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)t42

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

x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 2,5 s
y(2.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)210201

Suatu deretan pulsa memiliki tinggi 1, lebar pulsa 2 ms, dan periode 10 ms. Cari amplitudo c1 harmonisa nomor 1, pada 100 Hz.

A = 1τ = 2 msT = 10 ms
c1 =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 45/(s(s + 4)(s + 6)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,2).

F(s) = 45/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t), dengan y(0) = 2 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 1. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,1).

y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 37/(s² + 3s + 37) dan menerima masukan langkah satuan. Kutubnya s = σ ± jωd. Tentukan bagian riil σ.

G(s) = 37/(s² + 3s + 37)
σ =
6.Respons langkahSulit
R(s)+75s(s + 12)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 75/(s(s + 12)). Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah loop tertutup, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 75/(s(s + 12))
ts = s
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​R = 2,2 kΩC = 2,2 nFvout​

Filter lolos rendah RC yang ditunjukkan memiliki R = 2,2 kΩ, C = 2,2 nF. Masukan sinusoidal 330 kHz diberikan. Cari penguatan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 2,2 kΩC = 2,2 nFf = 330 kHz
|H| = 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) = 48/(s(s + 3)(s + 5)). Cari margin penguatan GM dalam dB.

L(s) = 48/(s(s + 3)(s + 5))
GM = dB

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(2.5) = 12

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(2,5) = 3·2·2 = 12

Jawaban

y(2,5) = 12

y(t) berbentuk trapesium: naik dari 0, bertahan di 12, dan turun kembali ke 0 pada t = 6 s.

2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c1 = 0,3742

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)|.

Siklus kerja

D = 2/10 = 0,2

Amplitudo harmonisa

c1 = (2·1/(1π))·|sin(1π·0,2)| = 0,3742

Jawaban

c1 = 0,3742
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.2) = 0,477

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).

Pecahan parsial

F(s) = A/s + B/(s + 4) + C/(s + 6)
A = 45/(4·6) = 1,875
B = 45/((−4)·2) = −5,625
C = 45/((−6)·(−2)) = 3,75

Transformasi balik

f(t) = 1,875 − 5,625·e−4t + 3,75·e−6t

Hitung nilainya

f(0,2) = 1,875 − 5,625·e−4·0,2 + 3,75·e−6·0,2 = 0,477

Jawaban

f(0,2) = 0,477
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.1) = 2

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 + 8s + 12)·Y(s) = 2s + 16 + 24/s
Y(s) = (2s² + 16s + 24)/(s(s + 2)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 24/(2·6) = 2
B = 0/((−2)·4) = 0
C = 0/((−6)·(−4)) = 0

Hasil

y(t) = 2
y(0,1) = 2

Jawaban

y(0,1) = 2

Periksa: y(0) = A + B + C = 2.

5.Respons langkah

Jawaban: σ = −1,5

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 = 37 → ωₙ = 6,083 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6,083) = 0,2466

Hasil

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Jawaban

σ = −1,5
6.Respons langkah

Jawaban: ts = 0,6667 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).

Fungsi alih loop tertutup

T(s) = 75/(s² + 12s + 75): ωₙ = 8,66 rad/s, ζ = 0,6928

Waktu penetapan

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,6667 s

Jawaban

ts = 0,6667 s

Untuk loop ini ζωₙ = a/2 berapa pun K: menaikkan K menambah overshoot tetapi tidak memperpendek waktu penetapan.

7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |H| = −20,07 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/(2200·2,2 × 10⁻⁹) = 206612 rad/s
fc = 32883 Hz → f/fc = 330000/32883 = 10,04

Penguatan

|H| = 1/√(1 + 10,04²) = 0,09916
20·log₁₀(0,09916) = −20,07 dB

Jawaban

|H| = −20,07 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: GM = 7,959 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/3)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(3·5) = 3,873 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 25)) = K/(3·5·(3 + 5)) = K/120

Margin penguatan

GM = 20·log₁₀(120/48) = 7,959 dB

Jawaban

GM = 7,959 dB

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