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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 1.1:信號能量Problem 1.1: Signal Energy問題 1.1:信号エネルギー簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$E = \int_0^{\infty} |e^{-2t}|^2\,dt = \int_0^{\infty} e^{-4t}\,dt = \left[-\frac{1}{4}e^{-4t}\right]_0^{\infty} = \frac{1}{4}$$
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:

$$E = \int_{-\infty}^{\infty} |x(t)|^2\,dt \quad\text{(CT)}, \qquad E = \sum_{n=-\infty}^{\infty} |x[n]|^2 \quad\text{(DT)}$$

$|\cdot|^2$ 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:

$$E = \int_{-\infty}^{\infty} |x(t)|^2\,dt = \int_0^{\infty} \bigl(e^{-2t}\bigr)^2 dt = \int_0^{\infty} e^{-4t}\,dt$$
$$= \left[-\frac{1}{4}e^{-4t}\right]_0^{\infty} = 0 - \left(-\frac{1}{4}\right) = \frac{1}{4}$$

$E = \tfrac{1}{4}$ 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.

問題 1.2:時間變換Problem 1.2: Time Transformation問題 1.2:時間変換中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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。

問題 1.3:偶奇分解Problem 1.3: Even-Odd Decomposition問題 1.3:偶奇分解簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$x_e(t) = \tfrac{1}{2}\bigl[e^{t}u(t) + e^{-t}u(-t)\bigr]$$
$$x_o(t) = \tfrac{1}{2}\bigl[e^{t}u(t) - e^{-t}u(-t)\bigr]$$
問題 1.4:離散時間信號的週期性Problem 1.4: Periodicity of DT Signals問題 1.4:離散時間信号の周期性中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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:

$$\frac{6\pi}{7}\,N = 2\pi m \;\Longrightarrow\; N = \frac{7m}{3}$$

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。

問題 1.5:連續時間信號的週期性Problem 1.5: Periodicity of CT Signals問題 1.5:連続時間信号の周期性簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$x(t) = \cos(2t) + \sin(\pi t)$ 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.

問題 1.7:線性檢驗Problem 1.7: Linearity Test問題 1.7:線形性の判定簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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:

$$y_3(t) = t\bigl[ax_1(t)+bx_2(t)\bigr] = a\,t\,x_1(t) + b\,t\,x_2(t) = ay_1(t) + by_2(t)$$

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.

第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 1.8:非時變性檢驗Problem 1.8: Time Invariance Test問題 1.8:時不変性の判定中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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.

問題 1.9:因果性與穩定性Problem 1.9: Causality and Stability問題 1.9:因果性と安定性簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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.

問題 1.10:信號功率Problem 1.10: Signal Power問題 1.10:信号の電力簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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
$$P = \frac{1}{T}\int_0^{T} A^2\cos^2(\omega_0 t+\phi)\,dt = \frac{A^2}{2}$$

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。

問題 1.15:系統性質綜合判斷Problem 1.15: System Properties Combined問題 1.15:システム性質の総合判定中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 2.1:離散時間摺積Problem 2.1: DT Convolution問題 2.1:離散時間の畳み込み中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$\begin{aligned} y[0] &= 1\cdot1 = 1\\ y[1] &= 1\cdot1 + 2\cdot1 = 3\\ y[2] &= 1\cdot1 + 2\cdot1 + 1\cdot1 = 4\\ y[3] &= 2\cdot1 + 1\cdot1 = 3\\ y[4] &= 1\cdot1 = 1 \end{aligned}$$

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 $y[n] = \{1, 3, 4, 3, 1\}$。

問題 2.2:指數信號的連續時間摺積Problem 2.2: CT Convolution with Exponentials問題 2.2:指数信号の連続時間畳み込み簡單Easy第一級Tier 1レベル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
$$y(t) = \int_0^{t} e^{-\tau}\,d\tau = \bigl[-e^{-\tau}\bigr]_0^{t} = 1 - e^{-t}, \quad t \ge 0$$
$$y(t) = (1 - e^{-t})\,u(t)$$
問題 2.3:兩個指數信號的摺積Problem 2.3: Convolution of Two Exponentials問題 2.3:2 つの指数信号の畳み込み中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$y(t) = \int_0^{t} e^{-a\tau}\,e^{-b(t-\tau)}\,d\tau = e^{-bt}\int_0^{t} e^{(b-a)\tau}\,d\tau$$
$$\boxed{y(t) = \frac{1}{a-b}\bigl(e^{-bt} - e^{-at}\bigr)\,u(t)}$$
問題 2.4:由脈衝響應判斷穩定性Problem 2.4: Stability from Impulse Response問題 2.4:インパルス応答からの安定性判定簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\int_{-\infty}^{\infty}|h(t)|\,dt = \int_{-\infty}^{0} e^{2t}\,dt = \frac{1}{2} < \infty$$

積分收斂 $\Rightarrow$The integral converges $\Rightarrow$積分は収束する $\Rightarrow$ 穩定stable安定です.

問題 2.5:因果性與穩定性檢查Problem 2.5: Causality and Stability Check問題 2.5:因果性と安定性の確認簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$h[n] = \left(\frac{1}{3}\right)^n u[n] + \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ 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:

$$\sum|h[n]| = \sum_{n=0}^{\infty}\left(\frac{1}{3}\right)^n + \sum_{n=0}^{\infty}\left(\frac{1}{2}\right)^n = \frac{3}{2} + 2 = \frac{7}{2} < \infty \;\Rightarrow\; \text{yes.}$$
問題 2.7:串聯的線性非時變系統Problem 2.7: Cascade LTI Systems問題 2.7:縦続接続された線形時不変システム中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$h(t) = h_1(t)*h_2(t) = \frac{1}{2-1}\bigl(e^{-t} - e^{-2t}\bigr)u(t) = \bigl(e^{-t} - e^{-2t}\bigr)u(t)$$
第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 2.8:差分方程式Problem 2.8: Difference Equation問題 2.8:差分方程式中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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:

$$y[0] = 1,\quad y[1] = \tfrac{1}{2},\quad y[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n,\; n \ge 0$$
$$\boxed{h[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]}$$
問題 2.10:步階響應Problem 2.10: Step Response問題 2.10:ステップ応答簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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
$$s(t) = \int_0^{t} e^{-3\tau}\,d\tau = \frac{1}{3}\bigl(1 - e^{-3t}\bigr)\,u(t)$$
問題 2.12:連續時間微分方程式Problem 2.12: CT Differential Equation問題 2.12:連続時間の微分方程式簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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
$$\boxed{h(t) = e^{-2t}\,u(t)}$$
問題 2.15:與延遲脈衝串的摺積Problem 2.15: Convolution with Delayed Impulse Train問題 2.15:遅延インパルス列との畳み込み簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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
$$y[n] = x[n] + x[n-2] = a^n u[n] + a^{n-2}u[n-2]$$

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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 3.1:方波的連續時間傅立葉係數Problem 3.1: CT Fourier Coefficients of Square Wave問題 3.1:方形波の連続時間フーリエ係数中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$a_k = \frac{1}{T}\int_{-T_1}^{T_1} e^{-jk\omega_0 t}\,dt = \frac{2\sin(k\omega_0 T_1)}{k\omega_0 T}, \qquad a_0 = \frac{2T_1}{T}$$
問題 3.2:餘弦函數的傅立葉級數Problem 3.2: Fourier Series of Cosine問題 3.2:余弦波のフーリエ級数簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\cos(3t) = \tfrac{1}{2}e^{j3t} + \tfrac{1}{2}e^{-j3t} \;\Longrightarrow\; a_1 = \tfrac{1}{2},\; a_{-1} = \tfrac{1}{2},\; \text{all others } 0$$
問題 3.3:離散時間傅立葉級數Problem 3.3: DT Fourier Series問題 3.3:離散時間フーリエ級数簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\cos\!\left(\frac{\pi n}{2}\right) = \tfrac{1}{2}e^{j(\pi/2)n} + \tfrac{1}{2}e^{-j(\pi/2)n}$$

$a_1 = \frac{1}{2}$、$a_3 = a_{-1} = \frac{1}{2}$(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)、$a_0 = a_2 = 0$。

問題 3.4:帕塞瓦定理的應用Problem 3.4: Parseval's Theorem Application問題 3.4:パーセバルの定理の応用中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$\sum_{k=-\infty}^{\infty}|a_k|^2 = \frac{1}{T}\int_T |x(t)|^2\,dt = \frac{1}{T}\cdot 2T_1 = \frac{2T_1}{T} = \frac{1}{2}$$
問題 3.5:時間平移的影響Problem 3.5: Time Shift Effect問題 3.5:時間シフトの影響簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$b_k = a_k\, e^{-jk\omega_0 t_0}$$

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。

問題 3.7:方波通過 RC 低通濾波器Problem 3.7: RC Lowpass Filter on Square Wave問題 3.7:方形波に対する RC ローパスフィルタ中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$b_k = H(jk\omega_0)\,a_k = \frac{1}{1+jk\omega_0 RC}\cdot\frac{\sin(k\pi/2)}{k\pi}$$

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。

第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 3.8:離散時間脈衝串Problem 3.8: DT Impulse Train問題 3.8:離散時間インパルス列中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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
$$a_k = \frac{1}{N}\sum_{n=0}^{N-1}\delta[n]\,e^{-jk(2\pi/N)n} = \frac{1}{N} \quad \text{for all } k$$

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。

問題 3.10:鋸齒波Problem 3.10: Sawtooth Wave問題 3.10:のこぎり波困難Hard第二級Tier 2レベル2?

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
$$a_0 = 0 \quad\text{(odd function)}$$
$$a_k = \frac{j(-1)^{k+1}}{2\pi k}, \quad k \ne 0$$
問題 3.11:離散時間矩形脈波Problem 3.11: DT Rectangular Pulse問題 3.11:離散時間の矩形パルス困難Hard第二級Tier 2レベル2?

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
$$a_k = \frac{1}{5}\sum_{n=0}^{2} e^{-jk(2\pi/5)n} = \frac{1}{5}\cdot\frac{\sin(3\pi k/5)}{\sin(\pi k/5)}\,e^{-j2\pi k/5}, \qquad a_0 = \frac{3}{5}$$
問題 3.12:頻率整形(微分器)Problem 3.12: Frequency Shaping (Differentiator)問題 3.12:周波数整形(微分器)簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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
$$b_k = H(jk\omega_0)\,a_k = jk\omega_0\, a_k$$

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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 4.1:衰減指數信號的傅立葉轉換Problem 4.1: FT of Decaying Exponential問題 4.1:減衰指数信号のフーリエ変換簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$X(j\omega) = \int_0^{\infty} e^{-3t}e^{-j\omega t}\,dt = \int_0^{\infty}e^{-(3+j\omega)t}\,dt = \frac{1}{3+j\omega}$$
$$|X(j\omega)| = \frac{1}{\sqrt{9+\omega^2}}, \qquad \angle X(j\omega) = -\arctan\!\left(\frac{\omega}{3}\right)$$
問題 4.2:雙邊指數信號的傅立葉轉換Problem 4.2: FT of Two-Sided Exponential問題 4.2:両側指数信号のフーリエ変換中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$X(j\omega) = \int_{-\infty}^{0} e^{t} e^{-j\omega t}\,dt + \int_0^{\infty} e^{-t}e^{-j\omega t}\,dt = \frac{1}{1-j\omega} + \frac{1}{1+j\omega} = \frac{2}{1+\omega^2}$$
問題 4.3:反傅立葉轉換Problem 4.3: Inverse FT問題 4.3:逆フーリエ変換簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$x(t) = \frac{1}{2\pi}\bigl[2\pi + \pi e^{j4t} + \pi e^{-j4t}\bigr] = 1 + \cos(4t)$$
問題 4.4:摺積性質Problem 4.4: Convolution Property問題 4.4:畳み込みの性質中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$Y(j\omega) = \frac{1}{(2+j\omega)(3+j\omega)} = \frac{1}{2+j\omega} - \frac{1}{3+j\omega}$$
$$\boxed{y(t) = \bigl(e^{-2t} - e^{-3t}\bigr)\,u(t)}$$
問題 4.6:微分性質Problem 4.6: Differentiation Property問題 4.6:微分の性質簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$Y(j\omega) = j\omega\cdot X(j\omega) = \frac{j\omega}{1+j\omega}$$

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。

問題 4.7:帕塞瓦定理Problem 4.7: Parseval's Theorem問題 4.7:パーセバルの定理中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$\int_{-\infty}^{\infty}|x(t)|^2\,dt = \int_0^{\infty} e^{-2t}\,dt = \frac{1}{2}$$
$$\frac{1}{2\pi}\int|X(j\omega)|^2\,d\omega = \frac{1}{2} \;\Longrightarrow\; \boxed{\int|X(j\omega)|^2\,d\omega = \pi}$$
第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 4.9:矩形脈波Problem 4.9: Rectangular Pulse問題 4.9:矩形パルス簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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
$$X(j\omega) = \int_{-T}^{T} e^{-j\omega t}\,dt = \frac{2\sin(\omega T)}{\omega}$$
問題 4.10:頻率平移(調變)Problem 4.10: Frequency Shift (Modulation)問題 4.10:周波数シフト(変調)簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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
$$Y(j\omega) = \frac{1}{2}X(j(\omega-\omega_c)) + \frac{1}{2}X(j(\omega+\omega_c))$$

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)。

問題 4.11:以傅立葉轉換求系統輸出Problem 4.11: System Output via FT問題 4.11:フーリエ変換によるシステム出力中等Medium第二級Tier 2レベル2?

$H(j\omega) = \frac{1}{2+j\omega}$,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
$$Y(j\omega) = \frac{1}{(1+j\omega)(2+j\omega)} = \frac{1}{1+j\omega} - \frac{1}{2+j\omega}$$
$$y(t) = \bigl(e^{-t} - e^{-2t}\bigr)\,u(t)$$
問題 4.15:脈衝串的傅立葉轉換Problem 4.15: FT of Impulse Train問題 4.15:インパルス列のフーリエ変換困難Hard第二級Tier 2レベル2?

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
$$X(j\omega) = \frac{2\pi}{T}\sum_{k=-\infty}^{\infty}\delta\!\left(\omega - \frac{2\pi k}{T}\right) = \omega_s\sum_{k=-\infty}^{\infty}\delta(\omega - k\omega_s)$$

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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 5.1:等比序列的離散時間傅立葉轉換Problem 5.1: DTFT of Geometric Sequence問題 5.1:等比数列の離散時間フーリエ変換簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$X(e^{j\omega}) = \sum_{n=0}^{\infty}(0.5\,e^{-j\omega})^n = \frac{1}{1 - 0.5\,e^{-j\omega}}$$
問題 5.2:有限長度序列的離散時間傅立葉轉換Problem 5.2: DTFT of Finite-Length Sequence問題 5.2:有限長系列の離散時間フーリエ変換中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$X(e^{j\omega}) = \sum_{n=0}^{4} e^{-j\omega n} = \frac{1 - e^{-j5\omega}}{1 - e^{-j\omega}} = e^{-j2\omega}\,\frac{\sin(5\omega/2)}{\sin(\omega/2)}$$
問題 5.3:反離散時間傅立葉轉換Problem 5.3: Inverse DTFT問題 5.3:逆離散時間フーリエ変換中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$x[n] = \frac{1}{2\pi}\int_{-W}^{W} e^{j\omega n}\,d\omega = \frac{\sin(Wn)}{\pi n}$$

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。

問題 5.4:以離散時間傅立葉轉換計算摺積Problem 5.4: Convolution via DTFT問題 5.4:離散時間フーリエ変換による畳み込み中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$Y(e^{j\omega}) = \frac{1}{(1-0.5e^{-j\omega})(1-0.25e^{-j\omega})} = \frac{2}{1-0.5e^{-j\omega}} - \frac{1}{1-0.25e^{-j\omega}}$$
$$\boxed{y[n] = \bigl[2(0.5)^n - (0.25)^n\bigr]\,u[n]}$$
問題 5.5:時間平移性質Problem 5.5: Time Shift Property問題 5.5:時間シフトの性質簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\mathcal{F}\{x[n-3]\} = e^{-j3\omega}\,X(e^{j\omega}) = \frac{e^{-j3\omega}}{1-0.5e^{-j\omega}}$$
問題 5.6:離散時間的帕塞瓦定理Problem 5.6: Parseval's for DT問題 5.6:離散時間のパーセバルの定理簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\sum_{n=0}^{\infty}(0.64)^n = \frac{1}{1-0.64} = \frac{25}{9}$$
第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 5.8:雙邊指數序列Problem 5.8: Two-Sided Exponential問題 5.8:両側指数系列困難Hard第二級Tier 2レベル2?

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
$$X(e^{j\omega}) = \frac{1}{1-ae^{j\omega}} - 1 + \frac{1}{1-ae^{-j\omega}} = \frac{1-a^2}{1-2a\cos\omega+a^2}$$
問題 5.9:差分方程式的頻率響應Problem 5.9: Difference Equation Frequency Response問題 5.9:差分方程式の周波数応答中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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
$$H(e^{j\omega}) = \frac{1+e^{-j\omega}}{1-0.5e^{-j\omega}}$$

$|H(e^{j0})| = 2/0.5 = 4$、$|H(e^{j\pi})| = 0/1.5 = 0$,$\Rightarrow$ 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。

問題 5.11:單位步階的離散時間傅立葉轉換Problem 5.11: DTFT of Unit Step問題 5.11:単位ステップの離散時間フーリエ変換困難Hard第二級Tier 2レベル2?

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
$$U(e^{j\omega}) = \frac{1}{1-e^{-j\omega}} + \pi\sum_{k=-\infty}^{\infty}\delta(\omega - 2\pi k)$$

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。

問題 5.12:累加器的頻率響應Problem 5.12: Accumulator Frequency Response問題 5.12:アキュムレータの周波数応答困難Hard第二級Tier 2レベル2?

$y[n] = \sum_{k=-\infty}^{n} x[k]$。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
$$H(e^{j\omega}) = \frac{1}{1-e^{-j\omega}} + \pi\,\delta(\omega)$$

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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 6.1:波德圖Problem 6.1: Bode Plot問題 6.1:ボード線図中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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。

問題 6.3:理想低通濾波器的脈衝響應Problem 6.3: Ideal Lowpass Impulse Response問題 6.3:理想ローパスフィルタのインパルス応答中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$h(t) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\omega_c}^{\omega_c} e^{j\omega t}\,d\omega = \frac{\sin(\omega_c t)}{\pi t}$$

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。

問題 6.4:一階 RC 電路的截止頻率Problem 6.4: First-Order RC Cutoff問題 6.4:1 次 RC 回路の遮断周波数簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\omega_c = \frac{1}{RC} = \frac{1}{10^3\cdot 10^{-6}} = 1000\;\text{rad/s}, \qquad f_c = \frac{\omega_c}{2\pi} \approx 159.2\;\text{Hz}$$
問題 6.5:二階系統的共振Problem 6.5: Second-Order Resonance問題 6.5:2 次系の共振中等Medium第一級Tier 1レベル1?

$\omega_n = 10$、$\zeta = 0.1$。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
$$\omega_r = \omega_n\sqrt{1-2\zeta^2} = 10\sqrt{0.98} \approx 9.9\;\text{rad/s}$$
$$|H|_{\max} = \frac{1}{2\zeta\sqrt{1-\zeta^2}} \approx 5.025 = 14.0\;\text{dB}$$
問題 6.6:線性相位 = 無失真Problem 6.6: Linear Phase = No Distortion問題 6.6:線形位相=無歪み簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$H(j\omega) = Ke^{-j\alpha\omega} \;\Longrightarrow\; Y(j\omega) = Ke^{-j\alpha\omega}X(j\omega) \;\Longrightarrow\; y(t) = K\,x(t-\alpha)$$

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。

問題 6.7:離散時間一階系統Problem 6.7: DT First-Order System問題 6.7:離散時間 1 次システム簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$|H(e^{j0})| = \frac{1}{0.1} = 10, \qquad |H(e^{j\pi})| = \frac{1}{1.9} \approx 0.53$$

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。

第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 6.8:全通濾波器Problem 6.8: Allpass Filter問題 6.8:オールパスフィルタ中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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
$$|H(j\omega)|^2 = \frac{(j\omega-a)(-j\omega-a)}{(j\omega+a)(-j\omega+a)} = \frac{\omega^2+a^2}{\omega^2+a^2} = 1$$
問題 6.10:移動平均濾波器Problem 6.10: Moving Average Filter問題 6.10:移動平均フィルタ中等Medium第二級Tier 2レベル2?

$y[n] = \frac{1}{M}\sum_{k=0}^{M-1} x[n-k]$,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
$$H(e^{j\omega}) = \frac{1}{4}\sum_{k=0}^{3}e^{-jk\omega} = \frac{1}{4}\,e^{-j3\omega/2}\,\frac{\sin(2\omega)}{\sin(\omega/2)}$$

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。

問題 6.13:濾波器的取捨Problem 6.13: Filter Tradeoffs問題 6.13:フィルタのトレードオフ簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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。

問題 6.15:上升時間與頻寬Problem 6.15: Rise Time vs Bandwidth問題 6.15:立ち上がり時間と帯域幅中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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
$$s(t) = (1-e^{-\omega_c t})\,u(t), \qquad t_r \approx \frac{2.2}{\omega_c}$$
$$t_r \cdot \text{BW} \approx 2.2 = \text{const.} \quad\Rightarrow\quad \text{wider BW} = \text{faster rise}$$

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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 7.1:奈奎斯特取樣率Problem 7.1: Nyquist Rate問題 7.1:ナイキストレート簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\omega_M = 300\pi\;\text{rad/s} \quad(f_M = 150\;\text{Hz})$$
$$\boxed{\text{Nyquist rate} = 2f_M = 300\;\text{Hz}}$$
問題 7.2:正弦信號的取樣Problem 7.2: Sampling a Sinusoid問題 7.2:正弦波の標本化簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$x(t) = \cos(2\pi\cdot 100\,t)$ 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:$\cos(2\pi\cdot 100\,t)$。

問題 7.3:混疊Problem 7.3: Aliasing問題 7.3:エイリアシング簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$x(t) = \cos(2\pi\cdot 300\,t)$ 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
$$f = 300 > f_s/2 = 250 \;\Rightarrow\; f_{\text{alias}} = |f - f_s| = 200\;\text{Hz}$$
問題 7.4:最大取樣間隔Problem 7.4: Maximum Sampling Interval問題 7.4:最大標本化間隔簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$T \le \frac{\pi}{\omega_M} = \frac{\pi}{1000\pi} = 1\;\text{ms}, \qquad f_s \ge 1000\;\text{Hz}$$
問題 7.5:重建公式Problem 7.5: Reconstruction Formula問題 7.5:再構成公式中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$x(t) = \sum_n x[n]\,\frac{\sin(\pi(t-n))}{\pi(t-n)} = \text{sinc}(\pi t) - \text{sinc}(\pi(t-2))$$
問題 7.6:零階保持的影響Problem 7.6: Zero-Order Hold Effect問題 7.6:ゼロ次ホールドの影響中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$H_0(j\omega) = T\,e^{-j\omega T/2}\,\operatorname{sinc}\!\left(\frac{\omega T}{2\pi}\right)$$

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。

第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 7.7:離散時間到連續時間的頻率對應Problem 7.7: DT-to-CT Frequency Mapping問題 7.7:離散時間から連続時間への周波数対応中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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
$$\omega_{\text{CT}} = \frac{\omega_{\text{DT}}}{T} = \omega_{\text{DT}}\cdot\frac{f_s}{1} \;\Rightarrow\; \frac{\pi/4}{2\pi}\cdot 8000\pi = 1000\pi\;\text{rad/s}$$
問題 7.8:抗混疊濾波器Problem 7.8: Anti-Aliasing Filter問題 7.8:アンチエイリアシングフィルタ簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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。

問題 7.9:抽取Problem 7.9: Decimation問題 7.9:間引き困難Hard第二級Tier 2レベル2?

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
$$Y(e^{j\omega}) = \frac{1}{3}\sum_{k=0}^{2} X\!\left(e^{j(\omega-2\pi k)/3}\right)$$

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:$Y(e^{j\omega}) = \frac{1}{3}X(e^{j\omega/3})$。

問題 7.10:$L=2$ 倍內插Problem 7.10: Interpolation by $L=2$問題 7.10:$L=2$ 倍補間中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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:

$$X_e(e^{j\omega}) = X(e^{j2\omega}) \quad\xrightarrow{\;\text{LPF}\;}\quad Y(e^{j\omega})$$

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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 8.1:AM 的頻寬Problem 8.1: AM Bandwidth問題 8.1:AM の帯域幅簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$x(t)$ 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
$$\text{BW} = 2W = 10\;\text{kHz}$$

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。

問題 8.2:同步解調Problem 8.2: Synchronous Demodulation問題 8.2:同期復調簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$y(t) = x(t)\cos(100t)$ 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
$$w(t) = x(t)\cos^2(100t) = \tfrac{1}{2}x(t) + \tfrac{1}{2}x(t)\cos(200t) \;\xrightarrow{\;\text{LPF}\;}\; \frac{x(t)}{2}$$
問題 8.3:解調時的相位誤差Problem 8.3: Phase Error in Demodulation問題 8.3:復調における位相誤差中等Medium第一級Tier 1レベル1?

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
$$x(t)\cos(\omega_c t)\cdot\cos(\omega_c t+\phi) \;\xrightarrow{\;\text{LPF}\;}\; \frac{1}{2}x(t)\cos\phi$$

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。

問題 8.4:分頻多工設計Problem 8.4: FDM Design問題 8.4:FDM の設計簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\begin{aligned} \text{Signal 1:}&\quad f_c = 4\;\text{kHz} \;\to\; [0,\;8]\;\text{kHz}\\ \text{Signal 2:}&\quad f_c = 13\;\text{kHz} \;\to\; [9,\;17]\;\text{kHz}\\ \text{Signal 3:}&\quad f_c = 22\;\text{kHz} \;\to\; [18,\;26]\;\text{kHz} \end{aligned}$$
問題 8.5:SSB 與 DSB-SC 的比較Problem 8.5: SSB vs DSB-SC問題 8.5:SSB と DSB-SC の比較簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\text{DSB-SC: } 2\times 5 = 10\;\text{kHz}, \qquad \text{SSB: } 5\;\text{kHz}$$
問題 8.6:包絡檢波的條件Problem 8.6: Envelope Detection Condition問題 8.6:包絡線検波の条件簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$y(t) = [A+x(t)]\cos(\omega_c t)$、$\max|x(t)|=1$。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
$$A + x(t) \ge 0 \;\;\forall\, t \;\Longrightarrow\; A \ge \max|x(t)| = 1$$
第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 8.7:AM 的功率效率Problem 8.7: AM Power Efficiency問題 8.7:AM の電力効率中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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
$$\eta = \frac{m^2}{2+m^2}$$

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。

問題 8.9:窄頻 FMProblem 8.9: Narrowband FM問題 8.9:狭帯域 FM困難Hard第二級Tier 2レベル2?

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
$$y(t) = A\cos(\omega_c t + \beta\sin\omega_m t) \approx A\cos\omega_c t - A\beta\sin\omega_m t\,\sin\omega_c t$$

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。

問題 8.10:寬頻 FM(卡森法則)Problem 8.10: Wideband FM (Carson's Rule)問題 8.10:広帯域 FM(カーソンの法則)簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

$f_m = 15$ 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
$$\beta = \frac{\Delta f}{f_m} = 5, \qquad \text{BW} \approx 2(\Delta f + f_m) = 2(75+15) = 180\;\text{kHz}$$
問題 8.11:分時多工設計Problem 8.11: TDM Design問題 8.11:TDM の設計簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

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
$$\text{Pulse rate} = 4\times 8000 = 32{,}000\;\text{pulses/s}, \qquad \text{BW} \ge 16\;\text{kHz}$$

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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 9.1:拉普拉斯轉換Problem 9.1: Laplace Transform問題 9.1:ラプラス変換簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$X(s) = \frac{1}{s+2} + \frac{1}{s+3} = \frac{2s+5}{(s+2)(s+3)}, \qquad \text{ROC: Re}\{s\}>-2$$
問題 9.3:反拉普拉斯轉換Problem 9.3: Inverse Laplace Transform問題 9.3:逆ラプラス変換中等Medium第一級Tier 1レベル1?

$X(s) = \frac{2s+4}{(s+1)(s+3)}$,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
$$X(s) = \frac{A}{s+1} + \frac{B}{s+3}: \quad A = \left.\frac{2s+4}{s+3}\right|_{s=-1} = 1,\quad B = \left.\frac{2s+4}{s+1}\right|_{s=-3} = 1$$
$$\boxed{x(t) = \bigl(e^{-t} + e^{-3t}\bigr)\,u(t)}$$
問題 9.4:極零點圖與穩定性Problem 9.4: Pole-Zero Plot and Stability問題 9.4:極零点配置と安定性簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$H(s) = \frac{s+1}{(s+2)(s+3)}$。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)。

$$\text{All poles Re}\{s\}<0 \;\Longrightarrow\; \text{causal and stable}$$
問題 9.5:以單邊拉普拉斯轉換解常微分方程式Problem 9.5: ODE via Unilateral Laplace問題 9.5:片側ラプラス変換による常微分方程式中等Medium第一級Tier 1レベル1?

$\frac{dy}{dt}+3y = e^{-t}u(t)$, $y(0^-)=1$.

解答Solution解答
$$sY(s) - 1 + 3Y(s) = \frac{1}{s+1} \;\Longrightarrow\; Y(s) = \frac{s+2}{(s+1)(s+3)} = \frac{1/2}{s+1} + \frac{1/2}{s+3}$$
$$\boxed{y(t) = \tfrac{1}{2}e^{-t} + \tfrac{1}{2}e^{-3t}, \quad t\ge 0}$$
問題 9.6:以拉普拉斯轉換計算摺積Problem 9.6: Convolution via Laplace問題 9.6:ラプラス変換による畳み込み中等Medium第一級Tier 1レベル1?

$y(t) = te^{-t}u(t) * e^{-2t}u(t)$.

解答Solution解答
$$Y(s) = \frac{1}{(s+1)^2(s+2)} = \frac{1}{(s+1)^2} - \frac{1}{s+1} + \frac{1}{s+2}$$
$$y(t) = \bigl(te^{-t} - e^{-t} + e^{-2t}\bigr)\,u(t)$$
問題 9.7:初值與終值定理Problem 9.7: Initial and Final Value Theorems問題 9.7:初期値・最終値の定理簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$X(s) = \frac{3s+7}{(s+1)(s+2)}$.

解答Solution解答
$$x(0^+) = \lim_{s\to\infty} sX(s) = \lim_{s\to\infty}\frac{3s^2+7s}{s^2+3s+2} = 3$$
$$x(\infty) = \lim_{s\to 0} sX(s) = \frac{0}{2} = 0$$
第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 9.8:由微分方程式求轉移函數Problem 9.8: Transfer Function from Diff Eq問題 9.8:微分方程式からの伝達関数簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

$\frac{d^2y}{dt^2} + 5\frac{dy}{dt} + 6y = \frac{dx}{dt} + x$.

解答Solution解答
$$H(s) = \frac{s+1}{s^2+5s+6} = \frac{s+1}{(s+2)(s+3)}$$
問題 9.9:由極點判斷穩定性Problem 9.9: Stability from Poles問題 9.9:極による安定性の判定簡單Easy第二級Tier 2レベル2?

(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.

問題 9.11:回授系統Problem 9.11: Feedback System問題 9.11:フィードバックシステム中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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
$$T(s) = \frac{G(s)}{1+G(s)H(s)} = \frac{10/(s+1)}{1+10/(s+1)} = \frac{10}{s+11}$$

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。

問題 9.12:收斂區域與三種反轉換Problem 9.12: ROC and Three Inverse Transforms問題 9.12:収束領域と 3 通りの逆変換困難Hard第二級Tier 2レベル2?

$X(s) = \frac{1}{(s+1)(s-2)}$。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:$X(s) = \frac{1}{3}\!\left[\frac{-1}{s+1}+\frac{1}{s-2}\right]$。

$$\begin{aligned} \text{ROC: Re}\{s\}>2 &:\quad x(t) = \tfrac{1}{3}(-e^{-t}+e^{2t})u(t) &&\text{(causal, unstable)}\\ \text{ROC: }-1<\text{Re}\{s\}<2 &:\quad x(t) = \tfrac{1}{3}(e^{-t}u(t)+e^{2t}u(-t)) &&\text{(stable)}\\ \text{ROC: Re}\{s\}<-1 &:\quad x(t) = \tfrac{1}{3}(e^{-t}u(-t)-e^{2t}u(-t)) &&\text{(anti-causal)} \end{aligned}$$

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

第一級 · 重點題Tier 1 · Importantレベル1 · 重要
問題 10.1:因果指數序列的 z 轉換Problem 10.1: z-Transform of Causal Exponential問題 10.1:因果的な指数系列の z 変換簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

$x[n] = (0.5)^n u[n]$.

解答Solution解答
$$X(z) = \sum_{n=0}^{\infty}(0.5z^{-1})^n = \frac{1}{1-0.5z^{-1}} = \frac{z}{z-0.5}, \qquad \text{ROC: }|z|>0.5$$
問題 10.2:收斂區域的交集Problem 10.2: ROC Intersection問題 10.2:収束領域の共通部分中等Medium第一級Tier 1レベル1?

$x[n] = (0.5)^n u[n] + (-\frac{1}{3})^n u[-n-1]$.

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.

問題 10.3:反 z 轉換Problem 10.3: Inverse z-Transform問題 10.3:逆 z 変換中等Medium第一級Tier 1レベル1?

$X(z) = \frac{z}{(z-0.5)(z-0.25)}$,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
$$X(z) = \frac{2}{1-0.5z^{-1}} - \frac{1}{1-0.25z^{-1}}$$
$$\boxed{x[n] = \bigl[2(0.5)^n - (0.25)^n\bigr]\,u[n]}$$
問題 10.4:由差分方程式求系統函數Problem 10.4: System Function from Difference Equation問題 10.4:差分方程式からのシステム関数中等Medium第一級Tier 1レベル1?

$y[n] - 0.5y[n-1] + 0.06y[n-2] = x[n]$.

解答Solution解答
$$H(z) = \frac{1}{1-0.5z^{-1}+0.06z^{-2}} = \frac{1}{(1-0.2z^{-1})(1-0.3z^{-1})}$$

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.

問題 10.5:FIR 系統Problem 10.5: FIR System問題 10.5:FIR システム中等Medium第一級Tier 1レベル1?

$y[n] = x[n] - x[n-2]$.

解答Solution解答
$$H(z) = 1 - z^{-2}, \qquad H(e^{j\omega}) = 1-e^{-j2\omega} = -2j\sin(\omega)\,e^{-j\omega}$$
$$|H(e^{j\omega})| = 2|\sin\omega| \quad\Rightarrow\quad \text{highpass (zero at } \omega=0\text{)}$$
問題 10.6:穩定性檢查Problem 10.6: Stability Check問題 10.6:安定性の確認簡單Easy第一級Tier 1レベル1?

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
$$\text{Pole at } z=1.5 \;(|z|>1) \;\Longrightarrow\; h[n] = (1.5)^n u[n] \to \infty$$

不穩定。Not stable.安定ではありません。

第二級 · 補充題Tier 2 · Residualレベル2 · 補足
問題 10.7:含初始條件的差分方程式Problem 10.7: Difference Equation with Initial Conditions問題 10.7:初期条件つき差分方程式困難Hard第二級Tier 2レベル2?

$y[n]-0.5y[n-1] = \delta[n]+\delta[n-1]$、$y[-1]=2$。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
$$Y(z)(1-0.5z^{-1}) = 1+z^{-1}+0.5\cdot 2 = 2+z^{-1}$$
$$Y(z) = \frac{2+z^{-1}}{1-0.5z^{-1}} \;\Longrightarrow\; y[n] = 2(0.5)^n u[n] + (0.5)^{n-1}u[n-1]$$
問題 10.11:直接第二型實現Problem 10.11: Direct Form II Realization問題 10.11:直接形 II による実現中等Medium第二級Tier 2レベル2?

$H(z) = \frac{1+2z^{-1}}{1-0.5z^{-1}}$.

解答Solution解答
$$w[n] = 0.5\,w[n-1]+x[n], \qquad y[n] = w[n]+2\,w[n-1]$$

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。

問題 10.14:由極零點求頻率響應Problem 10.14: Frequency Response from Poles/Zeros問題 10.14:極零点からの周波数応答中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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
$$|H(e^{j0})| = \frac{|e^{j0}-1|}{|e^{j0}-0.95|} = \frac{0}{0.05} = 0$$
$$|H(e^{j\pi})| = \frac{|e^{j\pi}-1|}{|e^{j\pi}-0.95|} = \frac{2}{1.95} \approx 1.03$$

高通濾波器Highpass filterハイパスフィルタ.

問題 10.15:$z = e^{sT}$ 的對應關係Problem 10.15: $z = e^{sT}$ Mapping問題 10.15:$z = e^{sT}$ の対応関係中等Medium第二級Tier 2レベル2?

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
$$X(z) = \sum_n x_c(nT)\,z^{-n} \;\xrightarrow{z=e^{sT}}\; X(e^{sT}) = \sum_n x_c(nT)\,e^{-snT}$$

關鍵對應:Key mapping:重要な対応:

$$\begin{aligned} s\text{-plane } j\omega\text{ axis} &\;\longleftrightarrow\; z\text{-plane unit circle}\\ \text{LHP (Re}\{s\}<0) &\;\longleftrightarrow\; |z|<1\\ \text{RHP (Re}\{s\}>0) &\;\longleftrightarrow\; |z|>1 \end{aligned}$$

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

問題 1.6:以單位步階函數表示Problem 1.6: Unit Step Representation問題 1.6:単位ステップによる表現?

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
$$p(t) = u(t+1) - u(t-1)$$
問題 1.11:離散時間信號的能量Problem 1.11: DT Signal Energy問題 1.11:離散時間信号のエネルギー?

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
$$E = \sum_{n=0}^{\infty}\left|\left(\frac{1}{2}\right)^n\right|^2 = \sum_{n=0}^{\infty}\left(\frac{1}{4}\right)^n = \frac{1}{1-\frac{1}{4}} = \frac{4}{3}$$
問題 1.12:無記憶系統Problem 1.12: Memoryless System問題 1.12:記憶のないシステム?

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.

問題 1.13:可逆性Problem 1.13: Invertibility問題 1.13:可逆性?

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.

問題 1.14:離散時間複數指數信號Problem 1.14: DT Complex Exponentials問題 1.14:離散時間の複素指数信号?

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
$$e^{j(\omega+2\pi)n} = e^{j\omega n}\cdot e^{j2\pi n} = e^{j\omega n}\cdot 1 = e^{j\omega n}$$

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

問題 2.6:與脈衝的摺積Problem 2.6: Convolution with Impulse問題 2.6:インパルスとの畳み込み?

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
$$x(t) * \delta(t-3) = x(t-3)$$

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。

問題 2.9:矩形脈波的摺積Problem 2.9: Rectangular Pulse Convolution問題 2.9:矩形パルスの畳み込み?

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
$$y(t) = p(t)*p(t) = \begin{cases} t, & 0 \le t \le 1\\ 2-t, & 1 \le t \le 2\\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}$$

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。

問題 2.11:並聯的線性非時變系統Problem 2.11: Parallel LTI Systems問題 2.11:並列接続された線形時不変システム?

$h_1[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n]$ 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
$$h[n] = h_1[n] + h_2[n] = \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n] - \left(\frac{1}{3}\right)^n u[n]$$
問題 2.13:交換律的驗證Problem 2.13: Commutativity Verification問題 2.13:交換則の検証?

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 $h[n] = \{1,1,1\}$。

$$x*h:\; y = \{1,\, 3,\, 3,\, 2\} \qquad h*x:\; y = \{1,\, 3,\, 3,\, 2\}$$

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。

問題 2.14:不穩定系統Problem 2.14: Unstable System問題 2.14:不安定なシステム?

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
$$\int_{-\infty}^{\infty}|u(t)|\,dt = \int_0^{\infty} 1\,dt = \infty$$

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

問題 3.6:由對稱性推得傅立葉級數Problem 3.6: Fourier Series from Symmetry問題 3.6:対称性から導くフーリエ級数?

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。

問題 3.9:兩個週期信號的乘積Problem 3.9: Product of Two Periodic Signals問題 3.9:2 つの周期信号の積?

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
$$c_k = \sum_{l=-\infty}^{\infty} a_l\, b_{k-l}$$

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。

問題 3.13:吉布斯現象Problem 3.13: Gibbs Phenomenon問題 3.13:ギブス現象?

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。

問題 3.14:離散時間一階濾波器Problem 3.14: First-Order DT Filter問題 3.14:離散時間 1 次フィルタ?

$y[n] = \frac{1}{2}y[n-1] + x[n]$ 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
$$H(e^{j\omega}) = \frac{1}{1 - \frac{1}{2}e^{-j\omega}}, \qquad b_k = \frac{a_k}{1 - \frac{1}{2}e^{-jk\pi/2}}$$
問題 3.15:功率頻譜Problem 3.15: Power Spectrum問題 3.15:パワースペクトル?

$a_0=1$、$a_1=a_{-1}=0.5$、$a_2=a_{-2}=0.2$,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
$$P = |a_0|^2 + 2|a_1|^2 + 2|a_2|^2 = 1 + 2(0.25) + 2(0.04) = 1.58$$

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

問題 4.5:時間尺度變換Problem 4.5: Time Scaling問題 4.5:時間スケーリング?

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
$$\mathcal{F}\{x(2t)\} = \frac{1}{2}X\!\left(\frac{j\omega}{2}\right) = \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{1+j\omega/2} = \frac{1}{2+j\omega}$$
問題 4.8:對偶性Problem 4.8: Duality問題 4.8:双対性?

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:$\frac{2}{1+t^2} \longleftrightarrow 2\pi\,e^{-|\omega|}$。

$$\boxed{\frac{1}{1+t^2} \;\longleftrightarrow\; \pi\,e^{-|\omega|}}$$
問題 4.12:積分性質Problem 4.12: Integration Property問題 4.12:積分の性質?

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
$$Y(j\omega) = \frac{X(j\omega)}{j\omega} + \pi X(0)\,\delta(\omega) = \frac{1}{j\omega(1+j\omega)} + \pi\delta(\omega)$$

$y(t) = (1 - e^{-t})u(t)$.

問題 4.13:頻寬與時間寬度Problem 4.13: Bandwidth and Time-Width問題 4.13:帯域幅と時間幅?

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
$$X(j\omega) = \frac{2}{1+\omega^2} \quad\Rightarrow\quad \text{3dB BW at } \omega=1$$
$$\mathcal{F}\{x(2t)\} = \frac{1}{1+(\omega/2)^2} \quad\Rightarrow\quad \text{3dB BW at } \omega=2$$

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。

問題 4.14:共軛對稱性Problem 4.14: Conjugate Symmetry問題 4.14:共役対称性?

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:

$$|X(-j\omega)| = |X^*(j\omega)| = |X(j\omega)| \quad\Rightarrow\quad \text{magnitude is even}$$
$$\angle X(-j\omega) = -\angle X(j\omega) \quad\Rightarrow\quad \text{phase is odd}$$

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

問題 5.7:頻率平移Problem 5.7: Frequency Shift問題 5.7:周波数シフト?

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
$$Y(e^{j\omega}) = X(e^{j(\omega-\pi/4)})$$
問題 5.10:乘上 $(-1)^n$Problem 5.10: Multiplication by $(-1)^n$問題 5.10:$(-1)^n$ の乗算?

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
$$(-1)^n = e^{j\pi n} \;\Longrightarrow\; Y(e^{j\omega}) = X(e^{j(\omega-\pi)})$$

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。

問題 5.13:離散時間的對偶性Problem 5.13: DT Duality問題 5.13:離散時間の双対性?

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
$$X(e^{j\omega}) = 2\pi\sum_{k=-\infty}^{\infty}\delta(\omega - 2\pi k)$$
問題 5.14:時間擴張Problem 5.14: Time Expansion問題 5.14:時間伸張?

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
$$X_{(2)}(e^{j\omega}) = X(e^{j2\omega}) = \frac{1}{1-0.5e^{-j2\omega}}$$
問題 5.15:頻率微分Problem 5.15: Frequency Differentiation問題 5.15:周波数微分?

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:

$$Y(e^{j\omega}) = \frac{ae^{-j\omega}}{(1-ae^{-j\omega})^2}$$

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

問題 6.2:群延遲Problem 6.2: Group Delay問題 6.2:群遅延?

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
$$\angle H = -3\omega - \arctan(\omega) \;\Longrightarrow\; \tau(\omega) = 3 + \frac{1}{1+\omega^2}$$
問題 6.9:串聯後的頻寬Problem 6.9: Cascaded Bandwidth問題 6.9:縦続接続後の帯域幅?

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
$$\frac{1}{(1+(\omega/\omega_c)^2)^2} = \frac{1}{2} \;\Longrightarrow\; \omega_{3\text{dB}} = \omega_c\sqrt{\sqrt{2}-1} \approx 0.644\,\omega_c$$
問題 6.11:離散時間二階帶通濾波器Problem 6.11: DT Second-Order Bandpass問題 6.11:離散時間 2 次バンドパス?

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.

問題 6.12:以 dB 表示的增益Problem 6.12: Gain in dB問題 6.12:dB 表示のゲイン?

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
$$20\log_{10}(0.01) = -40\;\text{dB}, \quad 20\log_{10}(1) = 0\;\text{dB}, \quad 20\log_{10}(100) = 40\;\text{dB}$$
問題 6.14:由低通轉成高通Problem 6.14: Highpass from Lowpass問題 6.14:ローパスからハイパスへ?

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
$$H_{hp}(e^{j\omega}) = 1 - H_{lp}(e^{j\omega})$$

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

問題 7.11:連續時間到離散時間的頻率對應Problem 7.11: CT-to-DT Frequency Mapping問題 7.11:連続時間から離散時間への周波数対応?

$x(t) = \cos(6000\pi t)$ 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
$$\omega = \Omega T = \frac{2\pi f}{f_s} = \frac{2\pi\cdot 3000}{8000} = \frac{3\pi}{4} \;\Longrightarrow\; x[n] = \cos\!\left(\frac{3\pi n}{4}\right)$$
問題 7.12:過取樣的好處Problem 7.12: Oversampling Benefit問題 7.12:オーバーサンプリングの利点?

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。

問題 7.13:數位微分器Problem 7.13: Digital Differentiator問題 7.13:ディジタル微分器?

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
$$H_d(e^{j\omega}) = \frac{j\omega}{T}, \quad |\omega| \le \pi$$
問題 7.14:帶通取樣Problem 7.14: Bandpass Sampling問題 7.14:バンドパスサンプリング?

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
$$B = 200\;\text{Hz},\; f_H = 1100,\; n = \left\lfloor\frac{f_H}{B}\right\rfloor = 5$$
$$f_s = \frac{2f_H}{n} = \frac{2200}{5} = 440\;\text{Hz}$$
問題 7.15:零階保持的衰減Problem 7.15: ZOH Attenuation問題 7.15:ゼロ次ホールドによる減衰?

$T=1$ 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
$$\left|\frac{\sin(\pi f T)}{\pi f T}\right| = \frac{\sin(0.4\pi)}{0.4\pi} \approx 0.757 \;\Rightarrow\; 20\log_{10}(0.757) \approx -2.4\;\text{dB}$$

第 8 章:通訊系統Chapter 8: Communication Systems第 8 章:通信システム

問題 8.8:PAM 的頻寬Problem 8.8: PAM Bandwidth問題 8.8:PAM の帯域幅?

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
$$\text{BW} \ge \frac{f_s}{2} = 4\;\text{kHz}$$
問題 8.12:超外差接收機Problem 8.12: Superheterodyne Receiver問題 8.12:スーパーヘテロダイン受信機?

$f_c = 1$ 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
$$f_{\text{IF}} = f_{\text{LO}} - f_c = 455\;\text{kHz}, \qquad f_{\text{image}} = f_{\text{LO}} + f_{\text{IF}} = 1.91\;\text{MHz}$$
問題 8.13:離散時間調變Problem 8.13: DT Modulation問題 8.13:離散時間の変調?

$y[n] = x[n]\cos(\pi n/4)$。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
$$Y(e^{j\omega}) = \tfrac{1}{2}X(e^{j(\omega-\pi/4)}) + \tfrac{1}{2}X(e^{j(\omega+\pi/4)})$$
問題 8.14:正交多工Problem 8.14: Quadrature Multiplexing問題 8.14:直交多重?

$y(t) = x_1\cos\omega_c t + x_2\sin\omega_c t$。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。

問題 8.15:PCM 的位元率Problem 8.15: PCM Bit Rate問題 8.15:PCM のビットレート?

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
$$\text{Bit rate} = f_s \times \text{bits/sample} = 8000\times 8 = 64\;\text{kbps}$$

第 9 章:拉普拉斯轉換Chapter 9: Laplace Transform第 9 章:ラプラス変換

問題 9.2:雙邊信號Problem 9.2: Two-Sided Signal問題 9.2:両側信号?

$x(t) = e^{-2t}u(t) - e^{3t}u(-t)$.

解答Solution解答
$$X(s) = \frac{1}{s+2} + \frac{1}{s-3} = \frac{2s-1}{(s+2)(s-3)}, \qquad \text{ROC: } -2 < \text{Re}\{s\} < 3$$

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。

問題 9.10:$s$ 域微分Problem 9.10: $s$-Domain Differentiation問題 9.10:$s$ 領域での微分?

$X(s) = \frac{1}{s+3}$。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
$$t\,x(t) \;\longleftrightarrow\; -\frac{dX(s)}{ds} = -\frac{d}{ds}\left[\frac{1}{s+3}\right] = \frac{1}{(s+3)^2}$$
問題 9.13:二階巴特沃斯濾波器Problem 9.13: 2nd-Order Butterworth問題 9.13:2 次バターワース?

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
$$|H(j\omega)|^2 = \frac{1}{1+\omega^4} \;\Longrightarrow\; \boxed{H(s) = \frac{1}{s^2+\sqrt{2}\,s+1}}$$

極點在 $s = \frac{-1\pm j}{\sqrt{2}}$。Poles at $s = \frac{-1\pm j}{\sqrt{2}}$.極は $s = \frac{-1\pm j}{\sqrt{2}}$。

問題 9.14:時間尺度變換Problem 9.14: Time Scaling問題 9.14:時間スケーリング?

$x(t) \longleftrightarrow X(s)$,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
$$x(at) \;\longleftrightarrow\; \frac{1}{|a|}X\!\left(\frac{s}{a}\right), \quad\text{ROC: } \{s : s/a \in \mathcal{R}\}$$
問題 9.15:並聯系統Problem 9.15: Parallel Systems問題 9.15:並列接続システム?

$H_1(s)=\frac{1}{s+1}$ 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
$$H(s) = \frac{1}{s+1}+\frac{1}{s+2} = \frac{2s+3}{(s+1)(s+2)}$$
$$h(t) = \bigl(e^{-t}+e^{-2t}\bigr)\,u(t)$$

第 10 章:z 轉換Chapter 10: z-Transform第 10 章:z 変換

問題 10.8:以幾何方式求值Problem 10.8: Geometric Evaluation問題 10.8:幾何学的な評価?

$H(z) = \frac{z-1}{z-0.9}$。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
$$|H(e^{j0})| = \frac{|1-1|}{|1-0.9|} = \frac{0}{0.1} = 0$$
$$|H(e^{j\pi})| = \frac{|-1-1|}{|-1-0.9|} = \frac{2}{1.9} \approx 1.053$$

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。

問題 10.9:極零點對消Problem 10.9: Pole-Zero Cancellation問題 10.9:極零点の相殺?

$H(z) = \frac{z-0.5}{(z-0.5)(z-0.8)}$.

解答Solution解答
$$H(z) = \frac{1}{z-0.8} = \frac{z^{-1}}{1-0.8z^{-1}} \;\Longrightarrow\; h[n] = (0.8)^{n-1}u[n-1]$$
問題 10.10:$z$ 域微分Problem 10.10: $z$-Domain Differentiation問題 10.10:$z$ 領域での微分?

$x[n] = n(0.5)^n u[n]$.

解答Solution解答
$$n\,x[n] \;\longleftrightarrow\; -z\frac{dX(z)}{dz}$$
$$\mathcal{Z}\{n(0.5)^n u[n]\} = \frac{0.5z^{-1}}{(1-0.5z^{-1})^2}, \qquad \text{ROC: } |z|>0.5$$
問題 10.12:逆系統Problem 10.12: Inverse System問題 10.12:逆システム?

$H(z) = \frac{1-0.5z^{-1}}{1-0.8z^{-1}}$。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
$$H_{\text{inv}}(z) = \frac{1}{H(z)} = \frac{1-0.8z^{-1}}{1-0.5z^{-1}}$$

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。

問題 10.13:串聯分解Problem 10.13: Cascade Decomposition問題 10.13:縦続分解?

$H(z) = \frac{1+z^{-1}}{(1-0.5z^{-1})(1+0.3z^{-1})}$.

解答Solution解答
$$H(z) = \underbrace{\frac{1+z^{-1}}{1-0.5z^{-1}}}_{H_1(z)}\cdot\underbrace{\frac{1}{1+0.3z^{-1}}}_{H_2(z)}$$