signaalin käsittely tehtävät 1. välikoe

20 korttia

  1. Jatkuva-aikainen signaali koostuu yksittäisestä siniaallosta, jonka taajuus on 1000 Hz. Signaalista otetaan näytteitä 0.0008 sekunnin välein. Mikä on tuloksena olevan digitaalisen signaalin taajuus?
    Näytteenottotaajuus on Fs = 1/T = 1/0.0008 = 1250 Hz. Nyquistin taajuus on Fs/2 = 625 Hz, joten 1000 Hz ylittää sen ja laskostuu. Laskostunut taajuus on |1000 - 1250| = 250 Hz, joten digitaalisen signaalin taajuus on 250 Hz.
  2. Jatkuva-aikainen signaali koostuu yksittäisestä siniaallosta, jonka taajuus on 1000 Hz. Anna hertseinä alin näytteenottotaajuus, jolla laskostumista ei tapahdu.
    Näytteenottoteoreeman mukaan näytteenottotaajuuden pitää olla vähintään kaksi kertaa signaalin suurin taajuus. Siksi Fs,min = 2 · 1000 Hz = 2000 Hz. Vastaus on 2000 Hz.
  3. Analoginen signaali on x(t) = 2cos(120πt) - 0.7sin(30πt) + cos(200πt) + cos(180πt), missä t on sekunteina. Mikä on suurin näytteenottoväli T sekunteina, jolla signaali voidaan näytteistää ilman laskostumista?
    Muunnetaan kulmataajuudet tavallisiksi taajuuksiksi kaavalla f = ω/(2π). Komponenttien taajuudet ovat 60 Hz, 15 Hz, 100 Hz ja 90 Hz, joten suurin taajuus on 100 Hz. Näytteenottoteoreema vaatii Fs ≥ 200 Hz, joten suurin näytteenottoväli on T = 1/Fs = 1/200 = 0.005 s.
  4. Signaalista x(t) = sin(20πt) otetaan näytteitä 0.05 sekunnin välein. Tapa 1 aloittaa näytteenoton hetkestä t = 0 s ja tapa 2 hetkestä t = 0.025 s. Kummasta näytejonosta alkuperäinen signaali voidaan rekonstruoida?
    Signaalin taajuus on f = 20π/(2π) = 10 Hz ja näytteenottotaajuus on Fs = 1/0.05 = 20 Hz, eli ollaan täsmälleen Nyquistin rajalla. Tavassa 1 näytteet ovat sin(nπ) = 0, joten kaikki näytteet ovat nollia eikä alkuperäistä siniaaltoa voida päätellä niistä. Tavassa 2 näytteet ovat sin(π/2 + nπ) = (-1)^n, joten signaali näkyy näytteissä. Siksi tapa 1 ei mahdollista rekonstruktiota, mutta tapa 2 mahdollistaa.
  5. Tarkastellaan signaalia x(n) = (-4, 5, 1, -2, -3, 0, 2), kun n = -3, -2, ..., 3. Määrittelyalueen ulkopuolella arvot ovat nollia. Esitä x(n) siirrettyjen ja painotettujen yksikkönäytteiden avulla.
    Jokainen arvo x(k) kirjoitetaan terminä x(k)δ(n-k). Tästä saadaan x(n) = -4δ(n+3) + 5δ(n+2) + δ(n+1) - 2δ(n) - 3δ(n-1) + 0δ(n-2) + 2δ(n-3). Painot δ(n-3), δ(n-2), δ(n-1), δ(n), δ(n+1), δ(n+2), δ(n+3) ovat siis 2, 0, -3, -2, 1, 5, -4.
  6. Lohkokaaviossa signaalista x(n) muodostetaan viiveillä x(n), x(n-1), x(n-2) ja x(n-3), joiden kertoimet ovat vastaavasti 0.3, -1.2, 1.0 ja 0.3. Mikä on herätteen ja vasteen välinen differenssiyhtälö?
    Jokainen haara tuo summaukseen oman painotetun ja viivästetyn näytteensä. Siksi vaste on suoraan haarojen summa: y(n) = 0.3x(n) - 1.2x(n-1) + 1.0x(n-2) + 0.3x(n-3).
  7. Järjestelmä koostuu kahdesta peräkkäisestä FIR-osasta. Ensimmäisen osan kertoimet ovat 3, 1, 1 ja toisen osan kertoimet ovat 1, -2, 1. Mikä on koko järjestelmän herätteen x(n) ja vasteen y(n) välinen differenssiyhtälö?
    Ensimmäisen osan lähtö on v(n) = 3x(n) + x(n-1) + x(n-2). Toinen osa antaa y(n) = v(n) - 2v(n-1) + v(n-2). Kun v-termit avataan ja samat viiveet yhdistetään, saadaan y(n) = 3x(n) - 5x(n-1) + 2x(n-2) - x(n-3) + x(n-4). Sama tulos saadaan konvoloimalla kerroinjonot [3,1,1] ja [1,-2,1].
  8. Määritellään x(n) = -δ(n) + 2δ(n-1) - δ(n-2) ja h(n) = δ(n) - δ(n-1). Laske y(n) = h(n) * x(n) ja anna yksikkönäytteiden painot.
    Koska h(n) = δ(n) - δ(n-1), konvoluutio antaa y(n) = x(n) - x(n-1). Sijoittamalla x saadaan y(n) = -δ(n) + 3δ(n-1) - 3δ(n-2) + δ(n-3). Siksi painot δ(n+1), δ(n), δ(n-1), δ(n-2), δ(n-3), δ(n-4) ovat 0, -1, 3, -3, 1, 0.
  9. Mikä järjestelmä on lineaarinen ja siirtoinvariantti, mutta ei kausaalinen? Tarkasteltava vaihtoehto on y(n) = (1/3)Σ_{k=-1}^{1} x(n-k).
    Summa voidaan kirjoittaa y(n) = [x(n+1) + x(n) + x(n-1)]/3. Järjestelmä on lineaarinen, koska lähtö on tulojen painotettu summa, ja siirtoinvariantti, koska kertoimet eivät riipu ajasta n. Se ei ole kausaalinen, koska y(n) riippuu tulevasta näytteestä x(n+1).
  10. Mikä järjestelmä on kausaalinen ja lineaarinen, mutta ei ole siirtoinvariantti? Tarkasteltava vaihtoehto on y(n) = 2x(n) - n x(n-1).
    Järjestelmä on kausaalinen, koska se käyttää vain nykyistä näytettä x(n) ja mennyttä näytettä x(n-1). Se on lineaarinen, koska x:ään ei kohdisteta epälineaarista operaatiota. Se ei ole siirtoinvariantti, koska kerroin n riippuu ajanhetkestä. Aikasiirto muuttaa siis järjestelmän kertoimia.
  11. Äärettömän pitkän diskreetin signaalin näytteet ovat x(0)=1, x(1)=-0.9, x(2)=0.81, x(3)=-0.729 ja niin edelleen, eli x(n)=(-0.9)^n u(n). Mikä on sen diskreettiaikainen Fourier-muunnos X(e^{iω})?
    DTFT on geometrinen sarja X(e^{iω}) = Σ_{n=0}^{∞} (-0.9)^n e^{-iωn} = Σ_{n=0}^{∞} (-0.9e^{-iω})^n. Koska suhteen itseisarvo on 0.9 < 1, sarja suppenee muotoon 1/[1 - (-0.9e^{-iω})] = 1/(1 + 0.9e^{-iω}).
  12. Reaaliarvoisen signaalin DFT:ssä N = 8 ja tunnetaan X(0)=13, X(1)=2-19i, X(3)=-8+14i, X(4)=-3 ja X(6)=-12+13i. Määritä X(2), X(5) ja X(7).
    Reaaliarvoisen aikajonon DFT:llä on konjugaattisymmetria X(N-k) = X(k). Siksi X(2) = X(6) = -12-13i, X(5) = X(3) = -8-14i ja X(7) = X(1) = 2+19i.
  13. Laske lukujonon x(n) DFT-arvot käyttäen radix-2 FFT:tä, kun parillisten näytteiden osajonon DFT on X0 = (15, 6-i, 1, 6+i) ja parittomien näytteiden osajonon DFT on X1 = (2, 0, -10, 0).
    FFT:n yhdistämiskaavat ovat X(k) = X0(k) + W8^k X1(k) ja X(k+4) = X0(k) - W8^k X1(k), missä W8 = e^{-i2π/8}. Kun k = 0,1,2,3, saadaan X(0)=17, X(1)=6-i, X(2)=1+10i, X(3)=6+i, X(4)=13, X(5)=6-i, X(6)=1-10i ja X(7)=6+i.
  14. Signaalissa ovat ainoat nollasta poikkeavat näytteet x(-1)=2, x(0)=1, x(2)=2 ja x(3)=-3. Mikä on signaalin z-muunnos X(z)?
    Z-muunnoksen määritelmä on X(z) = Σ x(n)z^{-n}. Näyte x(-1)=2 tuottaa termin 2z, x(0)=1 termin 1, x(2)=2 termin 2z^{-2} ja x(3)=-3 termin -3z^{-3}. Siis X(z) = 2z + 1 + 2z^{-2} - 3z^{-3}.
  15. Äärettömyyteen jatkuva signaali on x(n) = 0.8^n u(n). Mikä on sen z-muunnos X(z)?
    Z-muunnos on X(z) = Σ_{n=0}^{∞} 0.8^n z^{-n} = Σ_{n=0}^{∞} (0.8z^{-1})^n. Geometrisen sarjan summakaavalla X(z) = 1/(1 - 0.8z^{-1}), kun |0.8z^{-1}| < 1 eli suppenemisalueella |z| > 0.8.
  16. Kausaalisen LTI-järjestelmän heräte x(n) ja vaste y(n) toteuttavat differenssiyhtälön y(n) = x(n) - 2x(n-1) + x(n-2) + 3y(n-1) - (37/16)y(n-2). Mikä on järjestelmän siirtofunktio H(z)?
    Otetaan z-muunnos nolla-alkuehdoilla. Siirretään y-termit vasemmalle: Y(z)[1 - 3z^{-1} + (37/16)z^{-2}] = X(z)[1 - 2z^{-1} + z^{-2}]. Jakamalla Y(z)/X(z) saadaan H(z) = (1 - 2z^{-1} + z^{-2})/(1 - 3z^{-1} + (37/16)z^{-2}).
  17. Kausaalisen LTI-järjestelmän differenssiyhtälö on y(n) = x(n) - x(n-1) + 0.5x(n-2) + 3y(n-1) - 2y(n-2). Mitkä ovat järjestelmän navat ja nollat?
    Siirtofunktio on H(z) = [1 - z^{-1} + 0.5z^{-2}]/[1 - 3z^{-1} + 2z^{-2}]. Kerrotaan osoittaja ja nimittäjä z^2:lla. Nimittäjä z^2 - 3z + 2 = (z-1)(z-2), joten navat ovat 1 ja 2. Osoittajan z^2 - z + 0.5 juuret ovat z = (1 ± i)/2 = 0.5 ± 0.5i, joten nämä ovat nollat.
  18. LTI-järjestelmän siirtofunktio on H(z) = (z^2 - 1)/(z^2 - 4z + 5). Herätteen x(n) ja vasteen y(n) välinen differenssiyhtälö kirjoitetaan muodossa y(n) = a0x(n) + a1x(n-1) + a2x(n-2) + b1y(n-1) + b2y(n-2). Mitkä ovat kertoimet?
    Jaetaan osoittaja ja nimittäjä z^2:lla: H(z) = (1 - z^{-2})/(1 - 4z^{-1} + 5z^{-2}). Ristiinkertomalla saadaan y(n) - 4y(n-1) + 5y(n-2) = x(n) - x(n-2). Ratkaistuna y(n):lle tämä on y(n) = x(n) - x(n-2) + 4y(n-1) - 5y(n-2). Siksi a0=1, a1=0, a2=-1, b1=4 ja b2=-5.
  19. Suodin y(n) = -(1/4)x(n) + (1/2)x(n-1) - (1/4)x(n-2) toteutetaan laitteistossa, jonka näytteenottotaajuus on 18000 Hz. Mikä on suotimen amplitudivaste taajuudella 4500 Hz?
    Taajuutta 4500 Hz vastaa digitaalinen kulmataajuus ω = 2πf/Fs = 2π·4500/18000 = π/2. Taajuusvaste on H(e^{iω}) = -1/4 + (1/2)e^{-iω} - (1/4)e^{-i2ω}. Kun ω = π/2, saadaan H = -1/4 - i/2 + 1/4 = -i/2. Amplitudivaste on itseisarvo |H| = 1/2 = 0.5.
  20. Signaali x(n) = u(n)sin((1/5)·2πn) suodatetaan järjestelmällä, jonka impulssivaste on h(0)=1/2, h(1)=1, h(2)=1/2 ja muualla 0. Vaste on muotoa y(n) = A u(n) sin((1/5)·2πn + φ). Määritä A ja φ.
    Siniaalto on kulmataajuudella ω = 2π/5. Järjestelmän taajuusvaste on H(e^{iω}) = 1/2 + e^{-iω} + (1/2)e^{-i2ω} = e^{-iω}(1 + cosω). Siksi vahvistus on A = |H| = 1 + cos(2π/5) ≈ 1.3090 ja vaihe on φ = arg H = -ω = -2π/5 ≈ -1.2566 rad.

Opettele nämä kortit Hiffaassa

Hiffaa kysyy kortit sinulta, näyttää vihjeen tarvittaessa ja ajoittaa kertaukset niin, että asiat pysyvät mielessä kokeeseen asti. Tekoälytuutori selittää, mikä meni pieleen.

signaalin käsittely tehtävät 1. välikoe – muistikortit | Hiffaa