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)t01h(t)t35

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 0 s dan t = 1 s, dan h(t) hanya antara t = 3 s dan t = 5 s. Cari waktu tend saat y(t) = x(t) ∗ h(t) berakhir.

x: 0 … 1 sh: 3 … 5 s
tend = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)510202

Gelombang persegi berpindah antara 2 dan 0 dengan periode T = 10 ms (setengah periode pada setiap level). Cari amplitudo c7 komponen Fourier-nya pada 700 Hz.

0 … 2T = 10 msf = 700 Hz
c7 =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 60/(s(s + 4)(s + 6)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,1).

F(s) = 60/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 6y′ + 5y = 10·u(t), dengan y(0) = 1 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 1. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,3).

y″ + 6y′ + 5y = 10·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)0,5

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 14/(s² + 5s + 28) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan frekuensi alami ωn dalam rad/s.

G(s) = 14/(s² + 5s + 28)
ωn = rad/s
6.Respons langkahSulit
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = K/(s(s + 8)). Tentukan penguatan K yang memberi respons langkah dengan overshoot 2 %.

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 2 %
K =
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,010,010,10,111101010010010001000−20020406080100ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 0,5

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 35(s + 12)/(s(s + 4)) pada ω = 0,5 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 35(s + 12)/(s(s + 4))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 84/(s(s + 7)(s + 8)). Cari margin penguatan GM dalam dB.

L(s) = 84/(s(s + 7)(s + 8))
GM = dB

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: tend = 6 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 = 0 + 3 = 3 s
tend = 1 + 5 = 6 s

Jawaban

tend = 6 s

Jawaban

tend = 6 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c7 = 0,1819

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 = 100 Hz → k = 700/100 = 7

Amplitudo

c7 = 4·1/(7π) = 0,1819

Jawaban

c7 = 0,1819
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.1) = 0,2167

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 = 60/(4·6) = 2,5
B = 60/((−4)·2) = −7,5
C = 60/((−6)·(−2)) = 5

Transformasi balik

f(t) = 2,5 − 7,5·e−4t + 5·e−6t

Hitung nilainya

f(0,1) = 2,5 − 7,5·e−4·0,1 + 5·e−6·0,1 = 0,2167

Jawaban

f(0,1) = 0,2167
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.3) = 1,13

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 + 6s + 5)·Y(s) = 1s + 6 + 10/s
Y(s) = (s² + 6s + 10)/(s(s + 1)(s + 5))

Pecahan parsial

A = 10/(1·5) = 2
B = 5/((−1)·4) = −1,25
C = 5/((−5)·(−4)) = 0,25

Hasil

y(t) = 2 − 1,25·e−t + 0,25·e−5t
y(0,3) = 1,13

Jawaban

y(0,3) = 1,13

Periksa: y(0) = A + B + C = 1.

5.Respons langkah

Jawaban: ωn = 5,292 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 = 28 → ωₙ = 5,292 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·5,292) = 0,4725

Hasil

ωₙ = 5,292 rad/s

Jawaban

ωn = 5,292 rad/s
6.Respons langkah

Jawaban: K = 26,32

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) = K/(s² + 8s + K)

Rasio redaman dari overshoot

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797

Penguatan

ωₙ = 8/(2ζ) = 5,13 rad/s
K = ωₙ² = 26,32

Jawaban

K = 26,32
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −94,74 °

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.

Jumlahkan sudut

∠G = atan(0,5/12) − 90° − atan(0,5/4) = 2,386° − 90° − 7,125°

Hasil

∠G(j0,5) = −94,74°

Jawaban

∠G(jω) = −94,74°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: GM = 20 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/7)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(7·8) = 7,483 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 64)) = K/(7·8·(7 + 8)) = K/840

Margin penguatan

GM = 20·log₁₀(840/84) = 20 dB

Jawaban

GM = 20 dB

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