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)t23h(t)t45

Pulsa x(t) = 3 untuk 0 ≤ t < 2 s (nol di tempat lain) diberikan ke sistem dengan respons impuls h(t) = 5 untuk 0 ≤ t < 4 s (nol di tempat lain). Cari keluaran y(3,5) pada t = 3,5 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 3,5 s
y(3.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
u[n]3+y[n]0,4·z⁻¹+

Suatu sistem memenuhi y[n] = 0,4·y[n − 1] + 3·x[n] dan mulai dari keadaan diam. Masukannya adalah undak satuan x[n] = u[n]. Cari y[4].

y[n] = 0,4y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[4] =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (3s + 10)/(s² + 7s + 10). Transformasi baliknya berbentuk f(t) = A·e−2t + B·e−5t. Tentukan koefisien A dengan pecahan parsial.

F(s) = (3s + 10)/(s² + 7s + 10)
A =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Selesaikan y″ + 8y′ + 12y = 0 dengan y(0) = 9 dan y′(0) = 9 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,4).

y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = 9y′(0) = 9t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)2

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 92/(s² + 7s + 46) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan frekuensi alami ωn dalam rad/s.

G(s) = 92/(s² + 7s + 46)
ωn = rad/s
6.Respons langkahSulit
k = 100 N/mc = 36 N·s/mm = 20 kgF = 5 Nx(t)

Sebuah massa m = 20 kg tergantung pada pegas k = 100 N/m dengan peredam kental c = 36 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 5 N tiba-tiba diberikan. Tentukan simpangan terbesar xmax dalam mm.

m = 20 kgk = 100 N/mc = 36 N·s/mF = 5 N
xmax = mm
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 30

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 624/((s + 4)(s + 12)) pada ω = 30 rad/s, dalam dB.

G(s) = 624/((s + 4)(s + 12))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 70/(s(s + 5)). Cari margin fasa PM dalam derajat.

L(s) = 70/(s(s + 5))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(3.5) = 30

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).

Tumpang tindih pulsa yang dibalik

h(t − τ) adalah pulsa h yang dibalik dan digeser sehingga berakhir di τ = t.

τ ∈ [0, 2] → panjang 2 s

Integral

y(3,5) = 3·5·2 = 30

Jawaban

y(3,5) = 30

y(t) berbentuk trapesium: naik dari 0, bertahan di 30, dan turun kembali ke 0 pada t = 6 s.

2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y[4] = 4,949

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)|.

Iterasi

y[0] = 3
y[1] = 4,2
y[2] = 4,68
y[3] = 4,872
y[4] = 4,949

Hasil

y[4] = 3·(1 − (0,4)5)/(1 − 0,4) = 4,949

Jawaban

y[4] = 4,949
3.Transformasi Laplace

Jawaban: A = 1,333

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 + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 5)

Aturan tutup (cover-up)

Kalikan dengan (s + 2) dan masukkan s = −2: suku B lenyap.

A = (3s + 10)/(s + 5) |s = −2 = 4/3 = 1,333

Jawaban

A = 1,333
(B = 1,667, jadi f(t) = 1,333·e−2t + 1,667·e−5t)
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.4) = 6,465

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

s²Y − 9s − 9 + 8(sY − 9) + 12Y = 0
Y(s) = (9s + 81)/((s + 2)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 63/4 = 15,75
B = 27/(−4) = −6,75

Hasil

y(t) = 15,75·e−2t − 6,75·e−6t
y(0,4) = 6,465

Jawaban

y(0,4) = 6,465

Periksa: y(0) = A + B = 9.

5.Respons langkah

Jawaban: ωn = 6,782 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).

Bandingkan dengan bentuk baku

Penyebut harus cocok dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 46 → ωₙ = 6,782 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·6,782) = 0,516

Hasil

ωₙ = 6,782 rad/s

Jawaban

ωn = 6,782 rad/s
6.Respons langkah

Jawaban: xmax = 62,56 mm

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).

Frekuensi alami dan rasio redaman

ωₙ = √(k/m) = √(100/20) = 2,236 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 36/(2·√(100·20)) = 0,4025

Hasil

xst = F/k = 5/100 m = 50 mm
%OS = 25,13 %
xmax = 50·(1 + 0,2513) = 62,56 mm

Jawaban

xmax = 62,56 mm
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = −3,902 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.

Kalikan besar

|G(j30)| = 624/(√(30² + 4²)·√(30² + 12²)) = 624/(30,27·32,31) = 0,6381

Hasil

20·log₁₀(0,6381) = −3,902 dB

Jawaban

|G(jω)| = −3,902 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: PM = 33,15 °

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 + 25ω² − 4900 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·4900))/2 = 58,61
ωc = 7,656 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(7,656/5) = −146,9°
PM = 180° + ∠L = 33,15°

Jawaban

PM = 33,15°

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