Sinyal dan Sistem: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Konvolusi & sistem LTI

Konvolusi diskret
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Konvolusi kontinu
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Panjang dan jumlah
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Awal, akhir, dan luas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Undak ke e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistem orde satu
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekursi orde satu
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoida melalui h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudo deret Fourier
persegi ±A: 4A/(kπ), k ganjil; segitiga ±A: 8A/(π²k²), k ganjil; deretan pulsa: A·D dan (2A/(kπ))|sin kπD|

Metode

  1. Buat sketsa kedua sinyal dan catat di mana masing-masing tidak nol.
  2. Balikkan h dan geser: untuk setiap waktu keluaran, cari rentang tempat kedua sinyal tumpang tindih.
  3. Kalikan dan jumlahkan (diskret) atau kalikan dan integralkan (kontinu) hanya pada tumpang tindih itu.
  4. Periksa hasilnya: keluaran dimulai pada jumlah waktu-waktu awal, berakhir pada jumlah waktu-waktu akhir, dan luas atau jumlahnya adalah hasil kali luas atau jumlah masukan.

2Soal latihan

1.Konvolusi & sistem LTISedang
x(t)t2h(t)t1

Masukan x(t) = 2·e−3tu(t) diberikan ke sistem dengan h(t) = e−0,5tu(t). Cari keluaran y(1) pada t = 1 s.

x(t) = 2·e−3tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)1020405−5

Gelombang persegi berpindah antara +5 dan −5 dengan periode T = 20 ms (setengah periode pada setiap level). Cari amplitudo c5 komponen Fourier-nya pada 250 Hz.

±5T = 20 msf = 250 Hz
c5 =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = (s + 38)/(s² + 2s + 1) dan hitung f(0,4).

F(s) = (s + 38)/(s² + 2s + 1)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t). Sistem mulai dari keadaan diam (y(0) = 0, y′(0) = 0) dan masukannya adalah fungsi langkah u(t) = 10 untuk t ≥ 0. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari keluaran y(0,3).

y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 153/(s² + 8s + 51) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.

G(s) = 153/(s² + 8s + 51)
%OS = %
6.Respons langkahSulit
t (s)y(t)1tp​ = 0,1 s40 %

Respons langkah sebuah sistem orde dua tanpa nol menunjukkan overshoot 40 %, dan puncak pertama terjadi pada t = 0,1 s. Tentukan frekuensi alami ωn.

%OS = 40 %tp = 0,1 s
ωn = rad/s
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​C = 22 nFR = 4,7 kΩvout​

Filter lolos tinggi RC yang ditunjukkan memiliki R = 4,7 kΩ, C = 22 nF. Masukan sinusoidal 380 Hz diberikan. Cari penguatan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 4,7 kΩC = 22 nFf = 380 Hz
|H| = dB
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 6,8/(s(s + 4)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 6,8/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(1) = 0,4454

Konvolusi kontinu: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Balikkan h, geser ke posisi t, lalu integralkan hasil kali bagian-bagian yang tumpang tindih. Untuk sinyal kausal integralnya berjalan dari 0 sampai t. Hasil yang berguna: luas y sama dengan luas x dikali luas h; jika x berlangsung dari t₁ sampai t₂ dan h dari t₃ sampai t₄, maka y berlangsung dari t₁ + t₃ sampai t₂ + t₄. Untuk h(t) = e−atu(t) dan undak setinggi A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Integral konvolusi

y(t) = 2e−0,5t∫₀ᵗ e−(3 − 0,5)τ dτ = 2(e−0,5t − e−3t)/(2,5)

Hitung nilainya

y(1) = 2·(0,6065 − 0,04979)/(2,5) = 0,4454

Jawaban

y(1) = 0,4454
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c5 = 1,273

Respons impuls dan deret Fourier: respons impuls h(t) menggambarkan sistem LTI sepenuhnya: untuk y′ + a·y = b·x responsnya h(t) = b·e−atu(t), dan untuk y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] responsnya h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoida cos ωt melewatinya dengan penguatan |H(jω)| dan fase ∠H(jω), dengan H adalah transformasi Fourier dari h. Sinyal periodik adalah jumlah harmonisa pada k/T: gelombang persegi ±A hanya memiliki harmonisa ganjil dengan amplitudo 4A/(kπ), gelombang segitiga dengan puncak A memiliki 8A/(π²k²), dan deretan pulsa setinggi A dengan siklus kerja D memiliki rata-rata A·D dan harmonisa (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Nomor harmonisa

f₀ = 1/T = 50 Hz → k = 250/50 = 5

Amplitudo

c5 = 4·5/(5π) = 1,273

Jawaban

c5 = 1,273
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.4) = 10,59

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt mengubah turunan menjadi perkalian dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan baku: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), dan pergeseran s → s + σ mengalikan fungsi waktu dengan e−σt. Untuk membalik F(s) rasional, uraikan menjadi pecahan parsial: residu sebuah kutub tunggal p adalah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorema nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), hanya berlaku jika semua kutub s·F(s) berada di setengah bidang kiri. Teorema nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Faktorkan penyebut

s² + 2s + 1 = (s + 1)²

Pecahan parsial

s + 38 = 1(s + 1) + 37
F(s) = 1/(s + 1) + 37/(s + 1)²

Transformasi balik

f(t) = e−t + 37·t·e−t
f(0,4) = (1 + 37·0,4)·e−0,4 = 10,59

Jawaban

f(0,4) = 10,59
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.3) = 8,143

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt mengubah turunan menjadi perkalian dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan baku: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), dan pergeseran s → s + σ mengalikan fungsi waktu dengan e−σt. Untuk membalik F(s) rasional, uraikan menjadi pecahan parsial: residu sebuah kutub tunggal p adalah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorema nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), hanya berlaku jika semua kutub s·F(s) berada di setengah bidang kiri. Teorema nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformasikan persamaannya

Y(s) = 320/(s(s + 2)(s + 4))

Pecahan parsial

A = 320/(2·4) = 40
B = 320/((−2)·2) = −80
C = 320/((−4)·(−2)) = 40

Haluaran

y(t) = 40 − 80·e−2t + 40·e−4t
y(0,3) = 8,143

Jawaban

y(0,3) = 8,143
5.Respons langkah

Jawaban: %OS = 11,95 %

Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Bandingkan dengan bentuk baku

Penyebut harus cocok dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 51 → ωₙ = 7,141 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7,141) = 0,5601

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,124 = 11,95 %

Jawaban

%OS = 11,95 %
6.Respons langkah

Jawaban: ωn = 32,72 rad/s

Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Rasio redaman

ζ = −ln(0,4)/√(π² + ln²(0,4)) = 0,9163/√(9,87 + 0,8396) = 0,28

Frekuensi alami

ωd = π/tp = π/0,1 = 31,42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31,42/0,96 = 32,72 rad/s

Jawaban

ωn = 32,72 rad/s
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |H| = −12,41 dB

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Frekuensi sudut

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·2,2 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 380/1539 = 0,2469

Penguatan

|H| = 0,2469/√(1 + 0,2469²) = 0,2397
20·log₁₀(0,2397) = −12,41 dB

Jawaban

|H| = −12,41 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 1,581 rad/s

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Persilangan penguatan

ω⁴ + 16ω² − 46,24 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·46,24))/2 = 2,5
ωc = 1,581 rad/s

Jawaban

ωc = 1,581 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems