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)t14h(t)t34

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 1 s dan t = 4 s, dan h(t) hanya antara t = 3 s dan t = 4 s. Cari durasi D dari y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 1 … 4 sh: 3 … 4 s
D = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
δ[n]4+h[n]0,6·z⁻¹+

Suatu sistem memenuhi y[n] = 0,6·y[n − 1] + 4·x[n] dan mulai dari keadaan diam. Cari sampel respons impulsnya h[4].

y[n] = 0,6y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = (4s + 24)/(s² + 4s + 4) dan hitung f(1).

F(s) = (4s + 24)/(s² + 4s + 4)t = 1 s
f(1) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t), dengan y(0) = 3 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 10. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,2).

y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3ts​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 69/(s² + 6s + 23) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 69/(s² + 6s + 23)
ts = s
6.Respons langkahSulit
t (s)y(t)15 %

Sebuah sistem orde dua tanpa nol harus memiliki respons langkah dengan overshoot 5 %. Tentukan rasio redaman ζ.

%OS = 5 %
ζ =
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 10

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 612/((s + 9)(s + 17)) pada ω = 10 rad/s, dalam dB.

G(s) = 612/((s + 9)(s + 17))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 42/(s(s + 2)(s + 10)). Cari margin penguatan GM dalam dB.

L(s) = 42/(s(s + 2)(s + 10))
GM = dB

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: D = 4 s

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).

Awal dan akhir

tstart = 1 + 3 = 4 s
tend = 4 + 4 = 8 s

Jawaban

D = 4 s

Jawaban

D = 4 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: h[4] = 0,5184

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

h[0] = 4
h[1] = 2,4
h[2] = 1,44
h[3] = 0,864
h[4] = 0,5184

Hasil

h[4] = 4·(0,6)4 = 0,5184

Jawaban

h[4] = 0,5184
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(1) = 2,707

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

Pecahan parsial

4s + 24 = 4(s + 2) + 16
F(s) = 4/(s + 2) + 16/(s + 2)²

Transformasi balik

f(t) = 4·e−2t + 16·t·e−2t
f(1) = (4 + 16·1)·e−2·1 = 2,707

Jawaban

f(1) = 2,707
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.2) = 7,325

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

(s² + 10s + 24)·Y(s) = 3s + 30 + 480/s
Y(s) = (3s² + 30s + 480)/(s(s + 4)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 480/(4·6) = 20
B = 408/((−4)·2) = −51
C = 408/((−6)·(−2)) = 34

Hasil

y(t) = 20 − 51·e−4t + 34·e−6t
y(0,2) = 7,325

Jawaban

y(0,2) = 7,325

Periksa: y(0) = A + B + C = 3.

5.Respons langkah

Jawaban: ts = 1,333 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 = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,796) = 0,6255

Hasil

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Jawaban

ts = 1,333 s
6.Respons langkah

Jawaban: ζ = 0,6901

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(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 2,996/√(9,87 + 8,974) = 0,6901

Jawaban

ζ = 0,6901
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = 7,259 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(j10)| = 612/(√(10² + 9²)·√(10² + 17²)) = 612/(13,45·19,72) = 2,306

Hasil

20·log₁₀(2,306) = 7,259 dB

Jawaban

|G(jω)| = 7,259 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: GM = 15,14 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.

Persilangan fasa

(ω/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

Margin penguatan

GM = 20·log₁₀(240/42) = 15,14 dB

Jawaban

GM = 15,14 dB

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