 $T=1$,理想低通濾波器截止於 $\omega_c=\pi$。Samples: $x[0]=1,\;x[1]=0,\;x[2]=-1,\;x[3]=0$ with $T=1$, ideal lowpass at $\omega_c=\pi$.標本値:$x[0]=1,\;x[1]=0,\;x[2]=-1,\;x[3]=0$($T=1$)、遮断周波数 $\omega_c=\pi$ の理想ローパスフィルタ。
解答Solution解答
描述零階保持器的頻率響應及其影響。Describe the frequency response of a ZOH and its effect.ゼロ次ホールドの周波数応答とその影響を説明しなさい。
解答Solution解答
sinc 形狀的振幅響應會使高頻部分下垂,並引入 $T/2$ 的延遲。Sinc-shaped magnitude causes droop at higher frequencies; introduces delay $T/2$.sinc 形の振幅特性により高域でレベルが低下し、$T/2$ の遅延が生じます。
連續時間信號($\omega_M=2000\pi$)以 $\omega_s=8000\pi$ 取樣。$|\omega|\le\pi/4$ 對應到哪一個連續時間頻率?CT signal ($\omega_M=2000\pi$) sampled at $\omega_s=8000\pi$. What CT frequency does $|\omega|\le\pi/4$ correspond to?連続時間信号($\omega_M=2000\pi$)を $\omega_s=8000\pi$ で標本化します。$|\omega|\le\pi/4$ はどの連続時間周波数に対応しますか。
解答Solution解答
信號頻率最高到 5 kHz,取樣率為 8 kHz。請設計抗混疊濾波器。Signal up to 5 kHz, sampling at 8 kHz. Design anti-aliasing filter.5 kHz までの信号を 8 kHz で標本化します。アンチエイリアシングフィルタを設計しなさい。
解答Solution解答
奈奎斯特:$f_s/2 = 4$ kHz $<$ 5 kHz $\Rightarrow$ 會發生混疊。必須在取樣前以截止頻率 $\le 4$ kHz 的低通濾波器濾除 4–5 kHz 的成分。Nyquist: $f_s/2 = 4$ kHz $<$ 5 kHz $\Rightarrow$ aliasing. Need lowpass with cutoff $\le 4$ kHz to remove 4–5 kHz content before sampling.ナイキスト:$f_s/2 = 4$ kHz $<$ 5 kHz $\Rightarrow$ エイリアシングが生じます。標本化の前に遮断周波数 $\le 4$ kHz のローパスフィルタで 4–5 kHz 成分を除去する必要があります。
當 $\pi/3 < |\omega| \le \pi$ 時 $X(e^{j\omega}) = 0$。以 3 倍降取樣:$y[n] = x[3n]$。$X(e^{j\omega}) = 0$ for $\pi/3 < |\omega| \le \pi$. Downsample by 3: $y[n] = x[3n]$.$\pi/3 < |\omega| \le \pi$ のとき $X(e^{j\omega}) = 0$。3 でダウンサンプリング:$y[n] = x[3n]$。
解答Solution解答
由於 $X$ 的頻寬限制在 $|\omega|<\pi/3$ 之內,不會發生重疊:$Y(e^{j\omega}) = \frac{1}{3}X(e^{j\omega/3})$。Since $X$ is bandlimited to $|\omega|<\pi/3$, no overlap: $Y(e^{j\omega}) = \frac{1}{3}X(e^{j\omega/3})$.$X$ は $|\omega|<\pi/3$ に帯域制限されているため重なりは生じません:$Y(e^{j\omega}) = \frac{1}{3}X(e^{j\omega/3})$。
說明離散時間的 2 倍內插。Describe DT interpolation by factor 2.離散時間における 2 倍補間を説明しなさい。
解答Solution解答
在相鄰取樣點之間插入一個零,再以截止頻率 $\pi/2$、增益 2 的低通濾波器濾波:Insert one zero between samples, then lowpass filter with cutoff $\pi/2$ and gain 2:標本の間に 0 を 1 つ挿入し、遮断周波数 $\pi/2$、ゲイン 2 のローパスフィルタを通します:
第 8 章:通訊系統Chapter 8: Communication Systems第 8 章:通信システム
核心觀念Key Concepts重要概念
- 振幅調變:Amplitude Modulation:振幅変調:
$$y(t) = x(t)\cos(\omega_c t) \;\Longrightarrow\; Y(j\omega) = \tfrac{1}{2}X(j(\omega-\omega_c)) + \tfrac{1}{2}X(j(\omega+\omega_c))$$
- 同步解調:Synchronous Demodulation:同期復調:
$$y(t)\cos(\omega_c t) = \tfrac{1}{2}x(t) + \tfrac{1}{2}x(t)\cos(2\omega_c t) \;\xrightarrow{\;\text{LPF}\;}\; \tfrac{1}{2}x(t)$$
- 非同步(包絡)檢波:Asynchronous (Envelope) Detection:非同期(包絡線)検波: $y(t) = [A+x(t)]\cos(\omega_c t)$。當 $A+x(t)>0$ 時可行。$y(t) = [A+x(t)]\cos(\omega_c t)$. Works when $A+x(t)>0$.$y(t) = [A+x(t)]\cos(\omega_c t)$。$A+x(t)>0$ のとき有効です。
- 分頻多工(FDM):FDM:周波数分割多重(FDM): 各信號調變到不同載波後共用同一個通道。Signals modulated to different carriers share one channel.異なる搬送波に変調された信号が 1 つの伝送路を共有します。
- 單邊帶(SSB):SSB:単側波帯(SSB): 只傳送一個邊帶 — 可節省一半的頻寬。Transmit one sideband only — saves half the bandwidth.片側の側波帯のみを送信 — 帯域幅を半分に節約できます。
- 頻率調變(FM):FM:周波数変調(FM): $\omega_i(t) = \omega_c + k_f x(t)$。頻寬比 AM 大,但抗雜訊能力較佳。$\omega_i(t) = \omega_c + k_f x(t)$. More bandwidth but better noise immunity than AM.$\omega_i(t) = \omega_c + k_f x(t)$。AM より帯域幅は広いが、雑音に強い。
- 卡森法則:Carson's Rule:カーソンの法則: $\text{BW} \approx 2(\Delta f + f_m)$.
- 分時多工(TDM):TDM:時分割多重(TDM): 各信號在時間上交錯排列。Signals interleaved in time.信号を時間的に交互に配置します。
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
$x(t)$ 的頻寬為 $W=5$ kHz。$y(t) = x(t)\cos(2\pi\cdot 100\text{k}\cdot t)$ 的頻寬是多少?$x(t)$ has bandwidth $W=5$ kHz. Bandwidth of $y(t) = x(t)\cos(2\pi\cdot 100\text{k}\cdot t)$?$x(t)$ の帯域幅は $W=5$ kHz です。$y(t) = x(t)\cos(2\pi\cdot 100\text{k}\cdot t)$ の帯域幅は?
解答Solution解答
頻譜位於 $[95, 105]$ kHz $\cup$ $[-105, -95]$ kHz。Spectrum at $[95, 105]$ kHz $\cup$ $[-105, -95]$ kHz.スペクトルは $[95, 105]$ kHz $\cup$ $[-105, -95]$ kHz にあります。
$y(t) = x(t)\cos(100t)$ 以 $\cos(100t)$ 解調後再經低通濾波。若 $x$ 的頻寬為 10 rad/s,輸出為何?$y(t) = x(t)\cos(100t)$ demodulated by $\cos(100t)$ then lowpass. Output if BW of $x$ is 10 rad/s?$y(t) = x(t)\cos(100t)$ を $\cos(100t)$ で復調し、その後ローパスフィルタを通します。$x$ の帯域幅が 10 rad/s のとき、出力は?
解答Solution解答
解調用載波存在相位誤差 $\phi$。輸出為何?Demodulating carrier has phase error $\phi$. Output?復調用の搬送波に位相誤差 $\phi$ があります。出力は?
解答Solution解答
衰減 $\cos\phi$ 倍。當 $\phi=90°$ 時輸出為零。Attenuation by $\cos\phi$. At $\phi=90°$, output is zero.$\cos\phi$ だけ減衰します。$\phi=90°$ のとき出力は 0 になります。
三個 4 kHz 的信號,保護頻帶為 1 kHz。Three 4 kHz signals, 1 kHz guard bands.4 kHz の信号 3 つ、ガードバンドは 1 kHz。
解答Solution解答
比較基頻為 5 kHz 時所需的頻寬。Compare bandwidth for 5 kHz baseband.5 kHz のベースバンド信号について帯域幅を比較しなさい。
解答Solution解答
$y(t) = [A+x(t)]\cos(\omega_c t)$、$\max|x(t)|=1$。最小的 $A$ 是多少?$y(t) = [A+x(t)]\cos(\omega_c t)$, $\max|x(t)|=1$. Minimum $A$?$y(t) = [A+x(t)]\cos(\omega_c t)$、$\max|x(t)|=1$。$A$ の最小値は?
解答Solution解答
以調變指數 $m$ 進行單音調變的傳統 AM。Conventional AM with tone modulation at index $m$.変調指数 $m$ の単一トーン変調による通常の AM。
解答Solution解答
當 $m=1$ 時:$\eta = \frac{1}{3} = 33\%$。大部分功率都落在載波上。At $m=1$: $\eta = \frac{1}{3} = 33\%$. Most power is in the carrier.$m=1$ のとき:$\eta = \frac{1}{3} = 33\%$。電力の大部分は搬送波にあります。
證明當 $\beta \ll 1$ 時,FM 的頻寬 $\approx$ AM 的頻寬。Show that for $\beta \ll 1$, FM bandwidth $\approx$ AM bandwidth.$\beta \ll 1$ のとき、FM の帯域幅が AM の帯域幅 $\approx$ であることを示しなさい。
解答Solution解答
頻寬為 $= 2f_m$,與 AM 相同。Bandwidth $= 2f_m$, same as AM.帯域幅は $= 2f_m$ で、AM と同じです。
$f_m = 15$ kHz、$\Delta f = 75$ kHz。$f_m = 15$ kHz, $\Delta f = 75$ kHz.$f_m = 15$ kHz、$\Delta f = 75$ kHz。
解答Solution解答
4 個信號,每個頻寬 4 kHz,以分時多工方式合併。4 signals, each 4 kHz bandwidth, TDM multiplexed.帯域幅 4 kHz の信号 4 つを時分割多重します。
解答Solution解答
第 9 章:拉普拉斯轉換Chapter 9: The Laplace Transform第 9 章:ラプラス変換
核心觀念Key Concepts重要概念
- 雙邊拉普拉斯轉換:Bilateral Laplace Transform:両側ラプラス変換:
$$X(s) = \int_{-\infty}^{\infty} x(t)\,e^{-st}\,dt, \qquad s = \sigma + j\omega$$當 $j\omega$ 軸落在收斂區域內時,傅立葉轉換就是 $X(j\omega) = X(s)\big|_{s=j\omega}$ 的特例。Fourier transform is the special case $X(j\omega) = X(s)\big|_{s=j\omega}$ when $j\omega$ axis is in ROC.$j\omega$ 軸が収束領域に含まれるとき、フーリエ変換は $X(j\omega) = X(s)\big|_{s=j\omega}$ の特別な場合になります。
- 收斂區域(ROC):Region of Convergence (ROC):収束領域(ROC):
- 右側信號:收斂區域位於最右邊極點的右方Right-sided signal: ROC right of the rightmost pole右側信号:収束領域は最も右の極より右側
- 左側信號:收斂區域位於最左邊極點的左方Left-sided signal: ROC left of the leftmost pole左側信号:収束領域は最も左の極より左側
- 雙邊信號:位於極點之間的帶狀區域Two-sided signal: strip between poles両側信号:極と極の間の帯状領域
- 因果且穩定 $\Rightarrow$ 所有極點都在左半平面,且收斂區域包含 $j\omega$ 軸Causal + stable $\Rightarrow$ all poles in LHP, ROC includes $j\omega$ axis因果的かつ安定 $\Rightarrow$ すべての極が左半平面にあり、収束領域は $j\omega$ 軸を含む
- 常見的轉換對:Common Pairs:代表的な変換対:
$$e^{-at}u(t) \;\longleftrightarrow\; \frac{1}{s+a},\;\text{ROC: Re}\{s\}>-a$$$$-e^{-at}u(-t) \;\longleftrightarrow\; \frac{1}{s+a},\;\text{ROC: Re}\{s\}<-a$$
- 性質:Properties:性質: 時間平移($e^{-st_0}X(s)$)、$s$ 域平移、微分($sX(s)$)、摺積($X\cdot H$)、初值與終值定理。Time shift ($e^{-st_0}X(s)$), $s$-domain shift, differentiation ($sX(s)$), convolution ($X\cdot H$), initial/final value theorems.時間シフト($e^{-st_0}X(s)$)、$s$ 領域のシフト、微分($sX(s)$)、畳み込み($X\cdot H$)、初期値・最終値の定理。
- 單邊轉換:Unilateral Transform:片側変換: 積分範圍從 $0^-$ 到 $\infty$。用於處理含初始條件的常微分方程式。Integration from $0^-$ to $\infty$. For ODEs with initial conditions.$0^-$ から $\infty$ まで積分します。初期条件つき常微分方程式に用います。
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
求 $x(t) = e^{-2t}u(t) + e^{-3t}u(t)$ 的 $X(s)$ 與收斂區域。Find $X(s)$ and ROC for $x(t) = e^{-2t}u(t) + e^{-3t}u(t)$.$x(t) = e^{-2t}u(t) + e^{-3t}u(t)$ について $X(s)$ と収束領域を求めなさい。
解答Solution解答
$X(s) = \frac{2s+4}{(s+1)(s+3)}$,收斂區域:Re$\{s\}>-1$。$X(s) = \frac{2s+4}{(s+1)(s+3)}$, ROC: Re$\{s\}>-1$.$X(s) = \frac{2s+4}{(s+1)(s+3)}$、収束領域:Re$\{s\}>-1$。
解答Solution解答
$H(s) = \frac{s+1}{(s+2)(s+3)}$。此因果系統是否穩定?$H(s) = \frac{s+1}{(s+2)(s+3)}$. Is the causal system stable?$H(s) = \frac{s+1}{(s+2)(s+3)}$。この因果システムは安定でしょうか。
解答Solution解答
零點在 $s=-1$。極點在 $s=-2, -3$(兩者皆在左半平面)。Zero at $s=-1$. Poles at $s=-2, -3$ (both in LHP).零点は $s=-1$。極は $s=-2, -3$(いずれも左半平面)。
$\frac{dy}{dt}+3y = e^{-t}u(t)$, $y(0^-)=1$.
解答Solution解答
$y(t) = te^{-t}u(t) * e^{-2t}u(t)$.
解答Solution解答
$X(s) = \frac{3s+7}{(s+1)(s+2)}$.
解答Solution解答
$\frac{d^2y}{dt^2} + 5\frac{dy}{dt} + 6y = \frac{dx}{dt} + x$.
解答Solution解答
(a) $H(s) = \frac{1}{s^2+4}$, (b) $H(s) = \frac{1}{s^2+2s+5}$.
解答Solution解答
(a) 極點在 $s = \pm 2j$(虛軸上)$\Rightarrow$(a) Poles at $s = \pm 2j$ (imaginary axis) $\Rightarrow$(a) 極は $s = \pm 2j$(虚軸上)$\Rightarrow$ 臨界穩定marginally stable限界安定.
(b) 極點在 $s = -1\pm 2j$(左半平面)$\Rightarrow$(b) Poles at $s = -1\pm 2j$ (LHP) $\Rightarrow$(b) 極は $s = -1\pm 2j$(左半平面)$\Rightarrow$ 穩定stable安定.
前向路徑 $G(s)=\frac{10}{s+1}$,回授 $H(s)=1$。閉迴路轉移函數為何?Forward path $G(s)=\frac{10}{s+1}$, feedback $H(s)=1$. Closed-loop TF?前向き経路 $G(s)=\frac{10}{s+1}$、フィードバック $H(s)=1$。閉ループ伝達関数は?
解答Solution解答
回授把極點從 $s=-1$ 移到 $s=-11$。Feedback moves the pole from $s=-1$ to $s=-11$.フィードバックにより極が $s=-1$ から $s=-11$ へ移動します。
$X(s) = \frac{1}{(s+1)(s-2)}$。求所有可能的 $x(t)$。$X(s) = \frac{1}{(s+1)(s-2)}$. Find all possible $x(t)$.$X(s) = \frac{1}{(s+1)(s-2)}$。可能な $x(t)$ をすべて求めなさい。
解答Solution解答
部分分式展開:$X(s) = \frac{1}{3}\!\left[\frac{-1}{s+1}+\frac{1}{s-2}\right]$。Partial fractions: $X(s) = \frac{1}{3}\!\left[\frac{-1}{s+1}+\frac{1}{s-2}\right]$.部分分数展開:$X(s) = \frac{1}{3}\!\left[\frac{-1}{s+1}+\frac{1}{s-2}\right]$。
第 10 章:z 轉換Chapter 10: The z-Transform第 10 章:z 変換
核心觀念Key Concepts重要概念
- z 轉換:z-Transform:z 変換:
$$X(z) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} x[n]\,z^{-n}, \qquad z = re^{j\omega}$$離散時間傅立葉轉換:當單位圓落在收斂區域內時,$X(e^{j\omega}) = X(z)\big|_{z=e^{j\omega}}$。DTFT: $X(e^{j\omega}) = X(z)\big|_{z=e^{j\omega}}$ when unit circle is in ROC.離散時間フーリエ変換:単位円が収束領域に含まれるとき $X(e^{j\omega}) = X(z)\big|_{z=e^{j\omega}}$。
- 收斂區域的規則:ROC Rules:収束領域の規則:
- 因果(右側):收斂區域在最外側極點之外Causal (right-sided): ROC outside outermost pole因果的(右側):収束領域は最も外側の極の外側
- 左側:收斂區域在最內側極點之內Left-sided: ROC inside innermost pole左側:収束領域は最も内側の極の内側
- 有限長度:整個 $z$ 平面(可能不含 $z=0$ 或 $\infty$)Finite-length: entire $z$-plane (possibly excluding $z=0$ or $\infty$)有限長:$z$ 平面全体($z=0$ または $\infty$ を除く場合あり)
- 因果且穩定:所有極點都在單位圓內Causal + stable: all poles inside unit circle因果的かつ安定:すべての極が単位円内
- 常見的轉換對:Common Pairs:代表的な変換対:
$$a^n u[n] \;\longleftrightarrow\; \frac{1}{1-az^{-1}} = \frac{z}{z-a}, \quad\text{ROC: }|z|>|a|$$$$-a^n u[-n-1] \;\longleftrightarrow\; \frac{1}{1-az^{-1}}, \quad\text{ROC: }|z|<|a|$$
- 性質:Properties:性質: 時間平移($z^{-n_0}X(z)$)、摺積($X\cdot H$)、$z$ 域微分($-z\frac{dX}{dz} \longleftrightarrow n\,x[n]$)。Time shift ($z^{-n_0}X(z)$), convolution ($X\cdot H$), $z$-domain differentiation ($-z\frac{dX}{dz} \longleftrightarrow n\,x[n]$).時間シフト($z^{-n_0}X(z)$)、畳み込み($X\cdot H$)、$z$ 領域での微分($-z\frac{dX}{dz} \longleftrightarrow n\,x[n]$)。
- 系統分析:System Analysis:システム解析: $H(z)=Y(z)/X(z)$。因果且穩定 $\Leftrightarrow$ 所有極點都在單位圓內。FIR:恆為穩定。$H(z)=Y(z)/X(z)$. Causal+stable $\Leftrightarrow$ all poles inside unit circle. FIR: always stable.$H(z)=Y(z)/X(z)$。因果的かつ安定 $\Leftrightarrow$ すべての極が単位円内。FIR は常に安定です。
- 對應關係:Mapping:対応関係: $z = e^{sT}$ 透過取樣把 $z$ 轉換與拉普拉斯轉換聯繫起來。$z = e^{sT}$ relates $z$-transform to Laplace through sampling.$z = e^{sT}$ は標本化を介して $z$ 変換とラプラス変換を結びつけます。
習題與解答Problems and Solutions問題と解答
$x[n] = (0.5)^n u[n]$.
解答Solution解答
$x[n] = (0.5)^n u[n] + (-\frac{1}{3})^n u[-n-1]$.
解答Solution解答
第一項的收斂區域:$|z|>0.5$。第二項(左側):收斂區域 $|z|<\frac{1}{3}$。First term ROC: $|z|>0.5$. Second term (left-sided): ROC $|z|<\frac{1}{3}$.第 1 項の収束領域:$|z|>0.5$。第 2 項(左側):収束領域 $|z|<\frac{1}{3}$。
交集為空($\frac{1}{3}<0.5$)$\Rightarrow$Intersection is empty ($\frac{1}{3}<0.5$) $\Rightarrow$共通部分は空($\frac{1}{3}<0.5$)$\Rightarrow$ 此信號的 z 轉換不存在z-transform does not existこの信号の z 変換は存在しません 。for this signal.。
$X(z) = \frac{z}{(z-0.5)(z-0.25)}$,收斂區域:$|z|>0.5$。$X(z) = \frac{z}{(z-0.5)(z-0.25)}$, ROC: $|z|>0.5$.$X(z) = \frac{z}{(z-0.5)(z-0.25)}$、収束領域:$|z|>0.5$。
解答Solution解答
$y[n] - 0.5y[n-1] + 0.06y[n-2] = x[n]$.
解答Solution解答
極點在 $z=0.2, 0.3$ — 兩者都在單位圓內 $\Rightarrow$Poles at $z=0.2, 0.3$ — both inside unit circle $\Rightarrow$極は $z=0.2, 0.3$ — いずれも単位円内 $\Rightarrow$ 因果且穩定causal and stable因果的かつ安定.
$y[n] = x[n] - x[n-2]$.
解答Solution解答
因果系統:$H(z) = \frac{1}{1-1.5z^{-1}}$。是否穩定?Causal system: $H(z) = \frac{1}{1-1.5z^{-1}}$. Stable?因果システム:$H(z) = \frac{1}{1-1.5z^{-1}}$。安定でしょうか。
解答Solution解答
不穩定。Not stable.安定ではありません。
$y[n]-0.5y[n-1] = \delta[n]+\delta[n-1]$、$y[-1]=2$。使用單邊 z 轉換。$y[n]-0.5y[n-1] = \delta[n]+\delta[n-1]$, $y[-1]=2$. Unilateral z-transform.$y[n]-0.5y[n-1] = \delta[n]+\delta[n-1]$、$y[-1]=2$。片側 z 変換を用います。
解答Solution解答
$H(z) = \frac{1+2z^{-1}}{1-0.5z^{-1}}$.
解答Solution解答
只用一個延遲元件儲存 $w[n-1]$,兩條路徑共用。One delay element stores $w[n-1]$, used in both paths.1 つの遅延素子が $w[n-1]$ を保持し、両方の経路で共用されます。
零點在 $z=1$,極點在 $z=0.95$。畫出 $|H(e^{j\omega})|$。Zero at $z=1$, pole at $z=0.95$. Sketch $|H(e^{j\omega})|$.零点は $z=1$、極は $z=0.95$。$|H(e^{j\omega})|$ を描きなさい。
解答Solution解答
高通濾波器Highpass filterハイパスフィルタ.
說明 $z = e^{sT}$ 如何把 $z$ 轉換與拉普拉斯轉換連結起來。Show how $z = e^{sT}$ connects $z$-transform to Laplace.$z = e^{sT}$ が $z$ 変換とラプラス変換をどう結びつけるかを示しなさい。
解答Solution解答
關鍵對應:Key mapping:重要な対応:
連續時間穩定(極點在左半平面)$\Leftrightarrow$ 離散時間穩定(極點在單位圓內)。Stable CT (poles in LHP) $\Leftrightarrow$ stable DT (poles inside unit circle).連続時間で安定(極が左半平面)$\Leftrightarrow$ 離散時間で安定(極が単位円内)。
其他 — 補充習題Others — Residual Problemsその他 — 残りの問題
這些是從每章十題的主要題組中移出的補充習題,仍然有用,但優先順序較次要。Auxiliary problems moved out of the main 10-problem-per-chapter set. Useful but secondary in priority.各章 10 問の本編から外した補助的な問題です。有用ですが優先度は低めです。
第 1 章:信號與系統Chapter 1: Signals and Systems第 1 章:信号とシステム
以單位步階函數表示矩形脈波:當 $|t| \le 1$ 時 $p(t) = 1$,其餘為 $0$。Express the rectangular pulse $p(t) = 1$ for $|t| \le 1$, $0$ otherwise, using unit step functions.$|t| \le 1$ のとき $p(t) = 1$、それ以外は $0$ となる矩形パルスを、単位ステップ関数で表しなさい。
解答Solution解答
計算 $x[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ 的能量。Compute the energy of $x[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$.$x[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ のエネルギーを求めなさい。
解答Solution解答
分類:(a) $y[n] = x[n]^2$,(b) $y[n] = x[n-1]$。Classify: (a) $y[n] = x[n]^2$, (b) $y[n] = x[n-1]$.分類しなさい:(a) $y[n] = x[n]^2$、(b) $y[n] = x[n-1]$。
解答Solution解答
(a) 輸出只取決於當前輸入 $\Rightarrow$(a) Output depends only on current input $\Rightarrow$(a) 出力は現在の入力だけで決まる $\Rightarrow$ 無記憶memoryless記憶なし.
(b) 輸出取決於過去的輸入 $\Rightarrow$(b) Output depends on past input $\Rightarrow$(b) 出力は過去の入力に依存する $\Rightarrow$ 有記憶has memory記憶あり.
系統 $y(t) = x^2(t)$ 是否可逆?Is the system $y(t) = x^2(t)$ invertible?システム $y(t) = x^2(t)$ は可逆でしょうか。
解答Solution解答
$x(t)$ 與 $-x(t)$ 會產生相同的輸出 $y(t) = x^2(t)$。不同的輸入對應到同一個輸出 $\Rightarrow$Both $x(t)$ and $-x(t)$ produce the same output $y(t) = x^2(t)$. Distinct inputs map to the same output $\Rightarrow$$x(t)$ と $-x(t)$ はいずれも同じ出力 $y(t) = x^2(t)$ を与えます。異なる入力が同じ出力に写るため $\Rightarrow$ 不可逆not invertible可逆ではありません.
證明對所有整數 $n$,$e^{j\omega n} = e^{j(\omega+2\pi)n}$ 都成立。Show that $e^{j\omega n} = e^{j(\omega+2\pi)n}$ for all integer $n$.すべての整数 $n$ について $e^{j\omega n} = e^{j(\omega+2\pi)n}$ が成り立つことを示しなさい。
解答Solution解答
由於 $n$ 為整數,$e^{j2\pi n}=1$。離散時間複數指數信號在頻率上以 $2\pi$ 為週期。Since $n$ is an integer, $e^{j2\pi n}=1$. DT complex exponentials are periodic in frequency with period $2\pi$.$n$ は整数なので $e^{j2\pi n}=1$。離散時間の複素指数信号は周波数について周期 $2\pi$ をもちます。
第 2 章:線性非時變系統Chapter 2: Linear Time-Invariant Systems第 2 章:線形時不変システム
計算 $x(t) * \delta(t-3)$。Compute $x(t) * \delta(t-3)$.$x(t) * \delta(t-3)$ を求めなさい。
解答Solution解答
與平移後的脈衝做摺積,等於把信號平移。Convolution with a shifted impulse simply shifts the signal.シフトしたインパルスとの畳み込みは、信号をそのままシフトするだけです。
計算 $p(t) = u(t) - u(t-1)$ 與自身的摺積。Compute the convolution of $p(t) = u(t) - u(t-1)$ with itself.$p(t) = u(t) - u(t-1)$ とそれ自身との畳み込みを求めなさい。
解答Solution解答
結果為三角脈波。The result is a triangular pulse.結果は三角パルスになります。
$h_1[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ 與 $h_2[n] = -\left(\frac{1}{3}\right)^n u[n]$ 並聯。$h_1[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ and $h_2[n] = -\left(\frac{1}{3}\right)^n u[n]$ in parallel.$h_1[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ と $h_2[n] = -\left(\frac{1}{3}\right)^n u[n]$ を並列接続します。
解答Solution解答
對 $x[n] = \delta[n] + 2\delta[n-1]$ 與 $h[n] = u[n]-u[n-3]$ 驗證 $x[n]*h[n] = h[n]*x[n]$。Verify $x[n]*h[n] = h[n]*x[n]$ for $x[n] = \delta[n] + 2\delta[n-1]$ and $h[n] = u[n]-u[n-3]$.$x[n] = \delta[n] + 2\delta[n-1]$ と $h[n] = u[n]-u[n-3]$ について $x[n]*h[n] = h[n]*x[n]$ を確かめなさい。
解答Solution解答
當 $n=0,1,2$ 時 $h[n] = \{1,1,1\}$。$h[n] = \{1,1,1\}$ for $n=0,1,2$.$n=0,1,2$ のとき $h[n] = \{1,1,1\}$。
兩者完全相同 $\Rightarrow$ 交換律成立。Both identical $\Rightarrow$ commutativity verified.両者は一致 $\Rightarrow$ 交換則が確かめられました。
證明 $h(t) = u(t)$ 的系統不是 BIBO 穩定。Show that the system with $h(t) = u(t)$ is not BIBO stable.$h(t) = u(t)$ をもつシステムが BIBO 安定でないことを示しなさい。
解答Solution解答
反例:$x(t)=u(t)$ 會得到 $y(t)=t\,u(t) \to \infty$。Counterexample: $x(t)=u(t)$ gives $y(t)=t\,u(t) \to \infty$.反例:$x(t)=u(t)$ とすると $y(t)=t\,u(t) \to \infty$ となります。 不穩定。Not stable.安定ではありません。
第 3 章:傅立葉級數Chapter 3: Fourier Series第 3 章:フーリエ級数
證明對實數且偶對稱的週期信號,$a_k$ 為實數且偶對稱。Show that for a real, even periodic signal, $a_k$ is real and even.実かつ偶の周期信号について、$a_k$ が実かつ偶であることを示しなさい。
解答Solution解答
實數信號:$a_k = a_{-k}^*$(共軛對稱)。Real signal: $a_k = a_{-k}^*$ (conjugate symmetry).実信号:$a_k = a_{-k}^*$(共役対称)。
偶信號:$a_k = a_{-k}$。Even signal: $a_k = a_{-k}$.偶信号:$a_k = a_{-k}$。
合併兩式:$a_k = a_k^* \Rightarrow a_k$ 為實數,且 $a_k = a_{-k} \Rightarrow$ 為偶對稱。Combining: $a_k = a_k^* \Rightarrow a_k$ is real. And $a_k = a_{-k} \Rightarrow$ even.両者を合わせると:$a_k = a_k^* \Rightarrow a_k$ は実数。さらに $a_k = a_{-k} \Rightarrow$ は偶対称です。
若 $x(t)$ 的係數為 $a_k$、$y(t)$ 的係數為 $b_k$(週期相同),求 $z(t)=x(t)y(t)$ 的 $c_k$。If $x(t)$ has coefficients $a_k$ and $y(t)$ has $b_k$ (same period), find $c_k$ for $z(t)=x(t)y(t)$.$x(t)$ の係数が $a_k$、$y(t)$ の係数が $b_k$(周期は同じ)のとき、$z(t)=x(t)y(t)$ の $c_k$ を求めなさい。
解答Solution解答
時域相乘 $\longleftrightarrow$ 係數的摺積。Multiplication in time $\longleftrightarrow$ convolution of coefficients.時間領域の乗算 $\longleftrightarrow$ 係数の畳み込み。
說明方波傅立葉級數的吉布斯現象。Explain the Gibbs phenomenon for the Fourier series of a square wave.方形波のフーリエ級数におけるギブス現象を説明しなさい。
解答Solution解答
只取到 $N$ 項會在不連續點附近產生振盪過衝。當 $N\to\infty$ 時,過衝的寬度變窄卻不會消失,其峰值約為不連續高度的 $\approx 9\%$。Truncating to $N$ terms causes oscillatory overshoot near discontinuities. As $N\to\infty$, the overshoot narrows but never vanishes, with peak overshoot $\approx 9\%$ of the discontinuity height.$N$ 項で打ち切ると不連続点付近で振動的なオーバーシュートが生じます。$N\to\infty$ としても幅が狭くなるだけで消えず、ピークは不連続の高さの $\approx 9\%$ になります。
$y[n] = \frac{1}{2}y[n-1] + x[n]$ 的輸入為週期 4 的週期信號。求輸出的係數。$y[n] = \frac{1}{2}y[n-1] + x[n]$ receives periodic input with period 4. Find output coefficients.$y[n] = \frac{1}{2}y[n-1] + x[n]$ に周期 4 の周期入力を加えます。出力の係数を求めなさい。
解答Solution解答
$a_0=1$、$a_1=a_{-1}=0.5$、$a_2=a_{-2}=0.2$,其餘皆為 $0$。求平均功率。$a_0=1$, $a_1=a_{-1}=0.5$, $a_2=a_{-2}=0.2$, all others $0$. Find the average power.$a_0=1$、$a_1=a_{-1}=0.5$、$a_2=a_{-2}=0.2$、それ以外はすべて $0$。平均電力を求めなさい。
解答Solution解答
直流成分所佔的功率比例:$1/1.58 = 63.3\%$。基波:$0.5/1.58 = 31.6\%$。DC power fraction: $1/1.58 = 63.3\%$. Fundamental: $0.5/1.58 = 31.6\%$.直流成分の電力比:$1/1.58 = 63.3\%$。基本波:$0.5/1.58 = 31.6\%$。
第 4 章:連續時間傅立葉轉換Chapter 4: CT Fourier Transform第 4 章:連続時間フーリエ変換
若 $X(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega}$,求 $x(2t)$ 的傅立葉轉換。If $X(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega}$, find the FT of $x(2t)$.$X(j\omega) = \frac{1}{1+j\omega}$ のとき、$x(2t)$ のフーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
利用對偶性求 $x(t) = \frac{1}{1+t^2}$ 的傅立葉轉換。Use duality to find the FT of $x(t) = \frac{1}{1+t^2}$.双対性を用いて $x(t) = \frac{1}{1+t^2}$ のフーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
已知:$e^{-|t|} \longleftrightarrow \frac{2}{1+\omega^2}$。由對偶性可得:$\frac{2}{1+t^2} \longleftrightarrow 2\pi\,e^{-|\omega|}$。Known: $e^{-|t|} \longleftrightarrow \frac{2}{1+\omega^2}$. By duality: $\frac{2}{1+t^2} \longleftrightarrow 2\pi\,e^{-|\omega|}$.既知:$e^{-|t|} \longleftrightarrow \frac{2}{1+\omega^2}$。双対性より:$\frac{2}{1+t^2} \longleftrightarrow 2\pi\,e^{-|\omega|}$。
求 $y(t) = \int_{-\infty}^{t} e^{-\tau}u(\tau)\,d\tau$ 的傅立葉轉換。Find the FT of $y(t) = \int_{-\infty}^{t} e^{-\tau}u(\tau)\,d\tau$.$y(t) = \int_{-\infty}^{t} e^{-\tau}u(\tau)\,d\tau$ のフーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
$y(t) = (1 - e^{-t})u(t)$.
證明在時間上壓縮 $x(t) = e^{-|t|}$ 會使其頻寬變寬。Show that compressing $x(t) = e^{-|t|}$ in time expands its bandwidth.$x(t) = e^{-|t|}$ を時間的に圧縮すると帯域幅が広がることを示しなさい。
解答Solution解答
時間壓縮為一半會使頻寬加倍 — 這是時間與頻率之間最基本的取捨。Compressing time by 2 doubles the bandwidth — a fundamental time-frequency trade-off.時間を 2 分の 1 に圧縮すると帯域幅は 2 倍になります — 時間と周波数の基本的なトレードオフです。
證明對實數信號而言,$|X(j\omega)|$ 為偶函數、$\angle X(j\omega)$ 為奇函數。Show that for a real signal, $|X(j\omega)|$ is even and $\angle X(j\omega)$ is odd.実信号について、$|X(j\omega)|$ が偶関数、$\angle X(j\omega)$ が奇関数であることを示しなさい。
解答Solution解答
對實數的 $x(t)$:$X(-j\omega) = X^*(j\omega)$。因此:For real $x(t)$: $X(-j\omega) = X^*(j\omega)$. Therefore:実数の $x(t)$ について:$X(-j\omega) = X^*(j\omega)$。したがって:
第 5 章:離散時間傅立葉轉換Chapter 5: DT Fourier Transform第 5 章:離散時間フーリエ変換
求 $y[n] = e^{j\pi n/4}\,x[n]$ 的離散時間傅立葉轉換。Find the DTFT of $y[n] = e^{j\pi n/4}\,x[n]$.$y[n] = e^{j\pi n/4}\,x[n]$ の離散時間フーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
對 $y[n] = x[n]\,(-1)^n$ 求 $Y(e^{j\omega})$。Find $Y(e^{j\omega})$ for $y[n] = x[n]\,(-1)^n$.$y[n] = x[n]\,(-1)^n$ のとき $Y(e^{j\omega})$ を求めなさい。
解答Solution解答
把頻譜平移 $\pi$:使低通 $\leftrightarrow$ 高通。Shifts spectrum by $\pi$: converts lowpass $\leftrightarrow$ highpass.スペクトルを $\pi$ だけ移動し、ローパスを $\leftrightarrow$ ハイパスに変えます。
對所有 $n$ 求 $x[n] = 1$ 的離散時間傅立葉轉換。Find the DTFT of $x[n] = 1$ for all $n$.すべての $n$ について $x[n] = 1$ の離散時間フーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
若 $x[n] = (0.5)^n u[n]$,且 $x_{(2)}[n]$ 為插入零之後的序列,求其離散時間傅立葉轉換。If $x[n] = (0.5)^n u[n]$ and $x_{(2)}[n]$ inserts zeros, find the DTFT.$x[n] = (0.5)^n u[n]$ とし、$x_{(2)}[n]$ が 0 を挿入した系列であるとき、離散時間フーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
求 $y[n] = n\,a^n u[n]$ 的離散時間傅立葉轉換。Find the DTFT of $y[n] = n\,a^n u[n]$.$y[n] = n\,a^n u[n]$ の離散時間フーリエ変換を求めなさい。
解答Solution解答
利用 $n\,x[n] \longleftrightarrow j\,\frac{dX(e^{j\omega})}{d\omega}$:Using $n\,x[n] \longleftrightarrow j\,\frac{dX(e^{j\omega})}{d\omega}$:$n\,x[n] \longleftrightarrow j\,\frac{dX(e^{j\omega})}{d\omega}$ を用いると:
第 6 章:時域與頻域特性Chapter 6: Time & Freq Characterization第 6 章:時間・周波数特性
對 $H(j\omega) = \frac{e^{-j3\omega}}{1+j\omega}$ 求 $\tau(\omega)$。Find $\tau(\omega)$ for $H(j\omega) = \frac{e^{-j3\omega}}{1+j\omega}$.$H(j\omega) = \frac{e^{-j3\omega}}{1+j\omega}$ のとき $\tau(\omega)$ を求めなさい。
解答Solution解答
兩個相同的一階低通濾波器(截止頻率 $\omega_c$)串聯。求 3dB 頻寬。Two identical first-order lowpass filters (cutoff $\omega_c$) cascaded. Find 3dB bandwidth.同一の 1 次ローパスフィルタ(遮断周波数 $\omega_c$)を 2 段縦続接続します。3dB 帯域幅を求めなさい。
解答Solution解答
極點在 $z = 0.9e^{\pm j\pi/4}$。響應的峰值出現在哪裡?Poles at $z = 0.9e^{\pm j\pi/4}$. Where is the peak response?極は $z = 0.9e^{\pm j\pi/4}$。応答のピークはどこですか。
解答Solution解答
極點的角度為 $= \pi/4$,因此 $|H(e^{j\omega})|$ 在 $\omega = \pi/4$ 附近達到峰值。這是一個Pole angle $= \pi/4$, so $|H(e^{j\omega})|$ peaks near $\omega = \pi/4$. This is a極の角度は $= \pi/4$ なので、$|H(e^{j\omega})|$ は $\omega = \pi/4$ 付近でピークになります。これは 帶通濾波器bandpass filterバンドパスフィルタです.
把 $|H| = 0.01,\; 1,\; 100$ 換算成 dB。Convert $|H| = 0.01,\; 1,\; 100$ to dB.$|H| = 0.01,\; 1,\; 100$ を dB に換算しなさい。
解答Solution解答
由低通濾波器 $H_{lp}(e^{j\omega})$ 設計出離散時間高通濾波器。Design a DT highpass from a lowpass $H_{lp}(e^{j\omega})$.ローパス $H_{lp}(e^{j\omega})$ から離散時間ハイパスフィルタを設計しなさい。
解答Solution解答
或者把脈衝響應乘上 $(-1)^n$,使頻譜平移 $\pi$。Or multiply impulse response by $(-1)^n$ to shift spectrum by $\pi$.あるいはインパルス応答に $(-1)^n$ を掛けて、スペクトルを $\pi$ だけ移動させます。
第 7 章:取樣Chapter 7: Sampling第 7 章:サンプリング
$x(t) = \cos(6000\pi t)$ 以每秒 8000 個取樣點進行取樣。$x(t) = \cos(6000\pi t)$ sampled at 8000 samples/sec.$x(t) = \cos(6000\pi t)$ を毎秒 8000 サンプルで標本化します。
解答Solution解答
為什麼過取樣在實務上很有用?Why is oversampling practically useful?オーバーサンプリングは実用上なぜ有用なのでしょうか。
解答Solution解答
抗混疊濾波器可以有較寬的過渡帶(類比濾波器較簡單);透過雜訊整形可降低帶內量化雜訊;重建也比較容易。Wider transition band for anti-aliasing filter (simpler analog filter). Reduces in-band quantization noise via noise shaping. Easier reconstruction.アンチエイリアシングフィルタの遷移帯域を広く取れる(アナログフィルタが簡単になる)。ノイズシェーピングにより帯域内の量子化雑音を低減できる。再構成も容易になる。
以 $1/T$ 取樣的連續時間信號,其離散時間微分器的頻率響應。Frequency response of DT differentiator for CT signals sampled at $1/T$.$1/T$ で標本化した連続時間信号に対する離散時間微分器の周波数応答。
解答Solution解答
帶通信號:900–1100 Hz。最低取樣率是多少?Bandpass signal: 900–1100 Hz. Minimum sampling rate?バンドパス信号:900–1100 Hz。最小標本化周波数は?
解答Solution解答
$T=1$ ms 的零階保持器。在 $f=400$ Hz 處的衰減量是多少?ZOH with $T=1$ ms. Attenuation at $f=400$ Hz?$T=1$ ms のゼロ次ホールド。$f=400$ Hz での減衰量は?
解答Solution解答
第 8 章:通訊系統Chapter 8: Communication Systems第 8 章:通信システム
4 kHz 的信號,以 8 kHz 進行 PAM。最小傳輸頻寬是多少?4 kHz signal, PAM at 8 kHz. Minimum transmission bandwidth?4 kHz の信号を 8 kHz で PAM します。最小伝送帯域幅は?
解答Solution解答
$f_c = 1$ MHz、$f_{\text{LO}} = 1.455$ MHz。$f_c = 1$ MHz, $f_{\text{LO}} = 1.455$ MHz.$f_c = 1$ MHz、$f_{\text{LO}} = 1.455$ MHz。
解答Solution解答
$y[n] = x[n]\cos(\pi n/4)$。頻譜為何?$y[n] = x[n]\cos(\pi n/4)$. Spectrum?$y[n] = x[n]\cos(\pi n/4)$。スペクトルは?
解答Solution解答
$y(t) = x_1\cos\omega_c t + x_2\sin\omega_c t$。還原出 $x_1, x_2$。$y(t) = x_1\cos\omega_c t + x_2\sin\omega_c t$. Recover $x_1, x_2$.$y(t) = x_1\cos\omega_c t + x_2\sin\omega_c t$。$x_1, x_2$ を復元しなさい。
解答Solution解答
乘上 $\cos\omega_c t$ 再經低通濾波 $\Rightarrow \frac{1}{2}x_1(t)$。乘上 $\sin\omega_c t$ 再經低通濾波 $\Rightarrow \frac{1}{2}x_2(t)$。Multiply by $\cos\omega_c t$ + LPF $\Rightarrow \frac{1}{2}x_1(t)$. Multiply by $\sin\omega_c t$ + LPF $\Rightarrow \frac{1}{2}x_2(t)$.$\cos\omega_c t$ を掛けて LPF $\Rightarrow \frac{1}{2}x_1(t)$。$\sin\omega_c t$ を掛けて LPF $\Rightarrow \frac{1}{2}x_2(t)$。
之所以可行,是因為 $\cos$ 與 $\sin$ 互相正交。Works because $\cos$ and $\sin$ are orthogonal.$\cos$ と $\sin$ が直交しているため成り立ちます。
4 kHz 的語音信號,$f_s = 8$ kHz,每個取樣 8 位元。4 kHz audio, $f_s = 8$ kHz, 8 bits/sample.4 kHz の音声、$f_s = 8$ kHz、1 標本あたり 8 ビット。
解答Solution解答
第 9 章:拉普拉斯轉換Chapter 9: Laplace Transform第 9 章:ラプラス変換
$x(t) = e^{-2t}u(t) - e^{3t}u(-t)$.
解答Solution解答
收斂區域包含 $j\omega$ 軸 $\Rightarrow$ 傅立葉轉換存在。ROC includes $j\omega$ axis $\Rightarrow$ Fourier transform exists.収束領域が $j\omega$ 軸を含む $\Rightarrow$ フーリエ変換が存在します。
$X(s) = \frac{1}{s+3}$。求 $t\,x(t)$ 的拉普拉斯轉換。$X(s) = \frac{1}{s+3}$. Laplace transform of $t\,x(t)$.$X(s) = \frac{1}{s+3}$。$t\,x(t)$ のラプラス変換。
解答Solution解答
求 $\omega_c=1$ 的二階巴特沃斯濾波器的 $H(s)$。Find $H(s)$ for 2nd-order Butterworth with $\omega_c=1$.$\omega_c=1$ をもつ 2 次バターワースの $H(s)$ を求めなさい。
解答Solution解答
極點在 $s = \frac{-1\pm j}{\sqrt{2}}$。Poles at $s = \frac{-1\pm j}{\sqrt{2}}$.極は $s = \frac{-1\pm j}{\sqrt{2}}$。
$x(t) \longleftrightarrow X(s)$,收斂區域為 $\mathcal{R}$。求 $x(3t)$ 的拉普拉斯轉換。$x(t) \longleftrightarrow X(s)$ with ROC $\mathcal{R}$. Find Laplace transform of $x(3t)$.$x(t) \longleftrightarrow X(s)$、収束領域は $\mathcal{R}$。$x(3t)$ のラプラス変換を求めなさい。
解答Solution解答
$H_1(s)=\frac{1}{s+1}$ 與 $H_2(s)=\frac{1}{s+2}$ 並聯。$H_1(s)=\frac{1}{s+1}$, $H_2(s)=\frac{1}{s+2}$ in parallel.$H_1(s)=\frac{1}{s+1}$ と $H_2(s)=\frac{1}{s+2}$ を並列接続します。
解答Solution解答
第 10 章:z 轉換Chapter 10: z-Transform第 10 章:z 変換
$H(z) = \frac{z-1}{z-0.9}$。在 $\omega=0$ 與 $\omega=\pi$ 處計算 $|H(e^{j\omega})|$。$H(z) = \frac{z-1}{z-0.9}$. Evaluate $|H(e^{j\omega})|$ at $\omega=0$ and $\omega=\pi$.$H(z) = \frac{z-1}{z-0.9}$。$\omega=0$ と $\omega=\pi$ で $|H(e^{j\omega})|$ を評価しなさい。
解答Solution解答
零點在 $\omega=0$ $\Rightarrow$ 為高通濾波器。Zero at $\omega=0$ $\Rightarrow$ highpass filter.$\omega=0$ に零点 $\Rightarrow$ ハイパスフィルタです。
$H(z) = \frac{z-0.5}{(z-0.5)(z-0.8)}$.
解答Solution解答
$x[n] = n(0.5)^n u[n]$.
解答Solution解答
$H(z) = \frac{1-0.5z^{-1}}{1-0.8z^{-1}}$。求其逆系統。$H(z) = \frac{1-0.5z^{-1}}{1-0.8z^{-1}}$. Find inverse system.$H(z) = \frac{1-0.5z^{-1}}{1-0.8z^{-1}}$。逆システムを求めなさい。
解答Solution解答
極點在 $z=0.5$(位於單位圓內)$\Rightarrow$ 因果的逆系統為穩定。Pole at $z=0.5$ (inside unit circle) $\Rightarrow$ causal inverse is stable.極は $z=0.5$(単位円内)$\Rightarrow$ 因果的な逆システムは安定です。
$H(z) = \frac{1+z^{-1}}{(1-0.5z^{-1})(1+0.3z^{-1})}$.