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Lista de Exercícios
Unidade III
Docente: Fabiano Poderoso
Disciplina: Análise de sinais e Sistemas
Alunos: Mabelle C. Marinho da Rocha,
Vinícius Marinho Silva
Vitória da Conquista, Janeiro de 2013.
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
Problemas
2.4-7 A resposta ao impulso unitário de um sistema LCIT é
ℎ(𝑡) = 𝑒−𝑡𝑢(𝑡)
Determine a resposta do sistema (estado nulo) y(t) se a entrada x(t) for:
a) )(tu
b) 𝑒−𝑡𝑢(𝑡)
c) 𝑒−2𝑡𝑢(𝑡)
d) 𝑠𝑒𝑛3𝑡 𝑢(𝑡)
Letra a:
A resposta do um sistema (estado nulo) obedece a seguinte equação:
𝑦(𝑡) = ℎ(𝑡)∗𝑥(𝑡)
Substituindo x(t) e h(t):
𝑦(𝑡) = 𝑒−𝑡𝑢(𝑡) . 𝑢(𝑡)
Deixando h(t) e x(t) em função da frequência (vide tabela 1 - Transformada de Laplace):
ℎ(𝑠) =
1
𝑠+1
e 𝑥(𝑠) =
1
𝑠
logo,
𝑦(𝑠) = ℎ(𝑠) . 𝑥(𝑠)
𝑦(𝑠) =
1
𝑠+1
.
1
𝑠
Como esta transformada não pode ser obtida diretamente da tabela 1 será necessário expandir
estas funções por frações parciais. Então:
𝑦(𝑠) =
1
𝑠 + 1
.
1
𝑠
=
𝐴
𝑠
+
𝐵
𝑠 + 1
A = 1 e B = -1
Subst. A e B:
𝑦(𝑠) =
1
𝑠
−
1
𝑠 + 1
Em função do tempo:
𝑦(𝑡) = (1 − 𝑒−𝑡)𝑢(𝑡)
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
Letra b:
A resposta do um sistema (estado nulo) obedece a seguinte equação:
𝑦(𝑡) = ℎ(𝑡)∗𝑥(𝑡)
Substituindo x(t) e h(t):
𝑦(𝑡) = 𝑒−𝑡𝑢(𝑡) . 𝑒−𝑡𝑢(𝑡)
Deixando h(t) e x(t) em função da frequência (vide tabela 1 - Transformada de Laplace):
ℎ(𝑠) =
1
𝑠+1
e 𝑥(𝑠) =
1
𝑠+1
logo,
𝑦(𝑠) = ℎ(𝑠) . 𝑥(𝑠)
𝑦(𝑠) =
1
𝑠 + 1
.
1
𝑠 + 1
=
1
(𝑠 + 1)2
Esta transformada pode ser obtida diretamente da tabela 1. Então, em função do tempo:
𝑦(𝑡) = 𝑡𝑒−𝑡𝑢(𝑡)
Letra c:
Substituindo x(t) e h(t):
𝑦(𝑡) = 𝑒−𝑡𝑢(𝑡) . 𝑒−2𝑡𝑢(𝑡)
Deixando h(t) e x(t) em função da frequência (vide tabela 1 - Transformada de Laplace):
ℎ(𝑠) =
1
𝑠+1
e 𝑥(𝑠) =
1
𝑠+2
logo,
𝑦(𝑠) = ℎ(𝑠) . 𝑥(𝑠)
𝑦(𝑠) =
1
𝑠+1
.
1
𝑠+2
Como esta transformada não pode ser obtida diretamente da tabela 1. É necessário expandir
estas funções por frações parciais. Então:
𝑦(𝑠) =
1
𝑠 + 1
.
1
𝑠 + 2
=
𝐴
𝑠 + 1
+
𝐵
𝑠 + 2
A = -1 e B = 1
Subst. A e B:
𝑦(𝑠) = −
1
𝑠 + 1
+
1
𝑠 + 2
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
Em função do tempo:
𝑦(𝑡) = (𝑒−𝑡 − 𝑒−2𝑡)𝑢(𝑡)
Letra d:
A resposta do um sistema (estado nulo) obedece a seguinte equação:
𝑦(𝑡) = ℎ(𝑡)∗𝑥(𝑡)
Substituindo x(t) e h(t):
𝑦(𝑡) = 𝑒−𝑡𝑢(𝑡) . 𝑠𝑒𝑛3𝑡 𝑢(𝑡)
Deixando h(t) e x(t) em função da frequência (vide tabela 1 - Transformada de Laplace):
ℎ(𝑠) =
1
𝑠+1
e 𝑥(𝑠) =
3
𝑠2+ 32
logo,
𝑦(𝑠) = ℎ(𝑠) . 𝑥(𝑠)
𝑦(𝑠) =
1
𝑠+1
.
1
𝑠2+32
Como esta transformada não pode ser obtida diretamente da tabela 1. É necessário expandir
estas funções por frações parciais.
𝑦(𝑠) =
1
𝑠 + 1
.
3
𝑠2 + 32
=
3
(𝑠 + 1)(𝑠2 + 32)
=
𝐴
(𝑠 + 1)
+
𝐵. 𝑠 + 𝐶
(𝑠2 + 32)
(𝑠2 + 32) é o fator irredutível que possui raízes complexas, motivo este de tal fração parcial.
Então, para encontrar “A”:
3
(𝑠2 + 32)(𝑠 − 3)
=
𝐴
𝑠 − 3
𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑛𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑟 "𝐵" , 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑡𝑢𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 "s" 𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑜 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑎𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑜
Para encontrar “C”, considere 𝑠 = 0.
Então
𝐴 =
1
6
, 𝐵 = −𝐴 = −
1
6
, 𝐶 =
3
2
Subst. A,B e C:
𝑦(𝑠) =
1
6
(
1
𝑠 − 3
) +
8
18
(
3
𝑠2 + 32
)
Em função do tempo:
𝑦(𝑡) =
1
6
𝑒3𝑡𝑢(𝑡) +
4
9
𝑠𝑒𝑛3𝑡. 𝑢(𝑡)
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
2.4-9 Repita o problema 2.4-7 para
ℎ(𝑡) = (1 − 2𝑡)𝑒−𝑡𝑢(𝑡) e 𝑥(𝑡) = 𝑢(𝑡)
A resposta do um sistema (estado nulo) obedece a seguinte equação:
𝑦(𝑡) = ℎ(𝑡)∗𝑥(𝑡)
Substituindo x(t) e h(t):
𝑦(𝑡) = (1 − 2𝑡)𝑒−2𝑡𝑢(𝑡) . 𝑢(𝑡)
Deixando h(t) e x(t) em função da frequência (vide tabela 1 - Transformada de Laplace):
ℎ(𝑠) =
1
𝑠+2
−
2
(𝑠+2)2
e 𝑥(𝑠) =
1
𝑠
logo,
𝑦(𝑠) = ℎ(𝑠) . 𝑥(𝑠)
𝑦(𝑠) = (
1
𝑠 + 2
−
2
(𝑠 + 2)2
) .
1
𝑠
= ((𝑠 + 2) − 2)
1
𝑠(𝑠 + 2)2
=
𝑠
𝑠(𝑠+2)2
=
1
(𝑠+2)2
Agora esta transformada pode ser obtida diretamente da tabela 4.1
Em função do tempo:
𝑦(𝑡) = 𝑡𝑒−2𝑡
2.4-25 Considere o circuito mostrado na figura P2.4-5.
Figura P2.4-25
a) Determine a saída y(t) dada uma tensão inicial do capacitor de y(0) = 2V e entrada x(t)
= u(t).
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
b) Dada uma entrada x(t) = u(t-1), determine a tensão inicial do capacitor y(t) tal que a saída
y(t) seja 0,5 volts para t = 2 segundos.
Letra a
Através da LTK, nota-se que,
𝑥(𝑡) = 𝑅𝐼 + 𝑦(𝑡)
Sendo que
y(t) = 𝐶
𝑑𝑣(𝑡)
𝑑𝑡
então
𝑥(𝑡) = 𝑅𝐶𝑦(𝑡) + 𝑦(𝑡)
1
𝑅𝐶
𝑥(𝑡) =
1
𝑅𝐶
𝑦(𝑡) + 𝑦(𝑡)
De modo que
𝑎 = −
1
RC
A resposta quando 𝑡 = 0− tem a forma
𝑦𝑜(𝑡) = 𝑐1. 𝑒−
𝑡
𝑅𝐶
Quando t=0
𝑦𝑜(0) = 𝑐1. 𝑒−
0
𝑅𝐶 = 𝑐1 = 2
Então
𝑦𝑜(𝑡) = 2. 𝑒−
𝑡
𝑅𝐶
A resposta de entrada nula é
𝑦𝑜(𝑡) = ℎ(𝑡)∗𝑥(𝑡)
𝑦(𝑡) = (1 + 𝑒−
𝑡
𝑅𝐶) . 𝑢(𝑡)
Letra b
Sabe-se que a resposta de entrada nula é
𝑦𝑜(𝑡) = 𝑦𝑜(0). 𝑒−
𝑡
𝑅𝐶
Desde que o sistema seja invariante no tempo, o passo unitário é avançado 1 segundo gerando
a resposta 𝑥(𝑡) = 𝑢(𝑡 − 1) .Então
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
𝑦(𝑡) = (1 − 𝑒−
𝑡−1
𝑅𝐶 ) 𝑢(𝑡 − 1)
Portanto,
𝑦𝑜(0) = 𝑒
1
𝑅𝐶 − 0,5. 𝑒
2
𝑅𝐶
3.9-4 Utilize o método clássico para resolver
𝑦[𝑛] + 2𝑦[𝑛 − 1] + 𝑦[𝑛 − 2] = 2𝑥[𝑛] − 𝑥[𝑛 − 1]
Com entrada x[n] = 3−n u[n] e condições auxiliares y[0] = 2 e y[1] = −
13
3
.
𝛾2 + 2𝛾 + 1 = (𝛾 + 1)2 = 0
As raízes repetidas são −1
𝑦𝑛[𝑛] = (𝐵1 + 𝐵2𝑛)(−1)
𝑛
As equações do sistema são:
(𝐸2 + 2𝐸 + 1) 𝑦[𝑛] = (2𝐸2 − 𝐸)𝑥[𝑛] e 𝑥[𝑛] = (
1
3
)
𝑛
𝑦[𝑛] = 𝐻 [
1
3
] 3−𝑛 = −
1
16
3−𝑛 𝑛 ≥ 0
𝑦[𝑛] = (𝐵1 + 𝐵2𝑛)(−1)
𝑛 −
1
16
3−𝑛 𝑛 ≥ 0
Para 𝑛 = 0, 1, e substituindo 𝑦[0] = 2 e 𝑦[1] = −
13
3
2 = 𝐵1 −
1
16
−
13
3
= −(𝐵1 + 𝐵2) −
1
48
𝐵1 =
33
16
𝐵2 =
9
4
𝑦[𝑛] = (
33
16
+
9
4
𝑛) (−1)𝑛 −
1
16
(3)−𝑛 𝑛 ≥ 0
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
Respondendo esta questão por transformada Z
𝑦[𝑛] + 2𝑦[𝑛 − 1] + 𝑦[𝑛 − 2] = 2𝑥[𝑛] − 𝑥[𝑛 − 1]
Considerando x[n] = 3−n u[n] e condições auxiliares y[0] = 2 e y[1] = −
13
3
a equação
acima se tornará:
𝑦(𝑧) + 2[𝑧−1𝑦(𝑧) + 𝑦[−1]] + [ 𝑧−1𝑦(𝑧) + 𝑦[−1] + 𝑦[−2]] = 2𝑥(𝑧) − (𝑧−1𝑥(𝑧) + 𝑥[−1])
Sabe-se que
x[-1] e x[-2] = 0
e que
𝑦[1] + 2𝑦[0] + 𝑦[−1] = 2𝑥[1] − 𝑥[0],
𝑦[0] + 2𝑦[−1] + 𝑦[−2] = 2𝑥[0] − 𝑥[1]
portanto:
𝑦[−1] = 2𝑥[1] − 𝑥[0] − 𝑦[1] − 2𝑦[0] (𝐸𝑞 1)
𝑦[−2] = 2𝑥[0] − 𝑥[1] − 𝑦[0] − 2𝑦[−1] (𝐸𝑞 2)
Substituindo y[0] e y[1] na Eq. 1
𝑦[−1] = 2(1) − (
1
3
) −
13
3
− 2(2)
𝑦[−1] = −26
Substituindo y[0] , y[1] e y[-1] na Eq. 2
y[−2] = 2(1)– (
1
3
) − 2 − [2(−26)]
y[−2] = 155
Substituindo as condições iniciais em y[0], y[1] 𝑒 𝑦[−1] e y[-2]
𝑦(𝑧) + 2[𝑧−1𝑦(𝑧) + 𝑦[−1]] + 2[𝑧−1𝑦(𝑧) + 𝑦[−1] + 𝑦[−2]] = 2𝑥(𝑧) − (𝑧−1𝑥(𝑧) )
𝑦(𝑧) + 2[𝑧−1𝑦(𝑧) + −26] + 2[ 𝑧−1𝑦(𝑧) + −26 + 155] = 2𝑥(𝑧) − (𝑧−1𝑥(𝑧) )
𝑦(𝑧)(1 + 2𝑧−1 + 2𝑧−1) − 52 + 258 = x(z)(2 − z−1)
𝑦(𝑧) =
x(z)(2 − z−1)
(1 + 4𝑧−1)
−
206
(1 + 4𝑧−1)
Estado nulo entrada nula
Encontrando o estado nulo
𝑦(𝑧) =
x(z)(2 − z−1)
(1 + 4𝑧−1)
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
Se
x[z] = 3−nu[n]
então, pela tabela de transformadas z:
x[z] =
z
z−3
𝑦(𝑧) =
z
z−3
(2−z−1)
(1+4𝑧−1)
=
z(2−z−1)
(z−3)(1+4𝑧−1)
Multiplicando por
𝑧
𝑧
𝑦(𝑧) =
z(2z−1)
(z2−3z)(𝑧+4)
𝑦(𝑧)
z
=
(2z − 1)
(z2 − 3z)(𝑧 + 4)
=
(2z−1)
z(z−3)(𝑧+4)
=
𝐴
𝑧
+
𝐵
𝑧−3
+
𝐶
𝑧−4
𝐴 =
1
12
, 𝐵 =
5
36
, 𝐶 =
7
4
Então,
𝑦(𝑧) =
𝐴. 𝑧
𝑧
+
𝐵. 𝑧
𝑧 − 3
+
𝐶. 𝑧
𝑧 − 4
𝑦𝑓(𝑧) =
𝑧
𝑧
(
1
2
) +
𝑧
𝑧 − 3
(
5
6
) +
𝑧
𝑧 − 4
(
7
4
)
Em função do tempo
𝑦𝑓[𝑛] = δ[𝑛] (
1
2
) + 3𝑢[𝑛] (
5
6
) + 4𝑢[𝑛] (
7
4
)
𝑦𝑓[𝑛] =
1
2
δ[𝑛] +
5
2
𝑢[𝑛] + 7𝑢[𝑛]
Encontrando a entrada nula
yn[z] =
206
(1 + 4𝑧−1)
Multiplicando por
𝑧
𝑧
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
yn[z] =
206z
(𝑧 + 4)
= (206).
𝑧
𝑧 + 4
Em função do tempo
yn[n] = (−4 )(206)𝑢[𝑛]
Então a resposta total é
𝑦[𝑛] = 𝑦𝑓[𝑛] + 𝑦𝑛[𝑛] =
1
2
δ[𝑛] +
5
2
𝑢[𝑛] + 7𝑢[𝑛] − 824𝑢[𝑛]
4.1-3 Determine a transformada inversa de Laplace (unilateral) das seguintes funções:
b)
3s+5
𝑠2+ 4𝑠+13
c)
(s+1)2
𝑠2+ 𝑠−6
f)
s+2
𝑠(𝑠+1)2
Letra b
Como a função
3s+5
𝑠2+ 4𝑠+13
possui um denominador com raízes complexas ele pertence ao
exemplo
As+B
𝑠2+ 2𝑎𝑠+𝑐
que possui uma transformada de Laplace específica na tabela de
transformadas 1.
Então:
As + B
𝑠2 + 2𝑎𝑠 + 𝑐
= e−at [Acosbt +
B − Aa
𝑏
𝑠𝑒𝑛𝑏𝑡] 𝑢(𝑡)
Sendo 𝑏 = √𝑎2 + 𝑐
Portanto,
e−2t [3. cos√22 + 13 t +
5 − 3x2
√22 + 13
𝑠𝑒𝑛√22 + 13 𝑡] 𝑢(𝑡)
e−2t [3. cos4,123t −
1
4,123
𝑠𝑒𝑛4,123𝑡] 𝑢(𝑡)
e−2t[3. cos4,123t− , 𝑠𝑒𝑛4,123𝑡]𝑢(𝑡)
Letra c
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
Como a função
(s+1)2
𝑠2+ 𝑠−6
não possui um denominador com raízes complexas é necessário
manipular esta função de modo que se possa fazer uma das transformações da tabela de
transformadas 1.
Então:
(s + 1)2
𝑠2 + 𝑠 − 6
=
s2 + 2s + 1
𝑠2 + 𝑠 − 6
Trata-se de um caso especial em que o denominador tem o mesmo grau que o numerador.
Então, deve-se proceder da seguinte maneira:
Divide-se s2 + 2s + 1 por 𝑠2 + 𝑠 − 6 e nota-se que possui como quociente o número 1 e de
resto a equação 3𝑠 + 7.
então,
s2 + 2s + 1
𝑠2 + 𝑠 − 6
=
𝑠2 + 𝑠 − 6
𝑠2 + 𝑠 − 6
(1) +
3𝑠 + 7
𝑠2 + 𝑠 − 6
Ou
s2 + 2s + 1
𝑠2 + 𝑠 − 6
= 1 +
3𝑠 + 7
𝑠2 + 𝑠 − 6
=
3𝑠 + 7
(𝑠 − 2)(𝑠 + 3)
= 1 +
3𝑠 + 7
𝑠2 + 𝑠 − 6
Encontrando a transformada da segunda parcela da equação
3𝑠 + 7
(𝑠 − 2)(𝑠 + 3)
=
𝐴
(𝑠 − 2)
+
𝐵
(𝑠 + 3)
𝐴 =
13
5
, 𝐵 =
2
5
Portanto, em função do tempo:
δ(t) +
13
5
𝑒2𝑡𝑢(𝑡) +
2
5
𝑒−3𝑡𝑢(𝑡)
letra F
Como a função
s+2
𝑠(𝑠+1)2
não possui um denominador com raízes complexas é necessário
manipular esta função de modo que se possa fazer uma das transformações da tabela de
transformadas 1.
Então:
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
s + 2
𝑠(𝑠 + 1)2
=
𝐴
𝑠
+
𝐵𝑠 + 𝐶
(𝑠 + 1)2
𝑁𝑜𝑡𝑎 − 𝑠𝑒 𝑞𝑢𝑒 (𝑠 + 1)2 é 𝑜 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑖𝑟𝑟𝑒𝑑𝑢𝑡í𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑢 2, que exige a fração parcial vista
acima. Então
A = 2 , B = −A = −2 , C = 0
2
𝑠
−
2𝑠
(𝑠 + 1)2
=
Portanto, em função do tempo:
2𝑢(𝑡) − 2𝑠𝑒𝑛𝑡. 𝑢(𝑡)
5.1-4 Usando apenas as transformadas Z da tabela 5.1, determine a transformada Z de cada
um dos seguintes sinais.
a) 𝑢[𝑛] − 𝑢[𝑛 − 2]
b) 𝛾𝑛−2 𝑢[𝑛 − 2]
c) 2𝑛+1 𝑢[𝑛 − 1] + 𝑒𝑛−1 𝑢[𝑛]
d) [2−𝑛 𝑐𝑜𝑠 (
𝜋
3
𝑛)] 𝑢[𝑛 − 1]
Letra a
𝑥[𝑛] = 𝑢[𝑛] − 𝑢[𝑛 − 2] = 𝛿[𝑛] + 𝛿[𝑛 − 1]
De acordo com a tabela 5.1
𝑢[𝑛] − 𝑢[𝑛 − 2] = 1 +
1
𝑧
𝑥[𝑧] =
𝑧 + 1
𝑧
Letra b
𝛾𝑛−2 𝑢[𝑛 − 2] =
1
𝛾2
{𝛾𝑛 𝑢[𝑛] – 𝛿[𝑛] − 𝛾𝛿[𝑛 − 1]}
𝛾𝑛−2 𝑢[𝑛 − 2] =
1
𝛾2
[
𝑧
𝑧 − 𝛾
− 1 −
𝛾
𝑧
]
𝑥[𝑧] =
1
𝑧 (𝑧 − 𝛾)
Letra c
𝑥[𝑛] = 2𝑛+1 𝑢[𝑛 − 1] + 𝑒𝑛−1 𝑢[𝑛]
𝑥[𝑛] = 4 (2)𝑛−1 𝑢[𝑛 − 1] +
1
𝑒
𝑒𝑛 𝑢[𝑛]
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
𝐷𝑒 𝑎𝑐𝑜𝑟𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑎 𝑡𝑎𝑏𝑒𝑙𝑎 5.1
𝑋[𝑧] =
4
𝑧 − 2
+
1
𝑒
𝑧
𝑧 − 𝑒
Letra d
𝑥[𝑛] = [2−𝑛 𝑐𝑜𝑠
𝜋𝑛
3
] 𝑢[𝑛 − 1] = 2−𝑛𝑐𝑜𝑠 (
𝜋𝑛
3
) 𝑢[𝑛] − 𝛿[𝑛]
De acordo com a tabela 5.1
𝑋[𝑧] =
𝑧 (𝑧 − 0.25)
𝑧2 − 0.5𝑧 + 0.25
− 1
𝑋[𝑧] =
0.25(𝑧 − 1)
𝑧2 − 0.5𝑧 + 0.25
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.
Livro: Sinais e Sistemas / Simon Haykin e Barry Van Veen, Cap 2,3,4 e 5.