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)t12

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 1 s dan t = 4 s, dan h(t) hanya antara t = 1 s dan t = 2 s. Cari waktu tstart saat y(t) = x(t) ∗ h(t) dimulai.

x: 1 … 4 sh: 1 … 2 s
tstart = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
5cos(30t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

Masukan x(t) = 5·cos(30t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 5·e−10tu(t). Cari amplitudo Ym keluaran keadaan tunak.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 5cos(30t)
Ym =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = (3s + 22)/(s² + 4s + 4) dan hitung f(0,75).

F(s) = (3s + 22)/(s² + 4s + 4)t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 8y′ + 12y = 48·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(0,25).

y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 5/(s² + 4s + 10) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 5/(s² + 4s + 10)
tp = s
6.Respons langkahSulit
k = 100 N/mc = 13 N·s/mm = 2,5 kgF = 10 Nx(t)

Sebuah massa m = 2,5 kg tergantung pada pegas k = 100 N/m dengan peredam kental c = 13 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 10 N tiba-tiba diberikan. Cari rasio redaman ζ.

m = 2,5 kgk = 100 N/mc = 13 N·s/mF = 10 N
ζ =
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​L = 10 mHC = 0,22 µFR = 50 Ωvout​

Pada filter lolos pita RLC seri yang ditunjukkan, keluaran diambil di seberang R = 50 Ω, dengan L = 10 mH dan C = 0,22 µF. Cari frekuensi pusat (resonansi) f0 dalam Hz.

R = 50 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF
f0 = Hz
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) = 456/(s(s + 6)(s + 9)). Cari margin penguatan GM dalam dB.

L(s) = 456/(s(s + 6)(s + 9))
GM = dB

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: tstart = 2 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 + 1 = 2 s
tend = 4 + 2 = 6 s

Jawaban

tstart = 2 s

Jawaban

tstart = 2 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ym = 0,7906

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)|.

Respons frekuensi

H(jω) = 5/(10 + jω)

Penguatan pada frekuensi masukan

|H(j30)| = 5/√(10² + 30²) = 0,1581
Ym = 5·0,1581 = 0,7906

Jawaban

Ym = 0,7906
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.75) = 3,347

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

3s + 22 = 3(s + 2) + 16
F(s) = 3/(s + 2) + 16/(s + 2)²

Transformasi balik

f(t) = 3·e−2t + 16·t·e−2t
f(0,75) = (3 + 16·0,75)·e−2·0,75 = 3,347

Jawaban

f(0,75) = 3,347
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.25) = 2,404

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 + 48/s
Y(s) = (2s² + 16s + 48)/(s(s + 2)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 48/(2·6) = 4
B = 24/((−2)·4) = −3
C = 24/((−6)·(−4)) = 1

Hasil

y(t) = 4 − 3·e−2t + e−6t
y(0,25) = 2,404

Jawaban

y(0,25) = 2,404

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

5.Respons langkah

Jawaban: tp = 1,283 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 = 10 → ωₙ = 3,162 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3,162) = 0,6325

Hasil

ωd = 3,162·√(1 − 0,6325²) = 2,449 rad/s → tp = π/ωd = 1,283 s

Jawaban

tp = 1,283 s
6.Respons langkah

Jawaban: ζ = 0,4111

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) = √(100/2,5) = 6,325 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(100·2,5)) = 0,4111

Hasil

ζ = 0,4111

Jawaban

ζ = 0,4111
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: f0 = 3393 Hz

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 resonansi

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁷) = 21320 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3393 Hz

Jawaban

f0 = 3393 Hz
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: GM = 4,99 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/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7,348 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

Margin penguatan

GM = 20·log₁₀(810/456) = 4,99 dB

Jawaban

GM = 4,99 dB

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